盘式制动器项目设计方案

1 盘式制动器 项目设计方案 动系统的基本概念： 使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车的速度保持稳定，以及使已停驶的汽车保持不动 ， 这些作用统称为制动；汽车上装设的一系列专门装置，以便驾驶员能根据道路和交通等情况，借以使外界（主要是路面）在汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，对汽车进行一定程度的制动，这种可控制的对汽车进行制动的外力称为制动力；这样的一系列专门装置即称为制动系。 这种用以使行驶中的汽车减速甚至停车的制动系称为行车制动系；用以使已停驶的汽车驻留原地不动的装置，称为驻车制动系。这两 个制动系是每辆汽车必须具备的。 图 1 汽车制动系组成 1 2 3 4 5 6 7 8 2 9 制动主缸； 1011 12 13任何制动系都具有以下四个基本组成部分 （如图 示） ： 供能装置 ： 包括供给、调节制动所需能量以及改善传能介质状态的各种部件。 控制装置 ： 包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件。 传动装置 ： 包括将 制动能量传输到制动器的各个部件 制动器 ： 产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力（制动力）的部件，其中包括辅助制动系中的缓速装置。 按制动能源来分类，行车制动系可分为，以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系称为人力制动系；完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制动的则是动力制动系，其制动源可以是发动机驱动的空气压缩机或油泵；兼用人力和发动机动力进行制动的制动系称为伺服制动系。 驻车制动系可以是人力式或动力式 。 专门用于挂车的还有惯性制动系和重力制动系。按照制动能量的传输方式，制动系可分为机械式 、液压式、气压式和电磁式等。同时采用两种以上传能方式的制动系可称为组合式制动系。 制动系统是评价汽车安全性的一个重要因素，也是汽车的重要组成部分之一。当今汽车行业已经非常发达，人类对汽车的性能要求也越来越高。一款安全、轻便、环保、经济的制动系统可以大大提高汽车的性能。这也是汽车设计人员不断追求的目标。 3 二、 盘式制动器结构形式简介 式制动器的分类 盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两大类。 （ 1）钳盘式 钳盘式制动器按制动钳的结构型式又可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等。 定钳盘式制动器：这种制动器中的制动钳固定不动，制动盘与车轮相联并在制动钳体开口槽中旋转。具有下列优点：除活塞和制动块外无其他滑动件，易于保证制动钳的刚度；结构及制造工艺与一般鼓式制动器相差不多，容易实现从鼓式制动器到盘式制动器的改革；能很好地适应多回路制动系的要求。 浮动盘式制动器： 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。故有滑动和摆动之分，其中滑动应用的较多。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 即应更换。 这种制动器具有以下优点：仅在盘的内侧有液压缸，故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近轮毂；没有跨越制动盘的油 道或油管加之液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小。 （ 2）全盘式 在全盘式制动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆形盘，制动时各盘摩擦表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。由于这种制动器散热条件较差，其应用远没有浮钳盘式制动器广泛。 式制动器的优缺点 盘式制动器比鼓式制动器的优点： （ 1） 热稳定好，原因是一般无自行増力作用，衬块摩擦表现压力分布较鼓式中的衬片更为 4 均匀，此外，制动鼓在受热膨胀后，工作半径增大，使其只能与蹄的中部接触，从而降低了制动效能，这称为机械衰退，制动盘的轴向膨胀极小，径 向膨胀根本与性能无关，故无机械衰退问题，因此，前轮采用盘式制动器。