（光学工程专业论文）汽车制动器数字化平台开发研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 制动器是汽车的重要安全部件之一，其利用制动系统摩擦副产生的摩擦力 实现汽车的行车制动、应急制动和驻车制动。本文利用m a t l a b 、c a t i a 、a n s y s 等设计软件，对制动器主要零部件制动盘进行了设计计算、参数化建模和有限 元分析，获得了尺寸参数，性能参数及有限元模型，并对制动盘进行了模态分 析。基本上建立了制动盘的设计分析平台。 论文对当今国内外的制动器开发平台的发展及应用情况进行了介绍，分析 了制动器平台设计的意义和背景，阐述了盘式制动器的基本工作原理和组成。 并提出制动器数字化平台的基本思想：利用现代c a d c a e 方面的成果，设计满 足盘式制动器尺寸设计、三维模型建立和有限元分析的一体化数字平台，得出 相关的设计参数及分析结果。 对制动器系统提出设计要求，制定基本的设计准则。确定主要的制动器性 能和尺寸参数，并根据理论计算公式，利用m a t l a b 编写计算程序，实现制动器主 要设计参数的设计计算。 分析对比传统c a d 设计和参数化设计的优缺点，对参数化设计的基本步骤 进行了说明。盘式制动器的零部件比较多，但由于部分零件为异形不规则结构， 并且需要定义的尺寸参数过多，不便于进行参数化设计。所以本文以制动盘为 例，介绍了c a t i a 中参数化建模的过程，及相关文件之间的相互关系。分析确 定制动盘参数化设计的基本驱动参数，利用c a t i a 中的c a t a l o ge d i t o r 模块建立 制动盘标准件库，并能够根据参数驱动c a t i a 生成制动盘模型。 对有限元方法的基本理论和a n s y s 软件的发展历程进行了介绍，其中还着 重说明了有限元分析的一般步骤和a n s y s 软件的主要功能和模块。利用a n s y s 读取之前建立的三维模型，根据之前确定的制动盘材料参数，在前处理模块中 进行弹性模量、泊松比和密度的设置，并划分网格后得到有限元模型。采用b l o c k l a n c z o s 提取方法对制动盘进行模态分析，提取前十阶模态，比较各阶模态的振 型，并根据频率分析结构的合理性。 关键词：盘式制动器，设计平台，参数化设计，a n s y s ，模态分析 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t b r a k ei so n eo ft h ei m p o r t a n ts a f e t yc o m p o n e n to fa u t o m o b i l e ，i tu s e st h e f r i c t i o ng e n e r a t e db yt h ef r i c t i o np a i rt om a k ev e h i c l es l o wd o w n , e m e r g e n c yb r a k i n g o rp a r k i n g b r a k i n g i nt h i sp a p e r , t h eb r a k ed i s ca st h em a i nc o m p o n e n to ft h ed i s c b r a k ei sm a d ep a r a m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su s i n gm a t l a b ，c a t i a , a n s y s ，a n do b t a i nt h es i z ep a r a m e t e r s , p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l m o d l ea n a l y s i so ft h eb r a k ed i s c b a s i c a l l yt h ed e s i g np l a t f o r mo f b r a k ed i s ci ss e tu p t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd i s cb r a k e d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma th o m ea n da b r o a dt o d a y , a n a l y z e s t h es i g n i f i c a n c ea n d b a c k g r o u n do fb r a k ed i g i t a lp l a t f o r m ，m a k e sad e s c r i p t i o no ft h es t r u c t u r ea n db a s i c p r i n c i p l eo ft h ed i s cb r a k e a n dm a k eo u tt h eb a s i ci d e