毕业设计（论文）-柴油动力货车车架及制动系设计（全套图纸）.pdf

1 第一章第一章 前前 言言 自 1886 年第一辆汽车产生以来，汽车工业从无到有，迅速发展， 产 量 大幅度的增加，技术月 新日异。汽车的种类也不断的增多，功能 也 在 不断增加，其性能得到不断的提高，因此汽车车架和制动系统的 性 能 要求就会更高些，以适应其特点的要求。 车辆的主要的总成，部件等都安装在车架上，车架是个重要的承 载 总 成，它还承受各机构产生的反作用力和行驶中的动载 荷，因此 ， 车 架 的设计 要求有高的 强度和刚度，尽量结构简单，轻量化。制动系 统 性 能的好坏直接影响 汽车的安 全制动， 所以设计时 要尽量提高其制 动 器 的制动性能，以 保证汽车制动的安 全性。 全套图纸加 153893706 本次设计 的主要 任 务是设计3 吨柴油 动力货车的车架和 制动系 统 的 设计 ，通过对 汽车车架和制动系的 结构分析，和 参数的选择，最 终 确 定其布置设计方案 。 车 架 设计 部分，重点 对车架的 结构形式进 行分析，选择车架形式，初 选 其 主要的 结构尺寸 ， 然后根据 车架在 实际的运行过程中的受力 状况 进 行 强度和 刚度校核，最终确定 其结构尺寸。同样制动系统的设计本 着 结 构设计简单 ，经济使用的原则，其行车制动 均选择鼓式 制动器， 驻 车 制动 采用结构简单 的机械式后轮驻 车制动。 在设计 的过程 中，我得 到李老师 和马老师 的帮助，并且参考了 不 少 的 专业书籍 和行业 杂志和标准，在此一 并感谢。 。 2 第二章第二章 车架设计车架设计 2.1 概述 车架是汽车的装 配基体 和承载基体， 其功用是支撑连 接汽车的各 总 成 或零 部件，将它组成完整的汽车。同时，车架还承受来自车 内外 的 各 种载荷。 为了车架 完成上 述功能 ，通常对车架有 如下要求： （一） 要求有 足够 的强度，保证在各 个 复杂受力的 情况 下车架 不 受 破坏。要求有 足够 的疲劳强度以保证其有足够的可靠性与寿命， 纵 梁 等主要 零件在 使用期内不应有 严重的变形和开列。 （二） 要求有 足够 的 弯曲强度。保证 汽车在各个受力 复 杂 的使 用 条 件下， 安装在车架上的各总成不 致因为车架的 变形而早期损 坏或 失 去 正常的工作能力。车架的 最大弯曲挠 度通常应不大 于 10mm。 (三) 要求有适 当的扭转刚度。当汽 车行驶 于不平路面 时，为 了 保 证汽车 对路面 不平度的适应性，提高汽车的 平顺性和通过能力， 要 求 车架具有合适的 扭转刚度。但车架扭转刚度不宜过大，否则使车 架 和 悬 架 系 统 的 载 荷 增 大 并 使 汽 车 轮 胎 的 接 地 性 变 差 ， 使 通 过 性 变 坏 。 通常在使用中其 轴间扭角约为 1/m。 （四） 要求 尽量减轻质量。保证强 度 ， 刚度的前提下， 车架的 自 身 质量应 尽可能的 小，以减小整 车质量，因此，车架应 按等强度的 原 则 进行设计 。通 常要求 车架的 质量 应 小于整 车整备质 量的 10。 3 从 被动安 全性考虑，乘用车车架应 具有易于吸收撞击 能量的特点。此 外 ， 车架 设计时 还应 该考虑车型系列化及改装车等 方面的要求。 2.2 车架的结构设计 2.2.1 车架的结构型式 根据纵梁 的结构的特点，车架 可分为以下几种结构型式： （一）周边 式车架 该 车架的 目的主要是 尽可能的降低地板的高度， 这种车架 前后两 端 纵 梁收缩 ，中部 纵梁 加宽，前端宽度取决于前轮的最大转向角，后 端 的 宽度取决 于后轮 距，中 部的宽度取决于车门门槛 梁的内壁宽。这 种 车 架的最大的特点是 ： 前后狭窄端 通过所谓的缓冲臂 或抗扭盒与中 部 纵 梁焊接相连，前缓冲臂 位于前围板下部倾斜踏板 前方，后缓冲臂 位 于 后座下方。由于它是一 种曲柄式结构，容许缓冲臂 有一定程度的 弹 性 变形，它 可以吸收 来自 不平路面 的冲击和降低车内的噪音。其缺 点：结构复杂而 且成本较高。所以周边式车架广泛用于中高级以上轿 车 。 （ 二）X 型车架 由 于 车 架 的 中 部 为 汽 车 纵 向 对 称 平 面 上 的 一 根 矩 形 断 面 的 空 心 脊 梁 ，其前后端焊 以叉型梁，形成俯视图上的 X 形状。其 目的可以提 高 车 架的抗扭刚度。但是地 板中间的凸包拱起太 大，影响后 座乘客搁 脚 ， 此外由于制造工艺较复杂，所以用的 并不太广。 （三）梯形车架 又称边两 式车架，是 由两根互相平行的纵梁和若干根横梁组成 。 其 弯 曲刚度较大，而当 承受 扭矩时，各部 分同时 产生弯曲和转矩。其 优 点 是便于安装车 身， 车 箱和布置其他总成， 易于汽车的改装和变型 ， 因 此 被广泛 的用在载 货汽车，越野汽车，特种车辆等车上。 