机械毕业设计（论文）-大学生方程式赛车制动与行走系统设计（全套图纸）

河河 南南 科科 技技 大大 学学 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题目：题目：大学生方程式赛车设计 （制动与行走系统设计）大学生方程式赛车设计 （制动与行走系统设计） 姓姓 名：名： 院院 系：系：车辆与交通工程学院车辆与交通工程学院 专专 业：业： 车辆工程车辆工程 指导教师：指导教师： 2015 年年 05 月月 30 日日 车辆与交通工程学院毕业论文 II 方程式赛车制动与行走系统设计 摘 要 Formula- SAE 赛事起源于美国，1979 在休斯顿进行了第一次比赛，从 当时的十三支支队伍发展到现在上百支， 参赛的赛车也由最初的木制变为现 代高科技材料，如今已成为国内外汽车相关专业学生最大的交流实践平台， 对汽车界也有着一定得影响力。 FSAE 的目的是鼓励高校学生的创新能力与 动手能力，让高校学生自己设计并制造方程式赛车（或者电车）参加比赛。 2015 年将在湖北襄阳举办第六届 FSAE 大赛，这次设计主要是是依据 2015 赛程的相关规定进行设计计算的。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本说明书结合赛车的特点，进行了制动与行走系统的设计（针对方程式 赛车），并用三维软件进行了模型绘制。赛车应底盘低，重心低，快速启动， 加速，制动灵敏，制动力足够大时，制动踏板力不发生偏差，合理，符合人 体工程学的要求布置。方程式赛车必须使用液压制动，不要求有驻车制动。 为了实现汽车四轮抱死减速同时满足发动机启动时的加速要求， 要求制动系 统必须安全、迅速、有效，行驶系统必须稳定、轻便。制动系统使用本制动 系统采用固定钳盘式制动器，II 型回路。行走系统采用三片式轮辋，大量采 用碳纤维以减轻簧下质量。 FSAE 赛车有别于民用车，与专业竞赛赛车也有很大不同，它体积小， 车辆与交通工程学院毕业论文 III 质量轻，对速度的要求不是很高，轻量化的设计是重点，还有安全性问题， 赛车很多地方要进行独立的设计，与常规的设计方法区别很大，这次设计结 合 HLF 以往赛车的检验，由赛车总体参数设计制动系统的部件，通过计算， 得出制动力的分配系数，主缸和轮缸的大小，杠杆的位置等参数。最后对制 动性能进行了详细分析。 关键词：SAE 方程式，制动，行走，设计 车辆与交通工程学院毕业论文 IV FORMULA RACING BRAKING AND WALKING SYSTEM DESIGN ABSTRACT Formula - the SAE event originated in the United States. From the time of the 13 team development to hundreds of teams, now of the car also changed from the original wooden to modern high- tech materials, automotive related professional students at home and abroad has now become the largest communication practice platform, the car also has a certain influence.The purpose is to encourage our students innovative ideas and practical ability, let college students own design and manufacture formula (or car) in the competition.2015 will be held in hubei xiangyang sixth FSAE contest, this design is mainly based on the 2015 race to the relevant provisions of the design and calculation. This manual according to the characteristics of the car, and 3 d software for the drawing model.Also lower the cars chassis is low, the center of mass, starting fast, brake sensitivity at the same time, the braking force is large enough, the brake cannot occur when wandering, pedal force to reasonable.Formula must use the hydraulic brake, does not require a parking brake.In order