汽车制动时不易跑偏。 （ 2） 水稳定性好，制动块对盘的单位压力高，易于将水挤出，因而浸水后效能降低不多，又由于离心力作用及衬块对盘的擦拭作用，出水后只需经一，二次制动即能恢复正常。鼓式制动器则需经十余次制动方能恢复。 （ 3） 制动力矩与汽车运动方向无关。 （ 4） 易于构成双回路制动系，使系统有较高的可靠性和安全性。 （ 5） 尺寸小，质量小，散热良好。 （ 6） 压力在制动衬块上的分布比较均匀，故衬块磨损也均匀。 （ 7） 更换衬块简单容易。 （ 8） 衬块与制动盘之间的间隙小（ 从而缩短了制动协调时间。 （ 9） 易于实现间隙自动调整。 （ 10） 能方便地实现制动器磨损报警，以便及时更换摩擦衬块。 盘式制动器的主要缺点： （ 1） 难以完全防止尘污和锈蚀（封闭的多片全盘式制动器除外）。 （ 2） 兼作驻车制动器时，所需附加的手驱动机构比较复杂。 （ 3） 在制动驱动机构中必须装有助力器。 （ 4） 因为衬块工作表面小，所以磨损快，使用寿命低，需用高材质的衬块。 车制动器结构的最终选择 汽车制动简单来讲，就是利用摩擦将动能转换成热能，使汽车失去动能而停止下来。因此，散热对 制动系统 是十分重要的。如果制动系统经常处于高温状态，就会阻碍能量的转换过程，造成制动性能下降。越是跑得快的汽车，制动起来所产生的热量越大，对制动性能的影响也越大。解决好散热问题，对提高汽车的制动性能也就起了事倍功半的作用。所以，现代轿车的车轮除了使用铝合金车圈来降低运行温度外，还倾向于采用散热性能较好的盘式制动器 。 当然，盘式制动器也有自己的缺陷。例如对制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦片的耗损量较大，成本贵 ， 而且由于摩擦片的面积小，相 对摩擦的工作面也较小，需要的制动 5 液压高，必须要有助力装置的车辆才能使用。而 鼓式制动器 成本相对低廉，比较经济。四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的 70% 80%，因此前轮制动力要比后轮大。轿车生产厂家为了节省成本，就采用前轮盘式制动，后轮鼓式制动的方式。但随着轿车车速的不断提高，近年来采用盘式制动器的轿车日益增多，尤其是中高级轿车，一般都采用了盘 式制动器。 纵观现代商务车市场，随着人类对汽车安全性能重视的加剧，为了保持制动力系数的稳定性以及考虑到盘式制动器的优点，在商务车领域盘式制动器已基本取代鼓式制动器，特别是浮动钳盘式。根据制动盘的不同，盘式制动器还可分为普通盘式和通风盘式。 普通盘式我们比较容易理解，就是实心的。通风盘式就是空心的，顾名思义具有 通 风功效，指的是汽车在行使当中产生的离心力能使空气对流，达到散热的目的，这是由盘式碟片的特殊构造决定的。从外表看，它在圆周上有许多通向圆心的洞空，这些洞空是经一种特殊工艺（ 造而成，因此比普通盘式散热效果要好许多。由于制造工艺与成本的关系，一般中高级轿车中普遍采用前通风盘、后普通盘的制动片。如 车，部分高级轿车采用前后通风盘。值得一提的是，在前轮使用通风盘正在逐步取代使用实心盘。 大部分的制动力分配到前轮，防止甩尾，对前刹的散热要求很高，所以一般前轮都会采用通风盘 。 综上所述，本次车设计，前后轮均采用浮动钳盘式制动器。其中前轮制动盘选择通风盘，后轮选择普通盘。 三、制动器的参数和设计 盘式制动器设计的一般流程 为：根据设计要求，所给数据，依据国家标准确定出整车总布置参数。在有关的整车总布置参数及制动器结构型式确定之后，根据已给参数并参考已有的同等级汽车的同类型制动器，初选制动器的主要参数，并据以进行制动器结构的初步设计；然后进行制动力矩和磨损性能的验算，并与所要求的数据比较，直到达到设计要求。 之后再根据各项演算和比较的结果，对初选的参数进行必要的修改，直到基本性能参数能满足使用要求为止；最后进行详细的结构设计和分析。 在这里先给出该车的整车参数： 整车空载质量： 1320 载时轴荷分配：前轴 60%，后轴 40%）； 6 整车满载质量： 1695载时轴荷分配：前轴 55%，后轴 45%）； 质心高度 ; ) ）； 轴距： 轮胎规格： 205/55 同步附着系数选择： 动盘直径 D 制动盘直径 D 应尽可能取大些，这是制动盘的有效半径得到增大，可以减小制动钳的夹紧力，降低衬块的单位压力和工作温度，受轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为 7079。