汽车鼓式刹车间隙自动调整及蹄片监测装置的研制.pdfVIP

摘要 本文以汽车刹车自动调整臂为研究对象，通过分析现在主流设计的齿条式 自动调整臂，针对齿条式自动调整臂的缺点，对目前更有发展空间的采用两套 蜗轮蜗杆系统进行调整的自动调整臂进行探讨；另外根据我国实施车辆安装的 自动调整臂要求，讨论了在自动调整臂上设计与应用制动蹄片磨损到极限的报 警装置的必要性，并对汽车刹车问隙自动调整及摩擦蹄片监测装置进行设计。 本论文的主要做了如下工作： ( 1 ) 对一套采用两套蜗轮蜗杆系统进行调整的自动调整臂进行分析，介绍 其结构，自动调整原理，安装与使用维护。 ( 2 ) 探讨在自动调整臂上设计监测机构进行蹄片磨损情况监测的可行性。 首先建立制动器内摩擦片磨损径向补偿与大蜗轮转角关系的数学模型；然后分 析因制动器内零部件磨损造成的间接测量的误差，包括凸轮的形位参数、制动 蹄的形位参数、制动凸轮的初始位置三种影响因数引起的测量误差；接着根据 误差的大小与实际监测的要求得出监测的可行性的条件，监测机构的检测精度 等等。 ( 3 ) 对在自动调整臂上设计监测机构进行蹄片磨损情况的设计方案进行探 讨设计。 ( 4 ) 分析使用两套蜗轮蜗杆系统进行调鹑的自动调整臂的主要零部件的设 计方法。 最后，本文还介绍了三维实体建模软件p r o e n g i n e e r ，并利用p r o e n g i n e e r 提供的工具m e c h a n i s m 对自动调整臂的自动调整补偿量实现了运动仿真。 关键词：制动间隙，自动调整臂，磨损报警器，工作原理，运动仿真 a b s t r a c t t a k i n ga u t o m a t i cb r a k ea d j u s t e ra sr e s e a r c ho b j e c t ，t h ep a p e r a n a l y z e s t h ec u r r e n tm a i n s t r e a m p r o d u c t - - - - t h e a u t o m a t i cb r a k e a d j u s t e rw i t h ar a c ka n dag e a r i no r d e rt ow o r ko u tab e t t e r s o l u t i o nt ot h ed e f e c to ft h ea u t o m a t i cb r a k ea d j u s t e rw i t har a c k a n da g e a r , t h ep a p e r d i s c u s s e st h e d e v e l o p i n gp r o d u c t - - t h e a u t o m a t i cb r a k ea d j u s t e rw i t ht w ow o r m sa n dw o r mw h e e l s i n a d d i t i o n c o n s i d e r i n g t h el a w sa b o u t i n s t a l l i n g a u t o m a t i cb r a k e a d j u s t e r , t h ep a p e rd i s c u s s e st h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo f aa l e r t t of r i c t i o np l a t ei nt h ea u t o m a t i cb r a k ea d j u s t e r , a n dd e s i g n st h e p r o j e c t s t h em a i nw o r ko f t h i sa r t i c l e ： f i r s t l y , i n t r o d u c eak i n do f t h ea u t o m a t i cb r a k ea d j u s t e rw i t h t w ow o r m sa n dw o r r nw h e e l s ，a n a l y z et h eb a s i cs t r u c t u r e ，t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，a n d t h ei n s t a l la n d u s a g e m a i n t e n a n c e s e c o n d l v d i s c u s st h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l e r tt of h c t i o np l a t ei n t h ea u t o m a t i cb r a k e a d j u s t e r i nt h i s p a r t m a t h e m a t i c sr e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h er a d i a l c o