（车辆工程专业论文）电动式制动器的设计研究.pdf

摘要 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。盘式制动器与传统的鼓式制动器比较，具有散热快、重量轻、构造简单、调 整方便、制动效果稳定、热稳定性好、耐高温性能好等优势，随着高速公路的迅 速发展和车流密度的日益增大，出现了频繁的交通事故。而盘式制动器，以其优 越的制动性能已得到了汽车制造厂家及用户的极大关注，有着非常好的发展前 景。 但盘式制动器也存在不少的问题：制动力矩偏小，如果只是一味地提高驱动 力会出现车轮抱死的现象；摩擦过程中还容易出现制动抖动，产生制动噪音，使 用时间长久以后就会出现摩擦衬片摩擦不均匀，发生制动跑偏现象，这些都是亟 待解决的问题。 本文首先对鼓式和盘式制动器的各方面性能作一番评价，在此基础上，提出 新型制动器两种解决方案。 两方案都采用电动机作为制动系统的动力装置，用齿轮传动轴来实现系统的 动力传递。方案一中最重要的部分是滚动螺旋传动机构，它利用两组成构件来达 到减速增矩的目的。这其中包含一个重要概念就是减速比，它反映了机构所能提 供的最大制动力矩，取值越大提供的制动力矩越大。方案二最重要部分就是分级 制动系统。它主要是考虑到制动系统提供的制动力矩要与车辆的载荷状况相匹 配，当车辆空载或轻载时，系统采用第一级制动就足够了；当满载或重载时，就 需要通过第二级制动来继续提高制动力矩。 通过对上面两初选方案的评价，结合它们各自最大的长处：方案一中的滚动 螺旋传动机构和减速比这一概念；方案二中的根据车辆载荷状况采取的分级制 动。在确定最终的解决方案中，首先考虑的是分级制动：第一级提供的制动力矩 值较小，只是在空载或轻载的时候才会单独采用；在实现第二级制动过程中，利 用滚动螺旋机构来进一步增加制动力矩，此处就可以利用组成构件之间的转速差 来达到提高制动力矩的目的。在最后确定的方案中，既能提供足够大的制动力矩， 又能使得提供的制动力矩跟载荷状况相匹配。 关键词：电动机，传动齿轮，减速比，分级制动 a b s t r a c t a u t o m o b i l eb r a k ei sam a jo rc o m p o n e n to ft h es y s t e ma n da n i m p o r t a n tr o a ds a f e t yc o m p o n e n t d i s cb r a k e sh a v eal i t t l eb i tf a s t e r i n c l u d i n gh e a t ，l i g h tw e i g h t ，s i m p l es t r u c t u r e ，e a s ya d j u s t m e n t ，s t a b l e b r a k i n ge f f e c t ，t h e r m a ls t a b i l i t y ，h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，e t c d i s cb r a k eo ft h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fi t s s u p e r i o ra u t o m o b i l e m a n u f a c t u r e r sh a v eb e e no fg r e a tc o n c e m ，i th a sav e r yg o o dd e v e l o p m e n t p r o s p e c t s h o w e v e r ，t h e r ei sa1 0 to fd i s cb r a k ep r o b l e m ：s m a l lb r a k i n gt o r q u e ： h a v eab r a k ea n db r a k en o i s eji t t e r ；f r i c t i o nl i n i n g sr e s u l t i n gi nu n e v e n b r a k i n gf r i c t i o nd e v i a t i o n a r t i c l ed i s c u s s e st h ed i s ca n dd r u mb r a k ep e r f o r m a n c ei na l l i t s a s p e c t s ，a n dt h e np r o p o s et w on e wb r a k es o l u t i o n s t h ep o w e ri nt h et w o p r o g r a m sa r et h em o t o r ，a n dg e a r sa r eu s e dt oa c h i e v et h ep o w e rt r a n s f e r i nt h ef i r s tp r o g r a mi nt h er o l l i n gs c r e wd r i v ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r t o