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奥迪A5盘式制动器优化设计及分析,奥迪,A5,制动器,优化,设计,分析
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哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）中期检查报告 本科毕业论文（设计）中期检查报告论文题目盘式制动器的设计与优化班 级10级车辆2班姓 名吴一淼 院（系）汽车工程学院导 师周遐余报告时间 2014年4月29日 1论文工作是否按开题报告预定的内容及进度安排进行论文工作基本按照开题报告的预定内容进行，有些地方稍微做了修改。本论文主要分四大部分，首先是盘式制动器的设计，该部分已经基本完成，制动系的各个参数均已计算完毕；其次是盘式制动器的优化，该部分也已经基本完成，从建立模型到运用MATLAB进行求解，并得到优化后的数据，与优化前进行对比；然后是盘式制动器的绘制，该部分正在进行，目前已经完成了各个零件的绘制；最后是论文的撰写，该部分还未进行。接下来的人工作是继续制动器的绘制，零件图绘制完成后要进行装配，并生成工程图，然后进行各尺寸的标注；该部分完成后便开始进行论文的撰写。实际的工作进度比开题报告中的安排稍微超前，进行的比较顺利，之后的工作也会尽力按时完成。2目前已完成的研究工作及结果2.1盘式制动器的设计1.本设计中选用的车型是奥迪A5，数据参数为：整备质量轴距质心位置质心高度最高车速轮胎规格滚动半径mm空载满载ab空载满载1750kg2160kg2.751m1.347m1.404m0.95m0.85m238245/40R17271.032.制动力与制动力分配系数本设计中：3.同步附着系数本设计中：4.制动强度和附着系数利用率本设计中：5.制动器最大制动力矩本设计中：6.制动器因数本设计中：7.盘式制动器主要参数（1）制动盘直径制动盘直径选择为轮辋直径的70%-79%，本设计中取。（2）制动盘厚度本设计中采用通风盘设计，取。（3）摩擦衬块内半径与外半径推荐摩擦衬块的外半径与内半径的比值不大于1.5.本设计中取，。（4）摩擦衬块工作面积根据制动摩擦衬块的单位面积占有的汽车质量在的范围内取。故本设计中取。2.2盘式制动器的优化1.建模基础为了便于分析，在不影响精度的情况下，作出以下近似和假设：1）假设摩擦副的摩擦系数只与温度有关系。2）假设作用于摩擦衬块的正压力时均匀分布的。3）忽略制动盘和制动衬块的轴向受力变形。4)制动盘为实体平盘，而且制动时产生的热量由制动盘吸收，制动盘温升为均匀的。2.优化目标由于两个目标位不同性质的目标分量，一个值越小越好，而另一个值越大越好，故可采用乘除法，确立目标函数为：3.设计变量设计变量,其中，摩擦衬块的内半径；摩擦衬块的外半径；制动盘的厚度；制动盘的直径； 轮缸的直径；轮缸液压。4.约束条件（1）性能约束（2）结构尺寸约束5模型求解运用MATLAB软件进行求解：温升力矩温升/力矩优化前1031451230035126.283830434.7.7566E-5优化后112.07145.3515300.0735.29126.250901173.1.6934E-5优化之后，温升下降：0.525%，制动力矩增加：8.52%。6.结论（1）优化之后目标函数值比原设计值下降了，温升降低，制动力矩显著提高。（2）对于两类不同性质的目标函数，一类目标值越大越好，一类目标值越小越好，采用乘除法来统一目标函数，可以较简单的建模。3后期拟完成的研究工作及进度安排（1）拟完成的研究工作：进行前两部分的检查和改进，完成盘式制动器的绘制，撰写毕业论文。（2）进度安排：13周14周，完成对前两部分的检查和改进。15周16周，完成整个盘式制动器的绘制。17周19周，完成毕业论文的撰写。4存在的困难与问题（1）现在存在的问题是如何确定制动器各个零件的材料以及加工精度和装配时的配合精度。（2）需要大量查找文献和手册。5如期完成全部论文工作的可能性论文工作正在顺利进行，预计能够如期地完成论文工作。中期报告检查组意见：（以下空46行文字） 组长（签字）： 年 月 日（此行置于页面底部）- 6 - 盘式制动系统设计与优化,中期检查汇报,吴一淼100120205汽车工程学院车辆工程专业,工作进程,1,2,制动器的设计,制动器的优化,3,制动器的绘制,4,论文的撰写,制动器的设计,1.选择AudiA5作为目标车型,2.制动力与制动力分配系数,在不同附着系数的路面上，汽车前后轴同时抱死时的制动器制动力：,制动器的设计,根据本设计中所设定的地面附着系数、同步附着系数和汽车各参数，确定汽车前后轴的最大制动力矩：,3.制动器的最大制动力矩,4.制动强度与附着系数利用率,本设计中地面附着系数大于同步附着系数，由于后轮会先抱死拖滑，所以可能得到的最大制动器制动力取决于后轮刚抱死拖滑时的条件。,制动强度为：,附着系数利用率为：,5.制动器因数,对于钳盘式制动器，其制动器因数为：,本设计中假设地面附着系数为0.7，则,制动器的设计,6.盘式制动器主要参数确定,7.制动器性能的核算,7.1摩擦衬块的磨损性能计算,汽车单个前轮制动器和单个后轮制动器的比能量耗散率分别为：,制动器的设计,本设计中：,轿车的盘式制动器的比能量耗散率应不大于6.0W/mm2，该设计中，符合要求。,7.2制动器一次制动温升的核算,要核算制动器一次制动温升是否满足以下条件：,本设计中，温升为1.2K，满足要求。,制动器的设计,7.3盘式制动器制动力矩的计算,对于本设计中的扇形摩擦衬块：,单侧制动块作用于制动盘的制动力矩为：,前轮实际制动力矩为：,则该设计满足要求。,制动器的设计,7.4驻车制动计算,汽车在上坡停驻时的后轴车轮的附着力为：,同样的，可以求出汽车在下坡停驻时的后轴车轮的附着力为：,可以求得汽车在上坡路时可能停驻的极限上坡路倾角为：,同理，汽车在下坡时可能停驻的极限下坡路倾角为：,制动器的设计,7.5制动器制动效能的核算,满载时制动距离：,本设计中：,所以满足要求。,制动器的优化,1.建模基础,为了便于分析，在不影响精度的情况下，作出以下近似和假设：1）假设摩擦副的摩擦系数只与温度有关系。2）假设作用于摩擦衬块的正压力时均匀分布的。3）忽略制动盘和制动衬块的轴向受力变形。4）制动盘为实体平盘，而且制动时产生的热量由制动盘吸收，制动盘温升为均匀的。,2.优化目标,以制动温升最低、制动力矩最大为目标：,由于两个目标为不同性质的目标分量，一个值越小越好，而另一个值越大越好，故可采用乘除法，确立目标函数为：,3.设计变量,制动器的优化,制动温升表达式：其中有：制动力矩表达式：,制动器的优化,4.约束条件,4.1性能约束,制动器制动力矩约束：,摩擦片压力约束：,比能量耗散率约束：,一次制动温升约束：,油缸压力约束：,制动器的优化,4.2结构尺寸约束,制动盘尺寸约束：,衬块安装位置约束：,衬块不与轮毂干涉：,轮缸位置不与轮毂干涉：,制动盘厚度约束：,衬块尺寸约束：,制动器的优化,用MATLAB软件中的有约束非线性最小化优化函数对目标函数中的6个设计变量进行优化。,制动器的优化,5.模型求解,用matlab软件进行求解：,优化之后，温升下降：0.525%，制动器力矩增加：8.52%,6.结论,（1）优化之后目标函数值比原设计值下降了，温升降低，制动力矩显著提高。（2）对于两类不同性质的目标函数，一类目标值越大越好，一类目标值越小越好，采用乘除法来统一目标函数，可以较简单的建模。,制动器绘制,制动器绘制,制动钳体用螺栓与支架相连，螺栓同时兼作导向销，支架固定在前悬架总成轮毂轴承座凸缘上。壳体可沿导各销与支架作轴向相对移动，两制动块装在支架上，用保持弹簧卡住，使两制动块可以在支架上作轴向移动，但不会上下窜动。制动盘装在两制动块之间，并通过轮胎螺栓固定在前轮毂上，制动块由无石棉的活塞在制动液压力作用下，推动内制动块压向制动盘内侧，制动钳上的反力使制动钳壳体向内侧移动，从而带动外制动块压向制动盘外侧面。于是内、外摩擦块将制动盘的两端面紧紧夹住，实现了制动。,制动器的绘制,用CATIA软件进行绘图并装配,制动器绘制,制动器绘制,谢谢观赏,哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告 本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 奥迪A5盘式制动器优化设计及分析 班 级 1001202班 姓 名 吴一淼 院（系） 汽车工程学院 导 师 周遐余 开题时间 2013年12月24日 - 16 -1课题研究的目的和意义路面对车轮施加一定的力，从而对其进行一定程度强制制动的一系列专门装置系统称为制动系统。其作用是使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车，或使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车或使下坡行驶的汽车速度保持稳定。汽车制动系统是汽车行驶的一个重要主动安全系统，其性能的好坏对汽车的行驶安全有着重要影响。随着汽车的行驶速度和路面情况复杂程度的提高，更加需要性能高、寿命长的制动系统。制动器是汽车制动系统的主要组成部分, 是汽车行驶安全性的重要部件之一1。