轿车盘式制动器设计及优化毕业论文

I轿车盘式制动器设计及优化摘 要盘式制动器主要用于行车制动，其制动效能稳定，在汽车中得到广泛的应用。首先通过了解制动器的设计要求，对盘式制动器进行初始设计；然后再对盘式制动器进行优化设计。本设计通过对摩擦片的中心圆半径、摩擦片直径、制动盘的直径、活塞直径、制动盘厚度、油缸内的油压等参数的优化设计，以制动时间、制动盘的厚度、制动盘的温升作为优化设计目标，建立盘式制动器的优化设计数学模型。选用合理的优化设计方法，编写 MATALB 程序，通过优化程序的运行，得到最终优化结果，从而得出盘式制动器较合理的尺寸。关键词：盘式制动器；轿车；设计；优化IIDesign and Optimization of Disk Brake on CarABSTRACTDisc brakes are mainly used to brake when vehicle is steering. Due to stability of disk brakes, they are widely used on vehicles. First through understanding the design requirements of brake, do the initial design of disk brake；second doing the optimal design for disk brake. In this design, it optimizes the design through the optimal design of the radius of center circle of friction sheet, the diameter of friction sheet, the diameter of disc drake, the diameter of piston, the deep of dish brake, the oil pressure in oil jar and so on, and taking the time of braking, the deep of disc brake, the temperature of disk brake as the aim of optimization, then establish the disk brake optimal designs mathematical function model. selecting a reasonable optimal designs tools and raddle program by MATLAB. Passing the optimal programs operation, get the eventually optimal result, so we can conclude the reasonable dimension of disc brake.Keyboard: Disc brake; Car; Design; OptimizationIII目 录前言 .11 汽车制动系概述 .21.1 汽车制动器 .21.2 浮动钳式盘式制动器 .31.3 盘式制动器的优缺点及应用 .42 盘式制动器的设计 .52.1 制动器主要零部件的设计 .52.2 盘式制动器工作间隙的调整 .62.3 摩擦衬片（衬块）的磨损特性计算 .73 钳盘式制动器的优化设计 .83.1 概述 .83.2 建立盘式制动器优化设计的数学模型 .83.2.1 选取设计变量 .103.2.2 确立目标函数 .113.2.3 确立约束条件 .113.3 选用合适的算法求解 .123.4 优化结果比较 .124 结束语 .135 谢辞 .14参考文献 .15附录 A 外文翻译 原文部分 .16附录 B 外文翻译 译文部分 .19附录 C 优化设计程序 .22华东交通大学毕业设计1前 言2006 年我国汽车产销量双双突破 700 万辆，分别达到 727.97 万辆和 721.6 万辆，同比增长 27.32%和 25.13%。