毕业论文-重型货车气压制动系统设计说明书.doc

汽车设计课程设计说明书汽车设计课程设计说明书 题目：重型载货汽车离合器设计题目：重型载货汽车离合器设计 姓名：孔祥生、李朋超、席昌钱姓名：孔祥生、李朋超、席昌钱 同组者：严炳炎、余鹏、郑大伟同组者：严炳炎、余鹏、郑大伟 专业班级：专业班级：0909 车辆工程车辆工程 2 2 班班 指导教师：王丰元、邹旭东指导教师：王丰元、邹旭东 设计时间：设计时间：2012.11.1-2012.11.62012.11.1-2012.11.6 摘摘 要要 汽车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。汽车的制动性是汽车主动 安全性研究的重点内容之一。随着汽车行驶车速的不断提高，对汽车制动性能的要求也 越来越高。汽车的制动系统除了实现良好的制动性能外，还要尽可能地减小驾驶员的工 作强度。因此，动力制动系统在汽车上得到了广泛的应用。 气压动力制动是最常见的动力制动系统，多用于中重型汽车。气压制动系统是发展 最早的一种动力制动系统。其供能装置和传动装置全部是气压式的。其控制装置大多数 是由制动踏板机构和制动阀等气压控制原件组成，也有的在踏板机构和制动阀之间还串 联有液压式操纵传动装置。本文以一种重型货车为研究对象，通过理论分析和计算对其 气压制动系统结构进行设计。 1 目目 录录 1 1 绪论绪论1 1.1 制动系的作用制动系的作用.1 1.2 气压制动系的研究现状气压制动系的研究现状.2 2 制动系的总体设计3 2.1 制动系统设计要求制动系统设计要求.3 2.2 制动系参数的选择制动系参数的选择.4 2.3 汽车总质量汽车总质量.4 2.4 制动力与制动力分配系数制动力与制动力分配系数.4 2.5 制动器最大制动力矩制动器最大制动力矩.9 3 3 制动器的设计与计算制动器的设计与计算12 3.1 鼓式制动器的主要参数鼓式制动器的主要参数.13 3.1.1 制动鼓内径13 3.1.2 摩擦衬片宽度 b 及包角14 3.1.3 摩擦衬片起始角 0.15 3.1.4 制动蹄支撑点位置坐标 a 和C.15 3.1.5 制动器中心到张开力 F0作用线的距离 e15 3.1.6 摩擦衬片的型号及摩擦系数.15 3.2 鼓式制动器的计算鼓式制动器的计算.15 3.2.1 计算有一个自由度的紧蹄摩擦片的径向变形规律.15 3.2.2 计算蹄片上的制动力矩16 3.2.3 检查制动蹄有无自锁.18 3.3 衬片磨损特性的计算衬片磨损特性的计算19 3.3.1 比能量耗散率（单位功负荷、能量负荷）.19 3.3.2 衬片单位摩擦面积的制动器摩擦力 f0 (比摩擦力).20 2 3.3.3 驻车制动计算.21 3.4 制动鼓主要零部件的结构设计制动鼓主要零部件的结构设计.21 3.4.1 制动鼓.21 3.4.2 制动蹄.22 3.4.3 制动底板23 3.4.4 凸轮式张开机构23 3.4.5 摩擦材料23 3.4.6 支承.24 4 4 气压制动驱动机构的设计计算气压制动驱动机构的设计计算25 4.1 制动气室.26 4.2 贮气罐28 4.3 空气压缩机30 5 5 技术经济性分析技术经济性分析31 6 6 总结总结33 致谢致谢.34 参考文献参考文献.35 3 1 绪论 1.1 制动系的作用 近百年来，汽车工业之所以常胜不衰主要得益于汽车作为商品在世界各处都有广阔的 市场，生产批量大而给企业带来丰厚的利润。最主要的是科学技术的不断进步，使汽车 能逐渐完善并满足使用者的需求。随着我国汽车产业的不断发展和新交通法规的实施， 我国的汽车及其运输管理开始走向正轨，农用运输车将逐渐退出市场，而重型运输自卸 车逐渐呈现出广阔的发展前景。然而车辆交通安全历来是人们最为关心的问题之一，它 直接关系到人民生命和财产的损失，因此汽车制动系统的可靠性研究至关重要。汽车制 动系是用于使行驶中的汽车减速或停车，使下坡行驶的汽车的车速保持稳定以及使以停 驶的汽车在原地（包括在斜坡上）驻留不动的机构。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 动性良好、制动系工作可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。 汽车制动系统至少有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装置：重型 汽车或经常在山区行驶的汽车要增设应急制动装置及辅助制动装置；牵引车还应有自动 制动装置。行车制动装置用于使行驶中的汽车强制减速或停车，并使汽车在下短坡时保 持适当的稳定车速。其驱动机构常采用双回路或多回路结构，以保证其工作可靠。驻车 制动装置用于使汽车可靠而无时间限制地停驻在一定位置甚至在斜坡上，它也有助于汽 车在坡路上起步。驻车制动装置应采用机械式驱动机构而不用液压或气压驱动，以免其 产生故障。 应急制动装置用于当行车制动装置意外发生故障而失效时，这时则可利用应急制动装置 的机械力源(如强力压缩弹簧)实现汽车制动。