盘式制动器较鼓式制动器而言，具有散热性好、制动效能稳定、抗水衰退能力强、易于保养和维修等优点，但是其主要缺点是摩擦衬块工作面积小，磨损快，使用寿命低2。所以需要对盘式制动器的制动盘和摩擦衬块的形状尺寸进行全面优化，以制动时间最短、磨损量最小、制动盘与摩擦衬块间温升最小为优化目标，采用MATLAB软件进行优化计算，并用ANSYS软件分析优化前后的制动盘、摩擦衬块的温度场和应力场，以验证该优化设计是否合理，进行汽车盘式制动器的优化设计，就是为了避免其不足，发扬其优点。通过该优化设计，可以得到制动盘和摩擦衬块的最优尺寸，在保证较高制动效能的基础上，减慢了摩擦衬块的磨损，增加了其使用寿命，同时保证了该制动器的热稳定性能。在本设计中，主要运用了CATIA/MATLAB/ANSYS软件，充分验证了这几类软件在优化设计及有限元分析中的应用。2国内外研究现状在国内外的盘式制动器研究中，早期侧重于试验研究其摩擦特性，随着用户对其制动性能和使用寿命要求的不断提高，有关其基础理论与应用方面的研究也在深入进行,如摩擦衬片压力分布规律、温度场和应力场、摩擦机理、摩擦副间传热机理的研究以及制动噪声的分析，这些都为盘式制动器结构的改进和优化提供了理论依据，另外现代汽车盘式制动器的研究和开发应注重的问题主要是,提高制动器的制动效能、防止尘污和锈蚀,减轻重量、简化结构、降低成本,电子报警和智能化系统的发展,实用性更强与寿命更长。要对制动器进行完整的热分析，还要有以下几个方面的研究：由于制动过程中压力分布与温度场及磨损相互耦合，应将压力分布与热分析及磨损作为统一的耦合问题来分析，同时必须采用弹塑性理论求解应力场；由于实际接触表面为粗糙表面，应研究粗糙表面的形貌模型，并在该模型的基础上研究制动摩擦磨损热动力学；现对摩擦材料的物理特性缺乏研究，今后可考虑对特定的制动材料配对进行包括材料热物理参数在内的整个摩擦磨损研究。随着新技术的不断应用与发展及新材料的不断出现，盘式制动器的理论与试验研究内容也将会得到不断更新与发展3。基于目前盘式制动器的研究现状，今后可借助虚拟样机设计技术、热力学技术，研究其超负荷工作的散热机理；借助计算机仿真技术、热弹塑性理论和断裂力学理论，研究其摩擦副间热力耦合的摩擦机制及其破坏机理；借助有限元、相似理论和模态综合技术，建立其低频噪声结构耦合模型，形成数值仿真计算模型，通过试验模态分析对试验结果与理论计算结果进行分析比较，研究其结构参数对低频噪声的影响，进而定量提供结构设计参数。就国外的情状而言，汽车工业高度发达的发达国家对制动器试验台的研究相对较早，实验技术相对成熟，欧、美、日等发达国家已把盘式制动器作为标准件装备在多级别的轿车、客车、中型、重型汽车上。盘式制动器经过这几年的不断开发，不断改进，发展非常迅猛。各大公司除在原有轿车用液压盘式制动器有较大的发展外，更注重在中、重汽车领域开发气压盘式制动器。博世(Bosch)公司制造出了16、17.5、19.5、22.5盘式制动器系列产品。世界著名的威伯科（Wabco）制动器制造公司开发出了19.5盘式制动器PAN 19-1。瑞典著名哈蒂克斯（Haldex）公司现已开发出了17.5、19.5和22.5三种规格的盘式制动器，奔驰公司的车桥也安装了Haldex公司的制动钳。柯乐尔（Knorr）公司研制出了19.5、22.5盘式制动器。还开发出了种有齿的盘式制动器，它是通过另个有齿的装置与轮毂连接，这种带齿的制动盘2001年初已批量生产，提供给DAF，装在新开发的CF系列汽车上。德国BPW还与Knorr公司合作，研制出新的19.5、22.5盘式制动器，它的固定制动钳是从侧面用螺栓连接，改变了一贯轴向用螺栓连接的方式。固定制动钳螺栓采用全长螺纹。该盘式制动器重量减轻810kg。阿文美驰公司制造出了16、17.5、19.5、22.5盘式制动器。卢卡斯（Lucoss）制动器有限公司制造出了15.5、16、17.5盘式制动器（该公司现已被Wabco制动器制造公司购买）。我国的轿车、微型车已广泛应用液压盘式制动器,但现生产厂家产品单一,配套市场狭窄,国内目前真正形成规模化生产企业寥寥无几。预计未来几年,盘式制动器在国内将会得到快速的推广和应用, 开发应用盘式制动器是现代汽车的发展趋势之一。随着我国汽车工业技术的发展,特别是轿车工业的发展,合资企业的引进，国外先进技术的进入，汽车上采应用盘式制动器配置才逐步在我国形成规模。特别是在提高整车性能、保障安全、提高乘车者的舒适性，满足人们不断提高的生活物质需求、改善生活环境等方面都发挥了很大的作用。 1）在轿车、微型车、轻卡、SUV及皮卡方面：在从经济与实用的角度出发，一般采用了混合的制动形式，即前车轮盘式制动，后车轮鼓式制动。因轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%80%，所以前轮制动力要比后轮大。生产厂家为了节省成本，就采用了前轮盘式制动，后轮鼓式制动的混合匹配方式。采用前盘后鼓式混合制动器，这主要是出于成本上的考虑，同时也是因为汽车在紧急制动时，轴荷前移，对前轮制动性能的要求比较高，这类前制动器主要以液压盘式制动器为主流，采用液压油作传输介质，以液压总泵为动力源，后制动器以液压式双泵双作用缸制动蹄匹配。目前大部分轿车(中档类如夏利、吉利、神龙富康、上海华普、捷达)、微型车（长安之星、昌河、丰田海狮、天津华利、江铃全顺）、高端轻卡（东风小霸王、江铃、瑞风、南京依维柯）、SUV及皮卡（湖南长丰、江铃皮卡）等采用前盘后鼓式混合制动器。2004年我国共产此类车计110万辆以上。但随着高速公路等级的提高，乘车档次的上升，特别上国家安全法规的强制实施，前后轮都用盘式制动器是趋势。9 2）在大型客车方面：气压盘式制动器产品技术先进性明显，可靠性总体良好，具有创新性和技术标准的集成性。欧美国家自上世纪90年代初开始将盘式制动器用于大型公交车。至2000年，盘式制动器（前后制动均为盘式）已经成为欧美国家城市公交车的标准配置。我国从1997年开始在大客车和载重车上推广盘式制动器及ABS防抱死系统，因进口产品价格太高，主要用于高端产品。2004年7月1日交通部强制在7-12米高型客车上 “必须”配备后，国产盘式制动器得以大行其道。北京公交电车公司、上海公交、武汉公交、长沙公交、深圳公交、广州公交等公司，都在使用为大客车匹配的气压盘式制动器。生产厂家主要有：宇通公司2004年产20000多辆客车，其中使用盘式制动器的客车已占一半多；宇通公司自制底盘部份是由二汽在EQ153前后桥基础升级更改的，每年有10000多套。二汽东风车桥用EQ153前后桥改型匹配气压盘式制动器的前后桥总成约占6000套以上，是宇通公司最大的气压盘式制动器桥供应商。宇通公司每年需在一汽采客车底盘3000多台，一汽客底2004年供了2000多台，其中带盘式制动器占一半以上。如一汽客底采用4E前转向系统配置气压盘式制动器前桥、11吨420后桥装在6100（10米）豪华客车上； 7吨盘式前桥与13吨435后桥配装在6120（12米）豪华客车上等，都是宇通公司市场前景较好，利润附加值很高的车型。江苏金龙客车的7-9米高型客车客车采用湖桥供带盘式制动器的车桥2004年在5500台左右。厦门金龙客车10-12米高型客车以上客车、丹东黄海客车10-12米高型客车、安徽凯斯鲍尔等等国内知名的大型厂家均已在批量生产带盘式制动器的高档客车。 3）重型汽车方面：作为重型汽车行业应用型新技术，气压盘式制动器的已经属成熟产品，目前具有广泛应用的前景。2004年3月红岩公司率先在国内重卡行业中完成了对气压盘式制动器总成的开发。2005年元月份中国重汽卡车事业部在提升和改进卡车底盘的过程中，在桥箱事业部配合下，将22.5英寸气压盘式制动器成功“嫁接”到了重汽斯太尔重卡车前桥上。气压盘式制动器在重汽斯太尔卡车前桥上的成功“嫁接”，解决了令整车厂及用户困扰已久的传统鼓式制动器制动啸叫、频繁制动时制动蹄片易磨损、雨天制动效能降低等一系列问题。气压盘式制动器首次在斯太尔卡车前桥上的应用，也为今后开发重汽高速卡车提供了经验和技术储备。与此同时陕西重汽、北汽福田、一汽解放、东风公司、江淮汽车等国内大型汽车厂均完成了盘式制动器在重型汽车方面的前期型试试验及技术贮备工作，盘式制动器在某些方面可以说成为未来重卡制动系统匹配发展的新趋势。3. 本课题的研究内容及技术方案3.1研究内容本课题首先对制动器在汽车上所起的作用和制动器的结构分类做了介绍，分析比较了鼓式制动器和盘式制动器的优缺点，盘式制动器较鼓式制动器而言，具有散热性好、制动效能稳定、抗水衰退能力强、易于保养和维修等优点，但是其主要缺点是摩擦衬块工作面积小，磨损快，使用寿命低。本课题还研究了现在汽车制动器的应用趋势，随后提出了制动器优化设计的一般方法步骤，本文所设计的盘式制动器，是针对轿车的，由轿车的车身结构的各种参数，计算了在各种情况下制动车辆所需要的制动力大小，从而对制动器主参数制动盘和摩擦衬块的尺寸参数进行了多目标优化设计计算，并将优化前后的结果进行比较，然后采用有限元法分析优化前后制动盘和摩擦衬块的温度场和压力场的变化。 3.2技术方案本课题先用传统方法设计一定车型的盘式制动器，求出该车型所需要的盘式制动器的各个参数尺寸，采用CATIA三维制图软件绘制出该盘式制动器，然后采用多目标优化设计方法，以制动时间最短、磨损量最小、制动盘与摩擦衬块间温升最小为优化目标，建立数学模型：以摩擦片内外半径、，摩擦片圆心包角，制动盘厚度，制动盘直径，活塞直径为设计变量4，建立目标函数，采用线性加权组合法，重新构造评价函数。