（光学工程专业论文）轿车制动系统的设计与优化.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 汽车工业经过上百年的发展，人们对汽车的关注重点已从最原始的运输功能 转移到了其舒适性、安全性。汽车的制动性能是衡量汽车安全性的一个重要标准。 汽车制动系统作为汽车十分重要的组成部分，只有其性能优良，工作可靠，才能 充分发挥汽车的其它性能。本文围绕轿车制动系统的结构分析设计与优化，对轿 车制动性能进行分析研究。 本文首先对轿车制动系统进行系统的整理和归纳，详细说明了轿车制动系统 的基本工作原理及分类形式，并对其主要执行机构进行了结构对比分析；再对轿 车制动时的受力模型、制动力分配情况进行了分析，并对轿车制动器制动效能因 数和制动力距的计算方法、轿车斜坡上驻车能力的计算进行了理论分析和公式推 导：然后对轿车制动系统的评价指标、设计要求、国家制动法规进行了具体的论 述和总结，对制动性能的评价方法进行了分析；最后先针对某国产轿车制动系统 进行设计并分析评价其制动性能，再通过对制动系统制动力分配的分析，建立以 获得最理想同步附着系数为目标的数学模型，利用m a t l 忸优化工具箱编写优 化程序，优化得到能获得最理想的同步附着系数的制动系统，该系统能实现实际 分配曲线与理想制动曲线尽量接近。对比分析优化前、后该制动系统性能变化， 认为优化是成功的，制动性能趋于理想。 本论文对某国产轿车制动系统的设计及优化取得预期效果，对汽车制动系统 开发研究和改进具有一定的指导意义。 计 关键字：轿车制动系统；同步附着系数：制动力分配；m 渔t l a b ；优化设 轿车制动系统的设计与优化 a b s t r a c t s i n c e 棚t o m o t i v ei i l d u g 时e x p “跚c e do v e r10 0y c a 体o fd e v e l o p o m e 咄p e o p l e h a da l e a d yd i s t m c t e dt l l i e rm 血础咄i o n 舶mt l l eo r i 百n a j 臼锄s p o r t 撕o n m c t i o nt o i t sc o m f o r t 锄d 娆r y ：b 础n gp e 0 m 锄c ef o ra u t o m o b i l ei s 锄h p o n a n t 舳d a r dt 0 m e 嬲l l l - ca u t o m o t i v es a r y a sav e 巧i m p o r t a n tc 0 h l p o n e n to fa u t o m o b i l e ，0 i l l y 锄t o m o t i v eb 糟k i n gs y s t 锄i so f9 0 0 db 嘲d n gp e 刊f 0 m 锄c e 锄dr e l i a b l e ，唧o m o b i l e c 觚m l l yp l a yo m e rp r o p e i l i e st 0w o r k t l l i s 枷c l ef - o c 憾c do n 姗c n i r a l 觚a l y s i s ， d e s i 弘锄do p t i i i 妇a t i o no f 卸t o m o t i v eb r 舳1 9s y s t e m ，锄dc 抓e do u t 强锄a l y t i c a l s t u d yf 1 0 ra u t o m o 廿v eb r a l ( i i l gp e r f o m a n c e a tf i r s t “sa i l t i c l es y s t e i l l a t i c a l l yc 0 1 1 a t e d 觚d 蜘姗m a r i z e d 也ea u i t o m o t i v e s y s t 口n ，d e t a i l e dt h ed e s c r i p t i o no fb 硒i cw o f k i n gp 血c i p l e 锄d 鼬m c 仃a lc l 硒s i 丘c a t i o n o f 钒l t 0 恤o t i v es y s t e n l c o m p a r e d 锄da 1 1 a l y z e di t sm a i na c t u a t 0 璐s c c o n d l y t h i s t l l e s i sa n a l y z e df o ra u t o m o t i v ef 1 0 f c em o d c lw h e nb r a k i l l 舀b r a l ( i n gf o r c cd i s t r i b u t i o n c u r v e 锄ds oo n a i l dc 秭e