fi n s t i t u t i o n s w h i c ha r em a i n l yu s e dt or e d u c es p e e da n di n c r e a s et h e b r a k i n gt o r q u e r e d u c t i o nr a t i oi sa l li m p o r t a n tc o n c e p t ，w h i c hr e f l e c t s t h ea g e n c yc a np r o v i d et h eg r e a t e s tb r a k i n gt o r q u e g r a d eb r a k i n gs y s t e m i st h es e c o n dp r o g r a mo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to f i tp r o v i d e st h e b r a k i n gt o r q u ew i t ht h ev e h i c l e st om a t c ht h el o a d a f t e re v a l u a t i o no ft h et w op r o g r a n l s ，t h ea r t i c l ec o m b i n e st h e a d v a n t a g e so ft h e i r i nt h ef i n a ls o l u t i o n ，t h ea r t i c l ef i r s tc o n s i d e rt h e c l a s s i f i c a t i o nb r a k e f i r s t c l a s sb r a k i n gi n d i v i d u a lu s eo n l yi nv e h i c l e s w h e nn o 1 0 a do rl i g h tl o a d i nt h es e c o n d c l a s sb r a k i n gs y s t e m , t h e r o l l i n gs c r e wm e c h a n i s mi su s e dt oi m p r o v et h eb r a k i n gt o r q h e t h ef i n a l v e r s i o no ft h ep r o g r a mc a l l p r o v i d ee n o u g hb r a k i n gt o r q u e ，b r a k i n g t o r q u ec a nm a k em a t c hw i t ht h ev e h i c l el o a d k e y w o r d s ：m o t o r ，g e a r ，r e d u c t i o nr a t i o ，g r a d eb r a k i n g 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。 签名： 嗍：掣 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： 导师签名： 日期：蝉丛 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 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。作为一种新型的制动部件，盘式制动器与传统的鼓式制动器比较，具有散热 快、重量轻、构造简单、调整方便、制动效果稳定、热稳定性好、耐高温性能好 等优势，随着高速公路的迅速发展和车流密度的日益增大，出现了频繁的交通事 故。而盘式制动器，尤其是浮钳盘式制动器以其优越的制动性能已得到了汽车制 造厂家及用户的极大关注，有着非常好的发展前景。 盘式制动器也称为钳盘式制动器，目前，盘式制动器在轿车、轻型载货汽车、 豪华客车及重型载货汽车等汽车上的应用越来越广泛。随着我国公路交通条件的 改善，高等级公路的发展，车辆性能和车速的不断提高，人们出行也更加追求快 捷与舒适乘车方式。而盘式制动器能提高汽车的主动安全性，又较好地解决了制 动过程中粉尘污染、制动噪音污染、维修频繁等鼓式制动器无法解决的问题，在 汽车上的应用必将更广泛。 汽车用制动器按用途可分为两类：行车制动器和驻车制动器。行车制动器 又分为盘式制动器和鼓式制动器。汽车制动器在汽车工业中属于关键的安全件， 汽车的制动和驻车都离不开它，汽车制动器质量的优劣直接关系到人民的生命财 产安全，其重要地位不言而喻。 作为汽车产业大国，中国汽车自主知识产权的地位与之完全不相称，在知识 产权方面我国企业目前难与国外企业抗衡，这也就决定了中国汽车行业的整体利 润无法与日、欧、美等企业相比较。 核心技术与自主知识产权已经成为企业在市场上的核心竞争力。据统计，发 达国家开发1 款新车，7 0 的知识产权属于零部件企业。而目前自主知识产权还 是国内零部件企业的“软肋 ，这一“软肋削弱了国内零部件企业的市场竞争 力。 随着国外汽车跨国公司的进入，海外汽车制动系统零部件的供应商也大批随 之进入，市场竞争更加激烈。