ao ft h ed i g i t a lp l a t f o r m ：m a k e u s et h er e s u l t so fm o d e mc a d c a e ，d e s i g nt h ei n t e g r a t e dd i g i t a lp l a t f o r mm e e t i n g t h es i z eo fd i s cb r a k ed e s i g n ，3 dm o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n dg e tt h e a p p r o p r i a t ed e s i g np a r a m e t e r sa n da n a l y s i sr e s u l t s m a d eo u tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fb r a k es y s t e m ，d e v e l o pt h eb a s i cd e s i g n c r i t e r i a i d e n t i f yt h em a j o rb r a k ep e r f o r m a n c ea n ds i z ep a r a m e t e r s ，a n da c c o r d i n gt o t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，m a k et h eb r a k ed e s i g nc a l c u l a t i o nb yw r i t i n gt h e m a t l a bp r o g r a m a n a l y z ea n dc o n t r a s tt h et r a d i t i o n a lc a dd e s i g na n dp a r a m e t r i cd e s i g no f t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，e x p l a i n et h eb a s i cs t e p so ft h ep a r a m e t r i cd e s i g n t h e b r a k es y s t e mh a sm a n yp a r t s ，b u ts o m eo ft h e ma r ei r r e g u l a rs t r u c t u r e ，a n dn e e dt o d e f i n et o om a n ys i z ep a r a m e t e r s ，a r en o te a s yt om a k ep a r a m e t r i cd e s i g n t h e r e f o r e , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r o c e s so fc a t i ap a r a m e t r i cm o d e l i n gb yb r a k ed i s c m o d e l i n g , a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e l a t e d d o c u m e n t s a n a l y s i sa n d d e t e r m i n et h eb r a k ed i s c sb a s i cd r i v ep a r a m e t e r s ，u s et h em o d u l ec a t a l o ge d i t o ri n c a t i at oe s t a b l i s ht h eb r a k ed i s cs t a n d a r dp a r t sl i b r a r y , a n dc a ng e n e r a t et h eb r a k e d i s cm o d e lb yp a r a m e t r i cd r i v i n g 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 h z t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da n s y ss o f t w a r e d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，w h i c ha l s oh i g h l i g h t st h eg e n e r a ls t e p so ft h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dt h em a i nf u n c t i o n sa n dm o d u l e so fa n s y s