m p e n s a t eo f t h ef r i c t i o np l a t eb e c a u s eo fa b r a s i o na n dt h er o t a t e a n g l eo fb i gw o r m w h e e la r ep r e s e n t e d ；a n dt h e ni n d i r e c tm e a s u r e e r r o r so ft h er o t a t ea n g l eo f b i gw o r m w h e e lb e c a u s eo fa b r a s i o no f t h ep a r t sa n dt h ea s s e m b l yi nt h eb r a k ea r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h e s h a p ea n dp o s i t i o no fb r a k ec a ma n db r a k es h o e a n dt h ei n i t i a l p o s i t i o n o fb r a k e c a m ；a t l a s te s t a b l i s ht h ec o n d i t i o n sa n d i n s p e c t i o np r e c i s i o no f t h ea l e r tt of r i c t i o np l a t ei nt h ea u t o m a t i c b r a k ea d j u s t e r t h i r d l y , s e v e r a lp r o j e c t sa r ed e s i g n e da b o u t t h ea l e r tt of r i c t i o n p l a t ei nt h ea u t o m a t i cb r a k ea d j u s t e r f o u r t h l y , a n a l y z i n gf o rd e s i g na n dc o m p u t i n gf o rt h em a j o r c o m p o n e n t so f t h ea u t o m a t i cb r a k ea d j u s t e rw i t ht w ow o r m sa n d w o r mw h e e l s a tl a s t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e s3 - d i m e n s i o n ss o l i dm o d e l s o f t w a r e p r o e n g i n e e r - 一i ti sa b r o a d u s e di nt h em a n u f a c t u r i n g a n d u s e s p r o e n g i n e e rs o f t w a r e t oe s t a b l i s ht h em e c h a n i s ms y s t e m ， r e a l i z e sm o v e m e n ts i m u l a t i o no fa u t o m a t i cb r a k ea d j u s t e ri nt h e m e c h a n i s mo fp r o es o f t w a r ee n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：b r a k ec l e a r a n c e ，a u t o m a t i cb r a k e a d j u s t e r , b r a k e a b r a s i o n a l e r t ，o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，m o v i n gs i m u l a t i o n 武汉理 j 大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源、研究目的和意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于浙江台州安捷机械有限公司的委托开发研制的项目“新型的 汽车刹车间隙自动调整检测装置的开发”。 1 1 2 研究的目的及意义 汽车是现代社会的标志之一，是现代人生活中的一部分，它给人们带来极 大方便。同时，交通事故也造成大量的人员伤亡和财产损失。2 0 0 4 年4 月7 日 世界卫生日，世界卫生组织确定当年的主题为“道路安全”。我国发布的一项研 究结果表明每天有3 0 0 人丧生车祸，我国的道路交通伤害死亡人数和死亡率均 居世界前列，且仍以每年1 0 的速度递增。汽车使用时的安全性一直是人们最 关。t l 的问题之一。 