列出约束条件，用MATLAB软件进行多目标优化计算6，并将优化前后的结果进行比较。采用ANSYS软件分析优化前后的制动盘、摩擦衬块的温度场和压力场7，然后进行比对，以验证该优化设计是否合理。4. 本设计的特色4.1各类软件的应用在本课题中运用了三维制图软件CATIA、优化设计软件MATLAB、有限元分析软件ANSYS9，现代的先进计算机技术与传统的思维模式相结合，大量减少了计算的工作量，加快了课题研究的进程。采用有限元分析软件ANSYS分析制动盘和摩擦衬块的温度场和应力场，绘制温度和应力云图，更形象地表现出制动盘和摩擦衬块的温度和应力的微观变化。4.2多目标优化计算方法本课题采用多目标优化设计方法8，以制动时间最短、磨损量最小、制动盘与摩擦衬块间温升最小为优化目标，建立数学模型：以摩擦片内外半径、，摩擦片圆心包角，制动盘厚度，制动盘直径，活塞直径为设计变量，建立目标函数，采用线性加权组合法，重新构造评价函数10。列出约束条件，用MATLAB软件进行多目标优化计算，并将优化前后的结果进行比较。5. 进度安排（1）2012年12月17日至2013年01月03日，3周，查阅文献、可行性分析、撰写开题报告。（2）2013年02月25日至03月10日，2周，熟悉并掌握软件CATIA/MATLAB/ANSYS的基本运用方法。（3）2013年03月11日至03月31日，3周，设计制动器，用CATIA绘制三维立体图。（4）2013年04月01日至04月21日，3周，用MATLAB软件进行优化计算。（5）2013年04月22日至05月12日，3周，用ANSYS软件进行有限元分析。（6）2013年05月13日至06月02日，3周，写论文，检查。（7）2013年06月03日至06月09日，1周，准备答辩。6. 参考文献1.王望予 主编 汽车设计 4版. 北京：机械工业出版社，2004.8（2011.9重印）2.陈家瑞 主编 汽车构造 3版. 北京：机械工业出版社，2009.2（2011.6重印）3.徐玉林.盘式制动器的发展与现状.合肥科技学院4.刘惟信 编著 汽车制动系的结构分析与设计计算 北京：清华大学出版社，2004.9（汽车设计丛书）5.James D.Halderman Chase D.Mitchell,Jr 著 钟永发 周翼翔 等译 汽车制动系统 北京：中国劳动社会保障出版社，2006 6.姜平 黄文娟 基于MATLAB的盘式制动器优化设计 合肥工业大学 7.沈荣华 邹定平 黎桂英 汽车盘式制动器优化设计 广东石化专科学校8.田福祥 孙宗强 点盘式制动器最优化设计 青岛建筑工程学院机械工程系9.易培云 浮钳盘式制动器制动块有限元分析及结构优化 上海交通大学 机械与动力工程学院10.上官文斌 黄虎 轿车盘式制动器的多目标优化设计 二汽技术中心 开题报告检查组意见：（以下空46行文字） 组长（签字）： 年 月 日（此行置于页面底部分）- 8 -制动系统概述,与鼓式制动器相比，盘式制动器有以下优点：（1）热稳定性好。（2）水稳定性好（3）制动力矩与汽车运动方向无关（4）易于构成双回路制动系，使系统具有较高的可靠性和安全性（5）尺寸小，质量小，散热性好（6）压力在制动衬块上的分布较均匀，故衬块磨损也均匀。（7）更换衬块简单容易（8）衬块与制动盘之间的间隙小，从而缩短了制动协调时间（9）易于实现间隙自动调整。盘式制动器的主要缺点是：（1）难以完全防止和锈蚀（2）兼作驻车制动器时，所需附加的手驱动机构复杂。（3）在制动驱动机构中必须装用助力器。（4）因为衬块工作面积小，所以磨损快，使用寿命低，需要高材质的衬块。,盘式制动器,钳盘式制动器主要部件,制动盘：铝合金制成，用螺钉固定在轮毂上，随车轮一起转动。制动钳：用螺钉固定在转向节或车桥的凸缘上。分泵：用螺钉固定在转向节或车桥的凸缘上其中装有活塞和密封圈，用油管相连通。制动摩擦衬块：装在制动盘两侧和活塞之间。,根据固定元件结构形式的不同，盘式制动器一般分为：钳盘式，全盘式和蹄盘式。钳盘式制动器：由制动盘和制动钳组成。全盘式制动器：其固定元件和旋转元件都是圆盘形的。蹄盘式制动器：多用于驻车制动器目前在汽车上广泛应用的是钳盘式的，因为它的散热性能优于全盘式的。,钳盘式制动器,固定制动卡钳：,工作原理：制动时，高压制动液被压入两侧制动轮缸中，推动轮缸活塞，使两个制动摩擦衬块压向制动盘，产生制动作用。,缺点：油缸较多，使制动钳结构复杂。油缸分置制动盘两侧，使制动钳尺寸过大。摩擦产生的热量大，油缸油管中的制动液易受热汽化。兼作驻车制动时，必须加装一个机械促动的驻车制动钳。,浮式制动卡钳：滑动制动卡钳制动钳可以相对制动盘作轴向滑动，其中只在制动盘的内侧置有液压缸，外侧的制动块固定在钳体上。制动时活塞在液压作用下使活动制动块压靠到制动盘，而反作用力则推动制动钳体连同固定制动块压向制动盘的另一侧，指导两制动块受力均等为止。摆动制动卡钳也是单侧液压缸结构，制动钳体与固定于车轴上的铰接，钳体在与制动盘垂直的平面内摆动。,滑动钳盘式制动器示意图,盘式制动器的优化设计,应用软件：LINGO/CATIA算法：遗传算法、二次逼近、神经网络优化设计、差分进化算法、多目标优化参考文献：1、盘式制动器的全性能优化设计杨晓明等。2、盘式制动器多目标优化的神经网络方法傅晓锦。3、轿车盘式制动器的多目标优化设计二汽技术中心。4、盘式制动器优化设计李志华等。5、基于MATLAB的盘式制动器优化设计江平等。6、汽车盘式制动器优化设计沈荣华等。,优化目标：以制动力矩最大、制动盘与摩擦衬块间温升最小为优化目标。设计变量：摩擦片内外半径R1、R2，制动盘厚度h，制动盘直径D，活塞直径Dp，油压p。目标函数：采用分目标乘除法，重新构造评价函数约束条件：制动力矩约束，摩擦片压力约束，比能量耗散率约束，油缸压力约束，制动盘一次制动温升约束，结构约束。优化计算：（计算方法）实例分析：,多目标优化问题,多目标优化问题的求解与单目标优化问题的求解有着根本的区别，对于单目标优化问题，任何两个解都可以用其目标函数比较出方案的优劣。但是，对于多目标优化问题，任何两个解不一定可以比较出优劣。一般而言，单目标优化问题中得到的是最优解，而多目标优化问题中得到的可能只是非劣解(或称有效解),而非劣解往往不只一个。如果一个解使每个分目标函数值都比另一个解为劣，则这个解为劣解。显然多目标优化问题只有求得最好的非劣解时才具有意义。多目标优化设计问题原则要求各分量目标都达到最优，如能获得这样的结果，当然是十分理想的。但是，事实上解决多目标优化设计问题是一个比较复杂的问题，尤其是在各个分目标的优化相互矛盾，甚至相互对立时更是如此。,多目标优化方法,1、将多目标优化问题重新构造一个函数，即评价函数，将多目标优化问题转变为求评价函数的单目标优化问题；属于这一大类求解的方法有:主要目标法、统一目标函数法（线性加权组合法、理想点法、分目标乘除法）等。2、将多目标优化问题转化为一系列单目标优化问题来求解.属于这一大类求解的方法有：分层序列法、宽容分层序列法等,摘要,盘式制动器较鼓式制动器而言，具有散热性好、制动效能稳定、抗水衰退能力强、易于保养和维修等优点，但是其主要缺点是摩擦衬块工作面积小，磨损快，使用寿命低。所以需要对盘式制动器的制动盘和摩擦衬块的形状尺寸进行全面优化，以制动时间最短、磨损量最小、制动盘与摩擦衬块间温升最小为优化目标，采用MATLAB软件进行优化计算，并用ANSYS软件分析优化前后的制动盘、摩擦衬块的温度场和压力场，以验证优化设计是否正确。,哈尔滨工业大学本科生毕业论文(设计）奥迪A5盘式制动系统的设计与优化摘 要 本文对盘式制动器的结构和功能做出了介绍，分析了盘式制动器在设计过程中必须满足的性能要求、技术规范和约束条件，并对盘式制动器和鼓式制动器的优、缺点做出了比较。盘式制动器较鼓式制动器而言，具有散热性好、制动效能稳定、抗水衰退能力强、易于保养和维修等优点，但是其主要缺点是摩擦衬块工作面积小，磨损快，使用寿命低。根据奥迪A5车型的各参数，进行了其前后轮盘式制动器的设计。确定该制动系的各参数，计算出盘式制动器各零件的尺寸，并对设计结果进行校核，满足设计要求。为了提高盘式制动器的制动效能并保持较好的抗热衰退性能，本文还对盘式制动器的制动效能和温升等提出要求，在满足基本性能指标和约束条件的基础上，对盘式制动器的制动盘、摩擦衬块以及制动轮缸的尺寸进行全面优化。分别以制动力矩最大、摩擦衬块间温升最小和温升与力矩之比最小为优化目标，建立数学模型，采用MATLAB软件进行优化计算，得出了较理想的优化结果。