t h e nt h em o d e ls e tu pb y c a t i ai si m p o r t e di n t oa n s y s ，a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a lp a r a m e t e r so fb r a k e d i s c ，s e tt h ee l a s t i cm o d u l u s ，p o i s s o n sr a t i o a n dd e n s i t yi nt h ep r e p r o c e s s o r m o d u l e ，a n dm e s ht h eb r a k ed i s cf o rt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l f i n a l l y , c o m p a r et h e s h a p eo fm o d e la n da n a l y z et h ef r e q u e n c yo fs t r u c t u r e e x t r a c t i o nm e t h o du s i n g b l o c kl a n c z o sm e t h o d , g e tt h ef i r s tt e nm o d a l 、c o m p a r et h ev i b r a t i o nt y p ea n d a n a l y z et h es t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n c y r e s u l t s k e yw o r d s ：d i s cb r a k e ，d e s i g np l a t f o r m ，p a r a m e t r i cd e s i g n , a n s y s ，m o d a la n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉 理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学 校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：邋导师签名：过二生垒日期：丝坐：兰矽 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 汽车工业的快速发展使得汽车成为了人们生活的重要组成部分，在过去代 步工具的基础上，人们对汽车的安全、环保、节能也提出了更高的要求，其中 安全性又显得尤为重要。汽车安全分为主动安全与被动安全两部分，而主动安 全与汽车制动性能的优劣有着直接的关系，可以说汽车制动系统为安全行驶提 供了重要保障。汽车的制动过程十分复杂，它与汽车总布置和制动系各参数选 择有关。汽车制动系统主要由供能装置、传能装置、控制装置和制动器组成， 制动器是其主要的总成部件。因此，制动器的设计在整车设计中显得非常重要， 合理设置制动系参数进行整车参数匹配，才能使汽车达到最佳制动性能。 近年我国出版的汽车制动方面的专著为制动器设计提供了重要依据，但无 论数量还是深度上都还远远不能满足汽车工业发展的要求，特别是在汽车制动 器的开发设计方面，我国与汽车发达国家水平差距很大。在一些汽车工业发达 国家，各种汽车部件的设计、制造和分析平台的开发和运用已经相当成熟，其 中也包括汽车制动系统数字化开发平台。因此自主开发和研制适合我国汽车工 业发展道路的汽车制动系统数字化平台对于加速我国汽车工业的发展，缩短与 汽车工业发达国家的差距有着重大意义。 平台策略是汽车公司当前在产品开发中，最为科学、高效的产品开发思路。 在研发过程中，一个完善的设计平台有助于多款同级车型的产品开发，并且能 够大大降低独立开发的研发费用，减少重复投入。在国外，汽车平台策略应用 得最成功的便是德国大众汽车公司，世界上第一个轿车平台便在大众产生。通 过平台战略的实施，大众公司整合了产品系列，降低了设计成本，提高了产品 的竞争力，同时新产品推出的速度也较以往加快了许多。而在制动器设计平台 方面，从九十年代起，国外就开始开发汽车制动系统的设计平台。日本五十铃 公司在1 9 9 4 年开发了基于小型汽车的制动系统设计平台，主要用于汽车制动性 能的推理计算。但由于应用范围太窄，不能广泛适用于不同类型汽车制动系统 的设计开发中。因此，开发通用的汽车制动系统设计平台，使之能应用于不同 武汉理工大学硕士学位论文 类型汽车设计很有必要的。 国内近些年也在这方面做了不少研究，并开发出一些设计软件。但总体来 说，我国在制动系统平台开发上工作开展得较晚，水平较低，部分开发出的汽 车制动设计平台还处在初级阶段。1 9 9 6 年天津市汽车研究所设计出“汽车制动 系性能计算通用程序软件 ，该软件主要用于液压车辆的制动性能预测，未能 涉及汽车制动系统的整体设计计算。 在制动器设计平台产生以前，传统的汽车制动系统设计计算工作一般分为 两个部分：一是整车制动性能设计，二是制动系统结构参数设计，这两部分又 经常需要交叉进行，需要不断对参数进行调整。