汽车制动跑偏、侧滑和失去方向性是造成交通事故的主要原因之，对s 凸 轮鼓式制动器而言，如果汽车各车轮的制动间隙不相同，紧急制动时，各个车轮 抱死的时间顺序将会发生变化，同一时刻左右车轮制动器所产生的制动力就不 相同，产生制动跑偏、侧滑和失去方向性等现象，造成交通事故。为解决这个问 题，在高档、豪华的汽车上装a b s 、e b s 系统，但成本高昂。而目前s 凸轮鼓式 制动器在行业内有着广泛的使用，怎样稳定地保持制动摩擦衬片和制动鼓间隙 值恒定是汽车设计和制造所关一t l 的问题，制动间隙调整臂就是专为解决这个问 题而设计的零部件总成。利用制动间隙调整臂可更稳定地保持摩擦衬片和制动 鼓间的间隙值恒定，使所有车轮的制动效果更一致、稳定、合理，提高整车安全 性能。 制动间隙自动调整臂在国外是一个比较成熟的重型车制动配件，在欧美一 些汽车工业发达的国家，早已将间隙自动调整臂作为一种标准件使用。国际汽 车行业根据e c e r 一1 3 联合国欧洲经济委员会和7 1 3 2 0 e e c 欧洲经济共同体法规的 要求，已经将汽车刹车间隙自动调整臂列入汽车必须安装的标准件目录，如 武汉理工大学硕j j 学位论文 i s 0 7 6 3 4 一1 9 9 5 、i s 0 7 6 3 5 和1 s 0 6 5 9 7 一1 9 9 1 等。对于自动调整臂的发展应用，我 国的发展应用几乎晚发达国家近2 0 年。 随着我国经济的发展，公路通车里程的增长、汽车数量的急剧增加，特别 是高等级公路的增长，必然使我国公路客运和货运朝大吨位高速化方向发展。 鉴于这一情况，国家标准g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和实验方法 中对自动调整臂的使用提出了明确的要求。因此对自动调整臂的研究一是我国 汽车工业发展的需要，二是随我国经济的发展，汽车的保有量必将大大增加， 又山于法规的要求，自动调整臂有着广阔的市场前景。 本课题研究的目的是研制出一种新型汽车刹车间隙自动调整及摩擦蹄片监 测装置。这个装置是把两个功能集于一体；个是汽车刹车间隙自动调整，另 一个是汽车制动蹄片磨损自动报警。由于汽车安装制动间隙自动调整臂后蹄片 磨损能自动补偿，但磨损到极限时，驾驶员难于发现，如不及时更换蹄片，容 易造成汽车行驶安全事故。所以汽车制动蹄片磨损自动报警也是汽车必不可少 的一个零部件。有了它，驾驶员很容易及时发现蹄片磨损到极限，极大地提高 了汽车行驶的安全系数。我们要研制的报警器放置在调整臂内，与调整臂成为 一体，强化调整臂功能，实用方便，有实际运用价值，具有现实意义。 1 2 课题的研究现状 本课题是研制一种新型的汽车刹车间隙自动调整检测( 臂) 装置。首先要 能够自动调整制动间隙；另外，在调整臂上要设计能监测制动蹄片磨损情况， 要能方便观察制动蹄片磨损情况，例如当制动蹄片磨损到极限时能发出报警信 号。 1 2 1 汽车刹车间隙自动调整臂的发展现状 我国自第一批解放牌汽车问世后，制动器制动间隙的调整一直采用人工调 整方式。由于经常性的调整不及时，以及驾驶人员技术水平参差不齐，导致制 动间隙调整不当，使汽车行车安全性大大降低。同时，随着我国经济的发展， 公路通车里程的增长、汽车数量的急剧增加，特别是高等级公路的增长，必然 使我国公路客运和货运朝大吨位高速化方向发展。因此，传统的汽车制动间隙 人：r 调整方法已经不能满足技术发展的要求。鉴于这一情况，国家标准 g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和实验方法在前言中规定自2 0 0 3 年1 0 月1 日起，除n 2 和n 3 类非公路车车辆的制动器外、其余所有类型的汽车， 包括客车、货车和挂车必须安装制动间隙自动调整臂。 2 武汉理工大学硕士学位论文 自从法规提出明确要求后，我国的汽车刹车自动调整臂的研究明显加快， 我国一些汽车零部件制造厂都在加紧研发自己的汽车刹车自动调整臂，其中他 们有的还与高校、研究所合作丌发研制1 2 】、【3 】。例如东风车桥公司2 0 0 1 年开始 启动自动调整臂项目，2 0 0 3 年8 月至1 2 月，其自行设计出了全套自动调整臂 产品圆纸，组织了自主开发的自动调整臂的第一轮试制、试装，并通过在国家 级汽车检测中心按照美国s a e 标准进行了严格的台架试验；当年，该公司又组 织了自主开发的自动调整臂的第二二轮批量试制及试装1 4 j 。 在1 9 9 9 - 2 0 0 4 年，我国除了开展自动调整臂相关研究的报道外，还有不少 关于各种自动调整臂专利产品的报道1 5 卜i l ”。从专利申请的时间来看，9 9 年到 2 0 0 1 年是关于自动调整臂专利申请最多的，可见这几年就是我国自动调整臂发 展的高峰期。这样随着设计方法不断完善、优化，改进的产品也不断出现。现 在制动间隙自动调整臂已经有二种基本结构的产品：一种是基于活塞杆行程原 理的开式自动调节臂，一种是基于调整转角分类的闭式自动调整臂。基于活塞 杆行程原理设计的自动调整臂，由于其调节完全依赖于活塞杆的行程，安装于 调整臂内部的调节装置必须与活塞杆相联接，这样，调整臂必是一个开式的， 因为调整臂都是安装于汽车的底部，其工作环境恶劣，对于开式的调整臂必然 影响其使用寿命和可靠性。且其对制动的超量间隙转角和弹性转角区分不敏感。 基于把调整转角划分为正常间隙角度、超量间隙角度、弹性角度而设计的闭式 自动调整臂显然是一个进步。