to realize the vehicle four wheel lock reduction at the same time meet the requirements of the acceleration of the engine is started, the system should have the feature of safety, effective and drive system must be stable, light. The braking system adopts type II circuits.Walking system adopts three chip rim, a large number of using carbon fiber to lighten unsprung mass. FSAE car is different from the domestic car, and professional race car is different also, it has small volume, light quality, is not very tall to the requirement of speed, lightweight design is a key. many parts of the car to an 车辆与交通工程学院毕业论文 V independent design, is a big difference with the conventional design method, the design combined with HLF racing past test. Finally, the braking performance are analyzed in detail. KEY WORDS: Formula- SAE, braking, walking, design 车辆与交通工程学院毕业论文 VI 目 录 前 言 1 第一章 制动系统总体设计 . 2 1.1 制动系统的设计目标 . 2 1.2 设计要求 . 2 1.3 制动系统总成设计 2 1.3.1 踏板总成（含加速踏板） . 3 1.3.2 驱动机构的方案确定 . 3 1.3.3 液压回路方案确定 4 1.3.4 制动器方案的确定 . 5 1.3.5 制动器间隙及调整 . 5 1.3.6 制动主缸形式的选择 . 6 1.3.7 制动管路 7 1.3.8 制动液 8 1.3.9 制动灯总成 8 第二章 制动系统设计计算 . 9 2.1 制动系统参数 . 9 2.1.1 相关主要参数 9 2.1.2 地面对前后轮的法向支撑力 . 9 2.2 制动器的相关计算 .12 2.2.1 制动力矩分配系数 .12 2.2.2 制动器制动力矩 12 2.2.3 前后制动器制动力的 I 曲线 .13 2.3 盘式制动器相关参数设计 .14 2.3.1 制动盘设计形式 14 2.3.2 制动盘直径 D 14 2.3.3 制动盘厚度 .14 2.3.4 摩擦衬块的大小 15 2.3.5 摩擦衬块工作面积 16 车辆与交通工程学院毕业论文 VII 2.3.6 摩擦衬块摩擦系数 f .16 2.4 盘式制动器制动力计算 .17 第三章 液压制动驱动机构的设计计算 20 3.1 前后轮制动轮缸直径d 20 3.2 制动主缸直径 0d 20 3.3 制动踏板力pF和踏板机构的传动比 P i .22 3.4 制动踏板工作行程 ps .22 3.5 平衡杠杆的调节.23 3.6 制动系统基本参数 .25 第四章 制动性能分析 26 4.1 制动性能评价指标 .26 4.2 制动效能 26 4.3 制动效能的恒定性 .26 4.4 赛车方向稳定性.27 4.6 制动减速度 j 和制动距离 S .28 第五章 行走系统的设计 31 5.1 行走系统的功用.31 5.2 赛车行驶系统概述 .31 5.2.1 轮胎 .31 5.2.2 轮辋 .32 5.2.3 轮毂的设计 .33 第六章 结 论 .34 参考文献 .35 致 谢 .37 附 录 .38 A.2015 大赛规则（制动部分） . 38 B. 制动器的结构形式 . 40 C. 试验车制动系统经验教训 . 41 D.基于 MATLAB 的理想的制动力分配曲线程序 . 42 车辆与交通工程学院毕业论文 1 前 言 FSAE 在国外的大学已经流行已久，但是中国的大学才处于刚刚起步的 阶段。中国的汽车行业根基本来就比较薄弱，大学生深入接触汽车的机会并 不多，在学校的实验往往也是浅尝辄止，不能对汽车有深入的理解。而在国 外，汽车制造业已经相当成熟，而且改装俱乐部十分盛行，很多大学生也有 自己的轿车，对驾驶和维修已经有了一定的了解。欧美的车队大多都有专业 的厂商为他们提供型号丰富的发动机，减震器，轮胎，踏板组合，油缸油管 等，厂家的技术人员也会为各个车队提供专业的调整方式和数据资料，保证 了赛车实际性能与设计性能的吻合，同时也使车手能安全舒适的操控赛车， 充分发挥赛车的性能。