而汽车制动系统结构复杂，零 部件数量较多，且对于不同车型，各零部件的结构和布置也不相同，所涉及的 计算方法也不一样，因此制动系统设计的计算工作量十分巨大。另外制动系统 的性能取决于制动系的每个制动零部件，一般情况下确定这些制动零部件参数 时，基本是依靠设计专家从长期制动系统设计过程中积累的经验。对没有相关 经验和没有掌握一系列设计方法的设计人员来说，是很难设计和修改汽车的制 动器参数的。因此有效地利用专家的设计经验知识，利用软件进行制动系统设 计和性能仿真，建立一套完善的制动系统数字化设计平台对缩短产品开发周期， 提高设计效率是一个非常有意义的课题【5 9 】。 1 2 盘式制动器的概述 1 2 1 盘式制动器的特点及分类 盘式制动器是当今汽车制动器的主要发展趋势。盘式制动器制动副中的主 要原件是制动盘和摩擦片，当制动器工作时，摩擦片以一定压力压向制动盘， 而相对静止的摩擦片与旋转原件制动盘之间便会产生摩擦阻力矩，也就是制动 力矩。盘式制动器因其固定元件摩擦片的不同型式，可分为两类：一类的制动 块是由面积不大的2 4 个摩擦片和金属背板组成，这类制动器的制动块安装在 钳形支架中，总称为制动钳。这种由制动盘和制动钳组成的制动器称为钳盘式 制动器。另一类制动钳的固定元件是整个圆盘形的摩擦片，制动时摩擦片整体 压在制动盘的工作面上。此类盘式制动器称为全盘式制动器，只有在少数重型 汽车上使用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 盘式制动器主要由制动盘、制动钳和摩擦衬块组成。其中制动盘安装在车 轮轮毂上，与车轮同步转动，是制动器中的旋转部件。而摩擦衬块安装在制动 钳体上，是相对静止部件。在制动盘与摩擦衬块之间有微小的间隙，正常行驶 时，两者不会接触，而制动过程中，活塞会挤压制动衬块靠向制动盘，消除间 隙并产生摩擦力，形成制动力矩【”。 盘式制动器将逐步取代鼓式制动器，主要是由于盘式制动器和鼓式制动器 相比有着许多优点。 从制动效能方面来说，盘式制动器在液力助力下制动力大，其制动距离和 制动减速度都优于鼓式制动器，而且由于盘式制动器制动力矩与汽车运动方向 无关，没有摩擦助势作用，摩擦系数变化对其制动效能的影响较小。 从制动效能的恒定性方面来说，盘式制动器较鼓式制动器也有着很大的优 势。城市工况中行驶的车辆，由于制动频繁，制动器将会产生大量的热，使制 动器温度上升，如果不能有效降低制动器温度，将极大地影响制动效能。由于 盘式制动器直接与空气接触，制动产生的热量能很好地散发到空气之中，故盘 式制动器抗热衰退性能强。而且盘式制动器水稳定性好，一般在浸水后经过几 次制动，制动效能便可恢复正常，而鼓式制动器则需经十多次制动效能才能恢 复。 由于满足同样制动力矩的两种制动器，盘式制动器在尺寸和质量上都比鼓 式制动器要小，所以特别适合轿车等小型车辆使用。 但是相对于鼓式制动器来说，盘式制动器结构较为复杂，对制动钳体、管 路系统要求也较高，生产成本高于鼓式制动器。 1 2 2 钳盘式制动器的特点 武汉理工大学硕学位论文 ( 1 ) 定钳盘式制动器 幽卜1 定钳盘式制动器示意酗 山图l l 可以看出制动卡钳被严格固定在车桥r 且不能移动，驯固定忙钳。 跨过制动盘分布在两边的活塞在制动液的推动下压紧制动盘，由于左右摩擦片 的压力要求相等，所以两边油道一般都是联通的。 定钳盘制动器存在着以下缺点：一、由于左右油缸对称分布。使得制动钳 体积较大且油路复杂；二、为了保证左右制动摩擦片的压力相同，分布在制动 盘两侧的油缸需要用油道相连，不仅增加了制动钳体的尺寸，而且由于油道跨 越了制动盘，其中的制动液在制动器制动产生大量热量时容易汽化失效：三、 需要加装机械促动的驻车制动钳柬实现驻车制动。 争 漂 武汉理i 大学碗学位论文 2 ) 浮钳盘式制动器 目卜2 浮钳盘式制动器示意幽 由图1 2 可以看出制动卡钳可沿着制动钳导向销方向移动，而制动钳导向 销则被固定在支架上。当汽车制动时，内摩擦片被活塞向前挤压，外摩擦片被 作用在卡钳上的反作用力压住。这种类型的卡钳目前使用得较多。 与定钳盘式制动器相比，浮钳盘式制动器由于油缸数量少，所以其体积相 对较小。且浮钳盘式制动器没有跨越制动盘的油道，制动液不会受热汽化而失 效- 此外，浮钳盘式制动器由于卡钳可以相对于制动盘轴向移动，只须在制动 钳油缸上加装推动活塞垭紧制动盘的机械零件即可实现驻车制动。 123 盘式制动器设计的发展趋势 从国内外盘式制动器的研究设计柬看，大致有3 个发展趋势： ( 1 ) 制动器主要零部件参数化设计； ( 2 ) 性能参数、尺寸参数、模型建立、有限兀分析一体化设计： ( 3 ) 形成标准的零部件库，在设计不同制动器时直接调用合适的零部件。 武汉理工大学硕上学位论文 1 3 论文研究的意义和内容 1 3 1 论文研究的意义 随着计算机技术在汽车设计中的作用日益突出，汽车新产品的开发正在由 传统的手工设计、实验和简单分析向集成c a d c a e c a m 方向发展。本文在汽 车制动器的计算机辅助参数化设计方面进行尝试，将汽车制动器较为成熟的设 计理论与计算机实际应用相结合，建立制动器参数化设计平台，提高设计质量 和设计效率。