关键词：盘式制动器；设计与优化；数学建模；MATLABThe Design and Optimization of Disc BrakeAbstractFor a better understanding of disc brakes, this paper studied a presentation of the structure and function of disc brakes. And the performance requirements, technical specifications and constraints are analyzes to be met in the design process of disc brakes. Then it makes a comparison of advantages and disadvantages of disc brakes and drum brakes. Compared with drum brakes, disc brakes have good heat dissipation, braking performance stability, resistance to water recession and are easy to be maintained and repaired, etc. But its main drawback is the small size of friction pad, severe wear and low life.According to the parameters of Audi A5 models, the front and back disc brakes are designed. The design results are checked to meet the design requirements. In order to improve the performance of disc brakes and to maintain good thermal recession performance, this article also requires that disc brake performance and temperature to meet the requirements, Based on the indicators of performance and constraints, the brake disks, the friction pad and the brake cylinder are fully optimized. Respectively, the maximum braking torque, the minimum temperature rise between the friction pads and the minimum ratio between temperature and braking torque are treated as optimization objective by establishing a mathematical model. This paper solved optimization calculation with MATLAB software, and obtained more satisfactory optimization results.Keywords: disc brakes, design and optimization, mathematical modeling, MATLAB目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论1 1.1 本课题的研究背景及其意义2 1.2 本课题的研究进展及成果3 1.2.1 盘式制动器的研究状况3 1.2.2 国内盘式制动器的发展现状4 1.2.3 国外盘式制动器的发展现状5 1.3 本课题的研究内容及其框架结构5第2章 制动器的结构型式及选择7 2.1 浮动钳式盘式制动器7 2.2 盘式制动器优缺点及应用8第3章 盘式制动器的设计10 3.1 选择车型及整车参数10 3.2 制动力与制动力分配系数10 3.3 同步附着系数13 3.4 制动强度和附着系数利用率14 3.5 制动器最大制动力矩15 3.6 利用附着系数与制动效率16 3.7 制动器因数17 3.8 盘式制动器主要参数确定18 3.9 本章小结18第4章 制动器性能的核算19 4.1 摩擦衬块的磨损性能的核算19 4.2 制动器一次制动温升的核算20 4.3 盘式制动器制动力矩的核算21 4.4 驻车制动计算22 4.5 制动器制动效能的核算22 4.6 本章小结23第5章 制动器主要零部件的结构设计24 5.1 制动轮缸的设计24 5.1.1 前制动轮缸24 5.1.2 后制动轮缸24 5.2 制动盘的设计24 5.2.1 前制动盘25 5.2.2 后制动盘25 5.3 制动钳的设计26 5.3.1 前轮制动钳27 5.3.2 后轮制动钳27 5.4 制动块的设计28 5.4.1 制动块28 5.4.2 摩擦材料28 5.5 盘式制动器其他主要零件的设计28 5.5.1 制动钳架的设计28 5.5.2 弹簧夹的设计29 5.5.3 挡泥板的设计29 5.5.4 轮毂总成的设计29 5.5.5 轮辋的设计29 5.5.6 转向节的设计30 5.6 本章小结30第6章 制动器的优化设计31 6.1 建模基础31 6.2 优化目标31 6.3 设计变量32 6.4 约束条件32 6.4.1 性能约束33 6.4.2 结构约束34 6.5 模型求解35 6.6 本章小结36结 论37致 谢38参考文献39附 录41附录1 CATIA零件图41附录2 CATIA装配图48- 48 -第1章 绪论汽车制动系的作用1是使行驶中的汽车减速或停车，使下坡行驶中的汽车的车速保持稳定以及使已停驶的汽车在原地驻留不动的机构。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。也只有制动性能良好、制动系工作可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。汽车制动系至少应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系统和辅助制动系统；牵引汽车还应有自动制动系统。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。任何一种制动装置都是由制动器和制动驱动机构组成的2。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；而驻车制动则多采用手制动杆操纵，利用车轮制动器进行制动。绝大部分驻车制动器用来制动两个后轮。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形式。用液压传递操纵力时还应有制动主缸制动轮缸及管路。图1-1前后均为盘式制动器系统基本部件1.1 本课题的研究背景及其意义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。汽车的制动性能是确保汽车行驶的主、被动安全性和提升汽车行驶动力性的决定因素之一。保证汽车能够保持良好的制动性能是汽车设计制造厂家的重要任务。汽车制动效能、制动抗热衰退性和制动时汽车的方向稳定性是汽车制动性的三个重要评价指标。制动效能是指汽车在行驶过程中迅速降低行驶速度直至停车的能力,是制动性能最基本的评价指标。制动抗热衰退性能是指汽车在高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持恒定的能力。因为在制动过程中，实际上是把汽车的动能通过制动器制动吸收转变成热能，所以制动器在制动温度升高后能否还能保持在冷状态下良好的制动效能，已经成为设计制动器时需要考虑的一个重要问题。制动时汽车的方向稳定性是指制动时汽车不发生跑偏、侧滑和失去转向能力的性能，常用制动时汽车能否按照给定的路线行驶来评价。制动器是汽车制动系中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的执行器。汽车制动器总成制动性能试验台基本的评价指标有:制动距离、制动减速度、制动协调时间及制动力。现代轿车的制动器分为鼓式制动器和盘式制动器两大类型，它们各有同的优点和缺点，但随着轿车车速的不断提高，近年来采用盘式制动器的轿车日益增多，尤其是中高级轿车，一般都采用了盘式制动器。盘式制动器的优点主要有制动性能稳定，散热性能好，结构简单等优点，但是盘式制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦衬块的磨损量较大，所以其制造成本较高；而鼓式制动器虽然散热性和稳定性都不如盘式制动器，但是其效能较高，而且成本相对较低，经济型较好，所以汽车设计者从经济与实用的角度出发，一般轿车采用了混合的形式，前轮盘式制动，后轮鼓式制动。盘式制动器又称为碟式制动器，顾名思义是取其形状而得名。盘式制动器由液压控制，主要零部件有制动盘、制动衬块、制动钳、制动钳架、油管、分泵等。制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。分泵固定在制动器的底板上固定不动，制动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧，分泵的活塞受油管输送来的液压作用，推动摩擦片压向制动盘发生摩擦制动，动作起来就好像用钳子钳住旋转中的盘子，迫使它停下来一样。 盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，盘式制动比鼓式制动更容易在较短的时间内令车停下。很多轿车采用的盘式制动器有平面式制动盘、打孔式制动盘以及划线式制动盘，其中划线式制动盘的制动效果和通风散热能力均比较好。