图1 一l 就是一种闭式的调整臂内部结构图。 图l l 齿轮齿条式自动调整臂( 闭式结构) 闭式结构的自动调整臂以齿轮齿条式的设计为主流，其实这种结构在欧洲 已经使用了卜多年，在我国是1 9 9 9 2 0 0 2 讨论的最红火，也是当时最合理，最 流行的没计，直到现在，我国使用的自动调整臂绝大数产品都是这种设计结构。 这种自动调整臂的主要部件就是齿轮齿条结构和离合弹簧，就是靠这两个巧妙 设讨的机构来实现自动调整的。最近两年在我网又出现了一种蜗轮蜗杆式的自 动调整臂。这种蜗轮蜗杆式自动调整臂属于国际上第三代产品，其有很多优点。 武汉理工大学硕 j 学位论文 现在，在我国实际工作中使用主流产品是齿条式制动间隙自动调整臂，其 齿条行程一般只有1 5 m m 左右，而控制臂的活动范围约6 0 度左右，在实际使 用时必须将控制臂固定在齿条起始点的正确位置，否则将造成自动控制臂补偿 失灵、失效。所以在实际安装、使用中必须特别小心。其内部j l ：作原理之一是 依靠内部单向器组件中的扭簧锁定原理。若存安装、调试及实际使用中有所不 当，就极容易损坏该扭簧，从而造成自动补偿失效。另外，齿条式自动调整臂 在结构上有较大的薄弱环节，该产品由于内部齿条的行程极小，刹车时在 o 6 m p a 以上的气压作用下，内部受力很大，极容易造成内部件的断裂现象。 蜗轮式制动间隙自动调整臂与齿条式自动调整臂在机械性能、工作原理、 设计结构都有很大的不同。其内部行程是3 6 0 度，控制臂的整个活动范围约2 2 0 度左右，在设计中安装固定控制臂就极大的方便，同时也无须考虑起始点的问 题，这就极大的提高了该产品的自动补偿的可靠性和稳定性。 蜗轮式制动间隙自动调整臂的工作原理是：其内部由一组处于“齿条式调 整臂”原齿条位真的小蜗轮蜗杆系统微动调节机构，带动另一组大蜗轮蜗杆传 动机构实现对刹车自动间隙的自动调整，从而避免了安装、调试、使用过程中 的不当行为，极大的保证了该产品的稳定性和可靠性。 关于用蜗轮蜗杆来设计自动调整臂的方式也很多，蜗轮蜗杆方式的设计有 很多优越性，其还有待更好地研究更别”1 啦“。 1 。2 2 汽车制动蹄片磨损自动报警器发展现状 由于汽车安装制动间隙自动调整臂后蹄片磨损能自动补偿，以前驾驶员使 用手动调整臂时的一些凭经验或例行检查就少了。如以前一些有经验的驾驶员 凭踩刹车踏板的感觉来决定是否该去调整制动间隙，有的驾驶员采用定期或定 行程的方式去看车轮轮轴附近的制动间隙观察孔来检查制动间隙，同时检查制 动摩擦片的厚度，从而决定是否该调整制动间隙和更换摩擦蹄片。 因为对于普通司机，手动调整臂调整过程虽然繁琐但操作简单的，他们只 要用简单的工具可以自己动手及时调试：但是有时还是会出现虽然手动调整臂 调整到极限，但制动蹄离制动鼓的位置还是太大而无法靠调整臂来调整好制动 间隙，这时需要重新调整制动蹄的位置才能调整好制动间隙，这样司机就只有 把车开进修理厂；至于更换一块摩擦片，这是更为复杂，从拆卸制动器，清理 残余的摩擦片和刮洗制动蹄，安装摩擦片，安装制动器，调整制动间隙等等， 需要用相关的修理设备，且很要花费时间，一般是在修理厂进行的。所以对于 。般司机，他们尽量不去拆修制动器，只是在制动器外面通过调整手动调整臂 来调整制动间隙，同时观察摩擦片的厚度f 2 5 l 。 武汉理工大学硕j 学位论文 现在汽车安装制动间隙自动调整臂后蹄片磨损能自动补偿，驾驶员不用再 去调整制动间隙，同时也就不清楚制动摩擦片的厚度，这样制动摩擦片磨损到 极限时，驾驶员难于发现，如不及时更换蹄片，容易造成汽车行驶安全事故。 汽车制动蹄片磨损自动报警器就是能在汽车制动蹄片磨损到极限时发出报 警功能的装置。在我国汽车制动蹄片磨损自动报警器主要应用在一些带有a b s 等电子系统的高档昂贵车上( 如轿车) ，一般的载重汽车基本上没有安装。如奔 驰轿车2 8 0 e c 型，该车摩擦片过薄报警系统足由带有传感器的特殊摩擦片、电 子控制器和报警指示灯组成。传感器的短接线置入在该特殊摩擦片的一定深度 处，当摩擦片磨损到只有2 o 2 2 m m 极限厚度时，制动鼓便将传感器的短接 线磨破而断路，该断路信号立即被送到电子控制器，电子控制器便接通报警指 示灯电路，使报警指示灯闪亮，发出警告信号。 相对于汽车盘式制动器而言，鼓式制动器制动蹄片磨损自动报警系统的设 计困难、复杂【2 6 】。但是现在我国客车、货车和挂车安装了制动间隙自动调整臂， 也急需要安装汽车制动摩擦片磨损报警器。有了它，驾驶员很容易发现蹄片磨 损到极限，极大地提高了汽车行驶的安全系数。 国内研制生产汽车制动摩擦片磨损报警器方面的文献报道一直都有，参考 文献【2 7 1 。【3 ”。这些鼓式制动器制动蹄片磨损自动报警系统一般都是采用磨耗传 感器( 磨损检测塞机构) 放置在摩擦片内、或把探头放在制动蹄铁上，这种磨 耗传感器，一般都要被磨损或磨破，致使报警系统发出报警信号【2 6 1 。现有的文 献中，还没有在制动调整臂上安装的制动器制动蹄片磨损到极限自动报警系统 的。 另外，值得一提的是加拿大新刹车检查标准要求对每一个空气刹车车轮枪 查机械结构要记录凸轮旋转角度，加拿大新法规规定：如果凸轮积累升程角超 过1 2 0 度就不应继续使用。因此加拿大某公司推出了一种专利产品，叫刹车凸 旋转仪，其结构如图卜2 所示。 