在参数化建模的基础上，进一步利用c a e 分析软件，对制动器结 构进行有限元分析，节省大量繁重的计算，为创新化设计提供可能。 汽车制动系统数字化开发平台是为实际生产建立一个实用的设计、分析平 台，在功能上满足以下设计需求： ( 1 ) 帮助选择制动器结构型式； ( 2 ) 确定制动器主要结构参数，并根据参数对其性能从理论角度进行分析 评价； ( 3 ) 利用c a d 软件建立三维零件模型或调用库中已有零件，并建立常用 制动器零件数据库文件； ( 4 ) 提供和其它软件的接口，以便将零件模型输出到c a e 软件进行有限 、 元分析； ( 5 ) 系统运行要求稳定可靠，结论正确等。 1 3 2 论文研究的主要内容 本文主要利用现代c a d c a e 方面的成果，设计满足盘式制动器尺寸设计、 三维模型建立和有限元分析的一体化数字平台，得出相关的设计参数及分析结 果。 具体研究的内容包括： ( 1 ) 总结国内外制动器设计平台的应用现状，并对数字化开发平台提出相 关的设计要求； ( 2 ) 分析盘式制动器的工作原理、分类、优缺点及今后制动器设计的发展 趋势； ( 3 ) 利用计算软件m a t l a b 编写计算程序，实现根据整车参数自动计算制动 6 武汉理工大学硕士学位论文 器主要设计参数； ( 4 ) 利用三维造型软件c a t i a 对盘式制动器主要零部件进行参数化建模， 并形成基本零部件库； ( 5 ) 将盘式制动器主要零部件的c a t i a 模型导入通用有限元分析软件 a n s y s 进行模态分析。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于f l a t ia b 平台的制动器制动性能计算 2 1m a tia b 软件介绍 m a t l a b 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级 计算语言，提供了很好的交互式编程环境。 m a t l a b 较以往传统的编程语言( 如c 、c + + 和f o r t r a n ) 有以下优势： ( 1 ) 友好的工作平台和编程环境 m a t l a b 由一系列工具模块组成，其中许多工具采用图形用户界面，达到更 容易地使用m a t l a b 的目的。 ( 2 ) 简单易用的程序语言 m a t l a b 语言基于c + + 语言基础，因此语法特征与c + + 语言相似，符合科 技人员对数学表达式的书写格式，这也是m a t l a b 能够应用到工程计算各个领域 的重要原因。 ( 3 ) 强大的科学计算机数据处理能力 m a t l a b 包含大量计算算法，并拥有6 0 0 多个工程中可能运用到的数学运算 函数，方便实现所需的各种计算功能。 ( 4 ) 出色的图形处理功能 m a t l a b 具有方便的数据可视化功能，可以将向量和矩阵以图形的型式表现 出来，易于分析了解。 ( 5 ) 应用广泛的模块集和工具箱 m a t l a b 针对不同领域开发出了功能强大的模块集和工具箱，便于直接调用。 2 2 制动器参数设计计算 2 2 1 制动系统设计的基本要求 制动系统是汽车重要安全部件之一，其结构和性能除了要满足一般设计规 范外，还必须满足国家强制性标准。 对制动系统的设计，一般要满足以下基本要求： 武汉理i 大学颈学位论文 ( 1 ) 具有良好的制动效能，并产生足够的制动力，满足汽车的行车制动、 应急制动和驻车制动的国家相关要求； ( 2 ) 具有良好的制动效能稳定性，温度升高和浸水对制动效能影响尽可能 小，而且能够快速复原； ( 3 ) 具有良好的制动方向稳定性，使制动力在同一轴左右车轮保持相等， 在不同车轴之间合理分配； ( 4 ) 操毒5 l 装置的位置布置合理，控制力和操纵行程适当： ( 5 ) 工作可靠，反应时间应短； ( 6 ) 工作时产生的颤振和噪声小，捧出物对环境的污染小。 0 一 蝴 图2 一l 制动系统结构图 222 制动器主要参数的确定 ( 1 ) 鼓式制动器主要参数的确定 1 制动鼓内径d 输入力e 一定时，制动鼓内径越大制动力矩就越大，且散热能力也越强。 但增大d 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 白j 隙不小于2 0 m m ，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，剐度就大，并有利于保证制动鼓的加 工精度。 芏 武汉理工大学硕士学位论文 制动鼓直径与轮辋直径之比d d ，的范围如下： 轿车：d d r - - - 0 6 4 0 7 4 ； 货车：d d r = 0 7 0 0 8 3 。 2 摩擦衬片宽度b 和包角 摩擦衬片宽度尺寸的选取对摩擦衬片的使用寿命有影响。衬片宽度尺寸取 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。 制动鼓半径r 确定后，衬片的摩擦面积为= r 肋。制动器各蹄衬片总的 摩擦面积f a p 越大，制动时所受单位面积的正压力和能量负荷越小，从而磨损 特性越好。 试验表明，摩擦衬片包角在9 0 。