应急制动装置不必是独立的制动系统，它可 利用行车制动装置或驻车制动装置的某些制动器件。应急制动装置也不是每车必备，因 为普通的手力驻车制动器也可以起应急制动的作用。 辅助制动装置用于山区行驶的汽车上，利用发动机排气制动或电涡流制动等辅助 制动装置，则可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持稳定车速并减轻或解除行车 制动器的负荷。通常，在总质量为 5t 以上的客车上和 12t 以上的载货汽车上装备这种辅 助制动减速装置。任何一套制动装置均由制动器和制动驱动机构两部分组成。制动器 有鼓式与盘式之分。行车制动是用脚踩下制动踏板操纵车轮制动器来制动全部车轮，而 4 驻车制动则多采用手制动杆操纵，且具有专门的中央制动器或利用车轮制动器进行制动。 中央制动器位于变速器之后的传动系中，用于制动变速器第二轴或传动轴。行车制动和 驻车制动这两套制动装置必须具有独立的制动驱动机构，而且每车必备。行车制动装置 的驱动机构，分液压和气压两种型式。用液压传递操纵力时还应有制动主缸和制动轮缸 以及管路；用气压操纵时还应有空气压缩机、气路管道、贮气简、控制阀和制动气室等。 过去，大多数汽车的驻车制动和应急制动都使用中央制动器，其优点是制动位于主减速 器之前的变速器第二轴或传动轴的制动力矩较小，容易满足操纵手力小的要求。但在用 作应急制动时，往往使传动轴超载。现代汽车由于车速提高，对应急制动的可靠性要求 更严，因此，在中、高级轿车和部分总质量在 1.5t 以下的载货汽车上，多在后轮制动器 上附加手操纵的机械式驱动机构，使之兼起驻车制动和应急制动的作用，从而取消了中 央制动器。重型载货汽车由于采用气压制动，故多对后轮制动器另设独立的由气压控制 而以强力弹簧作为制动力源的应急兼驻车制动驱动机构，也不再设置中央制动器。但也 有一些重型汽车除了采用了上述措施外，还保留了由气压驱动的中央制动器，以便提高 制动系的可靠性 1.2 气压制动系的研究现状 气压制动系统是发展最早的一种动力制动系统。其供能装置和传动装置全部是气压 式的。其控制装置大多数是由制动踏板机构和制动阀等气压控制原件组成，也有的在踏 板机构和制动阀之间还串联有液压式操纵传动装置。气压制动由于可获得较大的制动驱 动力且主车与被拖的挂车以及汽车列车之间制动驱动系统的连接装置结构简单联接和断 开都很方便,因此广泛用于总质量为 8t 以上尤其是 15t 以上的载货汽车,越野汽车和客车上. 但气压制动系必须采用空气压缩机,贮气罐,制动阀等装置,使结构复杂,笨重,轮廓尺寸大,造 价高;管路中气压的产生和撤除均较慢,作用滞后时间较长(0.30.9s),因此在制动阀到制动 气室和贮气罐的距离较远时有必要加设气动的第二级控制元件继动阀(即加速阀)以及 快放阀;管路工作压力较低(一般为 0.50.7MPa),因而制动气室的直径大,只能置于制动器 之外,再通过杆件及凸轮或楔块驱动制动蹄,使非簧载质量增大;另外,制动气室排气时也有 较大噪声。汽车在行驶过程中驾驶员要经常使用制动器，为了减轻驾驶员的工作强度， 目前汽车基本上都采用了伺服制动系统或动力制动系统。载重汽车一般均采用动力制动 系统。 5 2 制动系的总体设计 2.1 制动系统设计要求 1）能适应有关标准和法规的规定。各项性能指标除满足设计任务书的规定和国家标 准的有关要求外，也应考虑销售对象国家和地区的法规和用户要求。 2）具有足够的制动效能。包括行车制动效能和驻坡制动效能。 3）工作可靠。汽车至少应有行车制动和驻车制动两套制动装置且它们的制动驱动机 构应是各自独立的。行车制动装置的制动驱动机构至少应有两套独立的管路，当其中一 套失效时，另一套应保证汽车制动效能不低于正常值的 30%；驻车制动装置应采用工作 可靠的机械式制动驱动机构。 4）制动效能的水稳定性好。制动器摩擦表面浸水后，会因水的润滑作用使摩擦系数 急剧减小而发生所谓的“水衰退”现象。一般规定在出水后反复制动 515 次，即应恢 复其制动效能。良好的摩擦材料吸水率低，其摩擦性能恢复迅速。也应防止泥沙、污物 等进入制动器工作表面，否则会使制动效能降低并加速磨损。某些越野汽车为了防止水 相泥沙侵入而采用封闭的制动器。 5）制动时的操纵稳定性好。即以任何速度制动，汽车都不应当失去操纵性和方向稳 定性。为此，汽车前、后轮制动器的制动力矩应有适当的比例，最好能随各轴间载荷转 移情况而变化；同一轴上左、右车轮制动器的制动力矩应相同。否则当前轮抱死而侧滑 时，将失去操纵性；后轮抱死而侧滑甩尾，会失去方向稳定性；当左、右轮的制动力矩 差值超过 15时，会发生制动时汽车跑偏。对于汽车列车，除了应保证列车各轴有适当 的制动力分配外，也应注意主、挂车之间各轴制动开始起作用的时间，特别是主、挂车 之间制动开始时间的协调。 6）制动效能的热稳定性好。 7）制动踏板和手柄的位置和行程符合人-机工程学的要求，即操作方便性好，操纵 轻便、舒适能减少疲劳。 6 8）作用滞后的时间要尽可能地短。 9) 制动时不应产生振动和噪声。 10)与悬架、转向装置不产生运动干涉，在车轮跳动、汽车转向时不会引起自行制动。 11）制动系中应有音响或光信号等警报装置，以便能及时发现制动驱动件的故障和 功能失效。 