在中国，FSAE 大赛刚刚起步没有几年，相关的技术 都不成熟，也没有太多的的厂商提供各种所取的材料，只能自己制造或者在 在网上选购，选购的时候参数往往不是很充足，安装与调试也不明了，制动 钳的选择便是如此。为了节约成本，车队需要自己设计一些机构和零件，并 委托加工。 为了减轻赛车的质量，对零部件细节的设计变得尤为重要。车辆人机工 程处理的是否得当直接影响车手的发挥，如果设计合理，能有效提高车手的 效率。运用人机工程学，对踏板组位置、高度，角度进行优化和仿真，可以 明显提高车手的乘坐舒适性与操控效率，进而提高比赛成绩。 赛车必须采用液压制动， 必须有两个或者两个以上制动回路以提高赛车 的安全性。行车制动系统采用双回路、四轮碟刹制动系统。利用平衡杆将制 动踏板的压力分配至前后轮制动主缸， 通过油管传递制动压力至前后轮盘式 制动器轮缸， 轮缸活塞推动制动片压向制动盘产生力矩， 使汽车减速或停车。 每个液压制动回路都必须有它专用的储液罐， 不允许使用有助力系统的制动 装置。赛车在进行测试时要求在规定的跑道制动时不能跑偏且四轮必须抱 死，赛车的踏板能承受的力不小于规定值且能适应所有裁判的操作。制动力 分配系数直接绝对制动力的大小与制动距离，关系到车手安全，所以必须对 制动力分配系数优化设计。在选好制动主缸,轮缸，制动盘等零件后后必须 对制动效能进行分析。 在确定制动力分配比的约束后,通过 EXCEL,MATLAB 等工具进行进一步的进行优化设计。 车辆与交通工程学院毕业论文 2 第一章 制动系统总体设计 使行驶中的赛车在制动系统的作用下减速， 使下坡行驶的赛车的速度维 持稳定状态，并可以使已经停驶的赛车保持原地不动的状态，这些作用统称 为赛车制动。 1.1 制动系统的设计目标 对于FSAE的制动系统来说，制动系统（包含加速踏板）的作用是实现 使运动的赛车安全、迅速地在尽可能短的距离使车轮抱死减速或停车。由于 赛车场地的不同以及不同天气下道路的摩擦系数的变化， 赛车前后轮制动力 必须便于调节。同时赛车前部的空间狭小，踏板组要尽量符合人机工程，所 以踏板的位置，高度，角度必须进行优化设计，兼顾强度的需要。 1.2 设计要求 在满足比赛规则的同时，应力求： 1. 整个系统的轻量化； 2. 增强系统安装的灵活性以简化装配过程，并方便调节； 3. 提高系统的可靠性，尽量进行数学分析。 4.提高舒适性，达到人体工程学的规范。 1.3 制动系统总成设计 车辆的制动总成一般包括两套相互独立的制动装置。 一套是行车制动装 置，在车辆行驶时发挥作用使车辆减速或停车，就是本次设计的重点，由车 手用脚操纵，在行车中往往受到较大的冲击力。另一套是驻车制动装置，在 停车时保证汽车静止，防止溜车，一般用手操控。它们都包含制动器和制动 传动机构。根据大赛的规定，不必设计驻车制动。 车辆与交通工程学院毕业论文 3 1.3.1 踏板总成（含加速踏板） 方程式赛车的踏板总成制造如图1- 1所示。加速、离合踏板受力较小， 冲击一般不大，比较薄，没有加强肋，而赛车紧急制动的情况较多，尤其是 连续过弯时，驾驶员频繁踩踏制动板，制动踏板受力与冲击较大，所以加速 踏板， 离合踏板的设计较为简单， 制动踏板设计得比较厚， 并使用了加强肋， 采用非直线设计，减小踏板高度，增加杠杆比，满足人机工程学的要求，减 少车手疲劳。所有踏板均采用7075铝合金制造，强度高，质量轻，耐冲击， 用销轴与踏板座连接，脚踏板上每一横向都有四个孔洞，可以左右移动，适 应不同车手的驾驶习惯。制动踏板的制作也采用铝合金作为材料。踏板体积 较小， 结构简单， 除了三个连接孔以外对精度的要求并不高， 便于加工制造， 降低成本。所有的连接件均采用国家标准。 图 1- 1 踏板总成（含制动踏板、加速踏板、离合踏板）三维模型 1.3.2 驱动机构的方案确定 驾驶员对踏板施加的压力或其他力源的力通过制动驱动机构传给制动 器，通过摩擦产生制动力矩。液压机构反应迅速，滞后时间很短，传动效率 高，能承受的压力可以达到12MPa，在空间的布置上没有约束。但是受热容 车辆与交通工程学院毕业论文 4 易膨胀，在管道里行程气泡，出现踏板偏软，车轮不能抱死的现象。在本次 设计中，使用wilwood的平衡杠杆和制动主缸作为驱动机构。 1.3.3 液压回路方案确定 根据赛事要求，赛车制动系统采用液压制动。设计中驱动机构采用了双 回路系统，确保开车时的赛车的安全性。制动驱动机构的多种多样，其中常 见的有以下几种形式，分别是II、HI、X、HH、LL型。LL、HI、HH型的制 动成本均较II型、X型高，且机构复杂。LL型和HH型安全性高，都保证一条 故障时，另一条的作用维持原有作用的一半。HI型一条回路失效时，剩余的 制动力较大，但在突然制动的情况下后轮极易先抱死发生侧向滑动。II型管 路的布置较为简单，管路接头少，油压传递效率高，便于装配。液压系统形 式如图1- 2所示。 图 1- 2 液压回路系统的形式 综合方程式赛车的使用情况，以及利于装配的角度，本次设计选用II型 制动回路，简单可靠，成本低廉，利于装配，在一条管路不起作用时，另一 条管路仍能提供有效的制动力。设计形式如图1- 3所示。 