图1 2 刹车凸旋转仪 这种设计，为了方便汽车驾驶员观察摩擦片磨损情况，其设计很简单，实 武汉理工人学硕士学位论文 用”。，足我们设计的很好的参考。 1 3 本课题的研究目标、内容 本课题研究目标是研制一种新型的自动调整臂，即汽车刹车间隙自动调整 及摩擦蹄片监测装置。这种自动能够自动调整制动间隙，另外，在调整臂匕要 设计能监测制动蹄片磨损情况，要能方便观察制动蹄片磨损情况，例如当制动 蹄片磨损到极限时能发出报警信号。 本课题是以我国现在运用极少的使用两套蜗轮蜗杆的自动调整臂为基础， 进行相关功能的研究探讨。 本文的研究内容包括： ( 1 ) 汽车刹车间隙自动调整臂的研究。 针对使用两套蜗轮蜗杆来进行自动调整的制动调整臂进行研究。分析其结 构、自动调整原理、安装与维护以及其主要零部件的设计计算方法。 ( 2 ) 蹄片磨损监测的可行性的研究。 在自动调整臂上设计监测机构进行蹄片磨损情况监测的可行性探讨。首先 建立制动器内蹄片磨损补偿与大蜗轮转角关系的数学模型，然后分析因制动器 零部件磨损造成的间接测量的误差，根据误差的大小与实际监测的要求得出监 测的可行性的条件，监测机构的检测精度等等。 ( 3 ) 蹄片磨损监测方法的实现方法分析 对蹄片磨损极限报警功能的设计要求、设计方案探讨。 ( 4 ) 应用p r o e 对自动调整臂的调整补偿量进行运动仿真。 设计一套汽车刹车自动调整装置，用p r o e 对自动调整臂进行实物建模， 并用的p r o e 提供的工具实现自动调整臂的运动学仿真分析。 6 武汉理 ：大学硕十学位论文 第2 章汽车刹车间隙自动调整臂 要设计汽车刹车间隙自动调整及摩擦蹄片监测装置，首先要了解现有的汽 车刹车问隙自动调整臂，要了解其工作环境、工作原理、安装过程，然后要探 讨在调整臂上检测蹄片磨损极限的可行性问题，最后根据实际情况来设计产品 实现的方案。本章首先介绍汽车鼓式凸轮制动装置，汽车刹车间隙自动调整臂， 然后讨论在调整臂上检测蹄片磨损极限的可行性，最后规划具有蹄片磨损极限 报警功能的汽车刹车间隙自动调整臂的设计方案。 2 1 汽车鼓式凸轮制动装置 汽车制动系通常由制动器与制动传动装置两部分组成i ：3 7 1 。制动器是产 生阻碍车辆的运动或运动趋势的力的部件，如鼓式制动器、盘式制动器等等。 制动传动装置则是将制动能量传递到制动器，如液压制动传动装置、气压制动 传动装置等等。对于气压制动传动装置其主要由空气压缩机、调压阀、贮气筒、 气压表、制动气室、制动控制阀等组成。汽车鼓式凸轮制动装置是采用气压制 动传动装置的凸轮制动的鼓式制动装置。下面简单介绍汽车鼓式凸轮制动装置 的相关部件。 2 1 1 制动气室与制动间隙调整臂 图2 1 所示的是制动气室与制动间隙调整臂。制动气室是把压缩空气的压 力转换为机械力推动制动间隙调整臂。制动气室由两个具有梯形断面的长箍将 冲压外壳、盖和夹布橡胶膜片紧固在一起。当在自由状态时，膜片与盖紧贴， 膜片的另一一面与推杆的圆盘相接触，推杆的另一端有一连接叉，用以连接制动 间隙调整臂。当踩下制动踏板时，压缩空气进入制动气室，在空气压力作用f 使膜片变形，推动推杆，并带动制动间隙调整臂，转动制动凸轮将制动蹄和摩 擦片压向制动鼓而产生制动作用。当放松制动踏板时，制动气室中的空气经制 动阀排到大气中，在回位弹簧的作用下，推杆和膜片恢复原状态。 制动间隙调整臂是把气室推杆推力加载到制动器里机构，有的制动问隙调 整臂盯以自动调整制动问隙，也就是汽车刹车自动调整臂，关r 丁制动间隙调整 臂的结构和t 作原理在本章第2 2 节介绍。 武汉理工大学硕i 学位论文 图2 1 膜片式制动气室与制动调整臂示意图 卜气管接头2 一推杆3 一固定螺栓4 一推杆连接头 5 一制动间隙调整臂6 。气室壳体7 一膜片弹簧 2 1 2 鼓式制动器 制动器有摩擦式、液力式和电磁式等几种。电磁式制动器虽有作用滞后小、 易于连接且接头可靠等优点，但因成本高而只在一部分重型汽车上用来做车轮 制动器或缓速器。液力式制动器只用作缓速器。目前广泛使用的仍为摩擦式制 动器。摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，分为鼓式、盘式和带式三种。带 式只用作中央制动器。目前，绝大多数国产汽车和部分外国汽车的气压制动系， 都采用凸轮驱动的鼓式制动器，而且制动器大多设计成领从蹄式。图2 2 所示 的是领从式鼓式凸轮制动器。 图2 2 领从式鼓式制动器示意图 武汉理r = 人学硕十学位论文 l 一制动i 马轮轴2 一制动凸轮3 希8 动蹄4 回位弹簧 5 一摩擦片6 一制动鼓7 一支承销8 一制动底板 内表面为工作表面的金属制动鼓固定在汽车车轮轮毂上，随车轮一起旋转。 在固定不动的制动底板t ，两个支承销支撑两个弧形的制动蹄的下端，制动蹄 可绕支承销旋转，制动蹄的外圆面上又装有非金属材料制成的摩擦片。制动底 板卜还装有制动凸轮，凸轮轴与制动调整臂的大蜗轮轴孔相接，调整臂通过大 蜗轮带动凸轮的旋转，撑开制动蹄。 制动系不工作时，制动鼓的内表面与制动蹄摩擦片的外表面间有定的间 隙，即制动间隙，这时，车轮及与车轮相连的制动鼓可以自由旋转。 当驾驶员踩下制动踏板时，压缩空气经制动阀压至各制动气室，4 气室推杆 推动制动间隙调整臂，制动间隙调整臂带着凸轮旋转，凸轮推动两片制动蹄， 使之绕支承销转动，从而使制动蹄摩擦片靠向制动鼓内表面，消除两者之间的 间隙，进而紧压在制动鼓上。