12）制动系的机件应使用寿命长、制造成本低，对摩擦材料的选择也应考虑到环保 要求。 1 2.2 制动系参数的选择 货车的主要参数 长宽高（mm）1197623953750 轴数/轴 距（mm） 4/(1950+4550+1350) 质心距前轴（mm）5250 质心距后轴（mm）2600 前 轮 距（mm） 2022 后 轮 距（mm） 1830 最小离地间隙（mm）285 整车整备质量（kg）12000 最大装载质量（kg）16000 前满载轴荷分配（KG）6000 后满载轴荷分配（KG）22000 最 高 车 速（km/h）100 质心高度 (mm) 空载 943mm 满载 1800mm 2.3 汽车总质量 汽车的总质量是指整备完好，装备齐全并按规定载满客货时的汽车质量： aog mmm =12000+16000 =28000Kg 2.4 制动力与制动力分配系数 汽车制动时，如果忽略路面对车露的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性力矩，则任 7 一角速度的车轮， ，其力矩平衡方程为：0 （2-1）0 fB e TF r = fB e TF r7134452.0 2 8.928000 mN 式中： 制动器对车轮作用的制动力矩，即制动器的摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向 f T 反力，；mN 地面作用于车轮上的制动力，即地面与车轮之间的摩擦力，又称为地面制动力， B F 其方向与汽车行驶方向反力，N ； 车轮有效半径，m ；选为约为 0.52m。 e r 令 （2-2） f f e T F r 并称之为制动器制动力，他是在车轮周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，因为又称为制 动周缘力。与地面制动力的方向相反，当车轮角速度时，大小亦相等，且 f F B F0 仅由制动器结构参数所决定。即取决于制动器的结构型式、尺寸、摩擦副的摩擦系 f F f F 数及车轮有效半径等，并与制动踏板力即制动系的液压或气压成正比。当加大踏板力以 加大时，和均随之增大。但地面制动力受着附着条件的限制，其值不可能大 f T f F B F B F 于附着力即F B FFZ 或 maxB FFZ 式中 轮胎与地面间的附着系数； Z地面对车轮的法向反力。 当制动器制动力和地面制动力达到附着力值时，车轮即被抱死并在地面上滑 f F B FF 移。此后制动力矩即表现为静摩擦力矩，而即成为与相平衡以阻止车轮再 f T/ ffe FTr B F 旋转的周缘力的极限值。当制动到以后，地面制动力达到附着力值后就不在0 B FF 增大，而制动器制动力由于踏板力的增大使摩擦力矩增大而继续上升。 f F p F r T 8 图 21 制动力与蹋板力 FP 关系 Figure 2-1 Braking force and ta board strength FP relations 直至 20 世纪 50 年代，当时道路条件还不是很好，汽车行驶速度也不是很高，后轮 抱死侧滑的后果也不是显得像前轮抱死丧失转向能力那样严重，因此往往将值定的较 0 低，即处于常附着系数范围的中间较偏区段。但当今道路条件大为改善，汽车行驶速度 也大为提高，因而汽车因制动时后轮先抱死引起的后果十分严重。由于车速高，它不仅 会引起侧滑甩尾甚至会调头而丧失操纵稳定性。后轮先抱死的情况是最不希望发生的。 因此各类轿车和一般载货汽车的值有增大的趋势满载时的同步附着系数，货车取 0 。 0 0.5 当时，,利用率最高。 0 0 q1 汽车减速度为：=0.59.8=4.9， 0 /du dtqgg 即, 制动强度 0 qq 附着系数利用率（或附着力利用率）来表达，可定义为 B Fq G 式中 汽车总的地面制动力； B F 汽车所受重力；G 制动强度；q 根据汽车制动时的整车受力分析，考虑到制动时的轴荷转移，可求得地面对前、后 轴车轮的法向反力，为： 1 Z 2 Z 122343)9.4 8.9 8.1 6.2( 85.7 8.928000 )( 21 dt du g h L L G g 9 （2-3） 152056)9.4 8.9 8.1 25.5( 85.7 8.928000 )( 12 dt du g h L L G g （2-4） 式中：G汽车所受重力 L汽车轴距 L 汽车质心离前轴距离 1 L 汽车质心离后轴距离 2 汽车质心高度 g h g重力加速度 汽车制动减速度 m/s dt du 2 汽车总的地面制动力为：1680006.0280000 21 Gq dt du g G FFF BBB 式中前轴车轮的地面制动力 1B F 后轴车轮的地面制动力 2B F 由上面两式可求得前后轴车轮附着力为： 734066.0)8.15.06.2( 85.7 8.928000 )()( 2 2 1 g g B qhL L G L h F L L GF 912336.0)8.15.025.5( 85.7 8.928000 )()( 1 1 2 g g B qhL L G L h F L L GF 上式表明：汽车在附着系数为任一确定值的路面上制动时，各轴附着力即极限制动 力并非为常数，而是制动强度或总制动力的函数。