从总体上讲，中国制动器生产企业目前还处于一个 较低的层次。大部分国内中小企业生产规模小、技术水平低及产品开发能力薄弱。 国外发达国家制动器行业目前在技术工艺、质量管理等方面均处于领先地 位，制动器生产企业和整车企业的开发是同步的，从制动器的选定到出样品，要 经过噪声检测、台架试验、匹配试验以及冬、夏季路试等反复测试，直到其性能 1 武汉理工大学硕士学位论文 均达到要求并稳定，才能批量生产。 众所周知，汽车工业作为我国的支柱产业之一，必将得到国家的大力扶持。 而逐渐进入家庭的轿车和已经进入家庭并开始由适用型、经济型向豪华型、运动 型过渡的轿车，必将进一步成为大众的消费时尚和消费热点。盘式制动器作为轿 车关键零部件，其市场前景是相当可观的。 中国汽车制动器行业“十一五”规划中明确指出，自主品牌和名优品牌建设 是中国制动器企业“十一五发展的方向，提升自主创新能力及核心竞争力是中 国制动器企业“十一五 发展的目标。而加快技术创新步伐，发展高新技术产业 化，是实现这一目标的关键和必由之路。 同时，由于我国国内制动器市场巨大，经济环境良好，劳动力廉价等方面 因素，国外制动器企业现已呈现逐步向我国国内转移生产能力的趋势。这种情况 在带动国内制动器行业发展的同时也存在隐忧。国外知名企业具有产品、品牌、 资本优势，对民族企业是一个挑战。 1 2 课题来源及研究目的与意义 1 2 1 所选课题来源 课题主要来源于2 0 0 7 年7 月开始在武汉元丰汽车零部件有限公司实习的这 段阶段，在这期间本人主要收获有： 在元丰公司实习期间，接触了各式的盘式制动器，对盘式制动器的结构、 作用原理均有较深入的认识，并对与制动器相关的结构，如车桥、悬架、车轮结 构等也有进一步的了解； 在参与元丰公司产品设计开发以及生产加工工艺制定过程中，掌握了盘式 制动器的设计原理，设计方法以及生产加工工艺等； 在气压盘式制动器性能检测的过程中，发现驱动力作用方向在整个制动过 程中是变化的。由于制动器采用的是杠杆式传力机构，所以输出的作用力也会随 着驱动力的变化而变动着，使得制动力可控精度降低，这不利于保持和提高制动 性能： 在气压制动系统中，制动气室提供的气压的大小存在波动，推力也会随着 变化：另外受限于推动压力臂的制造精度，它的两个输出力臂受力不相等，产生 磨损的不均匀，从而导致摩擦片偏磨； 通过收集大量的资料和结合元丰公司产品遇到的问题，逐渐认识到有必要 寻求解决途径，且需要考虑的各种影响因素。 2 武汉理工大学硕士学位论文 希望能通过这次学习研究，总结一些实际的经验，能寻求到一些基本的设计 准则，开发设计一种新型制动器，使盘式制动器设计更加优化，提供更好的制动 性能。 1 2 2 课题研究的目的及意义 本文通过比较鼓式制动器和盘式制动器的各自优缺点，研究制动器的设计 方法和准则，再结合本人在公司实习期间获得的实际设计经验，最后提出两种 新式电动式制动器设计方案，再对这两个方案进行评价，结合两个方案的优点， 提出最终的解决方案。 这种新型制动器能提高制动性能的稳定性，并改进制动器的结构设计，从 而使制动器的性能最优化，同时进一步延长制动器使用寿命，降低出现故障的 几率，保证汽车安全性。 设计的这种制动器能很好地配合车辆的制动系统，在它提供强大的制动力的 同时，又能保持结构的紧凑和制动器平稳地实现制动。通过前期分析制动系统的 中存在的各种问题，借鉴国外的设计经验，确定初步解决方案和设计方法；接着 对制动器整体进行开发设计，其中包括滚动螺旋传动和齿轮传动等重要结构的设 计，要保证能符合传动精度和结构强度要求；最后对制动器部件进行结构设计， 选用合适的材料，降低生产制造成本。 预期技术创新点： 提出将减速比概念应用于制动器设计当中，可采用小功率驱动电机来提供 足够大的制动力； 通过专业软件分析，使制动器在满足工作强度要求的同时，结构更加简化； 改进产品设计，为搭建下一代产品开发平台提供理论依据。 1 3 课题研究内容及技术路线 1 3 1 课题研究内容 研究目标： 借助现代的计算机软件技术，结合盘式制动器( 液压和气压) 的设计方法和 原则，寻求一个比较完善的理论，用来解决现存在于盘式制动器中的问题，如现 在的车辆对制动器的控制精度和响应时间的要求在逐渐提高，这就使得我们在开 发新制动器的时候就要着重考虑这方面性能，同时新产品还需要有很高的经济 3 武汉理工大学硕士学位论文 性，这样才能逐步推广开来。 研究内容包括： 提出新式制动器的设计方案，并进行评价： 新型制动器应用的减速比定义和公式的推导； 齿轮传动的设计和强度校核和驱动电机型号的选择； 制动器总体布局及结构强度的优化； 制动盘的设计和摩擦块材料的选择。 本文拟解决的关键问题有： 为保证有足够大的制动力输出，确定满足要求的减速比大小； 根据计算所得功率和扭矩确定驱动电机型号； 滚动螺旋传动机构传动精度和结构强度要满足要求； 齿轮传动机构传动精度和结构强度要满足要求； 1 3 2 课题研究技术路线 主要研究方法： 收集国内外相关技术资料，并根据存在的问题进一步分析其产生机理和提 出解决办法； 对国内外成熟产品进行详细、具体的分析，结合本公司产品设计经验，寻 找更加合理的设计方法，协助元丰公司完成新产品开发平台； 设计出产品的整体，采用专用软件对产品进行结构上的优化和强度上的校 核，并持续改进； 采取的技术路线： 收集国内外相关产品技术资料和各种现存问题的分析理论及解决方法一在 上述综合分析的基础上，确定解决问题的初步方案一对得出的方案进行可行性和 合理性分析，确定最终的方案一对各系统传动部分进行设计一对制动器部件进行 设计，并进行优化一对不合理的地方进行改进，完善整体设计。