这样不旋转的制动蹄就与旋转着的制动鼓作用一 个摩擦力力矩，其方向与车轮旋转方向相反。制动鼓将该力矩传到车轮后，由 于车轮与路面有附着作用，车轮对路面作用一个向前的周缘力，同时路面也对 车轮作用一个向后的反作用，即制动力。制动力由车轮经车桥和悬架传给车架 及车身，迫使汽车产生一定的减速度。制动力愈大，则汽车减速度也愈大。当 放开制动踏板时，回位弹簧即将制动蹄拉回原位，摩擦力矩和制动力消失，制 动作用即行终止。 显然、阻碍汽车运动的制动力不仅取决于制动力矩( 制动蹄对制动鼓的摩 擦力矩) ，还取决于轮胎与路面间的附着条件。如果完全丧失附着，则不可能产 生制动力，不过这种情况只有在汽车制动轮全部悬空的时候才会出现。出现的 较多的情况是车轮完全停止转动，而沿车辆前进方向移动，即所谓车轮“抱死”。 这时，汽车将丧失侧向附着力。后轮抱死容易出现侧滑、甩尾现象；前轮抱死 则汽车制动过程丧失转向能力。 2 2 汽车刹车闻隙自动调整臂 在2 1 节中，我们了解了制动间隙调整臂相连接的两个部件制动气室 与鼓式凸轮制动器的结构和工作过程；这一节我们探讨制动问隙调整臂的结构、 ：r ：作原理等等。 我们知道当摩擦片( 或制动衬片) 磨损后，制动间隙就会变大，在实施制 动时，制动气缸活塞杆行程必须加大，影响制动效果；另外，当制动间隙增大， 需要调整制动间隙，使制动摩擦衬片和制动鼓间隙值恒定，避免制动时同时 刻左右车轮制动器所产生的制动力不相同，产生制动跑偏、侧滑和失去方向性 武汉理工大学硕十学位论文 等现象，造成交通事故。通常在制动调整臂内部安装一调节装置以便自动旋转 一根与蜗轮相啮合的蜗杆，而蜗轮固定在凸轮轴上，于是可根据制动衬片的磨 损来调节调整臂的角位置，这样装备的调整臂在工程技术上：称为自动调整臂。 现在在我国制造生产的汽车刹车问隙自动调整臂大部分是沿用霍尔得克斯 ( h a l d e x ) 公司的齿轮齿条式自动调整臂。丽涡轮式自动调整臂作为+ 个新型的 设计，并且关于它得介绍还很少。下面以蜗轮蜗杆式自动调整臂为例介绍汽车 刹车间隙自动调整臂。 汽车制动间隙调整臂简称制动调整臂( 或调整臂) ，汽车刹车间隙自动调整 臂是针对以前的手动调节汽车制动间隙调整臂而言的，在下文中所述的调整臂 ( 或自动调整臂) 就是指汽车刹车间隙自动调整臂。 2 2 1 涡轮式自动调整臂的结构 如图2 - 3 所示的蜗轮蜗杆式自动调整臂。 图2 3 调整臂总体结构图 l 小蜗轮、2 套环、3 大蜗杆、4 预紧弹簧、5 调整臂壳体、 6 控制臂支架、7 固定齿圈、8 大蜗轮、9 自调机构 调整臂壳体内转装有大蜗杆和大涡轮，这与手动调整臂和齿轮齿条自动调 整臂相同的，且出于保险起见，在大蜗杆的左端仍有外露的六角螺母，可以人 为地调节过量的制动间隙。在大蜗杆上装有小蜗轮，小蜗轮的左端内孔与大蜗 杆有一圈锥形小齿啮合接触。小蜗轮与自调机构上的小蜗杆啮合。自调机构又 与控制臂支架上的固定齿圈齿轮啮合。 自调机构的设计很巧妙，如图2 _ 4 所示。自调机构通过销轴把另外六个零 件连接在一起。齿轮凸角的齿轮可与控制臂支架上的固定齿圈齿轮啮合旋转； 齿轮凸角内部的3 个圆周分布的凸角与控制缺口棘齿上的3 个圆周分布控制缺 嵌套在一起，凸角可以带动缺口旋转。小蜗杆棘齿和控制缺口棘齿是山圆周 分布的棘齿啮合，因为棘齿离合弹簧的作用、其逆时针旋转町分离扣1 滑，顺时 武汉理工大学硕十学位论文 针旋转时紧靠在一起运动。小蜗杆棘齿与大蜗杆上的小蜗轮啮合。 图2 - 4 自调机构总体结构图 1 一自调机构底弹簧、2 一销卡、3 一小蜗杆棘齿、4 控制缺口棘齿、 5 一棘齿离合弹簧、6 一齿轮凸角、7 一销轴 2 2 2 涡轮式自动调整臂的工作原理 ( 1 ) 制动时调整臂转角的构成 刹车间隙自动调整臂的功能应该是精确记录由于摩擦衬片磨损引起的间隙 增加量，并且精确地将间隙调整至j 下常范围。其制动时调整臂的角行程可划分 为三部分，如图2 5 所示。 间隙角度( c ) 对应于制动鼓和摩擦衬片问的正常间隙； 超量间隙角度( c e ) 对应于因摩擦 衬片磨损而增加的闻隙； 弹性角度( e ) 对应于制动鼓、摩擦 衬片以及制动分泵和制动系统动力传 递时引起的弹性间隙。 间隙自动调整时应尽量避开角行 程中的弹性角度( e ) 。若不区别超量间 隙角度( c e ) 与弹性角度( e ) ，一一律随时 加以补偿，将会造成调整过头，以至 引起“拖磨”甚至“抱死”。 ( 2 ) 自动调整的主要部件 图2 - 5 制动时调整臂的角行程 控制臂支架是自动调整臂区别于手动调整臂的关键部件之一。它被固定在 底盘上，使刹车间隙自动调整臂问隙调整时以此作为参照点。手动调整臂无此 部件。控制臂支架、壳体端盖、固定齿圈组一个部件，其中控制臂支架与固定 葛 武汉理 ：大学硕i 学位论文 齿圈固定在一起，这样壳体端盖可以相对支架与固定齿圈自由旋转。固定齿圈 与自调机构的齿轮凸角的齿轮啮合，开始制动时，自调机构的齿轮凸角绕固定 齿圈外圈运动，同时带动自调机构绕销轴逆时针旋转：当制动结束时，则自调 机构绕销轴顺时针转动。 自调机构的齿轮凸角内有3 个分部均匀的圆弧形凸角叫控制凸角。它与控 制缺口棘齿的控制缺口啮合，控制凸角和控制缺口它们是有间隙的啮合，控制 凸角可在控制缺口中转动间隙转角后带动控制缺口一起转动。