当汽车各车轮制动器的制动力足qF 够时，根据汽车前、后轴的轴荷分配，前、后车轮制动器制动力的分配、道路附着系数 和坡度情况等，制动过程可能出现的情况有三种，即： 1）前轮先抱死拖滑，然后后轮再抱死拖滑； 2）后轮先抱死拖滑，然后前轮再抱死拖滑； 3）前、后轮同时抱死拖滑。 10 在以上三种情况中，显然是（3）情况的附着条件利用得最好。 由上式中不难求得在任何附着系数的路面上，前、后车轮同时抱死即前、后轴车轮 附着力同时被充分利用的条件是： GFFFF BBff 2121 )/()(/ 122121ggBBff hLhLFFFF 8.734051223436.0 111 Bf FF 6.912331520566.0 222 Bf FF 式中：前轴车轮的制动器制动力 1f F 后轴车轮的制动器制动力 2f F 前轴车轮的地面制动力 1B F 后轴车轮的地面制动力 2B F 、地面对前后轴车轮的法向反力 1 2 G汽车所受重力 、汽车质心离前后轴距离 1 L 2 L 汽车质心高度 g h 由上式可知，前后轮同时抱死时，前、后轮制动器的制动力，是的函数。 1 f F 2 f F 将上式绘成以，为坐标的曲线，即为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线， 1 f F 2 f F 简称 I 曲线，如图 图 22 载货汽车的曲线与 线 Figure 2-2 TruckCurve and beta line 11 如图，如果汽车前、后制动器的制动力，能按 I 曲线的规律分配，则能保证汽 1 f F 2 f F 车在任何附着系数的路面上制动时，都能是前、后车轮同时抱死。然而，目前大多数两 轴汽车尤其是货车的前、后制动器制动力之比为一定值，并以前制动器制动力与汽车 1 f F 总制动器制动力之比来表明分配的比例，称为汽车制动器制动力分配系数： f F f f F F 1 又由于在附着条件所限定的范围内，地面制动力在数值上等于相应的制动周缘力， 因此又可通称为制动力分配系数。 前面已分别给出了制动强度 q 和附着系数利用率根据所选定的同步附着系数求 0 得： （2-5）468.0 85.7 8.16.06.2 1-= L hL g01 进而求得：qhL L G GqFF gBB )( 021 qhL L G GqFF gBB)012 ()1 ()1 ( 当时，故 ，q=， 0 11B FF 22B FF GFB1 当=0.4 时，可能得到的最大总制动力取决于前轮刚刚首先抱死的条件，即 0 由上面的式得： 11 FFB （22.102653 8.1)4.05.0(6.2 4.06.28.928000 )( 02 2 g B hL GL F -6） q=374.0 8.1)4.05.0(6.2 4.06.2 )( 02 2 g hL L 935.0 8.1)4.05.0(6.2 6.2 )( 02 2 g hL L 当，可能得到的最大总制动力取决于后轮刚刚首先抱死的条件，即时6 . 0 0 有上面的式得： 22 FFB 12 （3.159182 8.1)5.06.0(25.5 6.025.58.928000 )( 01 1 g B hL GL F 2-7） q=58.0 8.1)5.06.0(25.5 6.025.5 )( 01 1 g hL L 97.0 8.1)5.06.0(25.5 25.5 )( 01 1 g hL L 对于值恒定的汽车，为使其在常遇到附着系数范围内不致过低，其值总是选 0 得小于可能遇到的最大附着系数。所以在的良好路面上紧急制动时，总是后轮先抱 0 死。 2.5 制动器最大制动力矩 为了保证汽车有良好的制动效能和稳定性应合理地确定前后轮制动器的制动力矩， 最大制动力是在汽车附着质量被完全利用的条件下获得的。这时制动力与地面作用车轮 的法向力成正比双轴汽车前、后车轮附着力同时被充分利用或前、后轮同时抱死时 21, 的制动力之比为： （2-8）80.0 01 02 2 1 2 1 g g f f hL hL F F 式中：L ，L 汽车质心离前后轴的距离 12 同步附着系数 0 h 汽车质心高度 g 通常上式的比值：轿车约为：1.3-1.6，货车约为：0.5-0.8 制动器所能产生的制动力矩受车轮的计算力矩所制约，即 （2-1.3817152.08.73405 11 eff rFTmN 9） 5.4744152.06.91233 22 eff rFT （2-mN 10） 式中：前轴制动器的制动力 1f F 后轴制动器的制动力 2f F 13 作用于前轴车轮上的地面法向反力 1 作用于后轴车轮上的地面法向反力 2 车轮的有效半径 e r 对于常遇的道路条件较差、车速较低因而选取了较小的同步附着系数值的汽车， 0 为了保证在的良好的路面上（例如）能够制动到后轴和前轴先后抱死滑移 0 0.7 （此时制动强度） ，前、后轴的车轮制动器所能产生的最大制动力矩为：q （2-11） egef rhL L G rT)( 21max1 =52.06.0)8.16.06.2( 85.7 8.928000 =40134.4mN （2-12） max1max2 1 ff TT =4.40134 468.0 468.01 =45622.8mN 对选取较大值的各类汽车，则应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定各轴的 0 最大制动力矩。