图 1- 3 II 型回路系统的形式 车辆与交通工程学院毕业论文 5 1.3.4 制动器方案的确定 由大学生方程式赛车赛事章程， 两套独立的液压回路是赛车制动系统的 标配，以防系一条油路统泄露或失效时，至少在两个车轮还维持有有效的制 动力。盘式制动器在高温的稳定性比鼓式要好，对水也不敏感，下雨天制动 效能好，间隙可以自动调整，更换摩擦片也比较容易（实际中赛车行驶里程 很小，无需更换），盘式制动器质量较小，行走时容易构成风路，散热好， 所以本次设计采用盘式制动器。 通过整体的研究计算，以及参考其他院校制动器的选择，这里选择对置 双活塞固定钳盘式制动器willwood PS- 1系列，该制动器质量轻（0.93磅）， 体积小，价格便宜，通过两个螺栓将其固定在主销上，可以通过垫片调整位 置，制动器如图1- 4所示。 图 1- 4 双活塞浮动盘式制动，willwood PS- 1 系列 制动钳在赛车上的安装位置一般有两种：车轴后方，车轴前方。前一种 情况可减小制动时轮毂轴承的合成载荷， 后一种情况可避免行驶过程中轮胎 甩出来的泥，水进入卡钳或者制动盘。由于赛车场地是特定赛道，比较整洁 干净，不用担心污物，所以将制动钳置于车轴后方，减小后轴的载荷。 1.3.5 制动器间隙及调整 摩擦片与制动盘之间在未工作时应有一定的距离，从而保证制动盘(制 车辆与交通工程学院毕业论文 6 动鼓)能自由旋转。盘式制动器的双边距离通常选择0.10.3mm之间（一边 0.05mm0.15mm）。此距离的存在会导致制动踏板的空踩，所以该距离应 该尽可能取小。因为在制动的时候制动盘与摩擦片会受热膨胀，所以制动器 在冷却状态下设定的距离需要通过具体的试验来选择。 在本设计制动器设计 中，取间隙为0.1mm。 另外，卡钳在工作时中间隙会加大，这事摩擦片或者摩擦衬块的磨损造 成的，所以制动器必须设有间隙调整机构。对于钳盘式制动器工作距离的调 节，由于钳盘式制动衬块与制动盘之间的间隙很小，并且制动盘受热横向增 长也很小，对轴向间隙影响几乎没有，因此汽车上大多都采用一次调准式距 离自调节装置。 带有限位环的轮缸使用过程中十分方便，无需再制动盘磨损后进行调 整，它利用金属环与活塞缸壁的摩擦力，控制两者之间的相对位置，在制动 完成后，通过位置的改变补偿摩擦块与制动盘之间的过量距离，下图是装置 的示意图。 图 1- 5 钳盘式制动器的间隙自调机构示意图 1- 活塞 2- 制动盘 3- 挡圈 4- 弹簧罩 5- 摩擦环片 6- 摩擦销 7- 隔环 8- 压缩弹簧 9- 隔套 1.3.6 制动主缸形式的选择 本次设计中制动主缸采用油壶主缸一体式wilwood系列，节省空间，便 于安装。根据计算需要使用的主缸活塞直径为14.5mm。这个主缸体积小， 质量很轻，工作可靠，能满足赛车的比赛需求，如图1- 6所示。 车辆与交通工程学院毕业论文 7 图 1- 6 wilwood 单腔主缸总成结构 制动主缸的形式多种多样，但常用的有两种：1.单腔制动主缸 2.串联双 腔制动主缸， 根据大赛要求， 每个液压回路必须配有其专属的主缸和储油罐。 本次设计选用两个单腔制动主缸，结构简单，不易发生故障，工作可靠，可 与平衡杆配合使用。杠杆可以十分方便的调节前后作用力的分配，保证赛车 不同路况下都能同时锁定前轮和后轮，发挥最大制动力。 1.3.7 制动管路 制动的管路由软管和硬管组成，用于在主缸和卡钳之间传送有液压油。 硬管用来输送固定制动机构之间的液体，不易变形，比较安全，软管用来连 接运动的制动机构。 硬管一般选择3/16in 双壁合金管，可以经受高压和耐腐蚀的液体。本次 设计选用管材如图1- 6所示。采用的软管如图1- 9所示。制动管与制动元件、 制动硬管和软管连接采用喇叭口接头，如图1- 10所示。 赛车的制动系统最大的问题就是使用过程中出现接头或者喉管漏油， 所 以在选用喉管和接头时一定要选取大厂家的正品行货， 在安装时要在螺纹连 接处缠上生胶带。在装配完成后，要进行油压的测量，测量时管路的压力应 高于制动所需压力12MPa，查看此时管路是够漏油，如果有漏油现象，则 应仔细检查，看管路布置是否合理，接头安装是否正确，并重新安装，若仍 有泄漏，则应该对管路压力重新设计。 车辆与交通工程学院毕业论文 8 图 1- 8 制动硬管 图 1- 9 制动软管 图 1- 10 喇叭口 接头 1.3.8 制动液 按大赛规定，选取满足DOT4 标准的制动液。 1.在高温、高速等情况下仍能高效的传递动力 2.对制动系统的材料无腐蚀性。 3.可以起到润滑制动零件的作用。 4.品质在使用中变化小。 注：严禁把不同品牌制动液混合使用。 1.3.9 制动灯总成 按大赛规定进行制动灯及制动灯开关的选购， 并和发电气组协调进行电 气线路的布置；本次选用机械式制动灯开关。 （1）安装参数 距地面高度：650mm 偏离赛车中线距离：100mm （2） 制动灯性能参数 功率：20W，光源：单丝（或双丝）颜色：红色，灯泡，光束射角： 在垂直面应该取上下同为15，水平面取灯的轴线左右同为45。（注：非第 三制动灯） 车辆与交通工程学院毕业论文 9 第二章 制动系统设计计算 2.1 制动系统参数 2.1.1 相关主要参数 1.赛车相关主要参数如表2- 1所示。 