在目前巨大的市场需求导引下，2007 年我国汽车产销量将继续保持较高增长速度，行业竞争将更加激烈，个性化需求特征越来越明显。各汽车生产厂商为适应市场的需求变化，就必须努力提高现有的汽车生产、设计水平、降低生产成本，更大程度地去满足顾客的个性化需求。汽车作为一种最广泛的交通运输工具，在现代社会的经济发展和日常生活中发挥着十分重要的作用。汽车工业在国民经济中占有举足轻重的地位，汽车工业的发展水平在很大程度上反映了一个国家的经济发展水平和科技水平。科学技术的不断进步是现代大工业的特点，这一点在汽车工业中表现得尤为突出，汽车既是资金密集又是技术密集的工业产品。汽车的设计和制造涉及到很多科学技术领域，可以说，汽车产品是人类智慧结晶。先进的科学技术造就了现代化的汽车，现代汽车工业反过来又刺激了科学技术的发展。汽车质量是汽车生产企业的生命线，其中安全性能尤为重要。汽车制动系统是汽车行驶的一个重要主动安全系统，其性能的好坏对汽车的行驶安全有着重要影响。随着汽车的行驶速度和路面情况复杂程度的提高，更加需要高性能长寿命的制动系统。其中汽车制动器是汽车制动系统的制动执行装置，制动器的性能直接影响到汽车制动系统的可靠性，因此对汽车汽车制动器的安全性设计提出了更高的要求。优化设计能比较好地把现代设计理论和经过长期实践验证的设计内容结合起来。这种技术在设计领域具有巨大的应用潜力，它的推广应用，对促进我国设计工作现代化起到重要作用。虽然机械设计中采用最优化技术的历史很短，但其进展的速度却是十分的惊人的。无论在机构综合、通用机械零部件设计，还是在各种专业机械和工艺装备的设计都由于采用了最优化技术而取得了显著成果。汽车优化设计理论与方法的推广和普及，大大地缩短了产品开发周期，降低了生产成本。这对于那些面临着要进行多型号小批量生产并且客户的要求在不断地改变的企业来说，采用优化设计将大大减少设计的工作量并节省从客户发单到开始生产的时间，从而增强企业的竞争力。本设计以小轿车为例进行汽车盘式制动器的优化设计，并且前后轮都使用盘式制动器为前提条件的。此次毕业设计的题目是“轿车盘式制动器设计及优化” ，首先对盘式制动器进行初始设计，然后建立优化设计数学模型，编写程序，通过程序运行后得到盘式制动器的合理结构尺寸。吴健：轿车盘式制动器设计及优化21 汽车制动系概述制动系的功用是使汽车以适当的减速度降速行驶直至停车，在下坡行驶时使汽车保持适当的稳定车速，使汽车可靠地停在原地或坡道上。汽车制动系直接影响着汽车行驶的安全性和停车的可靠性。随着高速公路的迅速发展和车速的提高以及车流密度的日益增大，为了保证行车安全、停车可靠，汽车制动系的工作可靠性显得日益重要。也只有制动性能良好、制动系工作可靠的汽车，才能充分发挥其制动性能。制动系至少有行车制动装置和驻车制动装置。前者用来保证第一项功能和在不长的坡道上行驶时保证第二项功能，而后者则用来保证第三项功能。除此之外，有些汽车还设有应急制动和辅助制动装置。应急制动装置利用机械力源(如强力压缩弹簧)进行制动。在某些采用动力制动或伺服制动的汽车上，一旦发生蓄压装置压力过低等故障时，可用应急制动装置实现汽车制动。同时，在人力控制下它还能兼作驻车制动用。辅助制动装置用在山区行驶的汽车上，利用发动机排气制动或电涡流制动等的辅助制动装置，可实现汽车下长坡时持续地减速或保持稳定的车速，并减轻或者解除行车制动装置的负荷。行车制动装置和驻车制动装置，都由制动器和制动驱动机构两部分组成。任何制动系都是由以下 4 个部分组成：（1）供能装置。包括供给、调节制动所需能量以及改善传能介质的各个部件。（2）控制装置。包括产生制动作用和控制制动效能的各个部件。（3）传动装置。包括将制动能量传到制动器的各个部件及管路，如制动主缸、轮缸及连接管路。（4）制动器。产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件。