该车架宽度有 三种形 式： （1）前 窄后宽 4 对前轮转向和转向拉杆留出足够的空间，往往采用这种型式 （2）前 宽后窄 由于重型货车车辆 后轴载荷大，轮胎和钢板弹簧 都加宽，同时又 有 安 装尺寸 大的发动机，所以只好减少前轮的转向角，使车架成 为前 宽 后 窄的形式 。 （3）前 后等宽 只要总布置 允许 ，应尽量采用这种方法，因为在冲压不等宽的纵 梁 时 ，容易 在转折处 的上下冀面上产生“波纹区”引 起引力集中致使 早 期 出现裂纹 或断裂。同时，前后等宽车架制造工艺简单。 本次设计 的是 3 吨柴油货车的车架，根据货车的特点，由以上车 架 型 式的分析 ，应力求 结构简单制造容易 ，各总成安装 方便，可选用 前 后 等宽的结构型式。 2.2.2 车架的结构设计 (一) 纵梁 的结构 纵梁 是车架的主要承 载 元件，也是车架中 最大的加工件，其 形状 力 求 简单 。其 长度 大体与总车长度相 当，车架总 长6400mm。本车架 设 计 选择了 扭转 刚度较大、横截而高度相对较小的上、下翼而和腹板 均 为 平直的等 直矩形截面纵梁(非标型钢)。 （二）横梁的结构 横梁将左右 纵梁 联在一起，构成一 完整的车架，并保证 车架有足 够 的 扭转 刚度，限制其 变形 和降低某些部位的应力。横梁还起着支撑 某 些 总成的作用。 因此.车架横梁的布置及结构型式.首先必须满足整 车 兑 布置 的要求。 （ 三）横梁与纵梁 的连接 选 择 横 梁 的 断 面 形 状 时 既 要 考 虑 其 受 载 情 况 又 要 考 虑 其 支 撑 总 成 的 支撑 方便封闭 断面梁和管梁的扭转刚度大， 宜用于需要加强扭转 刚 度 处。 正 确 选 择 和 合 理 的 设 计 横 梁 和 纵 梁 的 节 点 结 构 是 横 梁 设 计 的 重 要 问 题.常见横梁与纵梁 的连接方式 有以下几种形式： （见图 2-1） 5 图 2-1 横 梁 与 纵 梁 的 联 接 (1)横梁和上 下翼缘 相连接（图 2-1a） 该种连接方式 优点是利于提高纵梁的抗扭刚度。 缺点是当车架产 生 较 大扭转变 形时 ，纵梁 上下翼面应力将大幅度增加，易引起纵梁上 下 翼 面的早期损 坏。由于车架前后两端扭转变 形较小，因此本车架前 后 两 端 采 用 了 该 种 连 接 方 式 为 了 提 高 纵 梁 的 扭 转 刚 度 采 用 了 纵 向 连 接 尺 寸较大的 连接板。 (2)横梁和纵梁 的腹板相连接（图 2-1b） 横梁仅固 定在腹板 上,这种连接形式 连 接刚度较差，允许 截面产 生 自 由跷曲，可以在车架下翼面变形较大区域采用，以 避免纵梁上下 翼 面 早期损 坏。本车架中部 变形较大，因此在中部的 两个横梁采用该 种 连 接方式 。 (3)横梁同时 和纵梁 的 任意翼缘以及腹板相连接（图 2-1c） 横梁同时与纵梁 的腹 板及上或下翼板相连， 此种连接方式 兼有以 上 两 种方式 连接的特点，但作用在 纵梁上的力直接传递到横梁上，对 横 梁 的强度要求 较高。 由于该车平衡悬架的推力杆与平衡悬架支架上 的 两 根横梁连 接，因此，这 两根横梁与纵梁共同承受平衡悬架传递过 来 的 垂直力(反)和纵向力(牵引力、制动力)。 （4）横梁在纵梁 上的 固定方法 横梁在纵梁 上的 固定 可分为铆接，焊接和螺栓连接等几种方法 。 铆 接 的成 本低，适合大量生产，在此 情况下横梁的弯曲刚度取决于铆 钉 的 数量及其布置 。 焊接能保证 有很高的 弯曲刚度，且连接牢固，不致有松动危险 ， 但 要 求较高的 焊接质量，合理的焊接夹具，适用于小批量生产和 闭口 截 面 车架。 6 螺 栓 连 接 主 要 采 用 在 某 些 为 了 适 应 各 种 特 殊 使 用 条 件 的 汽 车 车 架 上，以使装在车架上的某些部件得以 互换或拆卸。其缺点在长期的 使 用 中， 容易 松动。 为了降低 成本和适 于 批量生产， 本车架纵梁和横梁的连接方式采 用 铆 接。 2.3 车架的制造工艺及材料 车架 材料应具有足够的屈服极限 和疲劳极限， 低的应力 集中敏感 性 ， 良 好 的 冷 冲 压 性 和 焊 接 性 能 低 碳 和 中 碳 低 合 金 钢 能 满 足 这 些 要 求。车架 材料 与所选定 的制造工艺密切相关。拉伸尺寸较大或形状复 杂 的 冲压件需要采用冲压性能好的低碳钢或低碳合金钢 08、09MnL、 09MnREL 等钢板 制造；拉伸尺寸不大，形状有不复杂的冲压件常采用 强 度 稍高的 20、25、46MnL、09SiVL、10TiL 等钢板制造。有的重 型 货 车 、自卸车、越野 车为了提高车架 强度，减小质量而采用中碳合金 钢 板 热压 成型，在 经过 热处理，例如采用 30Ti 钢板的纵梁经正火后 抗 拉 强度既由 450MPa（HB156）提高到 480620MPa（HB170） 。