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 技术路线 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车制动器发展过程及现状 2 1 鼓式制动器的发展状况 2 1 1 问题的提出 中国经济的高速发展，对大吨位重型载货车的需求将越来越多，所以各家 厂商都加快发展国产重型载货汽车。而制动系统是重型载货汽车最重要的总成之 一，它对保障汽车安全行驶起着极大作用，而且随着以提高动力性为目的大功率 和大扭矩的发动机装车数量逐步增多和行驶速度的提高，这种重要性表现得越来 越明显；另一方面，由于道路行车密度的日益增大，交通事故频繁发生，引起了 公众对道路交通安全的密切关注。这些因素对制动系统提出了更加苛刻的要求， 并集中体现在国家强制性法规中有关制动系统性能方面的严格规定，如我国1 9 9 9 年颁布的制动法规g b1 2 6 7 6 - 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方法，这 些社会要求促使各生产厂家不断追求技术进步和产品的相应改进和完善。 提高重型载货车的制动性能有多种途径和思路。如研究汽车制动过程中的 a b s 系统和功能扩展系统，如驱动防滑系统( 彳跚，电子制动系统( 既5 ) ，车辆 动力学控制系统( 嘲；也有研究制动系统操纵执行机构。因为制动控制的效果 最终都须通过制动器来实现，通过制动盘和摩擦块或制动鼓和摩擦片的相互摩擦 作用而控制车辆的运动状态，实现减速或停车。因此这里重点介绍一下制动器作 用机理及如何提高其制动力矩，从而达到提高制动效能的目的。此次介绍的制动 器为支点固定的领从蹄式鼓式制动器，由于其顺、倒车时制动性能不变，且构造 简单、造价较低、便于加装驻车制动机构，故现在广泛应用于重型载货车、大客 车和半挂牵引车。提高目前制造的重型载货车和用户现使用车的制动器实际输出 制动力矩，保证人车安全，于国于企业都有利，这也说明了本课题的研究有极大 的经济价值和社会需求。 车辆的制动性能是主动安全性能的重要组成部分，也是车辆安全设计的基础 和现代汽车研究的重要课题。为满足重型载货车因为整车重量增加、平均车速提 高、比功率增加而迫切需要更大制动力的要求，目前在制动系统设计时采用了加 长调整臂、增大制动气室直径、加大制动气压、加大制动器制动效能因数等措施， 这些措施在一定程度上解决了整车制动力不足的问题，但在实际使用中并未达到 预期的设计初衷，还引发了制动响应慢、贮气筒容量不足及一些制动重要部件寿 命降低的问题。因此需要对制动系统各部件性能相互匹配、影响制动力的主要参 6 武汉理工大学硕士学位论文 数作更深入的研究和找出解决此问题的有效措施。 2 1 2 鼓式制动器研究现状 对制动器系统而言，制动压力( 气压或油压) 和制动力矩分别是系统的输入 和输出，建立制动器模型，研究输入与输出之间的函数关系是制动系统研究的主 要思路。根据建模方法的不同，制动器的数学模型可分为理论模型与经验模型两 种。 理论模型由制动器的力学原理以及几何参数来描述，理论模型忽略制动力矩 的动态响应，将系统简化成输入和输出为线性关系，传递函数为效能因数k 。、 主动机构力传动比疋，和制动鼓半径r 的乘积。理论模型主要用于整车方案设计 阶段制动系统性能参数匹配。 经验模型根据制动器的试验数据采用数学方法建立，根据建模对象的不同， 经验模型又可分为准静态模型与动态模型两种：制动过程中摩擦系数的缓慢变化 造成的制动压力力矩间的非线性关系，称为制动器的准静态特性或者摩擦特性。i 动态模型是考虑制动压力以一定的频率循环变化，由于零部件间的间隙，制动衬 片的弹性、阻尼以及摩擦等许多不确定性因素的影响，而造成制动力矩响应表现 出死区、饱和等强非线性动态特性。 总结上面可知： 理论模型主要用于整车方案设计阶段制动系统性能参数匹配用； 制动器的准静态特性考虑了踩下制动踏板的快慢和制动速度效应对制动 力矩的影响，主要用于整车制动效能模拟计算，使之更符合实际工况； 动态模型模拟了制动压力一力矩响应迟滞特性，主要用于a b s 的仿真研究 中，为开发高性能a b s 提供理论依据。 2 1 3 领从蹄鼓式制动器的工作原理 领从蹄式鼓式制动器工作原理见图2 - 1 所示，高压气体进入制动气室1 ，作 用于膜片，将气体压力转化为机械力，推动气室推杆向前运动，调整臂2 和凸轮 轴3 将推杆的平动位移转化为旋转位移，从而对滚轮4 施加作用力，使领蹄5 绕 其支承销转动，并抵靠在制动鼓6 表面上，对旋转的制动鼓施加摩擦，产生与制 动鼓旋转方向相反的制动力矩，此即为制动过程。 7 武汉理工大学硕士学位论文 a )b ) l - 铝l j 动气室；2 - 铝i 动调整臂：3 一制动凸轮；4 一支承销；5 - i t 1 动蹄；6 - 锘 j 动鼓 图2 1 领从蹄式鼓式制动器结构简图 鼓式制动器制动力矩等于制动蹄摩擦力与制动鼓半径的乘积。