一般通过固定元件与旋转元件工作表面之间的摩擦作用来实现。较完善的制动系还应具有制动力调节装置、报警装置、压力保护装置等附加装置。1.1 汽车制动器汽车制动器几乎都是机械摩擦式的，即是利用固定元件与旋转元件工作表面间的摩擦而产生制动力矩使汽车减速或停车的。辅助制动装置是利用发动机排气或其他缓速措施对下长坡的汽车进行减缓或稳定车速外。汽车制动器按其在汽车上的位置分为车轮制动器和中央制动器，前者是安装在车轮处，后者则安装在传动系的某轴上，例如变速器第二轴的后端或传动轴的前端。车轮制动器主要用作行车制动装置，有的也兼作驻车制动之用；而中央制动器则仅用于驻车制动，当然也可起应急制动的作用。摩擦式制动器按其旋转元件的形状又可分为鼓式和盘式两大类。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器。由于外束型鼓式制动器通常简称为带式制动器，而且在汽车上已很少采用，所以内张型鼓式制动器通常简称为鼓式制动器，而通常所说的鼓式制动器即是内张型鼓式结构。盘式制动器的旋转元件是一个垂向安放且以两侧面为工作面的制动盘，其固定摩擦元件一般是位于制动盘两侧并带有摩擦片的制动块。当制动盘被两侧的制动块夹紧时，摩擦表面便产生作用于制动盘上的摩擦力矩。盘式制动器常用作轿车的车轮制动器，也可用作各种汽车的中央制动器。摩檫式制动器按摩檫副结构形式不同，可分为鼓式、盘式和带式三种。带式制动器只华东交通大学毕业设计3用于中央制动器；鼓式和盘式制动器的结构形式有多种，如图 1 所示：制动器鼓 式 盘 式 带 式领从蹄式单向双领蹄式双向双领从蹄式双从蹄式单向增力式双向增力式钳盘式 全盘式固定钳式 浮动钳式滑动钳式 摆动钳式图 1 制动器的分类1.2 浮动钳式盘式制动器浮动钳式盘式制动器的制动钳体是浮动的。其浮动方式有两种，一种是制动钳体可作平行滑动；另一种是制动钳体可绕一支承销摆动(见图 2)。因而有滑动钳式盘式制动器和摆动钳式盘式制动器之分。但它们的制动油缸均为单侧的，且与油缸同侧的制动块总成是活动的，而另一侧的制动块总成则固定在钳体上。制动时在油液压力作用下，活塞推动活动制动块总成压靠到制动盘，而反作用力则推动制动钳体连同固定制动块总成压向制动盘的另一侧，直到两制动块总成受力均等为止。对摆动钳式盘式制动器来说，钳体不是滑动而是在与制动盘垂直的平面内摆动。这样就要求制动摩擦衬块应预先做成楔形的( 摩擦表面对背面的倾斜角为 6左右)。在使用过程中，摩擦衬块逐渐磨损到各处残存厚度均匀(一般约为 l mm)后即应更换。浮动钳式盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸，结构简单，造价低廉，易于布置，结构尺寸紧凑，可以将制动器进一步移近轮毂，同一组制动块可兼用于行车和驻车制动。浮动钳由于没有跨越制动盘的油道或油管，减少了受热机会，单侧油缸又位于盘的内侧，受车轮遮蔽较少使冷却条件较好，另外，单侧油缸的活塞比两侧油缸的活塞要长，也增大了油缸的散热面积，因此制动液温度比用固定钳时低 3050，气化的可能性较小。但由于制动钳体是浮动的，必须设法减少滑动处或摆动中心处的摩擦、磨损和噪声。吴健：轿车盘式制动器设计及优化4图 2 浮动钳式盘式制动器工作原理图1.3 盘式制动器的优缺点及应用与鼓式制动器相比，盘式制动器的优点如下 ：4（1）热稳定性较好。这是因为制动盘对摩擦衬块无摩擦增力作用；另外，制动摩擦衬块的尺寸不大，其工作表面的面积仅为制动盘面积的 12%16%，故热散性好。（2）水稳定性较好。这是因为制动衬块对制动盘的单位压力高，易将沾附的水挤出，同时离心力也易将沾水甩掉，再加上衬块对盘的擦拭作用，制动器出水后只需一两次制动即能恢复正常；而鼓式制动器则需经过甚至十余次制动方能恢复正常的制动效能。（3）制动稳定性好。由于盘式制动器的制动力矩与其制动油缸的活塞推力及摩擦系数成线性关系，还由于无自行增势作用，因此在制动过程中制动力矩增长较缓和，与鼓式制动器相比，能保证高的制动稳定性。