表 2- 1 赛车相关主要参数 编号 项目 符号 数值 单位 备注 1 整车质量 m 300.00 kg 2 质心高 hg 300.00 mm 3 轴距 L 1580.00 mm 4 质心至前轴的距离 a 869.00 mm 5 质心至后轴的距离 b 711.00 mm 6 前轴负荷 Wf 1323.00 N 45.00% 7 后轴负荷 Wr 1617.00 N 55.00% 2.选用的轮胎相关参数如表2- 2所示。 表 2- 2 轮胎相关参数 规格 佳通18x6- 10 轮胎胎面宽(mm inch) 152.4 6 轮胎外径(mm inch) 457.2 18 轮辋外径（mm） 254 10 轮胎半径(mm) 240 同步附着系数： 1.4 2.1.2 地面对前后轮的法向支撑力 地面对前后车轮的垂直支撑力力如图2- 1所示。 车辆与交通工程学院毕业论文 10 图 2- 1 制动工况受力简图 如图2- 1所示为：忽略发动机离合器传动轴等旋转零件减速时的惯性阻 力偶矩和赛车滚动阻力偶，得到赛车的所有外力合成图。因为制动时赛车速 度不高，空气阻力Fw极小，可以忽略不计。如图，对赛车前后轮与地面接 触的点取矩，整理得前、后轮的地面法向支撑力为 （2- 1） 在不同地方，路面附着系数不同，假设前轮和后轮一同锁死拖滑（不论 是先后锁定或同时锁定），此时 GFFb=X 或 gdtdu=/ 。地面作用于前、 后轮的法向支撑力为 （2- 2） 由式（2- 2）可知，制动时赛车前轮地面法向支撑力 1z F 随制动力矩和质 心高度增长而变大；后轮地面法向支撑力 2z F 的变化与前轮相反。加长轴距 有利于减小前后路载荷的变化量，可以减少制动时车身的倾斜，提高驾驶的 舒适性。 前后轮一同抱死制动时地面对前后车轮法向支撑力的变化如表2- 3和图 2- 2所示。 车辆与交通工程学院毕业论文 11 表 2- 3 地面对前、后轮法向支撑力的变化 Fxb1 Fxb2 Fxb a z Fz1 Fz2 Fz1/G Fz2/G 附着系 数 前轮地 面制动 力 后轮地 面制动 力 总地面 制动力 制动减 速度 制动强 度 前轮法 向反力 后轮法 向反力 前轮负 荷比值 后轮负 荷比值 0 0.000 0.000 0 0 0 869.000 1580.000 45% 55% 0.1 137.882 156.118 294 0.98 0.1 1378.823 1561.177 46.90% 53.10% 0.2 286.929 301.071 588 1.96 0.2 1434.646 1505.354 48.80% 51.20% 0.3 447.141 434.859 882 2.94 0.3 1490.468 1449.532 50.70% 49.30% 0.4 618.516 557.484 1176 3.92 0.4 1546.291 1393.709 52.59% 47.41% 0.5 801.057 668.943 1470 4.9 0.5 1602.114 1337.886 54.49% 45.51% 0.6 994.762 769.238 1764 5.88 0.6 1657.937 1282.063 56.39% 43.61% 0.7 1199.632 858.368 2058 6.86 0.7 1713.759 1226.241 58.29% 41.71% 0.8 1415.666 936.334 2352 7.84 0.8 1769.582 1170.418 60.19% 39.81% 0.9 1642.865 1003.135 2646 8.82 0.9 1825.405 1114.595 62.09% 37.91% 1.0 1881.228 1058.772 2940 9.8 1 1881.228 1058.772 63.99% 36.01% 1.1 2130.756 1103.244 3234 10.78 1.1 1937.051 1002.949 65.89% 34.11% 1.2 2391.448 1136.552 3528 11.76 1.2 1992.873 947.127 67.78% 32.22% 1.3 2663.305 1158.695 3822 12.74 1.3 2048.696 891.304 69.68% 30.32% 1.4 2946.327 1169.673 4116 13.72 1.4 2104.519 835.481 71.58% 28.42% 1.5 3240.513 1169.487 4410 14.7 1.5 2160.342 779.658 73.48% 26.52% 1.6 3545.863 1158.137 4704 15.68 1.6 2216.165 723.835 75.38% 24.62% 由表可知，制动时，制动强度的增加会导致前轴载荷的增加，后轴载荷 减小，在 =1.4时，Fu1=2946.32N ，Fu2=1169.67N，前后载荷约为后轴的三倍， 这也是制动时车辆“点头”的原因。 