制动鼓半径设 计初期就已确定，因此只要计算出制动蹄的摩擦力，则制动器的制动力矩即可确 定。制动蹄的摩擦力计算方法一般有效能因数法和分析图解法。效能因数法是目 前应用较多的一种方法，计算较为方便、准确，便于评价不同特征制动器的性能。 分析图解法是根据制动蹄三力平衡，由作图求出摩擦力和正压力的合力和作用力 臂，再计算制动力矩，并能同时求出制动蹄支承处的力。上述两种方法的理论基 础相同，只是采用不同的方法求制动力矩，结果是一致的。其理论基础是各制动 蹄摩擦片和制动鼓之间的理论单位压力分布规律为正弦分布规律，求出制动蹄压 力中心圆和压力作用点坐标。 目前重型载货车采用的制动器都是等位移凸轮张开机构的固定支销式领从 蹄制动器，它的优点是结构简单、易于修理、使用方便、蹄片负荷均匀，保证了 这种型式的制动器具有较高的可靠性。因此本论文的研究内容就是这种类型的制 动器制动力矩计算。 鼓式制动器制动力矩的计算方法一般有分析法、效能因数法和分析图解法三 种方法。效能因数法是目前应用较多的一种方法，计算较为方便、准确。领从蹄 式鼓式制动器的效能及其稳定性虽不是最好，但由于其前进、后退时制动性能不 变，且构造简单，造价较低，便于加装驻车制动机构，其广泛应用于中、重型载 货汽车和大客车前、后轮以及轿车后轮。 在早期的制动力矩计算中，假定制动蹄、鼓之间的单位压力周向均匀分布。 这一假设与实际情况相差较远，据此计算出来的制动力矩较实际值为大。目前计 算中广为应用的理论单位压力分布规律是正弦分布规律。 8 武汉理工大学硕士学位论文 效能因数k 之所以成为评价制动器效能的主要指标之一，是因为其表征了制 动器把一定大小的制动蹄促动力p 转化为制动器制动力矩并进而转化为地面制 动力的能力。这可以从制动器效能因数的定义式中看出： 效能因数k ：丝 p r m u = k p r ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：r 制动鼓半径m 。制动器制动力矩 可见，制动力矩的计算实质上就是效能因数的计算。本文只给出领、从蹄制 动效能因数k 1 ，k 2 的计算公式，而制动力矩的计算公式将相应的效能因数公 式代入式( 2 - 2 ) 即可得到。当制动鼓旋转方向为戗时，制动蹄为领蹄，尸表示领 蹄促动力曰；当旋转方向为哆时，制动蹄为从蹄，p 表示从蹄促动力足( 由于 参数较多，制动蹄受到的来自制动鼓及制动蹄支座的作用力未在图2 - 2 中标出) 。 我国汽车行业广泛采用的计算公式为： t ， 领蹄：厶r l = 瓦忑r ( 2 - 3 ) p c o s , o s i n y 腑舻毫 p c o s , 8 s i n y 式中：g - = ( a + e ) r ，k = f r ，p = t o r ： 五= y + p - o t ，旯= y - p + a ，口= ( j r - o ) 1 2 - o , ： 压舯心赔径乇= 篙尺，= a r c 喀( 篇； ( 2 4 ) 口为最大压力线与包角平分线之问的夹角； 摩擦角y = a r c t g # ，为制动鼓与摩擦衬片所构成的摩擦副的摩擦系数。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 计算用主要参数示意图 各计算公式虽然形式不同，但通过变换得到了完全相同的形式。由这些计算 公式所得到的计算结果也相差很小。可见他们都是基于同一假设推导出来的，这 些假设大致可归纳为以下几点： 制动鼓和制动蹄是绝对刚性的，所有的变形都发生在衬片材料中； 摩擦衬片表面与制动鼓半径相同，并能全面接触； 摩擦衬片变形遵从虎克定律，即压力与摩擦衬片的径向变形成正比； 单位压力沿周向按正弦规律分布，沿摩擦衬片宽度方向上则呈均匀分布。 目前整车生产商和用户更关心的是制动器的实际输出制动力矩，因为它对 整车的制动距离、制动减速度和满足制动法规要求都起决定作用。所以必须要研 究机械损失对制动器力矩的影响，按此方向解决之前中提出的问题。 2 2 盘式制动器目前发展状况 盘式制动器具有散热性好、制动效能稳定、抗水退能力强、易于保养和维 修等优点，可广泛应用于飞机、铁路、车辆和工程机械。气压盘式制动器似i r d i s c b r a k e ，简称a d b ) 最早出现于2 0 世纪9 0 年代中期，能广泛应用于中重型车辆。 作为汽车的主动安全件，a d b 需要提供足够的制动力矩。随着载重汽车载重吨 位的增大，对a d b 制动力矩要求也在不断增加。这里重点介绍的盘式制动器类 型就是彳d b 。 1 0 武汉理工大学预士学位论文 2 2 1 盘式制动器制动力矩分析 嚣 斟 卜气室顶杆；2 一推动压力臂；3 一回位座：4 _ 外摩擦片：5 一制动盘；6 一内摩擦片； 7 一卡钳体；8 一转轴 图2 - 3 气压盘式制动器组成 要改进制动力矩，先分析制动力矩的构成( 图2 - 3 ) 。脚制动由气室顶杆1 推动压力臂2 ( 即增力机构) ，压力臂通过回位座3 推动内摩擦片6 ，内摩擦片顶 在制动盘5 后，通过卡钳体7 的滑动，接触外摩擦片4 ，从而拖死制动盘，形成 制动。 按图23 所示结构制动器制动力矩大小： m = 2 f b r l r i ( 2 5 ) 式中：f 气室推力；卜压力臂增力比；摩擦系数； h 徽率；r 制动器制动半径。 从图上可以看出，脚整体传递机构简单，制动力传递效率高。