盘式制动器沿制动盘向施力，制动轴不受弯矩，径向尺寸小，制动性能稳定。1.2 本课题的研究进展及成果1.2.1 盘式制动器的研究状况对于盘式制动器的早期研究3，比较侧重于它的摩擦特性，其中包括摩擦衬片的压力分布规律：汽车制动时，摩擦衬片表面的压力分布不仅仅影响着制动转矩的容量、磨损、热容，而且还直接影响着制动摩擦衬块表面的工作温度。从而影响热稳定性、热衰退性和热裂纹等一系列制动性能。在制动器设计上，根据摩擦系统特性的不同，目前有“摩擦衬片压力均匀分布”以及“摩擦衬片均匀磨损”两种模型。诸文农指出，干摩擦状态接近于均匀分布，金属型制动片在湿摩擦状态接近于均匀磨损。摩擦场和应力场：摩擦偶件温度场和应力场可以通过解析法、数值法和试验法获得。虽然解析法获得的比较精确，但是它只限于几何形状和边界条件比较简单的情况，对于盘式制动器的复杂传热问题，所得的结果误差很大。随着有限元技术的不断发展。利用计算机对摩擦偶件温度场和应力场进行数值仿真，已经是目前研究盘式制动器的主要手段。摩擦机理：摩擦的实质是机械运动转化为分子运动、机械能转化为热能，并遵从能量守恒定律。物体实际表面为粗糙面，法向载荷作用小，两个粗糙表面在干摩擦状态相互接触，其真实接触面积只占名义接触面积的一小部分。接触面法向载荷由部分表面微凸峰承担。两固体相对运动时产生摩擦力，仅在接触点对处是被摩擦直接加热的。马保吉等人提出，由于界面的接触只发生在表面，而且只关心其表面求解的压力分布与位移，所以边界单元法比较 适合于这类问题。摩擦副间的传热机理：对制动过程中摩擦力和摩擦热产生机理的分析表明，摩擦界面间粘着节点的粘着撕裂对摩擦力有比较大的影响，也直接影响到摩擦热的大小。然而，粘附仅在表面上产生，因此粘着撕裂具有表面效应。另一方面，由于金属制动盘的硬度比摩擦衬片的大得多，机械切削和塑性变形大都发生在摩擦衬片表层，而不是制动盘表层。即由切削变形产生的摩擦热发生在摩擦衬片表层，并通过接触表面传递到制动盘中。北京航天大学的米洁和吴欲龙4研究了多目标优化方法在盘式制动器设计中的应用，他们用的是多目标模拟退火方法，基于Pareto理论，优化得到均匀分布的Pareto最优解集后，依据不同的设计要求，从中选择最满意的设计结果，在保证足够制动力矩的前提下，尽量减小摩擦副温升和制动器的尺寸。合肥工业大学的姜平和黄文娟5研究了基于MATLAB的盘式制动器优化设计，建立数学模型，提出了以制动盘厚度和制动时间为主要优化目标的多目标函数。二汽技术中心的上官文斌和黄虎采用了二次逼近的方法，分别以制动盘的磨损量最小、摩擦片面积最小和制动盘体积最小为优化目标，进行优化求解。浙江大学的杨晓明6等通过对盘式制动器的深入分析，以制动减速度、热衰退率、热恢复率差、材料成本、加工成本为优化目标，并且全面考虑技术性、经济型和社会性，建立了盘式制动器设计方案全性能优化模型，以实际制动器的设计参数作为初始方案，采用改进的差分进化算法进行优化设计，在保持热衰退率和热恢复率性能不劣化的情况下，制动器的制动性能和经济性能得到显著提高。1.2.2 国内盘式制动器的发展现状（1） 在轿车、微型车方面：在从经济与实用的角度出发，一般采用了混合的制动形式，即前车轮盘式制动，后车轮鼓式制动。目前大部分轿车，中档类如夏利、吉利、神龙富康、上海华普、捷达，微型车如长安之星、昌河、丰田海狮、天津华利、江铃全顺，等采用前盘后鼓式混合制动器。中高档轿车前后轮均采用盘式制动器，前轮为通风盘式，后轮为实心盘式。（2） 在大型客车方面：气压盘式制动器产品技术先进性明显，可靠性总体良好，具有创新性和技术标准的集成性。我国从1997年开始在大客车和载重车上推广盘式制动器及 ABS防抱死系统，因进口产品价格太高，主要用于高端产品。国内的主要生产厂家有二汽东风、宇通、江苏金龙、丹东黄海等。（3） 重型汽车方面：2004年3月红岩公司率先在国内重卡行业中完成了对气压盘式制动器总成的开发。气压盘式制动器在重汽斯太尔卡车前桥上的成功“嫁接”，解决了令整车厂及用户困扰已久的传统鼓式制动器制动啸叫、频繁制动时制动蹄片易磨损、雨天制动效能降低等一系列问题。气压盘式制动器首次在斯太尔卡车前桥上的应用，也为今后开发重汽高速卡车提供了经验和技术储备。1.2.3 国外盘式制动器的发展现状（1） 国外汽车研发机构经过多年的研究和试验，气压盘式制动器在所有的主要性能方面都优于传统的鼓式制动器，并将其广泛使用在新型的载重汽车上。现在一些欧洲汽车公司制造的汽车上，均已开始大量使用气压盘式制动器总成（2） 自从1996年戴克装有Schmitz公司制造的盘式制动器的奔驰重卡货车问世以来，盘式制动器就以重量轻、磨损小、便于维修的特点闻名于世。（3） 2000年，国外装配盘式制功器的车桥已占到了所有车桥总成的一半以上。（4） 博世(Bosch)公司制造出了16英寸、17.5英寸、19.5英寸、22.5英寸盘式制动器系列产品。世界著名的（Wabco）制动器制造公司开发出了19.5英寸盘式制动器PAN 19-1，瑞典著名哈蒂克斯公司现已开发出了17.5英寸、19.5英寸和22.5英寸三种规格的盘式制动器，奔驰公司的车桥也安装了Haldex公司的制动钳，在欧、美、日等发达国家，已把盘式制动器作为标准件装备在多级别的轿车、客车、中型、重型汽车上。1.3 本课题的研究内容及其框架结构 本课题对盘式制动器的结构和功能做出了介绍，分析了盘式制动器在设计过程中必须满足的性能要求、技术规范和约束条件，并对盘式制动器和鼓式制动器的优、缺点做出了比较。同时还简单盘点了盘式制动器的研究和国内外的发展现状。本课题主要根据奥迪A5车型的各参数，进行了其前轮盘式制动器的设计。对该制动系和盘式制动器的各参数进行选择和计算，并对设计结果进行校核。为了提高盘式制动器的制动效能并保持较好的抗热衰退性能，本课题还对盘式制动器的制动效能和温升等提出要求，在满足基本性能指标和约束条件的基础上，对盘式制动器的制动盘、摩擦衬块以及制动轮缸的尺寸进行全面优化。分别以制动力矩最大、摩擦衬块间温升最小和温升与力矩之比最小为优化目标，建立数学模型，采用MATLAB软件进行优化计算。最后，进行了该盘式制动器的绘制，包括装配图和零件图的三维图形。本课题的主要框架是：盘式制动器的设计计算，盘式制动器的校核计算，盘式制动器各零部件的设计与计算，盘式制动器的优化设计，以及最后的总结。第2章 制动器的结构型式及选择2.1 浮动钳式盘式制动器浮动钳式盘式制动器的制动钳体是浮动的。其浮动方式有两种，一种是制动钳体可作平行滑动，另一种的制动钳体可绕一支撑销摆动。故有滑动钳式盘式制动器和摆动钳式盘式制动器。但它们的制动油缸都是单侧的，且与油缸同侧的制动块总成为活动的，而另一侧的制动块总成固定在钳体上。制动时在油液压力的作用下，活塞推动该侧活动的制动块总成压靠到制动盘，而反作用力则推动制动钳体连同固定于其上的制动块总成压向制动盘的另一侧，直到两侧的制动块总成的受力均等为止。当浮动钳式盘式制动器兼用作行车制动器和驻车制动器时，可不必加设驻车制动用的制动钳，而只需在行车制动钳的液压油缸附近加装一些用于推动液压油缸活塞的驻车制动用的机械传动件即可。图2-1 DBA浮动钳式盘式制动器结构1制动钳体；2活塞护罩；3活塞密封圈；4自动螺杆密封圈；5膜片弹簧支承垫圈；6驻车制动杠杆护罩；7驻车制动杠杆；8膜片弹簧；9自调螺杆；10挡片；11推力球轴承；12自调螺母；13扭簧；14活塞图2-1所示为用于汽车后轮的带有驻车制动机械传动装置的DBA浮动钳式盘式制动器的结构图。其自调螺杆9穿过制动钳体1的孔，膜片弹簧8迫使自调螺杆的右端斜面与驻车制动杠杆7的凸轮斜面始终贴合。自调螺杆左端的粗牙螺纹处旋装着自调螺母12。后者的凸缘的左侧由扭簧13紧箍着。扭簧的左端固定在活塞14上，而另一端则自由地抵靠着自调螺母凸缘。自调螺母凸缘的右侧安装有推力球轴承11，并用固定于活塞14上的挡片10封闭。该轴承与挡片之间的装配间隙，与制动器间隙为设定值时完全制动所需的活塞行程相等。当制动器间隙大于设定值而进行行车制动时，活塞在油液压力作用下左移。当挡片10与轴承11之间的间隙消失后，活塞所受油液推力便通过挡片及推力球轴承作用在自调螺母的凸缘上。由于自调螺杆受驻车制动杠杆的凸轮斜面以及膜片弹簧的限制而不能转动，也不能作轴向移动，因此，活塞左移并通过挡片及推力球轴承作用于自调螺母凸缘上的轴向推力便迫使自调螺母转动，并且还随着活塞相对于螺杆左移，直至制动器过量间隙消失为止。此时扭簧张开，且扭簧的螺圈直径略有增大。撤除油液压力后，活塞密封圈3使活塞退回到制动器间隙等设定值得位置，而扭簧13的自由端则因为所受摩擦力矩的消失而转回原位。这样，自调螺母就保持在制动时达到的轴向位置不动，从而使挡片10与推力轴承之间的间隙恢复至原值。当施行驻车制动时，在驻车制动杠杆7的凸轮的推动下，自调螺杆以及其左端的自调螺母一同左移并使螺母靠于活塞底部。此时由于扭簧的阻碍，自调螺母不可能倒转着相对于螺杆向右移动。因此，驻车制动时的轴向推力也是通过活塞传到制动块上而实现制动。当解除驻车制动时，在膜片弹簧8的作用下，自调螺杆则随着驻车制动杠杆回位。2.2 盘式制动器优缺点及应用与鼓式制动器相比，盘式制动器的优点如下。（1） 热稳定性好。这是因为制动盘对摩擦衬块无摩擦增力作用。水稳定性好。这是因为制动衬块对制动盘的单位压力高，易将沾附的水挤出，离心力也易将水甩掉。（2） 制动稳定性好。因为制动油缸的活塞推力及摩擦系数成线性关系。