do u t 也e o r e t i c a la n a l y s i s 趾dd 甜v a t i o no ff o r m u l af o r c u l a l i o nm c t h o do fb r a k ee 伍c i e n c yf k t o r ，b r 凼n gt o r q u e 锄dt l l ep 甜峪l 培b f a k e p e r f 0 册锄c e0 nt l l es 1 0 p e 锄ds oo n a n dt h s p e c i f i c a l l ye l a b o r a t c da n d 跚删皿a r i z e d d e s i 伊r e q u i r c 釉t s ，e v a l u a t i o ni i l d 懿觚do u rc o u n t d ，sl a w sa n dr c g i l l a t i o 璐o f a u t o m o 廿v eb 忸l ( i n gs y s t 锄a n da n 甜y z e de v a l u a t i o nm 战h o d so fa u t o m 0 6 v eb 均k 访g p e r 】b 衄锄c e f i i l a j l y ，d e s i 印e das p e c i a la u t o m o t i v eb n l 【i i l gs y s t 锄o fad o m e s 6 cc 甄 觚de v a l u a t 酣枷锄a l y z e di t sp 酬f 0 m l 锄c e a n dt 1 1 锄嘲b l i s h 酣am a m 锄a t i c a l m o d e lw k c ha i l n e d 砒g e t t i n g 也em o s ti d e a ls y n c h 删s ma d h e s i c o e 伍c i e m m r o u 曲锄a y z i i l gb r a k i i l gf o r c em s t r i b u t i o no f 舢胁m o t i v eb r a k i i l gs y s t e m w 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汽车工业发展一百多年来，人类的智慧被源源不断地融入到汽车科技之中，使汽车 工业得到突飞猛进的发展。当今社会，随着汽车工业迅速发展和人们消费水平日益提高， 汽车已经成为最重要的交通工具和人类社会活动中的必需品。 我国自改革开放以来，人民生活水平不断得到提高，汽车工业也迅速发展，汽车需 求量也保持快速增长。国家统计局的统计数据记载了我国每年汽车产量，如表1 1 所示， 可以清晰看到我国的汽车产量从1 9 9 5 年年产1 4 5 2 7 万辆到2 0 1 0 年1 8 2 6 5 3 万辆，其中 轿车产量由1 9 9 5 年的3 3 7 0 万辆增到2 0 l o 年的9 5 7 5 9 万辆，轿车所占比例也从2 3 2 0 提升到了5 2 4 3 ；可以看出2 0 1 1 年汽车总产量为1 9 9 5 年的1 2 6 7 倍，而轿车则超过 3 0 倍。轿车产量和保有量的不断攀升，加快了全世界工作生活节奏，人类生活面貌也得 到改善，对人类社会的进步有着积极的意义。 表1 1近年来我国轿车产量和保有量 1 a b 1 lc h m a s 卸t op r o d u c t i o n 锄do w n e r s h i po f r e c ty e a 娼 年份 汽车产量( 万辆)轿车产量( 万辆)轿车比例( )总保有量( 万辆) 1 9 9 5 1 4 5 2 7 3 3 7 02 3 2 01 0 4 0 0 0 1 9 9 61 4 7 5 23 8 2 92 5 9 61 1 0 0 o o 1 9 9 71 5 8 2 54 8 6 03 0 7 l1 2 1 9 0 9 1 9 9 81 6 3 0 05 0 7 13 1 1 11 3 1 9 3 0 1 9 9 91 8 3 2 05 7 1 03 1 1 71 4 5 2 9 0 2 0 0 02 0 7 0 06 0 7 0 2 9 3 2 1 6 0 9 o o 2 0 0 l2 3 4 1 77 0 3 63 0 0 51 8 0 2 0 0 2 0 0 23 2 5 1 0 1 0 9 2 03 3 5 92 0 5 3 0 0 2 0 0 34 4 4 3 92 0 7 0 84 6 6 02 3 8 3 0 0 2 0 0 45 0 7 4 l2 3 1 4 0 4 5 6 02 7 4 2 0 0 2 0 0 55 7 0 4 9 2 7 7 0 l 4 8 5 64 3 2 9 0 0 2 0 0 67 2 7 8 93 8 6 9 45 3 1 64 9 8 5 0 0 2 0 0 78 8 8 8 9 4 7 9 7 85 3 9 8 5 6 9 7 0 0 2 0 0 89 3 0 5 95 0 3 8 l5 4 1 46 4 6 7 0 0 2 0 0 9 1 3 7 9 5 37 4 8 4 85 4 2 67 6 1 9 0 0 2 0 1 01 8 2 6 5 39 5 7 5 95 2 4 39 0 8 6 0 0 2 0 l11 8 4 1 6 0 1 0 1 2 7 05 4 9 91 0 5 7 8 0 0 汽车作为人们生活中的重要交通工具，给人们带来快捷和方便的同时，也带来了一 些危害，如空气污染、噪声污染、交通事故等。