影响制动力 矩的因素主要有以下几点； 气室推力f ； 增力比f # 制动器制动半径，； 摩擦系数。 其中气室推力和增力比两项的影响性质相同即增加制动输入力，制动器制 动半径是设计尺寸，受轮辋尺寸和制动器外形尺寸的约束，摩擦系数与选择的摩 擦材料的特性有关。 摩擦的实质是机械运动转化为摩擦运动、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表面，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- - , b 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 武汉理工大学硕士学位论文 直接加热的。马保吉等研究表明，摩擦力的产生机理直接决定了摩擦热的产生机 理。制动开始时，摩擦制动片在制动系管路压力的作用下夹紧制动盘，使盘片界 面之间产生摩擦力。如果忽略材料磨损的影响，可认为制动器吸收的制动能量全 部转换为热量。研究摩擦力产生机理的目的在于，在分析制动副表面温度场时， 能够对摩擦界面的热流边界条件提出更合理的假设。 摩擦制动过程中产生的热量主要由两部分组成：一部分是摩擦表面的微凸体 与接触界面的粘结和断裂及接触区域和周围材料的塑性变形产生的热量：另一部 分是摩擦材料在一定温度下的热降解产生的热量。因此，摩擦制动过程中摩擦热 主要产生在接触区域具有一定厚度的界面层而不是在接触表面，在温度场分析 中，摩擦热应作为体积热而不应作为表面热流从接触表面输入，同时接触界面存 在一定的接触热阻，界面的热特性不同于摩擦材料基体的热特性。 对制动过程中摩擦力和摩擦热产生机理的分析表明，摩擦界面间粘着结点的 粘着撕裂对摩擦力有较大影响，也直接影响到摩擦热的大小。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，由于金属摩擦盘的硬度比摩擦 片的大得多，机械切削和塑性变形大都发生在摩擦片的表层，而不是制动盘的表 层。即由切削变形产生的摩擦热发生在摩擦片的表层，并通过接触界面传递到摩 擦盘中。因此，在对制动盘进行摩擦热温度场研究时，可把摩擦热作为边界热流 输入：而对于制动衬片，由于把摩擦热当成对体积生热的量化研究尚未成熟，故 把摩擦热作为边界热流输入来处理。 在一般的制动热分析中，都假定接触表面的平均温度相等且热流连续，制动 产生的摩擦热在界面间的分配直接与两摩擦表面的热阻有关。但定量确定摩擦界 面间热阻存在困难，目前仅局限于研究接触面由摩擦热产生而无接触热阻，边界 条件大都描述为：在真实接触面积内，分属于物体一和物体二的接触点组成每一 接触点对，其温度一定相等，即： j 互= z ( 接触区域) ( 2 - 6 ) 【q l + q 22qj 式中：彳、z 分别为接触区域处( 或接触点对) 少两侧的某一特征温度；吼、 玑分别为接触面两侧的热流密度j i l 为总的摩擦热流密度。但在真实接触区域外， 表面温度不一定相等。 由此可得热流分配系数： l 厂， i 7 = 丝= i 警逝i ( 2 7 ) qp 小p c p p p 式中：p 为密度、c 为热容、k 为热传导系数、d ，p 分别为制动盘和摩擦 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 衬片。 2 2 2 盘式制动器制动振动和噪声介绍 制动抖动是车辆在一定车速范围内实施制动时引起制动盘、制动踏板、车身 ( 地板) 剧烈抖动的现象，是制动引起的振动中的一种。制动抖动按照现象分为冷 抖动、热( 高速) 抖动和抖动噪声。 冷抖动 冷抖动是制动盘因加工、安装、磨损、腐蚀等原因造成制动盘几何不规则从 而影响制动压力及制动力矩波动引起的。大量试验表明：冷抖动是卜5 阶低频振 动，主要为1 - 2 阶成分。对应于发生冷抖动的车速范围4 5 - 1 6 0 k m h 。 热抖动 热抖动是制动盘局部热弹性不稳定性( 热变形、局部不均匀热膨胀以及金属 材料相变) 产生热点( 热变形) 影响制动压力及制动力矩波动引起。试验研究表明： 通常热点在摩擦带圆周上为等距分布，其产生的抖动频率与转速呈6 2 0 阶的关 系，其中主导的抖动阶次为7 - 1 3 阶，相应的抖动频率在3 0 6 0 h z 。热抖动的一 般发生在高速行驶( 1 6 0 k m h 以上) 同时实施中低强度制动( 0 卜0 3 9 ) 以保证 热点形成的时间。 抖动噪声 抖动噪声实质是e h $ l j 动盘周期性表面特征引起制动力矩的波动而产生。热点 引起的制动力矩波动，经转向节和底盘传递到车身，乘员可感受到车内的异常噪 声。 抖动噪声一般发生在高速行驶( 1 8 0 k m h 以上) 同时施加中等制动强度 ( - 0 3 9 ) 。频谱分析显示其频率范围为1 5 0 2 5 0 h z ；同时频率与车速呈8 1 0 阶 的阶次关系。车内噪声声压级在车速降至大约1 6 0 k m h 后开始升高，在l o o k m h 时达到峰值，此后随车速的下降而降低。 通常隋况下，观察到的抖动现象是冷抖动和热抖动两者共同组成的，尤其在 高速行驶时开始制动的情况。此外，冷抖动和热抖动的诱因相互影响，如较大制 动盘厚薄差会导致局部接触压力、摩擦力较大，因此这些局部温度更高热膨胀更 严重，热抖动现象更加明显。