（3） 制动力矩与汽车前进和后退等行驶状态无关。（4） 在输出同样大小的制动力矩条件下，盘式制动器的结构尺寸和质量比鼓式的更小。（5） 盘式制动器的摩擦衬块比鼓式制动器的摩擦衬片在磨损后容易更换，结构也较简单，维修、保养容易。（6） 制动盘与摩擦衬块间的间隙小，因此缩短了油缸活塞的操作时间。（7） 制动盘的热膨胀不会像制动鼓热膨胀那样引起制动踏板行程损失，这也使得间隙自动调整装置的设计可以简化。（8） 易于构成多回路制动驱动系统，使系统有较好的可靠性与安全性，以保证汽车在任何车速下各车轮都能均匀一致地平稳制动。盘式制动器的主要缺点是难于完全防止尘污和锈蚀；兼作驻车制动时，所需附加的驻车制动驱动机构较复杂，因此，有的汽车采用前轮为盘式后轮为鼓式的制动系统；另外，由于无自行增力作用，制动效能较低，中型轿车若采用时需有加力装置。盘式制动器制动钳的布置可以在车轴之前或之后，制动钳位于轴前可避免轮胎向钳内甩溅泥水污物，位于轴后则可减小制动时轮毂轴承的径向合力。盘式制动器尤其是浮动钳式盘式制动器已十分广泛地用于轿车的前轮。与鼓式后轮制动器配合，也可使后轮制动器较容易地附加驻车制动的驱动机构，兼作驻车制动器之用。有些高性能轿车的前后轮均采用了盘式制动器，主要是为了保持制动力分配系数的稳定。盘式制动器也开始用于某些不同等级的客车和载货汽车上。有些重型载货汽车采用多片全盘式制动器以获得大的制动力矩，但其制动盘的冷却条件差，温升较大。第3章 盘式制动器的设计3.1 选择车型及整车参数本设计中选用奥迪A5，在设计过程中首先给定的整车参数有：整车质量：空载=1750kg，满载：=2160kg质心位置：L1=1.347m，L2=1.404m质心高度:空载：=0.95m，满载：=0.85m轴距：轴距=2.751m轮距：前轮距l1=1.590m，后轮距l2=1.577m最高车速：vmax=238km/h最大功率：165Kw/5200r/min最大扭矩：350Nm/3800r/min车轮工作半径：rr=271.025mm轮胎：245/45R17 3.2 制动力与制动力分配系数忽略掉路面对汽车车轮的滚动阻力和汽车回转质量的惯性力矩，则对任意角速度的车轮，在制动时的力矩平衡方程7是：(3-1)其中：Tf制动器对车轮的制动力矩，也就是制动器的摩擦力矩，方向与车轮旋转方向相反，单位是Nm； 地面作用于车轮的制动力，也就是地面与轮胎之间的摩擦力，又叫地面制动力，方向与汽车行驶方向相反，单位是；地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力：一是制动器内制动摩擦片与制动盘或制动鼓之间的摩擦力，一个是轮胎与地面的摩擦力，即附着力。re车轮的有效半径，单位是m。令,式中为制动器制动力，单位是。制动器制动力只由制动器结构参数所决定，即取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦因数和车轮半径，并与制动系的液压或气压成正比。地面制动力、制动器制动力与地面附着力之间的关系8为： (3-2) (3-3)图 31制动过程中地面制动力、制动器制动力及附着力的关系所以，如图 31，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，同时又受地面附着条件的限制，所以只有汽车具有了足够的制动器制动力，同时地面又能提供较高的地面附着力时，汽车才能获得足够的地面制动力。 汽车制动时水平地面对前后轴车轮的法向反力,分别为：(3-4) 若在不同附着系数的路面上制动，前后轮都抱死，则上式为：(3-5)若在附着系数为的路面上制动，前后轮均抱死，此时汽车总的地面制动力等于汽车前后轴车轮的总附着力，也等于作用于质心的制动惯性力，于是：或在本设计中可求出水平地面作用于汽车前后轴车轮的法向反作用力为：满载时，在各种附着系数的路面上前后轴车轮都抱死时的制动器制动力见表 31.表 31不同附着系数路面上前后轮同时抱死时的制动器制动力15693139.14708.76278.87847.69417.8109861255614126.0590.61180.81771.32361.82952.23542.74133.14723.65314.0 由此看出，汽车在不同地面附着系数的路面上制动时，各轴车轮的地面附着制动力都不相同，所以，要满足在不同附着系数的路面上，前后轴车轮同时抱死，其前后轴车轮制动力分配系数都不相同。在本设计中，由于假设地面附着系数，则前后轴车轮的地面附着制动力为：(3-6)当汽车各个车轮制动器的制动力足够时，根据汽车前后轴轴荷分配，及前后车轮制动器制动力分配、道路附着条件和坡度等情况，制动过程可能出现3种情况：1)前轮先抱死拖滑，后轮后抱死拖滑；2)后轮先抱死拖滑，前轮后抱死拖滑；3)前后轮同时抱死拖滑。这三种情况中，第三种情况的附着条件利用的最好。在附着系数为的路面上，前后车轮同时抱死的条件为：(3-7)其中：前轴车轮的制动器制动力，； 后轴车轮的制动器制动力，；此时，前后轴车轮的制动器制动力之比为：(3-8)则制动力分配系数：本设计中：(3-9)3.3 同步附着系数对于前后制动器制动力为固定比值的汽车，即，只有在附着系数等于同步附着系数的路面上，前后车轮制动器才会同时抱死，当汽车在不同附着系数的路面上制动时，会有以下三种情况发生9：1)当时，制动时总是前轮先抱死拖滑，这是一种稳定工况，但是丧失了转向能力；2)时，制动时总是后轮先抱死拖滑，这时容易发生后轴侧滑而使汽车失去方向稳定性；3)当时，制动时前后车轮会同时抱死拖滑，是一种稳定工况，但是前轮也丧失转向能力。如何选择同步附着系数，是采用恒定前后制动力分配比的汽车制动系设计中的一个较重要的问题。在汽车总重和质心位置已定的条件下，的数值就决定了前后制动力的分配比。的选择与很多因素有关。首先，所选的应使得在常用路面上，附着系数利用率较高。具体而言，若主要是在较好的路面上行驶，则选的值可偏高些，反之可偏低些。从紧急制动的观点出发，值宜取高些。汽车若常带挂车行驶或常在山区行驶，值宜取低些。此外，的选择还与汽车的操纵性、稳定性的具体要求有关，与汽车的载荷情况也有关。总之，的选择是一个综合性的问题，上述各因数对的要求往往是相互矛盾的。因此，不可能选一尽善尽美的值，只有根据具体条件的不同，而有不同的侧重点。为了防止汽车在制动时前轮失去转向能力和后轮发生侧滑，在即将发生车轮抱死但是还未有任何车轮抱死时的制动减速度为该车所能产生的最大减速度。当汽车在同步附着系数为的路面上制动时，其制动减速度为，这说明只有在附着系数的路面上制动时，地面的附着条件才能得以充分利用。地面附着条件的利用情况可以用附着系数利用率来表示：(3-10)由此可以得出，当时，利用率最高。 现在的道路条件大为改善，汽车行驶速度也大为提高，因而汽车在制动时后轮先抱死的后果十分严重。由于车速较高，它不仅会引起侧滑甩尾甚至会发生掉头而使汽车丧失操纵稳定性，因此后轮先抱死的情况是最不希望发生的，所以各类轿车和一般货车的同步附着系数均有增大趋势。根据设计经验，空满载的同步附着系数和应在下列范围之内：轿车：0.650.80；轻型客车、轻型货车：0.550.70；大型客车及中重型货车：0.450.65。3.4 制动强度和附着系数利用率根据所选定的同步附着系数，可以求得：(3-11) (3-12)从而求得：(3-13)(3-14)当时，；，；。当时，由于前轮先抱死拖滑，所以可能得到的最大总制动器制动力取决于前轮刚抱死时的条件，即，(3-15)(3-16)(3-17)当时，由于后轮会先抱死拖滑，所以可能得到的最大制动器制动力取决于后轮刚抱死拖滑时的条件，即，(3-18)(3-19)(3-20)在本设计中，假设路面附着系数，则由公式（3-15）（3-16）（3-17）得：3.5 制动器最大制动力矩制动器的最大制动力矩是在汽车的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于车轮的法向力，成正比，所以，前后轮同时抱死的制动力之比为：(3-21)制动器所产生的制动力矩，受到车轮的计算力矩制约：(3-22)(3-23)本设计中，为了保证在该路面上后轴车轮与前轴车轮先后抱死拖滑，前后轴的车轮制动器所能产生的最大制动力矩为：(3-24)(3-25)对于选取的较大的汽车，则应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定前后轮制动器的最大制动力矩，当时，相应的极限制动强度，因此前后车轮制动器的最大制动力矩应为：(3-26)(3-27)一个制动器的最大制动力矩应为上述值得一半。3.6 利用附着系数与制动效率在附着系数等于同步附着系数的路面上制动时，汽车的前后轴车轮将会同时抱死拖滑，此时的制动强度为：。而在其他的路面上制动时,达到前轴车轮或后轴车轮即将抱死时的制动强度，这说明，只有在附着系数的路面上，地面的附着条件才可以得到充分利用，利用附着系数的定义是：在某一制动强度下，前后轴车轮均未抱死时所要求的最小路面附着系数。很显然，利用附着系数越是接近制动强度，也就是值越小，或比值越大，则路面附着条件就发挥的越充分，汽车制动力分配的合理程度也就越高。下面分别求出前轴车轮或后轴车轮提前抱死时，前后轴的利用附着系数。