随着科学技术的不断进步，以及道路施 l 轿车制动系统的设计与优化 工水平不断提高，汽车速度不断提高，汽车产量和保有量的不断增长，使得道路交通安 全问题己成为当今世界性的社会问题。世界卫生组织2 0 1 1 年5 月发表的道路安全“事 实档案”指出，全球每年约有1 3 0 万人死于道路交通事故，并有2 0 0 0 万至5 0 0 0 万人遭 受非致命伤害，而我国则是世界上发生交通事故最多、最严重的国家之一 5 0 】。从二十 世纪八十年代末中国交通事故年死亡人数首次超过五万人至今，中国大陆地区每年交通 事故5 0 万起以上，因交通事故死亡人数均超过1 0 万人，已经连续十余年居世界第一。 道路交通事故起数及死亡人数仍呈逐年上升趋势，且上升幅度逐年加大，这种趋势在随 后几年中可能继续保持。严峻的现实使人们不能不正视汽车安全性问题。于是，汽车安 全性的研究已经成为汽车研究的重点方向。 汽车的制动性能是衡量汽车安全性的一个重要标准。有关轿车安全性研究资料表明 约4 0 道路交通事故与轿车的制动系统有关，重大交通事故中往往存在制动距离过长、 侧滑等情况。据研究显示，存在人身伤亡的交通事故中，在潮湿路面上约l 3 发生汽车 侧滑、跑偏，冰雪路面上则达到7 0 8 0 。有分析指出约有5 0 的侧滑、跑偏是由 制动系统引起的【1 0 】。因此，汽车的制动性能与人民的生命财产安全息息相关。由于道 路行车密度的日益增大，交通事故频繁发生，引起了人们对道路交通安全的密切关注。 种种因素决定人们对制动系统的要求将更加苛刻。大量的汽车工程师为改善汽车制动性 能倾注了无数心血。 1 2国内外制动系统技术概况 国外汽车工业发展较早，7 0 年代己进入自动化阶段，汽车传统设计方法已被优化设 计、计算机数字仿真、可靠性设计等现代设计方法所取代。c a d 是现代汽车设计的重 要手段之一，主要应用于汽车的总布置，车身造型，零部件优化及汽车动态性能分析。 开发汽车新产品时应用c a d 技术，大大缩短产品开发周期，优化汽车性能，提高产品 质量，降低开发成本，增强市场竞争。事实证明：由于发达国家汽车公司重视计算机技 术，他们的产品开发周期短、品质优、成本低。七十年代初，美国密西根大学就在汽车 制动动态过程研究中应用计算机模拟技术，利用简练的汽车动力学模型编制了模拟小客 车、载货车和牵引车一挂车制动及操纵的三种计算机仿真程序【4 4 】。1 9 9 4 年日本五十铃 公司开发了汽车制动系专家设计专家系统，用于制动系统设计的开发研究，使得汽车具 有良好的制动性能，在省人力、省时间的条件下得到最佳方案 1 4 】。 随着我国高级别公路的大量兴建，汽车平均行驶速度不断提高，车流密度不断增加， 汽车制动性能面临着日趋严峻的考验。我国汽车标准与法规也逐渐与国际接轨，我国强 制性标准g b l 2 6 7 每1 9 9 9 车制动系统结构、性能和试验方法基本沿用了e c e r l 3 以及g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件 也对制动系统结构 2 西华大学硕士学位论文 和性能作出了严格规定。近年来国内学者在汽车制动系统优化研究方面做出了大量努 力。 1 9 8 4 年，南京汽车修配厂的穆占平对装有制动力调节器汽车的同步附着系数进行了 探讨，认为当汽车的b 曲线与i 曲线所围成的区域面积最小时，就是b 曲线与i 曲线最 接近的情况，并得出了使汽车获得最接近理想制动性能的同步附着系数【3 2 】。1 9 9 9 年， 重庆大学舒红开发了汽车制动系设计计算软件，可以用于轻、中型汽车液压制动系的基 本设计计算、制动性能优化设计及制动性能预测 3 3 】。2 0 0 3 年，沈阳工业学院陈克以制 动效能因数为优化目标，建立了鼓式制动器通用的优化设计数学模型，利用m a t l a b 优化 工具箱进行了优化分析计算【1l 】。2 0 0 4 年，重庆红宇精密工业有限责任公司技术中心刘 力平总结了汽车制动系统设计开发思路及方法，对各企业机构研究开发制动系统的一定 指导意义【4 l 】。2 0 0 5 年，上汽汽车工程研究院的孙益民在上海汽车上发表文章基于 m a t l 也的汽车制动系统设计与分析软件开发，文章介绍了根据整车制动系统开发需 要，利用脚l 蛆平台开发的汽车制动系统的设计和性能仿真软件，该软件用户界面和 模块化设计方法可有效缩短开发时间，提高设计效率 3 4 】。