钢板 经 冷 冲压成型后，其疲劳强度降低，静强度提高，延伸率较小的材料 的 降 低 幅 度 更 大 ， 常 用 车 架 材 料 在 冲 压 成 型 后 的 疲 劳 强 度 为140 160MPa。 货 车 根 据 其 装 载 质 量 的 不 同 轻 、 中 型 货 车 纵 梁 的 钢 板 厚 度 为 5.07.0mm，重 型 货车冲压纵梁的钢 板 厚度为7.09.0mm，槽型钢 断 面 纵梁 上、下翼缘 的宽度尺寸约为其腹板高度尺寸的 35%50%。 车架的纵横梁和其它 3 零件制造，多采用钢板的冷冲压工艺在 大 型 压力机上 冲孔及形成；也有采用槽钢、工字钢、管料 等型材料制 造 的，货车车架的 组装多采用冷铆工艺，必需时也可采用特制的 放松 螺 栓 联接，为了保证 车架的装 配尺寸，组装时必须有可靠的定位和夹 紧 ， 特别应保证 有关总成在 车架声的定位尺寸及支承点的 相对位置精 度 。 我国汽车行业多用 16MnL 作为车架的 纵、横梁板材，这种低碳合 金 钢 热 扎 锰 钢 板 的 屈 服 极 限 和 强 度 极 限 都 比 普 通 碳 素 钢 结 构 钢 高 得 7 多，能 保证 车架在 恶劣 条件下可靠地 工作。对于形状复杂或 要求深度 压 延 的横梁可 采用普通碳素钢。 用 16MnL 或碳素钢制造的车架 均不进 行 热 处理 。 所以，本车架 纵横梁 均采用 16MnL。 2.4 车架的计算 2.4.1 车架的受载分析 汽车的使用条件复杂，其受力 情况也十分复杂，随着汽车使用条 件 的 变化，车架上的载 荷变化也很大。车架的载 荷大致可以分为以下 几 种 ： (一) 静载荷 静载荷是指汽车 静止 时，车架 所承受的 悬架弹簧以上部 分载荷， 它 包 括：车架质量，车 身质量。安装在车架上的各总成 与附属的质量 以 及 有效载荷（乘 客或货物的总质量）的总和。 （二）对称的垂直动载荷 这种载荷是当汽车在 平坦的道路上以较高车速行驶 时产生的。 其 大 小 与作用在车架上的 静载荷及其分部有关， 还取决于静载荷作用处 的 垂 直 振 动 加 速 度 大 小 ， 路 面 的 反 作 用 力 使 车 架 承 受 对 称 垂 直 动 载 荷 。 这种载 荷使 车架产生弯曲变 形。 （三）斜对称的动载 荷 这种载荷是当汽车在 崎岖不平的道路上行驶时产生的。 此 时汽车 的 前 后 几 个 车 轮 可 能 不 在 同 一 平 面 上 ， 从 而 使 车 架 连 同 车 身 一 同 歪 斜 ，其大 小与路面 不平的程 度以及车身，车架和 悬架的刚度有关。这 种 动 载荷会使车架产生 扭转变形。 （四）其他载荷 8 汽车 转弯行驶 时，离心 力将使汽车受到 侧向力的作用 ：汽车加速 或 制 动时，惯性力会 导致车架前后部载荷的重新分配；当一前轮正面 撞 在 路面 凸包 上时，将使车 架产生水平方向的剪切变形；安装在车架 上 的 各总成（如 发动机，转向摇臂及减震器）工作时所产生的力 ；由 于 载 荷作用 线不通过 纵梁截面的弯曲中心（如油箱，备胎和悬架等 ） 而 使 纵梁 产生 附加的 局部转矩。 综上所述，汽车车架 实际上受到 空间力系的作用，受载 情况错综 复 杂，而车架 纵梁与 横梁的 截面形状和接合特点又是多样的，这样使 得 汽 车的车架受载更加 复杂化。 2.4.2 车架的设计计算 车架是一个 复杂 的薄 壁框架结构，在车架 设计的初期阶段，可对 车 架 纵梁 进行简化 的弯曲强度计算，以次来确定车架的断 面尺寸。下 面 进 行车架的 简化计 算： 弯曲 强度计算的基本 假设： （一）因为车架的 左右 是对称的，左右的纵梁受力相差不大，故 认 为 纵梁 是支撑 在汽车 前后轴上的简支梁。 （二）空车时的簧上质 量（包括车架质量在内）均匀的分布在左 右 二 纵 梁 的 全 长 上 ， 其 值 可 以 根 据 汽 车 底 盘 结 构 的 统 计 数 据 大 致 计 算 。 一 般 对 于 轻 型 和 中 型 载 货 汽 车 来 说 ， 簧 上 质 量 约 为 空 车 质 量 的 2/3；汽车的有 效载荷均 匀的分布在车厢全长上。 （三）所有的作用力 均通过纵梁截面的弯曲中心。实际上，纵梁 的 某 些部 位会由于安装 外伸部件而产生局部扭转， 在设计时通常在此 安 装 一根横梁，使得这种对 纵梁的扭转变为对横梁的弯矩。故这种假 定 不 会造成明显 的计算误差。 通过 上述假设，将车架 由一个静不定的平面框架结构，简化成为 一 个 位于支 座上的 静定结构。 