1 0 0 0 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1 2 0 0 。 3 摩擦衬片起始角孱 一般将衬片布置在制动蹄的中央，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，以改善磨损均匀性和制动效能。 4 制动器中心到张开力只作用线的距离 在保证轮缸或制动凸轮能够布置于制动鼓内的条件下，应使距离尽可能大， 以提高制动效能。初步设计时可暂定为o 8 r 左右。 5 制动蹄支承点位置坐标 应在保证两蹄支承端不致互相干涉的条件下，使纵向距离尽可能大而横向 距离尽可能小。初步设计时，也可暂定纵向距离为0 8 r 左右。 ( 2 ) 盘式制动器主要参数的确定 1 制动盘直径d 制动盘直径d 应尽可能取大些，可使制动盘的有效半径得到增加，可降低 制动钳的夹紧力，减少衬块上单位面积压力和工作温度。受轮辋直径的限制， 制动盘的直径通常选择为轮辋直径的7 0 7 9 。总质量大于2 t 的汽车应取上 限。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 制动盘厚度h 制动盘厚度h 对制动盘质量和工作时的温升有影响。为使质量小些，制动 盘厚度不宜取得很大；为了降低温度，制动盘厚度又不宜取得过小。制动盘可 以做成实心的，或为了散热通风的需要在制动盘中间铸出通风孔道。一般实心 制动盘厚度可取为l o 一- - 2 0 m r n ，通风式制动盘厚度取为2 0 - - 一5 0 m m ，采用较多的 是2 0 3 0 m m 。 3 摩擦衬块外半径r 2 与内半径r 1 推荐摩擦衬块外半径r 2 与内半径r i 的比值不大于1 5 。若比值偏大，工作 时衬块的外缘与内侧圆周速度相差较多，磨损不均匀，接触面积减少，最终导 致制动力矩变化大。 4 制动衬块面积a 对于盘式制动器衬块工作面积a ，推荐根据制动衬块单位面积占有的汽车质 量在1 6 3 5 k g c 1 1 1 2 范围内选用。 2 2 3 制动器主要设计参数的计算 在制动系统性能设计计算平台下进行设计计算的目的在于取代传统汽车制 动系统的设计和计算工作，围绕制动力分配系数、同步附着系数、利用附着系 数、附着率设计，实现制动系统性能参数设计。 ( 1 ) 计算行车制动和应急制动效能 制动效能是制动系统的重要指标之一，通常以一定初速度下减速至停的制 动距离和制动减速度来评定。制动距离指的是从驾驶员促动制动控制装置开始 到车辆完全停止时所驶过的距离，由下式计算： 趾点”妒盘( 2 - 1 ， 式中t 机构滞后时间： 厶制动力增长时间； k 制动初速度； k 最大稳定制动减速度。 武汉理工大学硕士学位论文 最大制动减速度由下式计算： ff 一= j 生 ( 2 - 2 )一m 舣、。， 所4 式中f ，最大可能的地面制动力； 加。汽车最大总质量。 ( 2 ) 制动器制动力的分配 根据汽车制动力分配特性及其他整车因素，制动过程可能出现以下三种轮 胎抱死顺序： 1 ) 前轮比后轮先抱死，虽然属于稳定工况，但在制动过程中车辆失去转 向能力，并且附着条件没有得到充分利用； 2 ) 后轮比前轮先抱死，后轴可能出现侧滑，属于不稳定工况，附着条件 也没有得到充分利用； 3 ) 前、后轮同时抱死滑移，可以避免后轴侧滑，只有在最大制动强度下 才会使车辆失去转向能力，此时附着条件的利用程度最好。 汽车前、后轴间制动力的分配常用前轴制动器制动力与制动器总制动力之 比值表示，称为制动力分配系数。该系数由前、后轴制动系统的结构参数决 定，在没有制动力调节装置或a b s 装置的汽车中，为定值。实际制动力分配 曲线线与满载时理想制动力分配曲线交点所对应的附着系数称为满载同步附 着系数，其值由下式得出： ：l f l _ - 一b ( 2 - 3 )2 _ 一 疗g 式中汽车轴距： b 满载时汽车质心至汽车后轴中心线的距离； j j l 。满载时汽车质心高度。 ( 3 ) 地面制动力和制动器控制力的关系 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 在制动器产生足够制动力的情况下，应以出现车轮即将抱死时的制动力作 为最大地面制动力，即： 2 2 - 。+ z ( 2 4 ) f g l - 腮警( 6 + 班) ( 2 - 5 ) 巴z = ( 1 一) c m a l g m a ( 口一班) ( 2 - 6 ) 式中兄前、后轴制动器总制动力； l 。、瓦：分别为前、后轴制动器制动力； 制动力分配系数； m 。汽车最大总质量； g 重力加速度； 缈路面附着系数； 三汽车轴距； a 、卜分别为汽车质心至前、后轴中心线的距离； j j l g 汽车质心高度。 制动器产生的制动力与制动器的结构形式和传能装置有关。对于轮缸式制 动器和盘式制动器而言，制动力计算表示如下： 铲2 p + 孚也c 1 鲁 ( 2 7 ) z 锄：半f f d 2 c 2 鲁 ( 2 - 8 ) 式中p 、p ：分别为前、后轮缸( 油缸) 的液压： d 矾、d 。：分别为前、后轮缸( 油缸) 的直径； 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 n 。