车辆与交通工程学院毕业论文 12 2.2 制动器的相关计算 2.2.1 制动力矩分配系数 制动器制动力分配系数是前制动器制动力与赛车总制动力之比，用 来 表示，即： u u F F 1 = （2- 3） 21uuu FFF+= （2- 4） 式中， 1u F ：前制动器制动力； 2u F ：后制动器制动力； u F ：制动器总制动力。 Fu1=Fz10=2946.32N Fu2=Fz20=1169.67N （2- 6） 同步附着系数我们已经知道，则分配系数可由以下公式得出： 根据公式： L L g h 02 + = （2- 7） 得： 7158 . 0 1580 3004 . 1711 = + = 2.2.2 制动器制动力矩 假设赛车制动时前轮后轮一同抱死后拖滑， 此刻所需前驱动桥产生的制 动力矩为 rFM zu = 011 2 1 式中，r为轮胎有效滚动半径， 0 =1.4。 N 353.55924 . 0 1.42946.32 2 1 01 2 1 1u=rFzM 即 N 353.5591u =M 同理，对于后轮制动力矩为 N 140.36124 . 0 1.41169.67 2 1 2 2 1 2u0=rFzM 车辆与交通工程学院毕业论文 13 所以 N 140.3612u =M 2.2.3 前后制动器制动力的 I 曲线 在进行赛车制动系统的设计时， 如果想要在在不同路面附着条件下制动 均达到前轮后轮同时锁定的状态， 则这个时候前后制动器制动力和的 关系曲线，称之为前、后制动器制动力分配的理想分配曲线，简称为I曲线。 在不同附着路面上，前、后轮想要一同抱死，则前、后制动器制动力必 须与各自的附着力相等，并且前后制动器的制动力（或地面制动力）之和等 于总的地面附着力，即 （2- 8） 整理得 （2- 9） 联立方程组（2- 9），约去变量，并把方程表示为的样式， 就可以获得前后制动器的制动力理想分配的关系式 （2- 10） 已知赛车的前后轴间的长度、整车的质量、质心的高度、质心的 位置，就可根据上式绘制前后制动器的制动力理想分配关系曲线，简称I 曲线。图2- 3就是根据式（2- 10）绘制的赛车在空载和满载两种工况的I曲线。 根据上面的方程组（2- 9）的两个未知数方程也可得出I曲线。方法是： 设定一组值（0.1,0.2,1.5,1.6）,每个值都可以代入方程组（2- 9）， 就生成有一个交点的两条直线，令值从0.1变化到2.0，每一个值都有一个 交点，把这些点用平滑的曲线连接就制成I曲线。 I曲线是前后车轮同时抱死时前后卡钳的制动力分配曲线。前、后车轮 同时抱死时，所以I曲线也是前、后车轮同 时抱死时，和的关系曲线。如图2- 5所示为利用MATLAB绘制的赛车 车辆与交通工程学院毕业论文 14 前、后制动器制动力的理想分配曲线。 图 2- 5 前、后制动器制动力的理想分配曲线 2.3 盘式制动器相关参数设计 2.3.1 制动盘设计形式 制动盘的结构形状一般有平板型和礼帽型两种，由于其结构比较简单， 本次设计采用自制的制动盘以节约成本。 2.3.2 制动盘直径 D 制动盘一般做的大一点，这样可以让制动盘的有效工作面积变大，可以 降低管路压力，摩擦块的单位压力也随之减小，制动盘的温度也不会升高太 快。制动盘直径D也不能取得无限大，得与轮辋相匹配，制动盘的大小一般 是轮辋大小的70%79%， 赛车设计本着轻量化的原则， 可以往下限取到70%。 本次设计中，轮辋直径为10英寸，赛车质量也不是很大，所以制动盘大小 D=75%Dr=70%*10*25.4=177.80mm,取D=180mm。 2.3.3 制动盘厚度 车辆与交通工程学院毕业论文 15 盘厚关系到碟盘的重量和摩擦时的温度升高快慢。若要轻量化，制动盘 厚度应该小点；若要降低温度，制动盘厚度应该取大值。制动盘有的是实心， 有的是空心（中间有通风孔道）。赛车高速运动下紧急踩下制动踏板时, 车 辆的一部分动能转化为热能，制动盘会受热发生变形,并有可能发生震颤和 噪音。从降低碟盘摩擦面的温度出发, 把碟盘做成内部带有空洞的可以进行 空气内部循环的形状好一点, 这样可以提高碟盘的散热性能，还可以减轻重 量。由于大学生方程式赛车质量小，速度不是很高，制动力不是很大，所以 采用实心碟盘设计，厚度h取4mm，盘上周部减重孔，也有利于通风散热 ， 如图2- 6所示。 图 2- 6 制动盘三维图 2.3.4 摩擦衬块的大小 摩擦衬块（如图 2- 7 所示）指的是制动时活塞推动从而挤压在制动盘上 的摩擦材料。摩擦衬块由两部分构成：摩擦材料和底板。摩擦衬块应该耐高 温，耐腐蚀，抗磨损，与制动盘配合能有产生均匀的摩擦阻力。一般需用合 金材料。本次设计的直接使用与卡钳配套的 wilwood 摩擦块。摩擦片外径值 与内径值的比值小于等于 1.5。如果比值较大，那么制动时摩擦片的内侧与 外侧圆周速度相差较多，外侧磨损较快，长时间使用导致摩擦片与制动盘的 接触面积变小， 最终将会使制动力矩增加。 已知制动盘直径 D 大小为 240mm, 车辆与交通工程学院毕业论文 16 则可取摩擦块 R2=100.5mm 且 R2/R1=1.35，求出 R1=80mm。 图 2- 7 摩擦衬块的二维图及三维图 2.3.5 摩擦衬块工作面积 摩擦片的工作面积 A， 依据整车质量在 1.6kg/ 2 cm 3.5kg/ 2 cm 中间挑选。 