2 0 0 9 年，中国第一汽车集团 公司技术中心王宣锋等以理想制动力分配曲线与实际应用的两段不同斜率制动力分配 线之间面积最小为优化目标，同时保证满载状况时的制动效率不小于7 5 ，优化设计了 某微型客车变比值的制动力分配曲线。对制动力分配曲线优化前、后的微型客车制动距 离进行的对比计算表明，优化后的微型客车制动距离明显减小 3 l 】。 轿车制动系统设计一般有两方面的工作：首先是结构参数的设计，包括如何确定汽 车的制动力分配：其次是整车制动性能预测。这两项工作通常交叉进行。轿车制动系统 结构复杂，零部件多，布置多样，计算方法差异大，因而其设计工作量较大。传统的设 计工作都是手工操作的，为了获得比较满意的制动性能，通常要多次调整修改、试算， 最终找到比较合适的设计方案，然后样车制动试验结束后，再分析其主要参数和性能是 否满足要求。而借助计算机，可以方便快捷地在设计之初对汽车制动性能、重要相关参 数进行准确的计算分析，建立汽车制动过程数学模型，模拟实际制动过程。因此利用计 算机工具对于改善设计人员的工作状态、提高设计效率、缩短新产品开发周期、提高工 作结果的直观性，特别是提高整车制动性能具有非常重要意义。 1 3 论文目标及内容 汽车的制动性是汽车的主要性能之一，也是评价汽车安全性的一个重要依据，它与 人们的生命和财产安全息息相关。改善汽车的制动性能，使制动系统工作可靠，性能优 良，是汽车设计制造和使用部门的重要任务。因此，轿车制动系统设计优化、分析研究 对于提高轿车安全性具有十分重要意义。 本文以某国产轿车为研究对象，从性能要求的角度，优化调整了其制动力分配情况， 3 轿车制动系统的设计与优化 使制动系统同时具有较好的方向稳定性和较高的制动效率的最接近理想状态的制动特 性。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析汽车制动系与人类生活的重要关系，介绍国内外汽车制动系统设计技术 研究概况。 ( 2 ) 对轿车制动系统结构型式进行归纳分析，从不同类型制动器的角度阐述制动 系统基本工作原理，并总结鼓式和盘式制动器的优缺点。 ( 3 ) 分析制动系性能，建立汽车制动系统制动时受力的数学模型，重点分析制动 力分配、利用附着系数、制动力矩、制动效能因数和斜坡驻车制动能力等。 ( 4 ) 论述汽车制动系统性能评价方法，对轿车制动系统设计要求和我国制动法规 关于汽车制动系的规定要求进行具体的阐述和归纳分析。 ( 5 ) 以某国产轿车为研究对象，对其制动系进行设计计算，对其计算结果进行理 论分析研究。 ( 6 ) 优化设计制动系，以制动系性能理论分析为基础，建立优化目标函数和约束 函数，利用m a l r i a b 优化工具箱，对制动系进行优化设计，并对分析结果进行理论分 析研究。 4 西华大学硕士学位论文 2 制动系统总成分析 本章通过分析说明汽车整车制动系统分类形式及其基本工作原理，总结分析鼓式制 动器和盘式制动器的优劣势。 2 1 制动系统形式 制动系统有多种分类方式。按不同功能分，可分为行车制动系、应急制动系、驻车 制动系和辅助制动系【1 】；行车制动系能使行驶中的汽车减速或停车：当行车制动失效时， 应急制动系可保证汽车减速或停车的功能，许多国家已规定汽车必须具备应急制动功 能；驻车制动系则使汽车驻留原地；辅助制动系常用于稳定车速，汽车下长坡时若单靠 行车制动系来稳定车速，可能导致制动器过热而降低制动效能，因此常行下坡的汽车还 应有辅助制动。根据制动系制动能源分，可分为人力、动力和伺服制动系 1 】：人力制动 系统唯一制动能源是驾驶员的人力；动力制动系则完全由发动机提供能源；伺服制动系 统则综合利用人力和发动机动力进行制动。 如果按能量的传输方式分类，制动系统有机械式、液压式、气压式和电磁式之分， 同时采用两种以上能量传输方式的制动系统，则称为组合式制动系统。若传动装置采用 单一的气压或液压回路，则称之为单回路制动系统，这种系统中，只要有一处损坏而漏 气( 油) ，整个制动系统即行失效。因此我国自1 9 9 8 年1 月1 日起，规定所有汽车必须 采用双回路制动系统。双回路制动系统有效提高了制动驱动机构的工作可靠性，保证行 车安全。由于所有行车制动器的气压或液压管路分属两个或更多个相互独立的回路，这 样，即使其中一个回路失效，其它回路仍能可靠地工作 1 】。 2 2 制动系统工作原理 汽车制动系统是用于使行驶中的轿车减速或停车，使下坡行驶的轿车的车速保持稳 定以及使已停驶的轿车在原地( 包括在斜坡上) 驻留不动的机构【5 】。下面以一种简单液 压制动系工作原理示意图来说明其工作原理，如图2 1 所示。 由图2 1 可以看出，金属制动鼓8 的工作表面是内圆柱面，它固装在车轮的轮毂上， 随车轮共同转动。