、刀：分别为前、后制动器单侧油缸的数目； c l 、c 2 分别为前、后制动器效能因素； r 。、r 。：分别为前、后制动器工作半径： 凡轮胎动负荷半径。 对于凸轮式制动器而言，制动力计算表示如下： 驴2 射华，知c 1 鲁 仁 f # 2 = 2 p c 2 孚缸：q 鲁 陋埘 式中p 。，、p 。：分别为前、后制动气室的气压； d c l 、d 。：分别为前、后制动气室的有效直径； 、f c ：分别为前、后制动凸轮的力传动比； 刁：。、7 7 ：2 分别为前、后制动凸轮支撑的传动效率。 ( 4 ) 制动器的能量容量和磨损特性 制动器制动过程中将汽车的动能以摩擦方式转化为热能，并扩散到空气之 中。所以在制动器设计计算时，不仅要考虑制动器是否能够产生足够的制动力， 还要按照能量容量和磨损特性来确定制动器、特别是制动盘和摩擦片的结构形 式、尺寸大小和材料。由于制动器的能量容量和磨损特性受多种因素的影响，理 论计算特别复杂，因此在设计中采用摩擦片( 块) 的单位面积分摊的轴载质量、 正压力、摩擦力，以及给定条件下单位摩擦面积吸收的能量载荷和制动鼓( 盘) 温升等作为衡量指标。制动能量载荷的计算一般可以参照下式计算： 铲! 型掣塑( 2 - 1 1 ) 1 22 a p ：! 丛坠业( 1 一f 1 ) ( 2 - 1 2 ) 2 2 a ， 、 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 式中m 。一汽车最大总质量； 巧、k 分别为汽车制动的初速度和终速度； 4 、4 分别为汽车前、后轴制动器的摩擦片( 块) 面积； 制动力分配系数。 计算过程中，取= 0 6 9 ，对于轿车取巧= i o o k m h ，圪= 0 ，按照以上条 件计算的制动能量载荷，鼓式制动器应不大于1 8 w m m 2 ，盘式制动器应不大于 6 0 w m m 2 。对于前后同型的制动系统，遵循前、后制动能量载荷q e 2 1 的设 计原则，而对于前盘后鼓的制动系统则取q e z 1 0 3 。 ( 5 ) 制动轮缸直径与工作容积 制动轮缸对制动蹄或制动块的作用力f 与轮缸直径d 。及制动轮缸中的液压p 有如下关系： 小2 后 仁 式中p 考虑制动力调节装置作用下的轮缸或管路液压，p = 8 - - 1 2 m p a 。 制动管路液压在制动时一般不超过i o - - 1 2 m p a ，对盘式制动器可再高些。 压力愈高轮缸直径就愈小，但对管路特别是制动软管及管接头则提出了更高的要 求，对软管的耐压性、强度及接头的密封性的要求就更加严格。 轮缸直径应在标准规定的尺寸系列中选取，轮缸直径的尺寸系列为：1 9 ，2 2 ， 2 4 ，2 5 ，2 8 ，3 0 ，3 2 ，3 5 ，3 8 ，4 0 ，4 5 ，5 0 ，5 5 m m 。 一个轮缸的工作容积： 圪= 三车彩 ( 2 - 1 4 ) 式中d 。一个轮缸活塞的直径； 1 5 武汉理| t 大学硕士学位论文 n 轮缸的活塞数目； 万一个轮缸活塞在完全制动时的行程：万= 磊+ 疋+ 岛+ 反； 4 消除制动蹄( 制动块) 与制动鼓( 制动盘) 问的间隙所需的轮缸活 塞行程； 疋因摩擦衬片( 衬块) 变形而引起的轮缸活塞行程，可根据衬片( 衬 块) 的厚度、材料弹性模量及单位压力计算； 磊，瓯鼓式制动器的蹄与鼓之变形而引起的轮缸活塞行程，试验 确定。 全部轮缸的总工作容积： y = 圪 ( 2 1 5 ) 式中m 轮缸数目。 ( 6 ) 制动主缸直径与工作容积 制动主缸应有的工作容积 圪= v + v 7 ( 2 - 1 6 ) 式中制动软管在液压下变形而引起的容积增量。 在初步设计时，考虑到软管变形，轿车制动主缸的工作容积可取为 圪= 1 1 y ；货车取匕= 1 3 矿，式中v 为全部轮缸的总工作容积。 主缸活塞直径以和活塞行程s 可e h t 式确定： 圪= 署以( 2 - 1 7 ) 一般取s 。= ( o 8 1 2 ) 如。 主缸的直径应符合系列尺寸，主缸直径的系列尺寸为：1 9 ，2 2 ，2 6 ，2 8 ，3 2 ， 3 5 3 8 4 0 ，4 5 m m 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 盘式制动器有效半径 假定衬块的摩擦表面全部与制动盘接触，且各处单位压力分布均匀，则制 动器的制动力矩可表示为： 吮= 2 f f o r ( 2 - 1 8 ) 式中厂摩擦因数； f 。单侧制动块对制动盘的压紧力； r 摩擦衬块作用半径。 对常见的扇形摩擦表面的衬块，若其径向宽度不是很大，取r 等于平均半 径如或者有效半径r ，在实际上已经足够精确。 平均半径为： r m ：华( 2 - 1 9 ) 式中墨、足分别为摩擦衬块扇形表面的内外半径。 设衬块与制动盘之间的单位压力为p ，则在任意微元面积r d r d 擘。上的摩擦 力对制动盘中心的力矩为觑2 d r d 吁o ，而单侧制动块加于制动盘的制动力矩为： 丝2 = ee 础d 榔= err 2 d 础= 芎2 彦- ( 足3 一墨3 ) 伊( 2 - 2 0 ) 单侧衬块加于制动盘的总摩擦力为： 瓜= 厂e 雄d 缈衄= 2 伽垒写笠钸( 是2 一墨2 ) p ( 2 - 2 1 ) 故有效半径为： r ：簧：粥：j 2 确( r 2 3 - , 3 ) 倍2 2 ， 可见，有效半径r ，即是扇形表面的面积中心至制动盘中心的距离。