抖动噪声通常伴随热抖动产生，但其产生的初始车 速更高。 制动抖动是由制动引发的一种强迫振动，其根源在于制动力矩波动和制动压 力波动。制动力矩产生于制动器，其引起制动器的振动有两种途径，一种为直接 作用于制动器，另一种通过轮胎地面偶合作用作为传递环节，再传递到制动器。 直接作用制动器形式主要通过对制动盘和保持架的同时作用，由于该力矩对 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 制动器来说是内力，故不会引起制动器的抖动。 制动力矩引起制动器抖动的作用只能通过轮胎地面偶合系统实现，具体过程 为：由于地面制动力与制动器制动力矩在车轮转速刀 0 时满足f r - - t 名，忽略 车轮有效半径乞的动态变化，则当制动器力矩= f 厂波动的同时，地面制动力c 以 与制动器制动力矩同样的规律波动。波动的f 通过轮辋、轮毂和轮毂轴承等零 件传递到制动器并表现为制动器的抖动。制动器的抖动经悬架系统传递到车身、 转向系统。制动压力波动经液压系统的传递，使制动踏板也出现剧烈抖动。 2 2 3 盘式制动器的优越性 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，热稳定性好。与传统的鼓式制动器相比，其优越性主要 体现在以下几个方面： 制动效能高 盘式制动盘直接裸露在空气中，散热性很好。制动盘的热膨胀不像制动鼓 膨胀那样引起制动踏板行程损失，使间隙自动调整装置结构设计得以简化。同时 在制动盘上铸有加强筋，提高了制动盘的强度和铸造的工艺性能。另外在制动 盘上开了许多小孔，加速通风散热、提高制动效率。 外形尺寸小 在输出同样大小的制动力矩的条件下，盘式制动器的质量和外形尺寸要比鼓 式制动器的小。并且，这种制动器的制动盘与摩擦块的间隙小( o 0 5 - 0 1 5m m ) ， 从而缩短了活塞的操作时间，并且可以使制动系统中驱动机构的力传动比增大。 易于维修保养 盘式的摩擦块中的摩擦衬片在摩损后可更换，结构简单，维修保养容易。还 能方便地实现制动器磨损报警，以便于及时更换摩擦片。 具有较好的可靠性和安全性 易于构成多回路制动驱动系统，使系统有较好的可靠性和安全性，保证汽车 在任何车速下各车轮都能均匀一致地平稳制动。 2 3 新型制动器开发可能性和必要性 我们在进行制动器设计之前，必须对制动器的各种性能有所了解，这样设计 的目标才有针对性。制动器的基本性能包括以下几点： 制动器效能 制动效能是制动器在单位输入压力或力的作用下所输出的力或力矩。常用制 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 动器因数k 来评价不同结构型式的制动器的效能。制动器效能因数k 定义为在 制动鼓或制动盘的作用半径上所得到的摩擦力与输入力之比。 制动器效能的稳定性 制动器效能的稳定性主要取决于其效能因素k 对制动衬片与制动鼓之间的 摩擦系数f 的敏感性。摩擦系数f 是随摩擦副表面的温度和水湿程度的变化而变 化的。制动器在使用中温度的升高是经常性的，因而制动器的热稳定性更为重要。 制动器衬片的磨损均匀性 制动器衬片是易损耗件。制动器衬片在工作时压力分布应尽量均匀，以使其 磨损均匀，使用寿命长，同时也可使其工作表面温度分布均匀，温度分布峰值低， 散热好。 制动器间隙调整的简便性 制动器间隙调整是汽车保养作业中较频繁的项目之一，故选择调整装置的结 构型式和安装位置必须保证调整操作简便。当然最好采用自动调整装置。 制动器的尺寸和质量 出于行驶稳定性的考虑，汽车的轮胎尺寸往往选择得较小。因而宜选择尺寸 小而效能高的制动器型式。车轮制动器属于非簧载质量，故应尽可能减轻其质量， 以提高汽车行驶平顺性。 2 3 1 盘式制动器存在的问题 现在以盘式制动器为主，具体讲述一下该制动器存在的问题，如制动振动和 噪声等。 首先，盘式制动器本身容易出现一些问题，如制动振动，噪声，水衰退，热 衰退，偏磨等。制动振动和制动尖叫使顾客抱怨；水衰退，热衰退，摩擦块异常 磨损等则影响车辆行驶安全。 其次，盘式制动器在我国应用时间并不长，尤其在大型车辆上，鼓式制动器 应用仍然很广。对于气压盘式制动器( 脚) 而言，由于鼓式制动器驻车机构相 对简单，因此前桥a b b 和后桥鼓式制动器的制动匹配形式较为普遍，但是简单互 换显然是不行的，会带来前后制动时间不一致，使得摩擦片偏磨，使用寿命降低， 制动噪声及震动，以及制动性能下降等问题。 盘式制动器本身的一些问题 制动振动，噪声和抖动 制动振动噪声从汽车诞生以来一直是汽车工业的一个难题，虽然盘式制动器 的出现有效的解决了降低了制动噪声，但是依然没有根本解决；制动抖动是指车 辆制动时引起的转向盘，制动踏板，车身底板和座椅发生的剧烈抖动现象，是制 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 动系统常见的故障之一，一般发生在车辆高速行驶并进行中等强度制动的时候， 是一种低频率振动，严重影响车辆的操纵稳定性和舒适性。 制动响应时间和控制精度 当前由于a b s 和7 船技术的广泛应用，出于主动安全方面的考虑，要求在中 央控制器发出制动指令后，制动系统能迅速做出反应并精确执行这一动作，所以 就对制动系的响应速度和控制精度都提出了很高的要求。