制动底板1 1 固定不动，上面有两个支承销1 2 ，支承着两个弧形制动 蹄l o 的下端。制动蹄的外圆柱面上装有摩擦片9 。液压制动轮缸6 装在制动底板上，用 油管5 与装在车架上的液压制动主缸4 相连通。主缸活塞3 可由驾驶员通过制动踏板l 推动推杆2 来操纵。 轿车制动系统的设计与优化 图2 1制动系统工作原理示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g 砌【1 1o f b r a 】k i l l gs y s t 锄sw o r k i n gp 血c i p l e 1 制动踏板2 推杆3 主缸活塞4 制动主缸5 油管6 锖0 动轮缸7 轮缸活塞8 席0 动 鼓9 摩擦片1 0 制动蹄11 制动底板1 2 支承销1 3 制动蹄回位弹簧 制动系统不工件时，制动鼓的内圆柱面与制动蹄摩擦片的外圆柱面之间保持一定间 隙，使制动鼓及与之固定在一起的车轮可以自由旋转。当需要使制动系统工作时，驾驶 员踩下制动踏板1 ，通过推杆2 和主缸活塞3 ，使制动主缸4 内的制动液在一定压力的 作用下流入制动轮缸6 ，并通过两个轮缸活塞7 推动两制动蹄1 0 绕支承销1 2 转动，使 其摩擦片压紧在制动鼓8 的内圆柱面上。这样，不旋转的制动蹄1 0 就对旋转着的制动 鼓8 产生一个与车轮旋转方向相反的摩擦力矩。这个摩擦力矩通过制动鼓8 传到车轮， 由于车轮和地面间的附着作用，车轮对地面作用一个向前的边缘力，同时地面也对车轮 产生着一个向后的反作用力，即制动力。制动力由车轮经车桥等传给车架和车身，使整 车产生一定的减速度，制动系统产生效果。当松开制动踏板时，制动蹄回位弹簧1 3 就 将制动蹄拉回原位，制动蹄与制动鼓之间的摩擦力矩和地面对车轮的制动力也随之消 失，制动作用即行终止 1 。 制动系统制动器有鼓式和盘式之分，图2 1 所示就是鼓式制动器工作原理图，盘式 制动器工作原理图如图2 2 所示。 盘式制动器摩擦片面积有所不同，故分为全盘式和由钳盘式。而钳盘式其由于固定 元件的差异，又分为定钳盘式和浮钳盘式制动器。图2 2 即为间单的定钳盘式制动器工 作原理图，可以看到，制动钳体5 跨置在制动盘1 上，并固定安装在车桥6 上，它不能 旋转也不能沿制动盘轴线方向移动，其内的两个活塞2 分别位于制动盘1 的两侧。制动 时，制动油液由制动主缸经进油口4 进入钳体中两个相通的液压腔中，将两侧的制动块 6 西华大学硕士学位论文 3 压向与车轮固定连接的制动盘1 ，从而产生制动。 厂、 f r 一 l r l - 业 ，镰p 。 一 - 碍目 凰 i 一 熟 j 飞 勘 | | 一 |鞫 | | j 图2 2定钳盘式制动器示意图 f i g 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i s cb r a k ew i mf e dc a l i p e r 1 制动盘2 活塞3 摩擦块4 进油口5 制动钳体6 车桥 众多资料分析显示，盘式制动器比鼓式制动器存在更多优点： ( 1 ) 热稳定性好。由于制动盘与摩擦衬块间无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦 因数的影响较小：另外，摩擦衬块的尺寸不大，散热性也较好。 ( 2 ) 水稳定性好。制动衬块对制动盘的压强高，易将沾附的水挤出，同时离心力也易 将沾水甩出，另外衬块对盘的擦拭作用，也可使沾水制动器经一两次制动即能恢复正常， 而鼓式制动器则需经十余次制动方能恢复正常的制动效能。 ( 3 ) 制动稳定性好：制动力矩与油缸的活塞推力及摩擦系数成线性关系，且无增力 作用，因此在制动过程中制动力矩的增长较缓，能保证较高的制动稳定性。 ( 4 ) 制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会像制动鼓那样因热膨胀引起制动器间 隙明显增加，最终导致制动踏板行程过大。 ( 5 ) 盘式制动器间隙自动调整装置的易于设计，其保养修理作业也较简便。 ( 6 ) 在输出的制动力矩相同的条件下，盘式制动器结构尺寸和质量一般比鼓式小。 ( 7 ) 制动力矩与汽车前进倒退等行驶状态无关。 ( 8 ) 摩擦副( 制动衬块) 更易更换，结构也较简单，维护、保养更容易。 ( 9 ) 制动驱动机构的力传动比有增大的可能，这是因为制动盘与摩擦衬块间的间隙 小，缩短了油缸活塞的操作时间。 ( 1 0 ) 易于构成多回路制动驱动系统，提升系统的可靠性与安全性，以保证汽车在任 7 轿车制动系统的设计与优化 何车速下各车轮都能平稳制动。 。一 ( 11 ) 能方便实现制动器磨损报警，以便及时地更换摩擦衬块。 盘式制动器也存在一些不足之处： ( 1 ) 除封闭的多片全盘式制动器外，大部盘式制动器难于完全防止尘污和锈蚀。 ( 2 ) 兼作驻车制动器时，所需附加的驻车制动传动机构较复杂，因此在后轮应用受 到限制。 ( 3 ) 由于无自行增力作用，制动效能较低，故液压式制动系所需管路压力较高，常 需伺服装置协同作用。 目前，盘式制动器广泛用于轿车，但除部分高性能轿车用于全轮以外，其余大部分 只做前轮制动器，而后轮用鼓式制动器与之相配合，以期获得汽车在较高车速下制动的 方向稳定性。 2 3 本章小结 本章阐述分析了汽车整车制动系统分类形式，并简要说明了制动器基本工作原理， 总结分析出盘式制动器存在一定的不足之处，但其综合性能比鼓式制动器要好。 3 西华大学硕士学位论文 制动系性能分析 本章将对轿车制动系统性能进行理论分析，分析讨论制动时的受力模型和制动力分 配情况，并对利用附着系数、制动力距和制动效能因数的计算方法以及轿车在斜坡上驻 车能力的计算进行阐述和理论推导。 3 1 制动时车轮的受力分析 制动时，车轮所受的力从不同角度理解可分为地面制动力、制动器制动力和附着力 三种【1 0 】。 地面制动力是指由地面提供使汽车受到与行驶方向相反的外力，常以只。表示，它 对汽车制动性能起着决定性作用。制动器制动力是由制动器产生的，指在轮胎边缘为克 服制动器产生的摩擦力矩所需的力，以符号e 表示。附着力则表示轮胎与路面附着情况， 其大小是车重与路面附着系数的乘积，即= c 伊，其中丘表示车轮垂直载荷，缈表示 路面附着系数。 ，。 制动力系液压力p 。 制动踏板力巳 图3 1地面制动力、制动器制动力和附着力的关系 f i g 3 - l r c l a t i o n s l l i p b e p 啪锄m a db 础i i l gf 1 0 r a c ，s y s t 锄b m l 【i i l gf 0 r c e 觚da d l l e s i v ef o r c e 制动时，只考虑滚动和抱死拖滑两种情况。如图3 - 1 所示，随着踏板力的不断加 大，制动器制动力冗不断增加，地面制动力厶也随之同等增大。当踏板力增加到一定 值后( 系统液压力p a 时) ，e 继续增加，而厶不再增加，保持与附着力c 相等，即有 最大地面制动力民一= l 。总之，汽车的地面制动力首先由制动器制动力决定，但同 9 轿车制动系统的设计与优化 时要受地面附着条件的约束，故只有同是满足足够的制动器制动力和路面附着力，才能 获得足够的地面制动力。 3 2 制动力分配讨论 通常而言，如果制动器的制动力足够时，制动过程汽车可能出现以下三种工况【1 0 】， 即： ( 1 ) 前轮提前抱死拖滑，后轮再抱死拖滑； ( 2 ) 后轮提前抱死拖滑，前轮再抱死拖滑； ( 3 ) 前、后轮同时抱死拖滑。 汽车理论已证明，情况( 1 ) 为稳定工况，但制动时汽车丧失转向能力，附着利用情况 并不好；情况( 2 ) 后轴可能出现侧滑，属于不稳定工况，附着利用率也低；而情况( 3 ) 可 以防止后轴侧滑，且只有在最大制动强度下，汽车前轮才失去转向能力，与前两种情况 相比，附着条件的利用也较好。 3 2 1地面对车轮的法向作用力 不考虑汽车的滚动阻力、空气阻力、旋转质量的惯性力所产生的力偶矩，汽车在水 平路面上制动时，受力情况如图3 2 所示。 图3 2 制动时汽车的受力图 f i g 3 - 2a u t 锄o d v ef o r c ed i a 孕锄w h 衄b m k i n g 如果对汽车前、后车轮同时进行力矩平衡分析，再根据汽车理论，令! = z g ，其 口f 中z 称为制动强度，可得制动时地面对前、后轴的法向反作用力为 i o 西华大学硕士学位论文 e 掣 t ? 式中，e t 、兄：( n ) 为汽车制动时地面对前、后轮的法向作用力；g ( n ) 为车 汽车的质量：警( 脚s 2 ) 为汽车的减速摩：以( m m ) 为质心高度。 如果前、后车轮都己抱死，则有凡= = ，馏矽或是等= 馏。地面的法向反作用力 3 2 2 理想制动力分配 汽车理论已分析得出，只有汽车前、后轮同时抱死，才有利于附着条件的利用和汽 车制动时的方向稳定性；此时前、后制动器制动力e 。和e ：的关系曲线常称为理想的前、 后制动器制动力分配曲线，简称i 曲线。汽车制动时要得到前、后车轮同时抱死，必须 满足两个条件【1 0 】：一是全部制动器制动力之和与整车附着力相等，二是前、后轮制动 器制动力分别与各自的附着力相等，即 i ，+ 瓦2 = 妒 e l = e i 妒 ( 3 - 3 ) 【冗2 = 互2 缈 消去9 ，可以得到： 耻采厅甄一隆瓦 ( 3 4 ， 式( 3 4 ) 即可描述前、后车轮同时抱死时前、后车轮制动器制动力的关系，即理 想的制动器制动力分配曲线( i 曲线) 。如图3 3 给出了某汽车空载和满载两种工况的理 想制动器制动力分配情况。 3 2 3 实际制动力分配 实际上，不少汽车前、后轴制动力的分配并不能按理想曲线变化，几乎都为一个固 j一、纠一 丝 竺掣掣 忙一如一 d g 一 轿车制动系统的设计与优化 定值。制动器制动力的分配情况常用前轮制动器制动力占汽车总制动力的比例来表示， 这个比值称为制动力分配系数，常用符号来表示，即 p 侈= 卫 ( 3 5 ) 。 