设汽车前轮刚要抱死时或前后车轮同时刚要抱死时产生的减速度为，则(3-28)(3-29)可以得到前轴车轮的利用附着系数为同理，可以求出后轴车轮的利用附着系数，(3-30)(3-31)故求得后轴车轮的利用附着系数为通常还用制动效率来衡量地面附着条件的利用程度，并说明实际制动力分配的合理性。制动效率定义为：车轮不抱死的最大制动强度与车轮和地面间附着系数的比值：(3-32)汽车前轴车轮的制动效率为：(3-33)汽车后轴车轮的制动效率为：3.7 制动器因数制动器效能因数10，它表示制动器的效能，其实质就是制动器在单位输入压力或力的作用下所能输出的力或力矩，用于比较不同结构形式的制动器的效能。制动器因数可以定义为在制动鼓或制动盘的作用半径上所产生的摩擦力与输入力之比：(3-34)对于钳盘式制动器：(3-35)在制动过程中，衬块的温度、相对滑动速度、压力以及湿度等因素的变化会导致摩擦系数的改变。而摩擦系数的改变会导致制动效能即制动因数的改变，制动器因数对摩擦系数的敏感性可以由来衡量，因而称为制动器的敏感度。而除决定于摩擦副材料外，还与摩擦副表面的温度和水湿程度有关，制动时摩擦生热，因而温度是经常起作用的因素，热稳定性更为重要。由于盘式制动器的制动器因数对摩擦系数的导数为常数，故其制动器效能稳定性最好。3.8 盘式制动器主要参数确定1.制动盘直径制动盘直径选择为轮辋直径的70%-79%，如果制动盘的直径大些，制动盘的有效半径就得以增大，就可以降低制动钳的夹紧力，降低摩擦衬块的单位压力和工作温度。但是，制动盘的直径又受轮辋直径的限制。本设计中前后制动盘直径都取。2.制动盘厚度制动盘的厚度直接影响着制动盘质量和工作时的温升。为了使制动盘的质量不太大，制动盘厚度应取得小些；为了降低工作时的温升，制动盘厚度又不易过小。制动盘可以做成实心的，或者为了散热通风需要在制动盘中间铸造出通风孔道。一般实心制动盘厚度可以取,通风制动盘可以取,采用较多的是。本设计中前制动盘采用通风盘设计，取，后制动盘采用实心盘设计，取。3.摩擦衬块内半径与外半径推荐摩擦衬块的外半径与内半径的比值不大于1.5.若比值较大，工作时摩擦衬块的外缘与内缘的圆周速度相差较大，磨损会不均匀，接触面积减小，最终会导致制动力矩变化较大。本设计中取，。4.摩擦衬块工作面积根据制动摩擦衬块的单位面积占有的汽车质量在的范围内取。故本设计中取。3.9 本章小结本章主要进行了该制动系的主要参数的选择计算以及该盘式制动器主要参数的选择。确定的目标车型是奥迪A5，制动系的主要参数有地面附着系数，制动力与制动力分配系数，同步附着系数，制动强度与附着系数利用率，制动器最大制动力矩，制动器因数，利用附着系数与制动器效率等。制动器主要尺寸参数有制动盘的直径与厚度，摩擦衬块的内外半径，摩擦衬块的摩擦面积。各参数确定之后，才能进行下一步的校核与优化。第4章 制动器性能的核算4.1 摩擦衬块的磨损性能的核算摩擦衬块的磨损与摩擦副的材质、表面加工情况、温度、压力以及相对滑磨速度等多种因素有关，因此在理论上要是精确计算磨损性能是困难的，但是试验表明，摩擦表面的温度、压力、摩擦系数和表面状态等是影响磨损的重要因素。汽车在制动过程中，是将其机械能的一部分转化为热量而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎要耗散汽车的全部动力，因此，在短时间内由于制动摩擦产生的大量热量来不及耗散到大气中，致使制动器温度升高。这就是所谓的制动器的能量负荷。能量负荷越大，则摩擦衬块的磨损就越严重。制动器的能量负荷11是用它的比能量耗散率作为评价指标的，比能量耗散率又称为单位功负荷或能量负荷，它表示单位摩擦面积在单位时间内耗散的能量，单位是：。汽车单个前轮制动器和单个后轮制动器的比能量耗散率分别为：(4-1)(4-2)式中： 汽车回转质量换算系数；汽车总质量 汽车制动时的初速度与末速度，计算轿车；总质量在3.5t以下的货车取；总质量在3.5t以上的货车取；制动时间，；制动减速度，计算时取；前后制动器衬块的摩擦面积；在紧急制动到时，并近似认为汽车回转质量转换系数，则有：轿车的盘式制动器的比能量耗散率应不大于，该设计中，符合要求。另一个磨损特性指标是摩擦衬块单位摩擦面积的制动摩擦力，称为比摩擦力。比摩擦力越大，则磨损越严重。单个车轮制动器的比摩擦力为：(4-3)其中：单个制动器的制动力矩； 有效半径； 单个制动器衬块的摩擦面积。由公式(3-3)得出，本设计中的比摩擦力为：符合要求。4.2 制动器一次制动温升的核算要核算制动器一次制动温升是否满足以下条件：(4-3)式中：热功当量，其值为4.18； 制动盘质量，本设计中，其值为：(4-4) 制动盘材料的比热容，对于铸铁；满载汽车制动时汽车的动能全部转化为热量，由前轴车轮制动器所吸收的部分；(4-5)式中：汽车满载时质量； 汽车制动时的初速度，此处可取； 汽车制动器制动力分配系数。本设计中可得： 所以，该设计中一次制动温升满足要求。4.3 盘式制动器制动力矩的核算假设衬块的摩擦表面与制动盘接触良好，且各处的单位压力分布均匀，则盘式制动器的制动力矩为：(4-6)式中：制动衬块摩擦系数，本设计中为0.4； 单侧制动衬块对制动盘的压紧力； 作用半径。对于本设计中的扇形摩擦衬块：图 41在任意单元面积上的摩擦力对制动盘中心的力矩为：,式中为制动衬块与制动盘之间的单位面积上的压力，则单侧制动块作用于制动盘上的制动力矩为：(4-7)单侧制动衬块给予制动盘的总摩擦力为：(4-8)从而得到有效半径为：(4-9)由公式（4-7）（4-8）（4-9）得前轮实际制动力矩：所以该设计满足要求。4.4 驻车制动计算汽车在上坡停驻时的后轴车轮的附着力为：(4-10)同样，可以求出汽车在下坡停驻时的后轴车轮的附着力为：(4-11)根据后轴车轮附着力与后轮驻车制动的制动力相等的条件可以求出汽车在上坡路和下坡路上停驻的坡度极限倾角，(4-12)由公式（4-12）可以求得汽车在上坡路时可能停驻的极限上坡路倾角为：同理，由公式（4-11）可求出汽车在下坡时可能停驻的极限下坡路倾角为：一般要求各类汽车的最大停驻坡度不应该小于。4.5 制动器制动效能的核算根据GB7258轿车制动器制动性要求取制动初速度V=50Km/h,路面附着系数为=0.7。满载时的制动距离S= (4-13)式中：轿车制动系统协调时间 减速度增长时间 最大制动减速度则满载时制动距离为： 所以满足要求。4.6 本章小结通过对摩擦衬块磨损性能的核算，制动器一次制动温升的核算，制动器制动力矩的核算，制动器制动效能的核算以及驻车制动的计算，该制动器的设计均符合性能要求和国家标准，满足使用要求。第5章 制动器主要零部件的结构设计5.1 制动轮缸的设计5.1.1 前制动轮缸在盘式制动器中，制动轮缸与制动钳体一般制作成一体的，制动时轮缸液压增大，推动活塞压向制动衬块，制动轮缸对制动块的作用力与轮缸直径以及制动轮缸中的液压之间有以下关系：(5-1)式中：考虑动力调节装置作用下的轮缸或管路液压，。制动管路液压在制动时一般不超过，对盘式制动器可以再高点。轮缸直径在GB7524-87标准规定的尺寸系列中选取。本设计中取。5.1.2 后制动轮缸前制动器的所需制动力矩远大于后制动器，前制动器的轮缸直径和轮缸中的液压满足后制动器的需要，因此后制动器的参数选择可与前制动器相同。5.2 制动盘的设计制动盘一般用珠光体灰铸铁制成12，或用添加Cr，Ni等的合金铸铁制成，其结构形状有平板型和礼帽型两种。制动盘在工作中同时承受着法向力、切向力和热负荷，为了改善冷却效果，钳盘式制动器的制动盘一般采用中间有径向通风槽的双层盘通风盘，这样可以大大增加散热面积，降低温升约20%30%，其厚度一般在2022.5mm之间。制动盘的工作表面应该光洁平整，制造时应该严格控制表面的跳动量、两侧表面的平行度以及制动盘的不平衡量，经查阅得知，奥迪、红旗的制动盘表面跳动量，两侧表面的不平行度，静不平衡量。5.2.1 前制动盘本设计中前制动盘设计为通风盘。通风盘是空心的，具有通风功效，指的是汽车在行驶当中产生的离心力能使空气对流达到散热的目的。ABS把大部分的制动力分配到前轮，防止甩尾，对前刹车的散热要求高，所以前轮采用通风盘，由制造工艺和成本的关系后用普通制动片。图5-1 通风盘空气流向5.2.2 后制动盘本设计中后轮所需制动力矩较小，制动盘温升较小，后轮采用实心盘设计。5.3 制动钳的设计制动钳由可锻铸铁KTH370-12或球墨铸铁QT400-18制造，也有用轻合金制造的，如用铝合金压铸。可做成整体的，也可以做成两半的，再由螺栓连接。制动钳体应该具有较高的强度和刚度,一般多在钳体中加工出制动油缸，也有的会单独制造出油缸，然后嵌入到钳体中。活塞由铸铝合金制造或由钢制造，为了提高其耐磨性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。当制动钳体是由铝合金制造时，减少传给制动液的热量就成为必须要解决的问题，为此，应该减少活塞与制动块背板的接触面积，有时候也会采用非金属的活塞。制动钳在汽车上的安装位置可以在汽车车轴的前方也可以在车轴的后方，制动钳若是位于车轴前方，则可避免轮胎甩出来的泥、水进入制动钳内，若是位于车轴后方，则可减小制动时轮毂轴承的合成载荷。图5-2 制动钳的位置对轮毂轴承载荷的影响图5-2(a)所示为制动钳位于车轴前；5-2(b)为制动钳位于车轴后。本设计中前轮制动钳位于车轴前，后轮制动钳位于车轴后。5.3.1 前轮制动钳前轮制动钳采用的形式为浮钳式盘式制动器。