当时，相应的极限制动强度，故所需的后轴和前轴的最大制 0 q 动力矩为 （2-13） egf rqhL L G T)( 1max2 =52.06.0)8.16.025.5( 85.7 8.928000 =45478.4mN （2-14） max2max1 1 ff TT =4.45478 468.01 468.0 =40007.3mN 式中：该车所能遇到的最大附着系数 q制动强度 14 r车轮有效半径 一个车轮制动器应有的最大制动力矩为上列公式计算结果的值一半。 3 制动器的设计与计算 制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件，后一提法适用于 驻车制动器。一般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的 旋转角速度降低同时依靠车轮与路面的附着作用，产生路面对车轮的制动力，以使汽 车减速。 制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式。电磁式制动器虽有作用滞后性好、 易于连接而且接头可靠等优点，但因成本高，只在一部分总质量较大的商用车商上用作 车轮制动器或缓速器；液力式制动器一般只用作缓速器。目前广泛使用的仍为摩擦式制 动器。凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦作用产生制动力矩的制动器动器，都 15 称为摩擦制动器。行车制动、驻车制动及第二（或应急）制动系统所用的制动器几乎 都属于摩擦制动器。 摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。前者摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其工作表 面为圆柱面；后者的旋转元件则为圆盘状的制动盘，以端面为工作表面。 旋转元件同装在车轮或半轴上，即制动力矩分别直接作用于两侧车轮上的制动器，称 为车轮制动器。旋转元件固装在传动系统的传动轴上其制动力矩须经过驱动桥再分配 到两侧车轮上的制动器，则称为中央制动器。车轮制动器一般用于行车制动，也有兼用 于第二制动(或应急制动)和驻车制动的。中央制动器一股只用于驻车制动和缓速制动。 鼓式制动器又分为多种形式：领从蹄式、单向双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、 单向增力式和双向增力式等结构形式的制动器。领从蹄式制动器主要由制动鼓、制动蹄、 和驱动装置组成，蹄片装在制动鼓内，结构紧凑，密封容易。领从蹄式制动器的效能和 效能稳定性，在各式制动器中居中游；前进、倒退行使的制动效果不变；结构简单成本 低；便于附装驻车制动驱动机构；易于调整蹄片与制动鼓之间的间隙。从而广泛应用于 中、重型货车前后轮及轿车后轮制动器。 盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属盘，此圆盘称为制动盘。其固定 元件则有多种结构形式，大体上可分为两类。一类是工作面积不大的摩擦块与其金属背 板组成的制动块，每个制动器中有 24 个。这些制动块及其促动装置都装在横跨制动盘 两侧的夹钳形支架中，总称为制动钳。这种制动盘和制动钳组成的制动器，称为钳盘式 制动器。另一类固定元件的金属背板和摩擦片也呈圆盘形，因其制动盘的全部工作面可 同时与摩擦片接触，故该类制动器称为全盘式制动器。 3.1 鼓式制动器的主要参数 汽车类别选用乘用车，汽车的总质量 m 为 28t、汽车质心高度 h =1.8m、轴距 ag L=7.85m、汽车质心离前轴距离 l =5.25m、汽车质心离后轴距离 l =2.6m 其它几何参数如 12 图 3-1 16 图 3-1 鼓式制动器主要几何参数 Fig3-1 The main geometric parameters of drum brakes 3.1.1 制动鼓内径 输入力 F 一定时，制动鼓内径越大，制动力矩越大，且散热能力也越强，但 D 的增 0 大受轮辋内径限制。而且 D 的增大也使制动鼓的质量增大，使汽车的非悬挂质量增加， 不利于汽车的行驶平顺性。制动鼓与轮辋之间应保持足够的间隙，通常要求该间隙不小 于 20mm，否则不仅制动鼓散热条件差，而且轮辋受热后可能粘住内胎或烤坏气门嘴。制 动鼓应有足够的壁厚，用来保证有较大的刚度和热容量，以减少制动时的温升。制动鼓 的直径小，刚度就大，并有利于保证制动鼓的加工精度。