2.4.3 纵梁的弯矩计算 9 要计算车架 纵梁 的弯 矩，先计算车架的 前后支反作用力 ： )2()2( 4 21 CCmbLm l g F es += （2-1） 式 中 ： 1 F -前轮中 心支 座对 任 意 纵梁 （ 左 纵梁 或 右 纵梁 ） 的 反作 用 力 ，N; L-纵梁 总长，mm； l-汽车的 轴距 ，mm； b-纵梁 后端到后轴之间的距离，mm； g-重力加速度，9.8m/ 2 s ； 图 2-3 车 架 上 的 载 荷 的 均 布 情 况 2 C -车厢后端到 后轴之间的距离，mm; s m -空车时的簧上质量（含车架自 身的重量 ） ，kg; e m -汽车的装载质量，kg; C-车厢总长，mm。 L=6400mm, l=3650mm, b=1735mm, C=4500mm, 2 C =1795mm, s m =2000 kg, e m =6000 kg, 1 C =2705mm 。 将 上 述 值 代 入 式 （2-1） ，得 ： ()() 1 1 64002 17351960045002 1795588007598.4 4 3650 FN= + = 在计算纵梁弯 矩时，将总量分成两段区域，每一区段的均部载荷 可 简 化为作用 于区段中点的 集中力。 纵梁各端面上的弯矩计算采用弯 矩 差 法，可使计算工作量大大 减少。弯矩差法认为：纵梁 上某一端面 上 的 弯矩为该端 面之前所有力对这点的转矩之和。 10 （一）驾驶室长度段纵 梁的弯矩计算 在该段内，根据 弯矩差法，则有： () 2 1 4 s x G MFxxa L =+ （22） 式中： x M - 纵梁上某一截面的弯矩,Nmm; x - 截面到前轮中心的距离， mm; a - 车架纵梁前 端到前轮中心的距离，mm。 （二）驾驶室后端到后轴段纵梁弯 矩的计算 在该区段内，根据 弯 矩差法，纵梁某一断面的弯矩为： ()() 22 11 44 se x GG MFxxaCLx LC =+ （2-3） 式 中 ： x M -纵梁 某一截面的弯矩，Nmm; x-截面到前轮中心的距离，mm; 1 C -车厢前端 到后轮中心的距离，mm。 纵梁 某一断 面上的 剪力为该断面之前所有力的和。 )( 2 )( 2 11 xlC C gm ax L gm FQ es x += （2-4） 式 中 ： x Q -纵梁 某段面 上的剪力，N。 由 上 可知，纵梁 的最大弯矩一定发生在 该段纵梁内 。其位置可采用求 x M 对 x求导数并 令其为零的办法得到。 () e1 sse 1 GlCG aGG 2F LCLC x =+ （2-5） 得 x=1515mm. 由上式求得 纵梁 发生 最大弯矩的位置，将 x=1515mm 代入弯矩计 算 公 式，则可求得总量受到的 最大弯矩 max M 。 得 6 max M5.5 10 N mm=。 纵 梁 受 到 的 最 大 的 剪 力 则 发 生 在 汽 车 后 轴 附 近 。 当 x=l=3650mm 时 ， 剪应力 最大，其 最大剪应力为 max Q 为 11max 2 )( 2 C C gm la L gm FQ es += （2-6） 11 则 max Q =-3368.998N 以上是仅考虑汽车 静 载工况下，总量断 面弯矩和剪力的计算。实 际 上 ，汽车行驶 时还受到各种动载 荷的作用。因此，汽车行驶时实际 受 到 的最大弯矩 maxd M 和最大剪力 maxd Q 为 maxd M = max Mnkd （2-7） maxd Q = max Mnkd （2-8） 式 中 d k -动载系 数，对于轿车，客车 d k =1.75,载货汽车 d k =2.5， 越 野 汽车 d k =3.0。疲劳 安全系数 40. 115. 1=n 。 即 为 ： 66 dmax M1.15 2.5 5.5 1015.8 10 N mm.= dmax Q1.15 2.5 3368.9989685.87N= 2.4.4 纵梁的抗弯截面系数的计算 车架的纵梁 和横梁截 面系数 W 按材料力学的方法计算。 对 于 环矩形截面， H bhBH W 6 33 = （2-9） 其 中 ：B，矩形环断面外 宽，82.5mm；H，矩形环断面外高，150mm； b， 矩形环断面内 宽，77.5mm；h，矩形环断面内高，140mm； 所 以 () 3333 4 BHbh82.5 15077.5 140 W73086.1 mm 6H6 150 = 2.4.5 弯曲应力计算 纵梁 断面的最大弯曲 应力为： dmax M W = （2-10） 得： () 2 15800000 216.18 N/ mm 73086.1 = 12 按 上式 求 得 的 弯矩 应 力不 应 大 于 材料 的 许用 应 力 .许用 应力 可 按 下 式 计算： W s = （2-11） 式 中 s -材料 的屈服极限，对于16MnL材料， as MP360340= ； n-安全系数，一般安全系数取 1.151.40。 则 得 = )(2504 . 1350 2 mmN= 则 有 ; 所 以,该车架的 弯曲 强度可靠。即可确定其截面尺寸。 