设计赛车的整车质量为 300kg，静止时前轮的载荷为 135kg，后轮时的载荷 为 165kg，所以， 单个前轮摩擦块：135/(3.5*4) 2 cm A135/(1.6*4) 2 cm ， 即 9.6 2 cm A21.1 2 cm ； 单个后轮摩擦块：165/(3.5*4) 2 cm A165/(1.6*4) 2 cm ， 即 11.8 2 cm A25.8 2 cm 。 取摩擦块角度等于 52。则它的工作面积 A： () 22 1 2 212.1679 360 52 cmRRA=，故 A 取 17 2 cm 。 则单个前、后轮制动器 A=17 2 cm 。能够满足工况的要求。 2.3.6 摩擦衬块摩擦系数 f 不同材料的摩擦片的摩擦系数各不相同，但是大多在 0.30.5 之间， 少数摩擦片如陶瓷材料烧结而成的可以达到 0.7。通常情况，摩擦系数和耐 磨性不可能同时最优。 因此在制动器选择的时候不应只追求高摩擦系数的摩 擦片 。还有，在选择摩擦片时应注意不要采用污染环境污染和伤害人体的 材料。本次设计选择的对金属烧结的摩擦块，摩擦系数 f=0.4。 车辆与交通工程学院毕业论文 17 表 2- 4 摩擦材料性能对比 材料 性能 有 机 类 无 机 类 生产方法 编织物 石棉 半金属 金属 金属陶瓷 硬度 软 硬 硬 极硬 极硬 密度 小 小 中 大 大 承受负荷 轻 中 中- 重 中- 重 重 摩擦系数 中- 高 低- 高 低- 高 低- 中 低- 高 摩擦系数稳定性 低 良 好 良- 好 优 常温下的耐磨性 良 良 良 中 中 高温下的耐磨性 低 良 号 良- 好 优 机械强度 中- 高 低- 中 低- 中 高 高 热传导率 低- 中 低 中 高 高 抗振鸣 优 良 中- 良 差 差 抗颤振 - 中- 良 中 - - 对偶性 优 良 中- 良 差 差 价格 中- 高 低- 中 中- 良 高 高 2.4 盘式制动器制动力计算 假定摩擦片的摩擦表面与制动盘无缝隙接触，并且各点压力分布均匀， 则单个前、后制动器的制动力矩表达式为 RfFMN2u= （2- 11） 式中， f ：摩擦片的摩擦因数 N F ：单侧摩擦片对制动盘的压紧力 R：摩擦片作用半径 我们通常使用的扇形摩擦表面的摩擦片，其径向宽度不是很大，则 R 取 平均半径 mR 或有效半径 eR ，在实际使用中精度足够。 车辆与交通工程学院毕业论文 18 图 2- 8 摩擦衬块作用半径计算用图 平均半径 mR 为 mm RR Rm25.90 2 80 5 . 100 2 21 = + = + = （2- 12） 1R：摩擦衬块扇形表面内半径 2R ：摩擦衬块扇形表面外半径 精确计算时,制动盘的计算半径 Re 为： () () (mm) RR m m R Re 2 21 16 1 2 1 + + + = （2- 13） m:摩擦衬片内、外半径之比。 由以上计算可得出摩擦块的有效半径 eR 是摩擦块的圆弧形面积的中心 到制动盘中心的距离。 mm RR RR RR RR RR fN T R f e 63.90) 2 ( )( 1 3 4 3 2 2 21 2 21 21 2 1 2 2 3 1 3 2 = + + = = （2- 14） 因为 1m ， 4 1 )1 ( 2 eR ，m越小，证明两者差值越大。 由于Re - Rm =0.38mm, Rm 和 Re 之间相差很小，所以可以得出制动 盘和摩擦片之间的压强大致相等，摩擦片的磨损较为均匀。 应当指出，若m过小，即圆弧形状的横向伸展太大，内外半径差值就很 大，则摩擦片各点的滑磨速度相差很大，造成磨损不均，外侧磨损快，单位 压力不相等，各点的压强不再相等，以上假设不适用，计算方法也就不适合 了。m值一般不应小于 0.65。 对于前制动器 N 353.5591u =M 车辆与交通工程学院毕业论文 19 所以 N f Mu FN97.4875 Re2 1= （2- 15） 对于后制动器 N 140.3612u =M 所以 N f M F u N73.1935 Re2 2 2= （2- 16） 车辆与交通工程学院毕业论文 20 第三章 液压制动驱动机构的设计计算 3.1 前后轮制动轮缸直径d 制动卡钳中制动块施加的压紧力 0F 与轮缸直径d和制动油路压力 p 的关 系为 p F d N 4 = (3- 1) 制动管路压力一般不超 810 aMP 。取 a MPp7= 。油管中压强太大，对管路 (首先是管接头和制动软管)的密封性要求就越高， 使用过程中也容易出现管路泄 漏。但是此时的驱动机构会更加紧凑。 mm p F d N 78.29 41 1= = (3- 2) 轮缸的直径有国家标准GB 7524 - 87。制动轮缸直径系列的直径: 14.5，16，17.5，19，20.5，22，22.22，23.81，24，25.40， 26，28，28.58，30，32，35，38，42，46，50，56 。 因此可取前轮制动轮缸直径为30mm。 同理，后轮制动轮缸直径 mm p F d N 76.18 42 2= = (3- 3) 后轮轮缸大小为 19mm。 