由此间隙要求及轮辋的尺寸即 可求得制动鼓直径 D 的尺寸，另外制动鼓直径 D 与轮辋直径 D 之比的一般范围为： r 轿车：D/ D =0.64-0.74 r 货车：D/ D =0.70-0.83 r 轿车制动鼓内径一般比轮辋外径小 125mm-150mm，载货汽车和客车的制动鼓内径一般 比轮辋外径小 80mm-100mm。对于深槽轮辋由于其中间深陷部分的尺寸比轮辋名义直径小 17 得多，所以其制动鼓与轮辋之间的间隙有所减小应予注意。设计时亦可按轮辋直径初步 确定制动鼓内径如表 3-113 表 3-1 制动鼓最大内径 Tablet .3-1 The largest diameter brake drum 轮辋直径/in 12 1314151620，22.5 轿车180200240260- 制动鼓最大内径/mm 货车、客车220240260300320420 制动鼓内径尺寸应符合 QC/T 309-1999制动鼓工作直径及制动蹄片宽度尺寸系列 的规定。 由上述表格和轮胎标准初选制动鼓内径 420mm 3.1.23.1.2 摩擦衬片宽度摩擦衬片宽度 b b 及包角及包角 制动鼓半径 R 既定后。摩擦衬片宽 b 和包角便决定了衬片的摩擦面积 A ，而 P A =Rb，制动蹄各蹄总的摩擦面积越大则单位压力愈小从而磨损特性愈好。根据 P p A 国外统计资料分析，单个车轮蹄式制动器总的衬片摩擦面积随汽车总重而增加具体数如 表 3-22 表 3-2 摩擦衬片面积 Tablet .3-2 Friction lining area 汽车类别汽车总重力 G /KN 0 单个制动器的衬片摩擦面积 A/cm P 2 轿车 9-15 15-25 100-200 200-300 货车 10-15 15-25 25-35 35-70 70-120 120-170 100-200 150-250 250-400 300-650 550-1000 600-1500 由根据表 2-2 选取对于车总质量分配 m=7t-12t 时，A =550-1000 cm1 aP 2 制动鼓半径 R=D/2=420/2=210mm 确定后，衬片的摩擦面积为 A =Rb P 初选=100初选 A =1000/2=500cm2 P 则 b= A /R=238.1mm，根据 ZBT2400589 选取 b=240mm P 18 3.1.3 摩擦衬片起始角 0 一般将衬片布置在制动蹄的中央，即令 0=100-/2=100-100/2=50 3.1.4 制动蹄支撑点位置坐标 a 和 c 应在保证两蹄支撑端毛面不致互相干涉的条件下，使 a 尽可能大而 c 尽可能小。初步 设计选 a=0.8R=168mm, c=40mm 3.1.5 制动器中心到张开力 F0作用线的距离 e 在保证轮缸或制动凸轮能够布置于制动鼓内的条件下，应使距离 e 尽可能大，以提高 制动效能。初步设计时暂定 e=0.8R=168mm 3.1.6 摩擦衬片的型号及摩擦系数 选择摩擦片时不仅希望其摩擦系数要高些，更要求其热稳定性要好，受温度和压力 的影响要小。不能单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数，应提高对摩擦系数的稳定性和降 低制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的要求，后者对蹄式制动器是非常重要的。摩 擦衬片的型号及性能如表 3-33 表 3-3 内张蹄式制动器衬片型号性能及用途 Tablet.3-3 Shoe brake linings Model Properties and Applications 产品规 格 摩擦系数 硬度 （HBS） 适用范围 SY-11070.39-0.4520-50主要用于轿车等轻负荷车 SY02040.36-0.4220-50主要用于中型载重汽车 SY-90020.38-0.4320-50主要用于重型载货汽车 由表 3-3 选取 SY-9002 规格选取摩擦衬片摩擦系数为 0.4 3.2 鼓式制动器的计算 3.2.1 计算有一个自由度的紧蹄摩擦片的径向变形规律 除摩擦片因有弹性容易变形外，制动鼓、蹄片和支撑也有变形，所以计算法向压力 在摩擦衬片上的分布规律比较困难。通常只考虑衬片径向变形的影响，其他零件变形的 影响较小而忽略不计。 如图 3-2。蹄片在张开力和摩擦力作用下，绕支撑销转动 dr 角，由于 dr 角很小，可 认为A1B1B1=90，所以摩擦衬片表面的径向变形为 1=B1C1=A1B1Sin r1dr OA1OB1=R A1B1/Sin =R/Sin r 19 1= R Sin dr 由此公式可看出蹄片压力沿摩擦衬片长度的分布符合正弦曲线规律。 图 3-2 制动蹄片受力分析图 Fig3-2 Brake shoe stress analysis 3.2.2 计算蹄片上的制动力矩 制动转矩目前一般采用效能因数法或分析图解法计算，本书采用效能因数法计算。 为此必需先求出制动蹄的效能因数，而后求制动力矩。设制动蹄的制动力矩和效能因数 分别为 T 和 Kt，输入张开力 F，制动鼓半径为 R，则 3 （3-1）FRKT t 效能因数是单位为 1 的系数。