（4）制动力矩与汽车前进和后退的行驶状态无关。（5）在输出同样大小的制动力矩条件下，盘式制动器的结构尺寸和质量比鼓式的要小。（6）盘式制动器的摩擦衬块比鼓式制动器的摩擦衬片在磨损后更易更换，结构也较简单，维修、保养容易。（7）制动盘与摩擦衬块的间隙小（0.05mm0.15mm） ，因此缩短了油缸活塞的操作时间，并使制动驱动机构的力传动比有增大的可能。（8）制动盘的热膨胀不会像制动鼓那样引起制动踏板行程损失，这也使得间隙调整装置的设计可以简化。（9）易于构成多回路制动驱动环境，使系统有较好的可靠性与安全性，以保证汽车在任何车速下各车轮都能均匀一致地平稳制动。（10）能方便地实现制动器磨损警报，以便能及时地更换摩擦衬块。盘式制动器的主要缺点是难于完全防止尘污和锈蚀（但封闭的多片式全盘式制动器除外） ；兼作驻车制动器时，所需附加的驻车制动驱动机构较复杂，因此，有的汽车采用前轮为盘式后轮为鼓式的制动系统；另外，由于无自行增力作用，制动效能较低，中型轿车若采用时需有加力装置。盘式制动器尤其是浮动钳式盘式制动器已十分广泛地用于轿车的前轮。与鼓式后轮制动器配合，也可使后轮制动器较容易地附加驻车制动的驱动机构，兼作驻车制动器之用，有些高性能轿车的前后轮均采用了盘式制动器，主要是为了保持制动力分配系数的稳定。华东交通大学毕业设计52 盘式制动器的设计本设计中制动器采用的结构型式为浮动钳式盘式制动器。2.1 制动器主要零部件的设计计算过程和算法参考文献1P54、P79P81 ，制动器结构简图见图 2（a） 。(1) 制动盘制动盘直径 希望尽量大些，这时制动盘的有效半径得以增大，就可以降低制动钳D的夹紧力，降低摩擦衬块的单位压力和工作温度，但制动盘直径 受到轮辋直径的限制。D通常，制动盘的直径 选择为轮辋直径的 70%79%，而总质量大于 2t 的汽车应取其上限。根据所已知轮胎半径 =350mm，查 GBT2978-1997,选用轮胎型号为 215/82SR14。r轮辋直径为 14in=355.6mm（1in=2.54mm ）制动盘直径 mm mm7.0635D9.2489.0取 D=256mm。制动盘厚度 直接影响着制动盘质量和工作时的温升。为使质量不致太大，制动盘厚a度应取得适当小些，为了降低制动工作时的温升，制动盘厚度又不宜过小。采用不带通风槽的制动盘（实心盘） ，其厚度约在 10mm13mm 之间。选取制动盘的厚度 =12mm制动盘采用珠光体灰铸铁制成，其结构形式采用礼帽形（用于钳盘式制动器） 。制动盘的工作表面应光洁平整，制造时应严格控制表面的跳动量、两侧表面的平行度（厚度差）及制动盘的不平衡量。制动盘两侧表面不平行度不应大于 0.008mm；盘的表面摆度差不应大于 0.1mm；制动盘表面粗糙度不应大于 0.06mm。(2) 制动钳制动钳采用灰铸铁 QT400-18 制造，做成整体的，在钳体中加工出制动油缸。为了减少传给制动液的热量，将杯形活塞的开口端顶靠制动块的背板。活塞由铸铝合金制造。为了提高其耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。当制动钳体由铝合金制造时，减少传给制动液的热量则成为必须解决的问题。为此，应减小活塞与制动块背板的接触面积，有时也采用非金属活塞。取活塞直径 为 48mm。PD制动钳在汽车上的安装位置在车轴后方，位于车轴后可减小制动时轮毂轴承的合成载荷 。1(3) 制动块制动块由背板和摩擦衬片构成，两者直接牢固地压嵌在一起，衬块设计为长圆形的。活塞应能压住尽量多的制动块面积，以免衬块发生卷角而引起尖叫声。汽车摩擦衬块的厚度取为 14mm，衬片工作半径为 105mm。该盘式制动器装有摩擦衬块磨损到极限装置的报警装置（见图 3） ，以便能及时更换摩擦衬块。摩擦衬块工作面积 。推荐根据制动摩擦衬块单位面积占有的汽车质量在A1.6kg/cm 3.5kg/cm 范围内选取。22吴健：轿车盘式制动器设计及优化6根据要求计算摩擦衬块面积取值范围： cm ； cm ；14.96.4382