e 式中e ，为前制动器制动力；e 为汽车总制动器制动力，e = c ，+ e ：，e ：为后制 动器制动力。 整理成前、后制动器制动力的关系为： 丘：l 21 一声 ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 即为实际前后制动器制动力分配曲线，称为曲线。若以e 为横轴，以e ： 为纵轴，作出式( 3 6 ) 的曲线图，可看出曲线是一通过原点的直线，其斜率为 t a i l p = 警，如图3 3 所示。 f u l ，n x1 0 图3 3 制动力分配曲线 f i g 3 - 3b r a l c i n gf - o r d i s t r i b u d c u r w 图3 3 中，b 曲线与i 曲线的交点所对应的附着系数，称为同步附着系数，它决定 于汽车结构，是反映汽车制动性能的一个参数，此时的制动减速度称为临界减速度。具 有固定制动力分配比的汽车，只有在同步附着系数的路面上制动时才能使前、后制动器 同时抱死。 1 2 1 1 1 1 1 z 乙丁k 西华大学硕士学位论文 为： 由解析法求得同步附着系数时，根据式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 6 ) ，可得同步附着系数 。l p b = 彳 ( 3 - 7 ) 3 2 4 带感载比例阀的实际分配 对于具有固定分配比值的制动系统，其实际制动力分配与理想分配相差很大，附着 效率低，前轮可能因提前抱死而失去转向能力，后轮也可能提前抱死而发生汽车后轴侧 滑的危险工况。感载比例阀( 1 0 a ds s i n gp r o p o n i o nv a l v e ，简称l s p 等制动力调节装置 可以改变前、后制动器制动力的分配比值，它是在比例阀的基础上通过感载机构改变感 载弹簧的预紧力，实现输出压力的增长率小于输入压力的增长率，从而达到使前后轴制 动力分配尽量接近理想分配曲线的目的，满足制动法规的要求。 感载比例阀的感载机构与后桥相连，阀体装在车架上，其结构原理图如图3 4 所示。 p a 2 l 一一阀门 2 一滑阀 3 一感载弹簧 4 一感载杠杆 tp l 输入液压 p 2 一输出液压 a 卜一液压输入端有效 k 面积 a 2 一液压输出端有效 面积 卜一预紧力 k 感载弹簧刚度 t 一感载弹簧预紧力 图3 - 4 感载比例阀结构示意图 f i g 3 _ 4 s 仃1 l c t i i i a ls c h 锄a t i cd i a g r 锄o fl s p v 未制动时，由于预紧力f 力作用，使得阀门1 打开，a 和仍口连通，开始制动时， 只印2 ；由于鸣 4 ，故滑阀2 上下两端面有压差：仍彳2 啊4 = a ( 4 4 ) ，a 增大， 使得压差a ( 4 4 ) 大到足以抵消预紧力，时，滑阀2 处于不稳定平衡状态，此时令 p a = 只，则n = _ ，其中以为比例阀压力调整点，显然，见跟预紧力f 有关，即 心一1 可通过汽车装载情况来调节只；a 再增大，a 见时，阀门1 关闭，形成瞬间平衡状 态，对滑阀2 有： 1 3 轿车制动系统的设计与优化 a 4 + ，= 仍4 当a 大到一定程度，有a 4 + ， 见4 ，阀门1 打开，见上升，如此往复，使得见 始终低于a ，并形成一定比例，即p ：= p - 砉+ 主，这也是感载比例阀的静态特性，如 图3 5 所示。 图3 5 装有感载比例阀后的液压分配曲线 f i g 3 - 5 h y d m u l i cp r e s s u 他d i s 伍b u b c l 盯v e 、加也l s p v 其中，p 。：_ ! _ ，称为调整压力，令善= 粤，称为感载比。 4 彳，一么 。 厶 3 3利用附着系数与制动效率 为了避免后轴侧滑或前轮丧失转向能力，汽车在制动时，最好不出现任何车轮抱死 的工况。因此，汽车能产生的最大制动减速度应是车轮临界抱死时的制动减速度。 有学者如此描述：汽车以一定的减速度制动时，除去制动强度z = 外，不出现车 轮抱死时所要求的( 最小) 路面附着系数总大于其制动强度【l o 】。这个要求的最小路面附 着系数就称为汽车在该制动强度时的利用附着系数，其定义为： 仍= 每 限趵 其中，仍为第i 轴对应于制动强度z 的利用附着系数；为对应制动强度z 时， 汽车第i 轴产生的地面制动力；巴为对应制动强度z 时，地面对第i 轴的法向反作用力。 1 4 西华大学硕士学位论文 显然要使地面的附着条件充分发挥，汽车的制动力更合理地分配，就要求利用附着 系数与制动强度更接近。图3 6 为利用附着系数与制动强度的关系曲线，通常用来描述 汽车制动力分配特性。具有理想的制动力分配的汽车，其利用附着系数总是等于制动强 度，即图中的对角线9 = ：。 