可写成： 耻升播 ( 半) * 南卜 p 2 3 ， 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 式中一惫。 因为历 1 ，石石m 矛 如，且，z 越小，则两者差值越大。 应当注意的是，若m 过小，即扇形的径向宽度过大，衬块摩擦面上各不同 半径的滑磨速度相差太远，磨损将不均匀，因而单位压力分布均匀这一假设条 件不能成立，则上述计算方法也就不适用。m 值一般不应小于o 6 5 。 2 3 基于m a tia b 制动器计算系统设计 2 3 1m a tia b 中m 文件的形式 m 文件是m a t l a b 中一种特殊的文件形式，在m a t l a b 中提供的编辑器可以方 便地对m 文件进行编写、修改。除此之外，还可以通过文档打开m 文件，而无 需启动m a t l a b ，便于随时对程序进行修改。 通过编写m 文件，可以将多个m a t l a b 命令集中像编写批处理命令一样在一 个文件中方便地进行调用。根据不同使用情况，还可将特定问题编写成m 文件， 这样就能实现结构化程序设计。实际上，m a t l a b 许多自带的函数就是m 函数文 件。 2 3 2 制动器参数计算的m 文件编写 制动器性能及尺寸参数的计算按照理论计算公式都可编写成m 文件保存， 在今后的计算过程中可直接调用程序，输入所需参数即可得到相应输出结果， 省去了重复计算时间。 本文以三个制动器主要设计参数为例介绍m 文件的编写 ( 1 ) 根据平均制动减速度的理论计算公式编写的程序，保存为m 文件格式。 以后计算制动减速度就可直接调用此程序，输入制动初速度、制动终速度和制 动距离后即可以直接得到平均制动减速度。 制动减速度的计算程序： f u n c t i o na b r a k i n g = b r a k i n g _ d e c e l e r a t i o n ； v e l o c i t yl 制动初速度 武汉理工大学硕士学位论文 v e l o c i t y制动终速度2 l e n g t h _ b r a k i n g 制动距离 v e l o c i t y _ l - - i n p u t ( 输入制动初速度：) ； v e l o c i t y _ 2 = i n p u t ( 输入制动终速度：，) ； l e n g t h _ b r a k i n g = i n p u t ( 输入制动距离：) ； a _ b r a k i n g = ( v e l o c i t y _ 1 - v e l o c i t y _ 2 ) 2 ( 2 宰l e n g t h _ b r a k i n g ) ； f i d = f o p e n ( o r a k i n g _ d e c e l e r a t i o n t x t 】，w ) ； f p r i n t f ( f i d ，p 沪妇； a b r a k i n g ) ； f c l o s e ( f i d ) ； ( 2 ) 磨损特性( 比能量耗散率) 计算程序： f u n c t i o ne _ d i s = e n e r g y _ d i s s i p a t i o n _ r a t e ； ct u r n 汽车回转质量转换系数 mc a r 汽车总质量 v e l o c i t y汽车制动初速度1 v e l o c i t y汽车制动终速度2 l e n g t h制动距离braking a r e a 制动器摩擦衬片的摩擦面积 d i s t r i b u t e 制动力分配系数 c m _ c a r = i n p u t ( 输入汽车总质量( k g ) ：) ； v e l o c i t y _ l - - i n p u t ( 输入汽车制动初速度( i n s ) ：，) ； v e l o c i t y _ 2 = i n p u t ( 输入汽车制动终速度( 州s ) ：) ； l e n g t h _ b r a k i n g = i n p u t ( 输入制动距离( m ) ：) ； a r e a = i n p u t ( 输入制动器摩擦衬片的摩擦面积( 彻 1 1 2 ) ：) ； d i s t r i b u t e = i n p u t ( 输入制动力分配系数：) ； e _ _ d i s = c _ t u r n 木m _ c a r 宰( v e l o c i t y _ l 2 v e l o c i t y _ 2 2 ) 木( v e l o c i t y _ l v e l o c i t y _ 2 ) 幸d i s t r i b u t e ( 8 木l e n g t h _ _ b r a k i n g 木a r e a ) ； f i d = f o p e n (