对于一定结构型式的制动蹄，只要已知制动鼓转向，制 t K 动蹄的主要几何参数的相对值（即这些参数与 R 之比）以及摩擦系数，该蹄的即可确 t K 20 定。然后根据既定的 F 和 R 值求 T。 （1）领蹄 假定蹄鼓之间的单位压力是沿周向均匀分布的，这一假定与实际情况相 差较远，据此算出的制动力矩较实际数值大，根据上面的分析计算可知，蹄片压力沿摩 擦衬片长度的分布符合正弦曲线规律，根据数学推导得领蹄效能因数为 1t K （3-2） ) 1 sincos cos /( 1 K Kt 式中 6.1210/)168168(/)(/ReaRh 822.0210/173/ 22 RcaRfK 4.13 40168 40 arcsinarcsinarcsin 22 22 1 ca c f c 衬片包角取为， 1.1)sin/( 2 sin4 27135090 22 oo0 1 51.12)tan sin sin arctan( 0 8 . 214 . 0arctanarctan 3 . 727 5 . 12 8 . 21 oo0 将以上所计算得到的数值代入式（3-2）中可得出53 . 1 1 t K （2）从蹄制动效能因数，其公式为 2t K （3-3）) 1 sincos cos /( 2 K Kt 式中 6.1210/)168168(/)(/ReaRh 822.0/ 22 RcaRfK 4.13arcsinarcsin 22 1 ca c f c 1 . 1)sin/( 2 sin4 21 27135090 22 oo0 1 5 . 12)tan sin sin arctan( 0 8 . 214 . 0arctanarctan o 2 . 41276 . 78 .21 oo0 代入公式（3-3）62 . 0 2 t K 前面已经分析领从蹄中顶端推力 F1=F2，则可得 1 . 262 . 0 53 . 1 21 ttt KKK 对于凸轮张开机构，张开力 F： （3-4） 1 /5.0BTF f 有前面所算数据所得 T 代入公式（3-4）中，便可得到 F 值为 21360N。汽车制动力总和 f F 与整车质量 m 的百分比： a %60%97%10022000/21360/ a mF 则可知该制动力符合标准。 根据以上计算后得到的值，F 值，以及已知的 R 值代入公式（3-1）中，最终到： t K )( 2.89712.0213601.2mNFRKT t 3.2.3 检查制动蹄有无自锁 计算鼓式制动器，必须检查蹄有无自锁的可能。 如果 f ccos1 /(R1- cSin1) 就不会自锁。 f=0.4 c=)( 22 ac mm3.173)16840( 22 摩擦力的作用半径 22 1 )2sin2sin2()2cos2(cos )cos(cos4 R R 22 )27212722()1272272()12727(2104 SinSinCosCosCosCos =235.2mm 22 式中 000 0 0 261440arcsin40 2 a c 126 00 26100 o 32 . 9 )2sin2sin2( )2cos2(cos arctan 1 4.0826.0 )32.9sin3.1732.235( 32.9cos3.173 sin cos 1 1 1 f cR c 所以制动器不会自锁，合格。 3.3 衬片磨损特性的计算 摩擦衬片(衬块)的磨损受温度、摩擦力、滑磨速度、制动鼓(制动盘)的材质及加工 情况，以及衬计(衬块)本身材质等许多因素的影响。因此在理论上计算磨损性能极为困 难。但试验表明，影响磨损的最重要的因素还是摩擦表面的温度和摩擦力。 从能量的观点来说，汽车制动过程即是将汽车的机械能(动能和势能)的一部分转变 为热量而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制功器几乎承担了汽车全部 动能耗散的任务。此时，由于制功时间很短，实际上热量还来不及逸散到大气中。而被 制动器所吸收，致使制动器温度升高。这就是所谓制动器的能量负荷。能量负荷越大， 则衬片(衬块)磨损将越严重。对于盘式制动器的衬块，其单位面积上的能量负荷比鼓式 制动器的衬片大许多倍，所以制动盘的表面温度比制动鼓的高。 各种汽车的总质量及其制动衬片(衬块)的摩擦面积各不相同，因面有必要用一种相 对的量作为评价能员负荷的指标。目前，各国常用的指标是比能量耗散率，即每单位衬 片(衬块)摩擦面积的每单仿时间耗散的能量。通常所用的计量单位为。比能量耗 2 /W mm 散率有时也称为单位功负荷，或简称能量负荷。 