本设计中： 轮辋直径为： 16 406 制动盘直径为： D=406 74% 300R=150 h 制动盘厚度 h 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，制动盘厚度又不宜过小。制动盘可以制成实心的，而为了通风散热，又可在制动盘的两工作面之间铸出通风孔道。通常，实心制动盘厚度可取 10有通风孔道的制动盘的两工作面之间的尺寸，即制动盘的厚度取为 20多采用 20 在本设计中：前制动器采用通风盘，取厚度 h=25制动盘采用实心盘，取厚度 h=12擦衬块内半径1此比值偏大，工作时衬块的外缘与内侧圆周速度相差较多，磨损不均匀，接触面积减小 ，最终将导致制动力矩变化大。在本设计中 ： 取1R=1152R=148 则外内半径比： 合要求。 平均半径： 12 21 。 有效半径： 3)(221223132 （有效半径即衬块作用力点到制动盘中心的距离） 7 且满足 (,221 擦衬块面积 根据制动衬块单位面积占有汽车质量，推荐在 题取 2/2.3 %551 69 5 由此可以得到摩擦衬块的圆心角 。由 2122360，解得： 03 6 0 222122 表 一些国产汽车前盘式的制动器的主要参数 车牌 车型 制动盘外径 /作半径/动盘厚度/擦衬块厚度/擦面积/云雀 12 86 10 9 拓 15 91 10 0 桑塔纳 2000 256 106 20 14 76 奥迪 100 256 104 22 14 96 动轮缸压强 p： 制动轮缸压强 p 选取， 制动管路压力越高，驱动机构越紧凑，但对密封要求也更严格。一般不超过 1012式可更高。本题选 P=11 擦力的计算和摩擦系数的验算： 1）计算单个前车轮受到地面的摩擦力大小 车速为 V=30km/h=s 汽车前轮在刹车过程做功 ， 前轮动能消耗 2%5521 ,由于能量守恒，所以 2%55212 解得单个前 轮受到的摩擦力 u 1 9 5%554%55 22 8 2）计算单个制动衬块对制动盘的正压力大小 对车轮进行受力分析，受到地面对车轮的摩擦力矩和衬块对制动盘的摩擦力矩。两个力矩相平衡。 地面对车轮的摩擦力矩等于单个前轮受到的摩擦力与车轮的滚动半径的乘积。滚动半径大小查下表得。本题滚动半径 R。 单个前轮的受力为： 4 1 2e 滚 因为（ 148： 7其压强取 P=11： N= e 符合 f 动力矩的计算和验算： 假设衬块的摩擦表面与制动盘接触良好，且各处的单位压力分布均匀，则盘式制动器的制动力矩为 f 摩擦系数取 f； 活塞端面积 N 单侧制动 块对制动盘的压紧力 活塞直径 R 有效半径 24 DA 010 222 9 084344 W 则 （制动力矩的验算： 按照设计要求，制动器需要的制动力矩为 )( k 式中： G 车重（ N） 9 g 重力加速度 （ 2/10 j 制动减速度 )/()1 220 ,0v 制动初速度 （ km/h） 车轮滚动半径 （ m） 2220 /)1 10 2101695%55 2 因为制动器所能提供的制动力矩 车辆制动所需要的制动力矩 M， 所以上述设计符合设计要求。 车制动计算 汽车在上坡路上停驻时的受力简图如图 示。由该图可得出汽车上坡停驻的后周车轮的附着力为： )s o s( 12 ga 同样可求出汽车下坡停驻时的后轴车轮的附着力为： )s o s( 12 ga 10 图 2 汽车在上坡路上停驻时的受力简图 根据后轴车轮附着力与制动力相等的条件可求得汽车在上坡路和下坡路上停驻时的坡度极限倾角 ， ，即由 s in)s o s( 1 求得汽车在上坡时可能停驻的极限上坡路倾角为： 1 248 0 3 0 4 ct ct 汽车在下坡时可能停驻的极限下坡路倾角为： 1a r c t a 在本设计中： ar ct ct 一般要求各类汽车的最大驻坡度不小于 16% 20% （ ），满足要求。 11 四、制动器主要零部件的结构设计 动盘 制动盘一般用珠光体铸铁制成，或用添加 ,结构形状有平板形和礼貌形。制动盘在工作时不仅承受着制动块作用的法向力和切向力，而且承受着热负荷。为了改善冷却效果，钳盘式制动器的制动盘有的铸成中间有径向通风槽的双层盘，这样可大大地增加散热面积， 降低温升约 20%但盘的整体厚度较厚。 