这个相对转动的 角度是为了控制刹车时的正常问隙c 的主要设计因数。 自调机构内的棘齿啮合部分是为了控制刹车时超量间隙角度c e 而设计的。 小蜗杆棘齿的棘齿与控制缺口棘齿的棘齿啮合能相对绕着销轴逆时钳1 打滑旋 转。当超量间隙角积累到一定程度，棘齿啮合就会跳动一个齿，这时自动调整 臂在刹车回程就会调整制动间隙，所以这种制动调整臂是阶跃式的调整，它能保 证超量间隙不超过c e m a x ，即汽车制动间隙保持在c 到c + c e m a x 之间。 大蜗杆上的预紧弹簧的设计很重要、其刚度值和弹性变形量的设计，必须 使大蜗杆与小蜗轮的锥形齿啮合在制动进入弹性角度e 时分离。凼为在制动器 衬片和制动鼓接触后，凸轮轴己不可能再发生转动，而调整臂壳体仍在制动分 泵的推力作用下有一个转动的趋势，实际调整臂壳体还会转动一个微小角度( 靠 压缩强力压紧弹簧来实现) ，这样既可以缓冲制动力对调整臂机构的冲击作用， 保护机构不被损坏，另外壳体和蜗杆之间必须有一微小的相对位移，可以使大 蜗卡下与小蜗轮上的锥形齿啮合分离，这样自调机构可以带动小蜗轮的轻松自由 旋转，自调机构就不会记录制动的弹性角度。 ( 3 ) 制动调整臂的工作过程 汽车制动时一般有两种情况：币常间隙下的制动和超量间隙下的制动。 ( 1 ) ：正常间隙下的制动( 即调整臂在c 到c + c e m a x 对应制动间隙之间工作) 当踏f 制动踏板时，制动分泵推动调整臂，调整臂壳体逆时针转动( 参见 图2 ，3 的方向) ，控制臂支架的固定齿圈带动自调机构齿轮凸角逆时针旋转( 参 见图2 - 6 的有关方向) ，直到自调机构的内的齿轮凸角内的三个分布均匀的控制 凸角与控制缺口棘齿的控制缺口接触，此时调整臂转n , e 常间隙角c 。 制动分泵继续推动调整臂，控制凸角与控制缺口一起逆时针旋转，当因为 制动间隙没有超过c + c e m a x ，棘轮啮合不会逆时针打滑转过个棘齿，只会 保持在原位棘齿之间。这个过程对应着超量间隙角c e 。 此后壳体继续转动，但此时制动蹄衬片己与制动鼓接触，s 凸轮轴不能继 续转动，壳体和大蜗杆产生微小的轴向位移，预紧弹簧4 被压缩，小蜗轮与大 武汉理工大学硕士学位论文 蜗杆锥形齿啮合分离打滑。与小蜗轮啮合的自调机构的小蜗杆与也可轻松自由 转动，棘齿在此过程中保持所处的齿的位置。此时制动臂转角处于弹性角度e 。 制动动作结束后，松开制动踏板，制动力被解除，在回位弹簧的作用下调 整臂开始回位运动。首先回位的是机构受力的弹性变形而引起的弹性角度e ， 然后就是正常间隙和超量间隙。整个过程不产生问隙自调。 图2 6 制动调整臂内部机构传动图( 省略控制臂齿轮啮合) 方向1 一自调机构顺时针旋转、方向2 一大蜗杆顺时针旋转、 方向3 大蜗轮逆时针旋转 ( 2 ) ：超量间隙下的制动( 即调整臂在大于c + c e m a x 对应的制动间隙工作) 制动开始，调整臂转到_ i _ f 常间隙角c 。制动分泵继续推推动调整臂，控制 凸角与控制缺口一起逆时针旋转，当因为制动间隙超过了c + c e m a x ，棘轮啮 合逆时针打滑转过一( 或几) 个棘齿。对应调整臂转到超量间隙角c e 。然后就 是制动进入弹性角度e 。 制动动作结束后，松开制动踏板，制动力被解除，在回位弹簧的作用下调 整臂开始回位过程，调整臂的回位运动调整参见图2 - 6 。 首先，在大蜗杆压紧弹簧的作用下，小蜗轮与大蜗杆锥形齿处于啮合状态， 在这个过程中壳体转过弹性角度e 。此后壳体继续回位，齿轮凸角顺时针旋转 ( 图2 6 方向1 ) 到与棘齿缺口的控制缺口接触( 壳体转过正常制动间隙角c ) ， 接着带动控制缺口、棘齿一起顺时针转动。棘齿顺时针旋转不会打滑，棘轮带 动小蜗杆、小蜗杆带动小蜗轮，小蜗轮带动大蜗杆轴，大蜗杆带动大蜗轮，大 蜗轮带动制动凸轮轴一起转动一个固定的角度。由于蜗杆和蜗轮是自锁的，蜗 轮不能推动蜗杆转动，s 凸轮轴转动的角度为永久的，这样一次制动调节完成 经过多次制动就可以调整制动间隙在规定的范围内，达到自动调节的目的。 如装、拆自动调整臂、或修理更换刹车蹄片，造成刹车间隙过大，必须施 加多次制动来调整间隙使之达到f 常间隙；也可用s 1 2 扳手顺时针旋转六角头 螺母来消除超量间隙。 从前述的自动调整臂工作过程我们知道，对于超量间隙c e 的调整是在制动 武汉理j i 一大学硕士学位论文 过程将要结束时进行的，这时所受的力矩最小，这是此种自动调整臂最大的优 点。实际使用的有各种各样的自动调整臂，但其基本原理都是一样的，只是实 现的机构不一样，工作过程有些差别。 ( 4 ) 自动调整臂内的调整量分析 为了更好的了解蜗轮蜗杆式制动凋调整臂的一r _ 作原理，这里对调整臂每次 制动调整的调整量进行分析。当制动间隙超过某一个值时，如c + c e i i i s x 时， 阶跃式自动调整臂才进行间隙调整，自动调整臂每次自动调整间隙的大小是由 自动调整臂内机构传动比确定。参照图2 - 6 制动调整臂内部机构传动图。 假设设计的一套自动调整臂的参数如下：控制臂支架上的固定齿圈上齿数 为邑，自调机构的齿轮凸角的齿数为z ，；臼调机构棘齿一圈共有一个棘齿；自 调机构上的左旋小蜗杆的头数为z ，左旋小蜗轮上齿数为z 。