镧功强噬； 图3 击利用附着系数与制动强度的关系曲线 f i g 3 - 6r e l 撕锄s h i pb e 咐nu t i l i z a l i o na d h 船i c o e f f i c i 饥t 锄db r a l c i n gs 仃e n g t h 下面分别求出前轮或后轮提前抱死时，前、后轴的利用附着系数。对于前轴，可设 汽车前轴即将抱死或前、后轴即将同时抱死时产生的减速度为如出= z g ，式中z 为制 动强度。则有如下关系式： c 。：。：旦粤；肚 ( 3 9 ) g 口z 又有， 耻兰( 6 地) ( 3 1 0 ) 故，前轴利用附看系数为o 9 ，：盘= 一 ( 3 11 ) 1 k婶+ z h | ) | l 同理，可求得后轴的利用附着系数为： 仍= 芒彘 俘 i 口一z 1 ，l 通常还用制动效率来描述地面附着条件的利用程度，并说明实际制动力分配的合理 1 5 轿车制动系统的设计与优化 性。制动效率是车轮不锁死的最大制动减速度与车轮和地面间附着系数的比值，即车轮 将要抱死时的制动强度与被利用附着系数之比。贝0 可得到前、后轴的制动效率分别为： e ，= 三= 皇生二 ( 3 1 3 ) j 。甲f p qf h g | l e = 寺2 确蔫硒 。州) 9 ru p ) + 9 r ，l | l 3 4 制动蹄摩擦表面的压力分布规律 掌握制动蹄摩擦表面的压力分布规律，有助于正确分析计算制动效能因数。在通常 的近似计算中可以只考虑摩擦衬片径向变形的影响，其它零件的影响较小，可忽略，故 近似计算时，通常作如下假设【5 】： ( 1 ) 制动鼓、制动蹄是绝对刚性的； ( 2 ) 受到外力作用时，只有摩擦衬片发生变形； ( 3 ) 压力与变形量遵守胡克定律。 b 图3 7 制动蹄摩擦衬片径向变形简图 f i g 3 7 s c h 锄觚cd i a g r a m 衙m d i a ld e f l o 肋a d 伽o f b 捌cs h s 伍c t i l i n i n g 通常，制动蹄的形式可设计成具有一个自由度和具有两个自由度两种情况。本文只 讨论绕支承销转动的蹄片，这种蹄片只有一个自由度，如图3 7 所示。 如图3 7 所示，摩擦衬片受张开力和摩擦力的作用，绕支承销中心彳转动角度d y 。 摩擦衬片表面任意一点b 沿制动蹄转动的切线方向的变形就是线段b b ，其径向变形分 量是线段b b 在半径o b 延长线上的投影，即线段b c 。由于d y 很小，可认为伽= 9 0 。， 1 6 西华大学硕士学位论文 则所求摩擦衬片的径向变形为： 磊= 丑c = 船s i i ly = 肋s i i l 7 由于伽= ，则三角形a o b 为等腰三角形，可知 彳召 一= ：一 s i n 口 s i n ， 代入上式，得到摩擦衬片的径向变形和压力为： i 艿i = ，2s i n 冽y 1 口= g 。旺s i l l 口 3 5 制动器制动力矩计算 3 5 1 盘式制动器制动力计算 p _ _ _ _ _ h 纛 目 豳 r l 盘式制动器的计算简图 fi38 s c h a t i cd i a 蛐f o r c a c l a t i o no fi sb r a c e(35) ( 3 6 ) 器制动时力矩计算可用图3 8 所示简图表示。假设衬块的摩擦表面与制动 盘接好，且各处压力分布均匀，则盘式制动器的制动力矩为： z 职 7 ) 式中，：为摩擦衬块和制动盘之间的摩擦系数； 制动块对制动盘的压紧力； 半径，常取平均半径如或有效半径r 。 为摩擦衬块的内半径和外半径，如图3 - 9 所示，则平均半径为： 8 )1 7 轿车制动系统的设计与优化 图3 9 制动盘作用半径计算图 f i g 3 9s c h 锄a t i cd i a g r a mf ；盯c a 砌撕o no f b 同d i s c sa c t i m d i 璐 在图3 9 中，任取一微元面积尺d r d ， 力对制动盘中心的摩擦力力矩为西r 2 掀彬， 压力，则单侧衬块对制动盘的总摩擦力为 其对制动盘的摩擦力为研尺搬d ，该摩擦 其中g 为衬块与制动盘之间单位面积上的 z p = j ：西尺搬d 妒= 瓠( 2 一砰) 9 单侧制动衬块作用于制动盘上的制动力矩为 孚= 西尺2 积却= ；瓠( 3 一砰) p ( 3 1 9 ) 代入有效半径r 得到： 弓_ 2 石揿。 ( 3 二2 0 ) 于是得到有效半径： r = 杀寺黼= 秆鼎 c 华， 2 ， ，若令里= 朋。则有 足2 升南卜 2 2 ) 因为m ：里 l ，得到熹 疋。如果脚_ 1 ，则墨一，r 心。 ( 1 + m ) 。 4 ” ” 如果小 l ，即m 过小时，摩擦衬块扇形的径向宽度太大，摩擦表面在不同半径处的滑 磨速度相差太大，磨损不均匀，导致单位压力分布不均匀，上述计算方法失效。通常情 1 8 西华大学硕士学位论文 3 5 2 鼓式制动器制动力计算 实际计算中，通常采用由张开力f 计算鼓式制动器制动力矩乃