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。参考表 一些轿车制动盘的表面跳动量、两侧表面的平行度及不平衡量 车型 表面跳动量 /侧表面的不平行度 /不平衡量 /迪、红旗 雀 拓 据有关文献规定：制动盘两侧表面不平行度不应大于 动盘表面粗糙度不应 大于 本次设计采用的材料为合金铸铁，结构形状为礼帽形，前通风盘，后实心盘。 12 图 3 礼帽形制动盘 动钳 制动钳由可锻铸铁 有用轻合金制造的。例如用铝合金压铸。可做成整体的，也可做成两半并由螺栓连接。其外缘留有开口，以便不必拆下制动钳便可检查或更换制动块。制动钳体应有高的强度和刚度。在钳体中加工出制动油缸。为了减少传给制动液的热量，将活塞的开口端顶靠制动块的背板。活塞由铸铝合金制造，为了提高耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。为了解 决因制动钳体由铝合金制造而减少传给制动液的热量的问题，减小了活塞与制动块背板的接触面积。 制动钳在汽车上的安装位置可在车轴的前方或后方。制动钳位于车轴前可避免轮胎甩出来的泥，水进入制动钳，位于车轴后则可减小制动时轮毂轴承的合成载荷。 因此本次设计采用可锻铸铁，整体式、镀铬处理，前制动钳位于车轴后，后制动钳位于车轴前。 动块 制动块由背板和摩擦衬块构成，两者直接牢固地压嵌或铆接或粘接在一起。衬块多为扇形，也有矩形，正方形或圆形的。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。制动块背板 由钢板制成。为了避免制动时产生的热量传给制动钳而引起制动液汽化和减小制动噪声，可在摩擦衬块与背板之间或在背板后粘（或喷涂）一层隔热减震垫（胶）。由于单位压力大和工作温度高等原因，摩擦衬块的磨损较快，因此其厚度较大。许多盘式制动器装有衬块磨损达极限时的警报装置，以便及时更换摩擦衬片。本次设计取衬块厚度 14隔热减震垫，有报警装置。 擦材料 制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数，抗热衰退性能好，不能在温度升到某一数值后摩擦系数突然急剧下降；材料的耐磨性好，吸水率低，有较高的耐挤压和耐冲击性能；制动 时不产生噪声和不良气味，应尽量采用少污染和对人体无害的摩擦材料。 以往车轮制动器采用广泛应用的模压材料，它是以石棉纤维为主并与树脂粘结剂、调整摩擦性能的填充剂 (由无机粉粒及橡胶、聚合树脂等配成 )与噪声消除剂 (主要成分为石墨 )等混合后，在高温下模压成型的。模压材料的挠性较差，故应按衬片或衬块规格模压，其优点是可以选用各种不同的聚合树脂配料，使衬片或衬块具有不同的摩擦性能和其他性能。 13 表 擦材料性能对比 材料 性能 有 机 类 无 机 类 制法 编制物 石棉模压 半金属模压 金属烧结 金属陶瓷 烧结 硬度 软 硬 硬 极硬 极硬 密度 小 小 中 大 大 承受负荷 轻 中 中 中 重 摩擦系数 中 低 低 低 低 摩擦系数稳定性 差 良 良 良 优 常温下的耐磨性 良 良 良 中 中 高温下的耐磨性 差 良 良 良 优 机械强度 中 低 低 高 高 热传导率 低 低 中 高 高 抗振鸣 优 良 中 差 差 抗颤振 - 中 中 - - 对偶性 优 良 中 差 差 价格 中 低 中 高 高 带式中央 制动器采用编织材料，它是先用长纤维石棉与铜丝或锌丝的合丝编织成布，再浸以树脂粘合剂经干燥后辊压制成。其挠性好，剪切后可以直接铆到任何半径的制动蹄或制动带上。在 100 120温度下，它具有较高的摩擦系数 (f =，冲击强度比模压材料高 4 5 倍。但耐热性差，在 200 250以上即不能承受较高的单位压力，磨损加快。表 5 此次设计综合考虑各种材料，采用性能更好、环保效果更好的半金属材料。摩擦系数为f=动轮缸 制动 轮缸的缸体由灰铸铁 缸筒为通孔，需镗磨。 动器间隙的调整方法及相应机构 制动盘与摩擦衬块之间在未制动的状态下应有工作间隙，以保证制动盘能自由转动。一 14 般来说盘式制动器的制动间隙为 侧 此间隙的存在会导致踏板或手柄的行程损失，因而间隙应尽量的小。考虑到制动过程中摩擦副可能产生热变形和机械变形，因此制动器在冷态下的间隙应有试验确定。本设计制动间隙取为 图 4 制动间隙的自调装置 123另外 ，制动器在工作过程中会由于摩擦衬块的磨损而使间隙加大，因此制动器必须设有间隙调整机构。当前，盘式制动器的调整机构已自动化。一般都采用一次调准式间隙自调装