；左旋小蜗轮与大 蜗杆的锥形啮合齿有h ：个；大蜗杆的头数为毛，大蜗轮上的齿数为z 。：大蜗轮 中心到调整臂推杆销孔中心距离为d m m 。 控制凸角与控制缺口之间的间隙转角为d 度，假设壳体相对支架转动转角 为我时，控制凸角与控制缺口接触，由齿轮啮合可知： 以= 垒0 z l 显然，阶跃调整的最小量应由棘齿来决定，即为小蜗杆棘齿旋转一个齿的 角度。假设调整臂壳体旋转咖：角度时，棘齿旋转一个齿的角度，则 ：型。垒+ ， “ l毛 棘齿的一个齿的角度作为最小的调整值，这个调整值由小蜗杆传递给小蜗 轮，大蜗杆传递给大蜗轮，其调整值折算到大蜗轮( 制动凸轮) 上的转角占为： 6 ：3 6 0 鱼量 ”l2 4气 设计的自动调整臂的最小正常间隙转角c m 。为： c 矿毛z i 等一等詈芸z 】 玎1 刀j 三4z 6 正常自动调整臂的超量间隙转角c t 保持在0 到6 之问。当制动调整臂超量 间隙角制动转角超过占时，自动调整臂就会产生自调作用，使自动调整臂的超 量间隙角减少占。 武汉理工大学硕士学傅论文 譬如一自动凋整臂的传动参数如表2 1 。 表2 1 某自动调整臂的传动参数 | 而乙订lz 3z 4胛2z 5z 6 dd l 6 12 21 542 09 012 21 2 54 把上述设计的自动调整臂的数据代入理论公式，可得：该自动调整臂的调 整调整量折算到凸轮轴转角占为0 2 1 8 4 度；自动调整臂的正常间隙转角c 。为 9 8 8 0 3 度。不考虑弹性间隙角，则自动调整臂的运动角度总是处于9 8 8 0 3 度到 1 0 0 9 8 7 度之间，当运动角度超过1 0 0 9 8 7 度时，就会产生自调，使转角减少 0 2 1 8 4 度。 2 2 3 汽车刹车间隙自动调整臂的安装与维护 汽车刹车间隙自动调整及摩擦蹄片监测装置，其自动调整功能拟采用前面 所述的机械结构装置来实现；摩擦蹄片监测功能需要另加机构来实现。监测功 能机构的设计必须了解自动调整臂的安装和维护。 自动调整臂的一般安装步骤如下。 1 安装前，确保制动室推杆处于初始位置，将凸轮轴涂上润滑脂，把定位 支架等固定在底盘上。 2 把调整臂安装于凸轮轴上，保证壳体上的箭头方向与制动方向致，定 位板安装在定位支架上。 3 用扳手顺时针旋转调整臂上的六角头螺母，将调整臂的安装孔与制动室 连接叉的安装孔对正，销轴涂上黄油，插入孔内并锁上开口锁。 4 用挡圈、调整垫片和弹簧将调整臂固定在凸轮轴上，并检查回位是否灵 活。 5 沿固定板上的箭头方向推动定位板，直到推不动为止，然后紧固定位支 架和定位板，若有回位弹簧，则应挂上回位弹簧。 6 将扳手顺时针转动六角头螺母直至磨损片与制动鼓接触。 7 用力逆时针方向转动六角头螺母一圈，然后制动若干次，制动间隙将自 动调整至正常位置。 自动调整臂的维护基本足相同的，下面是某自动调整臂的维护规程。 1 检查刹车自动调整臂的反向力矩： 每年检查一次该产品的反向力矩。将力矩扳手( s 1 2 ) 套在蜗杆的六角头 处。沿逆时针方向转动扳手，检查该产品只能在大于或等于1 8 m 时才能转 动，每件重复试验三次；若力矩小于18 n m 时转动，必须更换调整臂。 武汉理t 大学硕十学位论文 2 刹车自动调整臂的正常检查： 一般客车每行驶2 00 0 0 公里时，卡车和挂车每行驶4 00 0 0 公里时必须检查 调整臂f 常位簧是否有明显变化。如有变化必须重新固定该调整臂。 3 刹车自动调整臂的润滑： 每行驶1 00 0 0 公里必须进一次润滑。 4 注意事项：刹车自动调整臂内部弹簧不允许作任何调整。 2 3 制动蹄片磨损监测功能实现可行性分析 汽车刹车间隙自动调整及摩擦蹄片监测装置作为一个汽车零部件，其对摩 擦片厚度检测是间接测量的，测量原理是把制动器内制动蹄上的摩擦片的厚度 与自动调整臂上的某个量( 如大蜗轮的转动的转角) 作一一对应，通过检测这 个量( 如大蜗轮因摩擦片的磨损而自动调整转动的角度总和) 来判断摩擦片磨 损的厚度。这种对摩擦片厚度的间接测量，其可行性讨论主要是对因传动机构 的磨损而产生的间接测量摩擦片厚度的一系列的误差，显然这一误差积累太大， 就会造成对摩擦片厚度测量的不精确，这种设计就会失去实用价值。因此要建 立一个制动器内摩擦片厚度与调整臂上某零件( 如大蜗轮) 的转角对应的数学 模型，分析间接测量的测量误差。 2 3 1 汽车制动蹄片磨损径向补偿与凸轮的转角关系 制动器内摩擦片磨损厚度与调整臂上某零件( 如大蜗轮) 的转角对应的数 学模型就是要分析汽车制动蹄片磨损径向补偿与凸轮的转角关系。 出2 2 节内容可知：汽车刹车间隙自动调整臂的调整量使制动凸轮轴转动 一个永久性的角度。凸轮轴转动一个永久性的转角就会使制动凸轮升程升高一 个固定值，推动制动蹄片张开一定角度，使摩擦片与制动鼓之间的间隙减小一 个相应值，这样就达到了自动调整制动间隙的功能。 图27 制动蹄片径向位移量与凸轮升程关系图 蹄片磨损补偿量可理解为制动蹄片径向位移量，大蜗轮的转角在制动器内 武汉理t 大学硕十学位论文 表现为制动凸轮的升程。图2 7 是制动器的制动蹄片径向位移量与凸轮升程分 析图。”弋“3 。凸轮轴旋转微元d o ( 图中未画出) 使【轮与制动蹄接触点边缘有 升程微元d s ，制动蹄就绕点a 旋转一个微元角度d a ；在制动蹄的摩擦表面任 选一点b ，则b 绕a 点旋转角度微元d