浮动钳式盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸，其结构简单，造价低廉，易于布置，结构尺寸紧凑，可将制动器进一步移进轮毂，同一组制动块可兼用于行车制动和驻车制动。由于浮动钳没有跨越制动盘的油道或油管，减少了油液的受热机会，单侧油缸又位于盘的内侧，受车轮遮蔽较少，使冷却条件较好。另外，单侧油缸的活塞比两侧油缸的活塞要长，也增大了油缸的散热面积，因此制动油液温度比固定钳式的低，汽化的可能性小。但由于制动钳体是浮动的，必须设法减少滑动处的摆动中心处的摩擦、磨损和噪声。前轮制动钳位于车轴前。5.3.2 后轮制动钳后轮制动钳需要加上驻车制动机械装置。图5-3浮动钳式盘式制动器的结构图1制动块；2制动盘；3活塞；4制动钳体；5卡头；6辅助活塞；7带斜槽的挺杆图5-3所示为一浮动钳式盘式制动器的结构图，图中也给出了驻车制动的驱动机构。后轮制动钳位于车轴之后。5.4 制动块的设计5.4.1 制动块制动块是由制动摩擦衬块和背板构成的，两者直接牢固的压嵌或铆接或粘接在一起。衬块多为扇形，也有矩形、正方形和圆形的。活塞应该能够压住尽量多的制动块面积，以免衬块发生卷角而引起尖叫。制动块背板是由钢板制成的，为了避免制动时产生的热量传递给制动钳而引起制动液的汽化和减小制动噪音，可以在摩擦衬块和背板之间或在背板后面粘一层隔热减震垫。由于单位压力大和工作温度较高等原因，摩擦衬块的磨损较快，因此其厚度较大。据统计，日本轿车和轻型汽车摩擦衬块的厚度在7.5mm-16mm之间，中、重型汽车的摩擦衬块的厚度在14mm-22mm之间。许多盘式制动器装有摩擦衬块磨损达到极限时的报警装置，以便及时更换摩擦衬块。本设计中摩擦衬块的厚度取15.5cm，背板的厚度取6.5cm。5.4.2 摩擦材料制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数，抗热衰退性能要好，不应在温升到某一数值后摩擦系数突然急剧下降，材料应有好的耐磨性，低的吸水率，低的压缩率、低的热传导率，高的抗压、抗拉、抗剪切、抗弯曲性能和耐冲击性能；制动时应不产生噪声、不产生不良气味，应尽量采用污染小和对人体无害的摩擦材料。本设计中采用的摩擦材料为半金属摩擦材料，是以多种有机、无机、材料的纤维或粉末代替石棉作为增强材料，其他成分和制造方法与石棉模压摩擦材料大致相同。5.5 盘式制动器其他主要零件的设计5.5.1 制动钳架的设计制动钳体是轿车盘式制动器上的关键件，制动动作是在钳体上最终完成的。工作时，制动液通过钳体进油口将压力传给制动钳活塞，然后由制动活塞将压力传给前摩擦块，压紧制动盘，并使钳体在制动钳轴销上滑动，带动后摩擦块也压紧制动盘，完成制动动作。可见制动钳支架在其中担任重要职责，它的外形较为复杂，摩擦衬块靠它来支持，制动钳与制动钳架通过轴销连接并可以相对滑动，它还与转向节通过螺栓相连。因此制动钳支架的设计较为重要。5.5.2 弹簧夹的设计弹簧夹用于将衬块固定在制动钳支架上，防止衬块左右上下移动，而衬块的前后运动是由制动钳体及活塞控制的。为满足本设计的需要，设计了长、短两种弹簧夹。5.5.3 挡泥板的设计汽车制动系应满足制动效能水稳定性较好的要求。制动器摩擦表面浸水后，会因水的润滑作用而使摩擦副的摩擦系数急剧减小而发生所谓的“水衰退”现象。良好的摩擦材料的吸水率低，其摩擦性能恢复迅速。应该防止泥沙、污物进入制动器摩擦副工作表面，否则会使制动效能降低并加速磨损。档泥板的设计见附录。5.5.4 轮毂总成的设计又叫轮圈、轱辘、胎铃，是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的、中心装在轴上的金属部件。轮毂根据直径、宽度、成型方式、材料不同种类繁多。轮毂按材质可以分为二大类：钢轮毂，合金轮毂。钢轮毂主要优点是制造工艺简单，成本相对较低，抗金属疲劳能力强。但是缺点也很明显，如重量大，惯性阻力大，散热性较差等等。合金轮毂其优点是重量轻，制造精度高，强度大，惯性阻力小，散热能力强，视觉效果好等等，缺点是制造工艺复杂，成本高。5.5.5 轮辋的设计轮辋俗称轮圈，是车轮周边安装轮胎的部件。按照制造工艺可以分为铸造轮辋和锻造轮辋。5.5.6 转向节的设计转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。5.6 本章小结本章主要进行的是盘式制动器主要零件的设计与计算，包括制动轮缸的设计，制动盘的设计，制动钳的设计以及制动块的设计。设计各零件的结构形式，选择计算各零件的尺寸参数，确定各零件所用的加工材料，给出了各零件的三维CATIA图以及装配图详见附录。 第6章 制动器的优化设计6.1 建模基础 为了便于分析，在不影响精度的情况下，作出以下近似和假设：1）假设摩擦副的摩擦系数只与温度有关系。2）假设作用于摩擦衬块的正压力是均匀分布的。3）忽略制动盘和制动衬块的轴向受力变形。4)制动盘为实体平盘，而且制动时产生的热量由制动盘吸收，制动盘温升为均匀的。6.2 优化目标盘式制动器的制动效能正比于制动器因数，盘式制动器的制动器因数对摩擦系数的敏感性为常数，它是制动效能稳定性的主要决定因素，而摩擦系数除决定于摩擦副材料外，受温度影响也较大，热衰退的台架试验表明表，多次重复地紧急制动可导致制动器因数值较小，而下长坡的连续制动和缓制动也会使该值降至正常值的。因此，制动效能与制动器温升总是相互制约的，为了保证盘式制动器的制动效能而又要减少热衰退，本设计中建立的优化目标数学模型为制动温升最低而制动力矩最大。即：(6-1)(6-2)由于两个目标位不同性质的目标分量，一个值越小越好，而另一个值越大越好，故可采用乘除法，确立目标函数为：(6-3)设计变量和优化条件形同的情况下，对以下三种情况分别进行优化求解：（1）以制动温升最小为优化目标，即；（2）以制动力矩最大为优化目标，即；（3）以制动温升与制动力矩的比值最小为优化目标，。6.3 设计变量本设计中需要优化的目标变量主要是盘式制动器的摩擦衬块的尺寸、制动盘的尺寸以及制动轮缸的尺寸和液压，设为变量,即设计变量。其中，摩擦衬块的内半径；摩擦衬块的外半径；制动盘的厚度；制动盘的直径； 轮缸的直径；轮缸液压。6.4 约束条件制动器的制动力矩：若摩擦衬块与制动盘面之间各处单位压力分布均匀，且两面之间接触良好，则在任一有限单元面积上的摩擦力对制动盘中心的力矩为,式中为摩擦衬块与制动盘之间的单位面积上的压力，为摩擦衬块的摩擦系数，则单个制动器的制动力矩为：(6-4)制动器表面温升：假设汽车在水平路面上制动，初始速度为，终止速度为，则汽车因制动而释放的动能为：(6-5)假设这部分动能完全转变为热量而被制动器吸收，由于前文中已作出假设，摩擦衬片一般为非金属材料，绝热性较好，该部分热量全部由制动盘吸收，在每次制动时，所产生的热量不能及时排出，致使制动盘温升不断提高，每次制动时制动盘的温升13为：(6-6)式中：汽车因制动而释放的动能；热功当量，4.18（焦耳/卡）；单个制动盘质量；制动盘的比热,为482。其中为：(6-7)式中：D制动盘直径（mm）；制动盘厚度（mm）；制动盘密度，为7000。 设为摩擦片上任意一点到制动盘的轴线的距离，则在摩擦片上的任意一点处的单位压力为：(6-8)其中，为单个摩擦片的摩擦面积；比例系数，其值为：(6-9)由此可得，在为和时的摩擦片单位压力为最大和最小，所以，摩擦片单位压力最大值为：(6-10)6.4.1 性能约束（1）制动力矩约束：为了防止制动时前后轴车轮抱死拖滑，使汽车失去转向能力或发生侧滑，汽车制动时的制动器制动力矩不应该超过地面最大摩擦力矩：式中：为可靠性系数，值为1.2； 为单轮最大地面摩擦力矩，其值为：（2）一次制动温升约束：为了防止高速时制动或下长坡连续制动温升过大而导致制动器摩擦副摩擦系数下14，使制动效能显著降低，一次由制动到完全停车，温升不超过：（3）比能量耗散率约束15：比能量耗散率常作为制动衬块的磨损特性指标，为了防止制动摩擦衬块磨损过快甚至引起制动盘的龟裂，比能量耗散率不能过大，一般轿车盘式制动器的比能量耗散率应不大于16：（4）摩擦片单位面积压力约束:为了使摩擦衬块减少磨损并且能达到预定的使用寿命，摩擦片单位面积压力17最大不超过（5）轮缸油压约束:考虑制动力调节作用下的轮缸或管路压力一般不超过：6.4.2 结构约束 （1）制动盘尺寸约束：盘式制动器D希望尽量大点，这样制动盘的有效半径就得以增大，可以减小制动钳的夹紧力，从而使摩擦衬块的单位压力和工作温升减小，但是，制动盘的直径受轮辋直径的限制18，制动盘的直径一般为轮辋直径的:（2）摩擦衬块安装位置约束19：摩擦衬块的外半径必须小于制动盘的最大半径，安装间距为：（3）摩擦衬块不与轮毂干涉：摩擦衬块的内半径必须小于轮毂的半径，防止运动干涉，安装间距为：（4）轮缸位置不与轮毂干涉：轮缸的位置与轮毂之间需留有一定安装间距，否则安装时会有干涉，为轮缸厚度，为安装间距：（5）制动盘厚度约束：制动盘的厚度20会影响制动盘的质量和温升，质量不能过大，同时温升又不能过高，所以一般通风式制动盘厚度多采用，多取为：（6）摩擦衬块21尺寸约束：为防止摩擦衬块工作时外缘与内缘的圆周速度相差较大，导致磨损不均匀，推荐摩擦衬块的外半径与内半径之比不大于1.5，同时也不能小于1.27：6.5 模型求
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