2.4.6 车架的刚度计算 为保证车辆 及其各总 成，装 置能正常可靠 的工作，汽车车架 纵梁 在 其 全长的范围内的垂直弯曲变 形量，必须满 足相应的刚度要求： cmyIly 23 max 105 . 8)/( = 式 中 ： max y -纵梁前 ， 后支承中心处承受 1000N 集中载荷时的最 大 垂 直挠度，cm; l-汽车的 轴距 ，m; I-纵梁 截面的惯性矩， 4 cm 。 本车架纵梁 截面的惯 性矩为: () 33 4 BHbh I591.3 cm 12 = 3 max 3.65 y0.0822cmy0.085cm 591.3 = 所以,车架的 纵梁的刚度足够。 2.5 车架实验 13 车架的实验内容包 括 ：应力测定、刚度测定、可靠性测定与耐久 性 台 架试验 、 随整车进行的可靠性道路试验或试车场试验 以及使用实 验 等 。 （一）车架的应力 测定 对车架的应力 测定可较快的得出其应力 分布情况， 找出薄弱环节 和 产 生的原因以 及改 进后的效果。 除了要进行静弯曲和静扭转的应力 测 定 外，还以 整车在 道路模 拟实验台上、试车场以及在使用条件下进 行 动 应力测定。这对车架的设计定 型很有指导作用。 （二）车架的 刚度测定 包括对车架的 弯曲 刚度 及扭转刚度进行测定。 测定车架的 弯曲 刚度时， 是在前后轴处设置刚性支承并模拟实际 负 荷 情况加载。 测定车架的 扭转 刚度时应注意车架在 实验台上的紧固情况， 以避 免 实 验装置对 其刚度产生影响。 （三）可靠 性与耐久性能台架试验 包括车架弯曲疲劳 试验和扭转疲劳 试验。 等副疲劳试验台是较为 简 单 的实验装置，有机 械式，液压式，和激振式的，常用作进行车架 对 比 实验。 程控疲劳 试验台 能更好地模拟车架在 实际使 用中的载 荷状 况 。 后者也常用于整 车状态下的疲劳试验。 （四） 随整车进行的 可 靠性道路试验或试车场实验以及使用实验 让 满 载 的 汽 车 行 驶 于 试 车 场 的 专 门 路 段 上 来 进 行 车 架 的 疲 劳 试 验 和 扭转疲劳 试验 。 14 第三章第三章 制动系统设计制动系统设计 3.1 概述概述 （一）制动系的 组成 制 动系是 由制动 器和 制动驱动机构 组成。 制动装置可分为行车 ，驻车，应急，辅助制动 4 种装置。制动系 统 至 少 有 两 套 独 立 稳 定 的 制 动 装 置 ， 即 行 车 制 动 装 置 和 驻 车 制 动 装 置 。 行 车制动装 置使 行驶 的汽车减速或停车， 并且使 汽车在 下坡时保 持 是 适当的稳定车速。其 驱动机构 常采用双回路或多回路结构，保证 工 作 可靠 。 驻 车制动装 置用于汽车可靠的停在原地， 它有 助于汽车在 坡路上 起 步 。其驱动机构 常采用机械式，而不用气压或液压驱动机构，避免 产 生 故障。 应急制动装 置用于行 车制动装置发生意外故障失效时， 利用机械 源 控 制的应 急制动装 置实现汽车制动， 同时在人力的控制下它还能兼 做 驻 车制动装 置。 辅助制动装 置通过 装设缓速器等辅助制动，实现汽车下长坡时 ， 保 持 稳定车速的作用， 减轻或解除行车制动装 置的负荷。 本次设计 主要 采用了行车制动装 置和驻车制动装 置两套装置。 15 （ 二）制动系的 基本功用： （1）使汽车迅速 减速直至停车； （2）使汽车在 下长坡时保持稳定的车速 ； （3）使汽车 可靠 的停在原地（包括坡路上） 。 （ 三 ）制动系的 设计 要求 （1）足够 的制动力 。制动力 包括行车 制动能力和 驻车制 动能力。 行 车 制 动 能 力 是 用 一 定 制 动 初 速 度 或 最 大 制 动 踏 板 力 下 的 制 动 减 速 度 和 制动距离两项指标评定。 驻坡制动能力是汽车在 良好的路面上能 可 靠 停驻的最大坡度。一般不小于 20%。 （2）可靠 性好 。制 动系各 零部件工作 可靠。汽车 至少有 行车和 驻 车 制动 两套制动装 置， 行车制动装 置至少有两套独立的制动驱动管 路。其中一 条管路失 效时，另一条管路应保证制动能力不 低于原规定 制 的 30%。制动系应 设立必要的安 全设备和报警装置。 （3）制动 操纵 稳定 性好。汽车以 任何 速度制动都不应 该 丧失操 作 性 和方向稳定性。汽车 前后轮制动力 矩分配比例合适，最好能随各 轴 间 载荷转移情况变化而变化； 同一轴上左右轮制动器的制动力 矩应 相 同 ，避免 制动 时某一车轮先抱死侧滑，造成汽车无 法操纵，丧失方 向 稳 定性， 或甩尾 ，跑偏，甚至掉头 等危险情况。 （4）操纵轻便 。要 求制动 踏板和手柄 的位置和行程要符 合人机 工 程 学要求，要求 操纵制动系所需要的力不应 过大。 （5）作用 滞后 时间 短。作用 滞后时间 包括产生制动和 解 除制动 的 滞 后时 间，要求 滞后时间尽可能的短。 （6）制动 热稳 定性 好。制动 器摩擦片 的抗热衰退能力要 高，受 热 恢 复较快。 （7）制动 水稳 定性 好。能防止水和污 泥 进入制动器表面 ，摩擦 片 浸 水后恢复摩擦 系数能力要 好。 （8）减 少公害 。制 动系及轮胎的工作 噪音要低。制动 衬 片 的材 料 在 制造和使用的 过程 中，尽量减少对环境的污染。 3.2 制动器的结构设计制动器的结构设计。 16 制动 器按制动 对象分为 车轮制动器和中央制动器，后者制动传动 轴 或 变速器输出轴。所有汽车都用车轮制动器作为行车制动 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 的 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。以鼓式，盘式制动器应用最广泛 。 （一）鼓式 制动 器的结构分析 鼓式 制动器主要有制动 鼓，制动 蹄，传力杠杆和驱动装置组成 。 带 摩 擦片的制动 蹄作为固定元件，大多 采用两个蹄，并以铰支点的形 式 安 装 于 鼓 内 ， 制 动 的 过 程 中 2个 衬 块 都 以 13090 的 角 度 紧 贴 于 制 动 轮表面上。制动 器工作时，摩擦所产生的 热量大部 分由制动鼓向 外 散 出，为承受较大的 热应力，制动鼓应有足够的质量。制动 鼓在非 工 作 状态，其 摩擦片 与制动鼓之间应有合适的间隙。 制动 蹄有不 同的张开装置：液压轮缸式，凸轮式，楔块式，还有 用 气 动或电动方式 作为制动蹄驱动装置。 鼓式 制动 器按制动 蹄 的属性可分为领从蹄式、双领蹄 式、双向双 领 蹄 式、双从蹄式、单向增力式、双向增力式等几种，如图21所示。 17 图 3-1 鼓 式 制 动 器 示 意 图 不同形式鼓式 制动 器 的主要区别有： 蹄片固定支点的数量和位 置 不 同。张 开装置的形式与数量不同。制动时两块蹄片 之间有无 相 互 作用。因 蹄片 的固定支点和张开力位置不同，使不同形式鼓式 制 动 器 的领、从蹄数量有 差别，并使制动效能不同。 制动 器在单位输入压 力或力的作用 下所输出的力或力矩， 称为制 动 器 效能。在 评比不同形式制动器的效能时，常用一种 称为制动器效 能 因 数的无因 次指标。制动 器效能因数的定义为，在制动 鼓或制动盘 的 作 用半径 只上所得到的摩擦力(Mp/R)与输入力 0 F 之比，即 K= Mp/ 0 F R 式中，K为制动 器效能因数；Mp为制动器输出的制动力 矩。 制 动 器 效 能 的 稳 定 性 是 指 其 效 能 因 数 K对 摩 擦 因 数 的 敏 感 性 (dKdF)。 使 用 中 f随 温 度 和 水 湿 的 程 度 变 化 。 要 求 制 动 器 的 效 能 稳 定 性好，即是其 效能对f的变化敏感性较低。 领从蹄式制动 器的效 能和稳定性都很适中。 由于其前进倒车制动 效 能 不变，结构简单 ，制造成本，便于组成驻车制动机构，因此应用 较 为 广泛 。 双 领 蹄 式 制 动 器 正 向 效 能 较 高 ， 但 反 向 时 它 变 成 双 从 蹄 ， 效 能 18 大 大 降低。 双 向 双 领 蹄 式 制 动 器 在 前 进 ， 倒 车 制 动 时 性 能 不 变 ， 但 用 作 后 轮 制 动器时 ，需另设中央制动器构成驻车制动 器。 双 领 蹄 式 和 双 向 双 领 蹄 式 制 动 器 中 有 两 个 轮 缸 ， 适 用 于 双 管 路 制 动 系，但双缸制动 器因零件数目增多，造价增高，容易出 现油液泄 漏 ， 油管破损 现象。 双 从 蹄 式 制 动 器 制 动 效 能 最 低 ， 但 制 动 稳 定 性 最 好 ， 除 偶 尔 用 于 对 稳定性要求 很高的高级轿车上，一 般不采用。 增 力 式 制 动 器 的 效 能 较 其 他 形 式 大 的 多 ， 不 大 的 制 动 踏 板 力 就 能 得 到很大的制动力 矩， 但 其效能不太稳定， 效能太高也易产生自锁 。 单 向 增 力 式 制 动 器 在 倒 车 时 制 动 效 能 大 大 降 低 ， 只 有 少 数 中 轻 型 货 车和 轿车用它 做前轮制动器。 双向增力 式制动 器正反 向制动效能都很高， 能产生大的 驻车制动力 矩 。它 不用 于紧急制动，因而不产生高 温，也无热衰退的忧患，又可 省 去 助力驱动机构。 （二） 鼓式 制动 器主要参数的初选 （1）制动 鼓内径D 输入力 0 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。但增大D(图3-2)受轮辋内径限制。