3.2 制动主缸直径 0d 一个轮缸的工作容积： = n ww dV 1 2 4 （3- 4） 式中： w d 一个轮缸活塞的直径； n轮缸的活塞数目； 一个轮缸活塞在完全制动时的移动距离：取=1mm。 车辆与交通工程学院毕业论文 21 前轮左右两个制动钳工作容积 2 4 1 1 2 1 1mm43.2827 4 = dV (3- 5) 后轮左右两个制动钳工作容积 2 4 1 2 2 2 21134.11mm 4 = dV (3- 6) 全部轮缸的总工作容积 = m i VV 1 (3- 7) 制动主缸应有的工作容积为 VVVm+= (3- 8) 式中： V全部轮缸的总工作容积。 V 制动软管在内部压力油的作用下膨胀引起的容积变大值。 进行初步设计时，考虑到软管在液压油下的弹性形变，赛车的制动主缸工作容 积取为1.1 m VV= 则前轮制动主缸容积 2 11 3110.18mm1 . 1=VVm (3- 9) 后轮制动主缸容积 2 22 1247.53mm1 . 1=VVm (3- 10) 主缸活塞直径 m d 和活塞行程 m s 的关系为： mmm sdV 2 4 = (3- 11) 一般 m s =（0.81.2） m d ，取 m s = m d 代入（3.7）得：mmdm82.151=，mmdm67.112= 查制动主缸直径标准，并考虑到实际使用中两个主缸相同时便于购买及安装， 所以在在本设计中取前轮主缸1md稍小于计算值，后轮主缸2md稍大于计算值， 取mmddmm5 .1421=。 主缸的直径有国家标准 GB 7524 - 87。 主缸直径系列的直径： 14.5， 16， 17.5， 19，20.5，22，22.22，23.81，24，25.40，26，28，28.58， 30，32，35，38，42，46 。 车辆与交通工程学院毕业论文 22 3.3 制动踏板力pF和踏板机构的传动比 P i 制动踏板力 P F 的求解公式： 11 4 2 = P mP i pdF (3- 12) 式中： m d 主缸活塞直径； p 制动管路的液压； P i 踏板机构传动比， 1 2 r r iP=； 制动主缸及踏板机构的机械效率 =0.850.95。取=0.86 在左右制动缸不相等时， 11 )( 4 2 2 2 1 2 1 += P mmP i pdpdF （3- 13） 其中油路压力 2 4 d F p N = （3- 14） 则带入计算可得 MPap898. 6 30 98.48754 2 1= = ，同理MPap827. 62=， 没 有超过 810MPa,取制动踏板力为 350N,求得53. 7= P i。 3.4 制动踏板工作行程 ps 由于 )( 21mmmp psiS+= （3- 15） 式中： 1m 主缸中活塞与推杆间的间隙；（取 1m =1.5mm） 2m 主缸中活塞的空行程， 即主缸中的活塞由其不发挥作用时的极限 位置到使它的内部皮碗完全封堵主缸上的旁通孔所走过的距离。 （取 2m =1.5mm ） 则 mmsiS mmmp p77.1315 . 15 . 15 .1453 . 7 )( 21 =+=+=）（ ，小 于 150mm,符合要求。 车辆与交通工程学院毕业论文 23 3.5 平衡杠杆的调节 平衡杠杆用于调节前后制动力的分配，我们选用的是 wilwood 的一款 平衡杆，实物图和原理图如下所示 图 3- 1 平衡杆的实物图 图 3- 2 平衡杆的受力分析图 pF 经过操纵机构放大的踏板力（ pppiFF= ） 1mF 前轮主缸的推力 （ 4/ 2 111DpFm= ） 2mF 后轮主缸的推力（ 4/ 2 222DpFm= ） 由受力分析可知 车辆与交通工程学院毕业论文 24 ) 2 (1x L FLFpm+= (3- 16) 21pmmFFF=+ （3- 17） 假设 =21/mmFF （3- 18） 则联立 以上三式可得 2 ) 1 1 ( L x + = （3- 19） 即求出时，只需将球铰调至中间偏左 1 1 + （令 1 1 + = ）即可。 前轮主缸推力 NFm08.11391= ,前轮主缸推力 NFm38.11272= ,可以得出 01029 . 5 3- = ，即球铰放在中间位置即可。 车手施加在踏板上的力经平衡杆分配给前后主缸，使主缸的液压油加压 并传递给制动轮缸，进而推动活塞，使摩擦片压向制动盘，完成刹车动作。调 节平衡杆位置可以调节前后主缸受力大小，如果球铰放在中间，则两边受力相 等；如果左端距离球铰近，则左端主缸分得的踏板力就大一些；如果右端的主 缸推杆距离球铰近，则右端主缸分得的踏板力就大一些。 如果比赛中遇到雷雨天气，则路面湿滑，附着系数变小。前后轮地面制动 力减小，制动强度降低，前轮轴荷比干躁路面是减小，地面制动力减小，后轮 轴荷增加，地面制动力变化不确定，需要根据实际情况判断。这时有可能发生 前轮先抱死或者后轮先抱死侧向滑动的情况，如果是前者，应将球铰至于中间 偏右(后轮主缸一侧)，减小前轮制动力，加大后轮制动力，如果是后者，则相反。 表 3- 1 平衡杆调节位置 前后主缸推力比 球铰位置 （偏移比例）