3.3.1 比能量耗散率（单位功负荷、能量负荷） 双轴汽车单个后轮制动器比能量耗散率为 e2=ma ( v12 - v22 )(1-)/4tA2 （3-5） 其中： ma为汽车总质量（t） ，初选乘用车 28t 为汽车回转质量换算系数，紧急制动停车时 v2=0，认为 =1 v1为制动初速度，对于总质量 3.5t 以上的货车 v1=65Km/h(18m/s) 23 j 为制动减速度，计算时一般取 j=0.6g m/s2 j=du/dt A2为后制动器衬片的摩擦面积 t 为制动时间，t=(v1-v2) / j =(18-0)/0.6g=3.07 s 为制动力分配系数，=Ff1/( Ff1+Ff2) 前轴车轮的制动器制动力 Ff1=Z1 后轴车轮的制动器制动力 Ff2=Z 取 轴距 L=7.85m 质心高度 hg=1.8m 汽车质心离前轴距离 L1=5.25m 汽车质心离后轴距离 L2=2.6m 附着系数=0.7（见表 3-4） 表 3-4 路面状况与附着系数对应表 Tablet 3-4. Pavement behavior and coefficient of adhesion correspondence table 路面状态 附着系数 干燥水泥路面0.71.0 潮湿水泥路面0.40.6 Ff1=Z1 =G(L2+hgj/g)/L =0.7280009.8(2.6+1.80.69.8/9.8)/7.85= 90045N Ff2=Z2 =G(L1-hgj/g)/L =0.728009.8(5.25-1.80.69.8/9.8)/7.85 =102034.8 N =90045 /(90045 +102034.8)=0.468 e2=12800 (182-0)(1-0.468)/(43.07140000) =1.59W/mm21.8 W/mm2 合格。 鼓式制动器的比能量耗散率以不大于 1.8W/ mm 为宜2。 2 3.3.2 衬片单位摩擦面积的制动器摩擦力 f0 (比摩擦力) ) 单个车轮制动器的比摩擦力为： 24 Ff0 （3-6） RA Tf 式中：Tf单个制动器的制动力矩 R制动鼓半径 A单个制动器的衬片摩擦面积 由前面计算 Tf=71344 R=210mm A=1000mm 代入式得 Ff0=0.34N/mm20.48N/mm2 3.3.3 驻车制动计算 图 3-3 为汽车在上坡路上停驻时的受力情况: 图 3-3 汽车在上坡路上停驻时受力分析 Fig3-3. Stress Analysis of the ascent vehicle docked 上、下坡时可能停驻的极限坡路倾角为: =arc tanL1/(L-hg) = arc tan0.72.6/(7.85-0.71.8) =15.4 = arc tanL1/(L+hg) = arc tan0.71.8/(5.25+0.70.943) =12.03 经过计算 与 都不小于 16%20%， 合格。 3.3.4 应急制动 25 应急制动时，后轮都将抱死滑移，故后轮制动力为 =96792.8N 此时所需的后轮制动力矩为 =9587.1 N.m 式中，为汽车满载重力，L 为轴距，为汽车质心到前轴的距离，为质心高度，为路面gma 1 L g h 2B F 对后桥的法向反力，为附着系数，为车轮有效半径。 e r 3.4 制动鼓主要零部件的结构设计 3.4.1 制动鼓 制动鼓应具有非常好的刚性和大量的热容量，制动时其温升不应超过极限值。制动鼓 的材料应于摩擦衬片的材料相匹配，以保证具有高的摩擦系数并使工作表面磨损均匀。 中型、重型载货汽车和中型、大型客车多采用灰铸铁 HT200 或合金铸铁制造的制动 鼓；在工作载荷作用下制动鼓会变形，导致蹄与鼓间的单位压力不均匀，且会损失少许 踏板行程。鼓筒变形后的布圆柱度过大时也易引起制动器的自锁或踏板振动。为防止这 些现象发生，应提高制动鼓的刚度。为此，沿鼓口的外缘铸有整圈的加强肋条，也常加 铸一些轴向肋条以提高其散热性能。也有在钢板冲压的制动鼓内侧离心浇铸上合金铸铁 内鼓筒，组合构成制动鼓。 制动鼓在工作载荷作用下会变形，致使蹄鼓间单位压力不均匀，且会损失少许踏板行 程。鼓筒变形后的不圆柱度过大容易引起自锁或踏板扳动。为防止这些现象需提高制动 鼓的刚度。为此，沿鼓口的外缘铸有整圈的加强肋条，也有的加铸若干轴向肋条以提高 其散热件能。 制动鼓相对于轮毂的对中是以某一直径的圆柱表面的配合来定位，并在两者装配紧固 后精加工制动鼓内工作表面，以保证两者的轴线重合。两者装配后还需进行动平衡。其 许用不平衡度对轿车为 15Ncm-20Ncm；对货车为 30Ncm-40Ncm。 制动鼓壁厚的选取主要是从其刚度和强度方面考虑。壁厚取大些也有利于增大其热容 量，但试验表明，壁厚由 11mm 增至 20mm 时，摩擦表面的平均最高温度变化并不大。 一般铸造制动鼓的壁厚：轿车为 7mm-12mm；中、重型载货汽车为 13mm-18mm。制动鼓 在闭口一侧外缘可开小孔，用于检查制动器间隙。 本车选用 HT200 铸造制动鼓 )/( 122gazB hLgLmFF e g a eB r hL gLm rF 1 2 26 3.4.2 制动蹄 轿车和微型、轻型载货汽车的制动蹄广泛采用 T 形型钢辗压或钢板冲压焊接制成； 大吨位载货汽车的制动蹄则多用铸铁、铸钢或铸铝合金制成。制动蹄的结构尺寸和断面 形状应保证其刚度好，但小型车用钢板制的制动蹄腹板上有时开有一、两条径向曹，使 蹄的弯曲刚度小些，以便使制动蹄摩擦衬片于制动鼓之间的接触压力均匀，因而使衬片 的磨损较为均匀，并可减少制动时的尖叫声。重型汽车制动