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 件太差，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 减小制动时 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 。 19 图 3-2 鼓 式 制 动 器 的 主 要 参 数 制动 鼓直径与轮辋直径之比DDr，的范围如下 ： 轿车：DDr= 74. 064. 0 货车：DDr= 83. 070. 0 已知轮辋直径Dr=352mm，则可得 制动 鼓内径D=（16.2924 .246）mm，则取制动鼓的直径D=290mm。 （2）摩擦衬片 宽度b和包角 摩擦衬片 宽度尺寸b的选取对摩擦衬片 的使用寿命有影响。衬片 宽 度 尺寸 应取窄 些，则磨损速度快，衬片寿命短；若衬片宽度尺寸取 宽 些 ，则质量大，不 易加工， 并且增加了成本。 试验 表明，摩擦衬片包角：90100时，磨损最小，制动鼓温 度 最 低，且制动效能最高。角减小虽然有利于散热，但单位压力过 高 将 加速 磨损。实际 上包角 两端处单位压力最小，因此过分延伸衬片 的 两 端以加大 包角，对减小单位压力的作用不大，而且将使制动不平 顺 ， 容易 使制动 器发生自锁。因此， 包角一般不宜大于120,所以取 包 角 =100。 衬片 宽度b较大可以减少磨损，但过大将不易包装与制动鼓全面 接触。本次设计参考 国产车摩擦片规 格，取b=100mm。 （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 =90-2。有时为了 适 应 单位压力的 分布 情况，将衬片相对于最大压力点对称布置，以改 20 善 磨 损均匀性和制动 效能。则 0 =90-2=90-100/2=40。 （4）制动 器中心到张 开力 0 F 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(图32)尽可能大，以提高制动 效能。初步设计时 可暂定e=0.8R左 右 。 即： e=0.8145=116mm,取e=110mm。 （5）制动 蹄支承点 位置坐标a和c 应在保证 两蹄的支承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(图32)。初步设计时 ，也可暂定a=0.8R左右。 即：a=0.8160=116mm,取 a=110mm,c=30mm。 3.3 制动器的设计计算制动器的设计计算 制动器设计 中需要 的重要参量 ：制动器设计 中需要 的重要参量 ： 汽车 轴距： L=3650mm 车轮滚动半径 ： e r =389.7 mm 汽车 满载质量： a m =6000Kg 汽车 空载质量： a m =3000Kg 满载时质心高度 ： g h =800mm 空载时质心高度 ： g h =723mm 质心距前轴 的距离： 1 l =1617mm 1 L=2208mm 质心距后轴的距离： 2 l =2033mm 2 L=1442mm 3.3.1 制动力与制动力分配系数 （一）制动力 汽车制动 时， 如果忽略路面对车轮的滚动阻力矩和汽车 回转质量 的 惯 性力 矩，则任 一角速度 0 的车轮，其力 矩平衡方程为： 21 0= ebf rFT (3-1) 式 中 ： f T 制动 器对 车轮作用的制动力 矩，即制动器的摩擦力矩 ， 其 方 向与车轮旋转方向相反，Nm； B F 地 面 作 用 于 车 轮 上 的 制 动 力 ， 即 地 面 与 轮 胎 之 间 的 摩 擦 力 ， 有称为地面 制动力，其 方向与汽车行驶的 方向相反，N； e r 车轮的有 效半径，m。则： e f f r T F= （3-2） 并称之为制动 器制 动 力，它是在 轮胎 周缘克服制动器摩 擦 力矩 所 需 的力，因此 又称 为制动器周缘力。 f F 与地面 制动力 B F 的方向相 反 ，当车轮角速度 0 时 ，大小亦相等，且 t F 仅由制动器结构参数所 决 定 。即 t F 取决 于制动 器的结构形式、尺寸、摩擦副 的摩擦系数及车 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 增 大 f T 时 ， f F 和 B F 均 随 之 增 大 。 但 地 面 制 动 力 B F 受 着 条 件 的限制，其 值不可能大于附着力 F ，即： ZB FFF= 或 ZB FFF= max （3-3） 式 中 轮胎与地面间的附着系数； Z F 地面 对车轮的法向反力。 制 动 器 制 动 力 f F 和 地 面 制 动 力 B F 达 到 附 着 力 F 值 时 ， 车 轮 即 被 抱 死 并 在 地 面 上 滑 移 。 此 后 制 动 力 矩 t T 即 表 现 为 静 摩 擦 力 矩 ， 而 eff rTF/= 即 成 为 与 B F 相 平 衡 以 阻 止 车 轮 再 旋 转 的 周 缘 力 极 限 值 。 