但目前气压和液压盘式 制动器在这两方面都满足不了，所以需要设计一种性能更加优越的制动器。 摩擦片偏磨 摩擦片的磨损与摩擦副的材质、表面加工情况、制动温度、相对滑磨速度以 及制动压力的均衡性等多种因素有关，摩擦片在正常的状况下，行驶3 万公里更 换- - n 摩擦片，8 万公里更换制动盘。但如果发生摩擦片偏磨，很可能少于1 万 公里便要更换摩擦片，费时费力。在这里我们设计通过提高制动压力的均衡性来 降低摩擦片的。 制动力矩 对制动力矩的研究我们主要关注的对象是a d b , 由于气压盘式制动器多用于 大中型车辆，故所需的制动力矩较大，受诸多条件的限制，制动力源动力机构所 提供的力并不大，关键的机构是传动机构，即如何实现将源动力尽可能地放大， 以较小的力的输入得到大的制动力输出。 2 3 2 鼓式制动器结构参数对制动性能的影响 分析制动器的主要尺寸参数对制动器效能的影响，对指导制动器的设计、控 制制动器的性能有直接的实用意义。影响制动器效能的制动器主要尺寸参数( 参 见图2 - 4 ) 包括制动器半径尺、制动衬片的起始角p 和包角p 、制动蹄的促动力 作用点u 的位置( ，圪) 和支承端a 点位置( ，匕) 、制动蹄的支承面倾角和 促动力压力角。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 浮式支承制动蹄参数 下面的分析中，以领蹄为例，取x y 直角坐标系的原点d 位于制动鼓中心， 】，轴位于制动器对称线上。制动蹄的支承点彳和促动力作用点u 的坐标分别记为 ( 一，匕) 和( ，巧) 。得到的结论如下： 制动器半径尺对制动器效能的影响 制动器的其它尺寸参数不变时，制动器半径r 越大，领蹄的制动效能因数越 大，而从蹄的制动效能因数越小。 制动衬片的起始角护对制动器效能的影响 制动器的其它尺寸参数不变时，改变制动衬片的起始角目，制动效能有相应 的变化。对于不同的制动衬片摩擦系数f ，均有一个使制动效能最大的起始角。 制动衬片摩擦系数越大，则使制动效能达最大值的起始角越小，改变制动衬片的 起始角p ，使制动效能最大，实质上就是使制动衬片上压力最大点位于圆周方向 中心，使衬片上压力对称分布。 制动衬片包角0 对制动器效能的影响 制动器的其它尺寸参数不变时，改变制动衬片包角0 ，制动效能相应变化。 一般认为包角口越大，制动效能越大。但由于包角0 的大小还影响着制动衬片的 压力分布，因此对于较大的制动衬片摩擦系数f 而言，制动衬片包角0 过大时， 制动效能反而会减小。 制动蹄促动力作用点【，的位置对制动器效能的影响 对于固定支承销式制动器，促动力作用线至支承点彳的距离影响着制动效 能。距离越大，制动效能越高。对于浮式支承销式制动器，当促动力压力角较小 时，制动蹄促动力作用点【，的横向坐标五，的大小对制动器效能影响较小；压力 角为0 时，五，的大小对制动器效能没有影响。制动器的其它尺寸参数不变时，u 的纵向坐标k ，越大，制动效能越大，它们之间成线性增长关系。这是促动力对 于支承点a 的力臂增大的缘故。制动衬片摩擦系数的大小对k ，与制动效能的关 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 系几乎没有什么影响。 制动蹄支承点正的位置对制动器效能的影响 对一于浮式支承制动器，当其它尺寸参数不变时，随着制动蹄支承点横坐标 x 。的增大，制动效能减小；随着制动蹄支承点纵坐标l 的绝对值的增大，制动 效能减小。制动衬片摩擦系数f 越大，制动效能的变化趋势越明显。 制动蹄支承面倾角对制动器效能的影响 制 曩，z u - 0 4 5 能 因a 数7 增 参6 3 。 彳 一一 一3 - 6 图2 - 5 领蹄支承面倾角与制动效能因数 制动器的其它尺寸参数不变时，制动蹄支承面倾角对制动器效能的大小有影 响( 如图2 - 5 ) 。制动衬片摩擦系数f 不同，其影响趋势则不同。对于一个各尺寸 参数已经确定的制动蹄来说，存在某个f 值会使制动效能不随支承面倾角 r 的变 化而改变，而较大的f 值会使制动效能随支承面倾角的增大而变大，较小的f 值 会使制动效能随支承面倾角的增大而减小。 促动力压力角对制动器效能的影响 对于固定支承销式制动器，促动力压力角的绝对值越大，促动力作用线至支 承点的距离就越小，制动效能因数就越小。 对于浮式支承销式制动器，当制动器的其它尺寸参数不变时，促动力压力角 t 对制动效能亦有影响。在压力角绝对值较小的范围内时，常用的制动衬片摩擦 系数f 值都能使制动蹄产生最大的制动效能。促动力压力角绝对值变大时，制动 效能降低。制动衬片摩擦系数f 越大，使制动蹄产生最大制动效能的对应压力角 越小。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 制动器设计的具体评价标准 为了保证制动器设计的合理性，通常应当有一些具体的评价标准。传统的制 动器设计效果评价，一般只涉及到了制动器的力学性能，比如制动效能、制动效 能的稳定性等，而对制动器的热性能很少提及。因而，这样的评价是不全面的， 而且也不能预测制动器在实际使用过程中是否会出现问题。 通过大量查阅制动器设计文献，结合生产实际的经验规律，得到制动器设计 评价的热性能标准，主要体现在以下三个方面： 制动器是否会出现热裂纹 通常，当输入制动鼓或制动盘摩擦表面的热流密