当 制 动 达 到 0= 后 ， 地 面 制 动 力 B F 达 到 附 着 力 F 值 后 就 不 在 增 大 ， 而 制 动 器制 动力 t F 由于 踏板 力 p F 的增大 使摩 擦 力 矩 r T 增大而 继续 上升 。 （ 图 3-3 所示） 22 图 3-3 制 动 力 与 踏 板 力 的 关 系 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 21,ZZ FF 为： ()() 12 6000 9.8 14420.7 80032251.4 3650 Zg G FLhN L =+=+= 21 6000 9.8 ()(22080.7 800)26548.6 3650 Zg G FLhN L = 在 任何 附 着系 数的 路 面 上， 前 后 车 轮同 时 抱死 的 条 件 是 ： 前 后 制 动器制动力 之和等 于附着力， 并且前后制动器制动力 分别等于各 自 的 附着力，即： 12 11 22 0.7 32251.422576 0.7 26548.618584 uu uz uz FFG FFN FFN += = = = = （二）制动力 分配系数 前 轮 制 动 器 制 动 力 1u F 与 汽 车 总 制 动 器 制 动 力 u F 的 比 值 称 为 汽 车 制 动 器制动力 分配系数，用符号 表示 。 则联和式（3-9） ，可 得： 1 12 u uu F FF = + （3-4） 带入数据即可得： 22576 0.55 22576 18584 = + 23 3.3.2 同步附着系数的计算 为了防止汽车的 前轮失去转 向能力和 后轮产生侧滑，希望在制动 过 程 中，在 即将出现车轮抱死但尚无任何车轮抱死时的制动 减速度 ， 为 该 车可能产生的 最高减速度。分析表明，汽车在同步系数 0 的路面 上 制 动 （ 前后 轮 同 时抱 死 ） 时， 其 制 动 减 速 度 为gqgdd t0 =，即 0 =q，q为制动强度。而在其他附着系数 的路面上制动 时，达到前 轮 或 后轮 即将抱死 时的制动强度q， 这表明只有在 0 =的路面上 ， 地 面 的附着条件才得到 充分的利用。 国内有推荐满载时同步附着系数 轿 车 取 0 0.6；货车取 0 0.5为宜。 因为： 20 1 210 1 g u ug Lh F FLh + = （3-5） 则： 2 0 g LL h = （3-6） 则： 0 3650 0.55 1442 0.7 800 = 3.3.3 前、后轮 制动器最大 制动力 矩的确定前、后轮 制动器最大 制动力 矩的确定 前 后 制动 器多能产生的 最大制动力 矩为： 11 22576 389.78797867.2 uue MF rNmm= （3-7） 21 11 0.55 8797867.27198254 0.55 uu MMNmm = （3-8） 3.3.4前、后轮制 动器张 开力 的确定前、后轮制 动器张 开力 的确定 为计算有一个自 由度的蹄片上的力 矩，在摩擦衬片表 面取一横 向 微 元面积，如图34所 示。它位于角内，面积为bRd，其 中b为摩 擦衬片宽度。 由鼓作用在微元面积上的法向力为： 24 adabRppbRdadFsin max1 = （3-9） 同 时 ，摩擦 力fdFl产生的制动力 矩为：(f为摩擦因数，计算时取0.3) adaffRdFdM t sin 2 11 = 从 a 到 a 区段积分上式得 到 )cos(cos 2 max1 aafbRpM t = （3-10） 当 法 向压力均匀分布时 ， )( 2 1 1 aafbRpM bRdapdF ft f = = （3-11） 从 式(3-10)和式(3-11)能计算出不均匀系数为： )cos(cos)( aaaa= 从 式(3-10)和式(3-11)能计算出制动力 矩与压力之间的关系。但是 ， 实 际 计算时还必须 建立制动力 矩与张开力F。的关系。 紧 蹄 产生的制动力 矩 1t M 用 下式表达： 111 RfFM t = (3-12) 式 中， 1 F 为紧蹄的法向合 力； 1 R 为摩擦力 1 fF 的作用半径(图3-5)。 为 计 算随 张开力 01 F 而变 的 力 1 F ，列出蹄上的力 平衡方程式: 0 0)sin(coscos 11 01 111 001 =+ =+ FfRCFaF fFFaF x x (3-13) 式 中 ， 1 为 1 x 轴 和力 1 F 的 作用 线之 间 的夹 角 ； x F 为支承 反 力在 1 x 轴 上 的 投 影。 25 解 联 立方程式(310)得到： 图 3-4 制 动 力 矩 计 算 简 图 图 3-5 张 开 力 计 算