FSAE赛车制动系统结构设计毕业设计论文.doc

FSAE赛车制动系统结构设计毕业设计论文第一章 绪论1.1 前言由美国车辆工程师学会于1979年开办的FSAE（Formula SAE）国际学生方程式赛车，在国际上被视为是“学界的F1方程式赛车”。比赛过程要求各参赛队伍按照赛事规则和赛车制造标准，在1年的时间内自行设计和制造出1辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。比赛分为静态赛和动态赛两项。静态项目包括制造成本报告、营销报告和技术设计报告；动态项目包括直线加速、8字环绕、高速避障、耐久赛和燃油经济性测试。FSAE在2010年才正式进入中国，但短短两年已得到众多高校的关注。目前，很多文献都是研究乘用车和商用车的制动系统的设计，前后制动力的匹配等，都是以ECE制动法规和GB126761999给出的制动要求为前提。然而FSAE 方程式赛车是一种比较特殊的车型，因为车的设计目的是参赛，以及涉及到轮胎等与传统车辆的不同因素，所以不能一味地以乘用车的标准去设计。因此本文提出了一套适用于FSAE方程式赛车制动系统设计的方法。1.2 制动系统的基本概念使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车的速度保持稳定，以及使已停驶的汽车保持不动，这些作用统称为制动；汽车上装设的一系列专门装置，以便驾驶员能根据道路和交通等情况，借以使外界（主要是路面）在汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，对汽车进行一定程度的制动，这种可控制的对汽车进行制动的外力称为制动力；这样的一系列专门装置即称为制动系。这种用以使行驶中的汽车减速甚至停车的制动系称为行车制动系；用以使已停驶的汽车驻留原地不动的装置，称为驻车制动系。这两个制动系是每辆汽车必须具备的。由于本次设计FSAE赛车主要是针对竞赛，所以仅进行行车制动系统的设计。任何制动系都具有以下四个基本组成部分：供能装置：包括供给、调节制动所需能量以及改善传能介质状态的各种部件。控制装置：包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件。传动装置：包括将制动能量传输到制动器的各个部件制动器：产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力（制动力）的部件，其中包括辅助制动系中的缓速装置。按制动能源来分类，行车制动系可分为，以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系称为人力制动系；完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制动的则是动力制动系，其制动源可以是发动机驱动的空气压缩机或油泵；兼用人力和发动机动力进行制动的制动系称为伺服制动系。1.3 制动系统研究现状目前，在一般车辆上主要还是采用盘式和鼓式制动器的组合形式。虽然盘式制动器的使用经济性现在有所提高，但是与鼓式制动器比起来还是贵得多。当然，气压盘式制动器的性能更优越，内衬的使用寿命更长，维修间隔和保养技术也进一步提升。摩擦材料现在更大程度的向有机材料类型转变，这对盘式制动器的发展来说是一个契机，可以使得气压盘式制动器在更高的温度下运行，而鼓式制动器材料是不能承受这样的温度的。鼓式制动器的发展已经达到了最高限度。在材料选择方面：80年代之前，国内外都主要采用有石棉树脂型摩擦材料用于汽车制动，但因石棉摩擦产生有毒粉尘吸入人体后对肺产生影响，以及产生环境污染，同时在高速、高温下，石棉材料的强度、摩擦系数、耐磨性能等均下降，因此，汽车制动系无石棉化已是一种必然的发展趋势。国外从70年代就开始禁止采用石棉用做制动材料，我国在1999年修改的GB12676-1999法规也明确规定“2003年10月1日之后，制动衬片应不含石棉”。目前国际上第三代摩擦材料诞生无石棉有机物NAO片。主要使用玻璃纤维、芳香族聚酰纤维或其它纤维（碳、陶瓷等）作为加固材料。其主要优点是：无论在低温或高温都保持良好的制动效果，减少磨损，降低噪音，延长刹车盘的使用寿命，代表目前摩擦材料的发展方向。 目前国内多以半金属纤维增强复合摩擦材料应用最为普遍。但一些企业和地方根据本身的特点，也在研究新型摩擦材料，比如由河北工业大学所承担的科研项目“替代石棉制品汽车制动摩擦片的研制”中，采用当地的海泡石纤维来研制摩擦材料取得初步成功；西安交大与广东省东方剑麻集团有限公司联合研制采用剑麻作为增强纤维也初步取得成功，据报道该制动器的摩擦系数、磨损率、硬度、冲击韧性等各项性能均达到国家标准、具有摩擦系数平稳、热恢复性能好、刹车噪音小、使用寿命长、低成本等优点。另外，国内还有人研究采用水镁石做摩擦材料。不同的纤维有不同的优缺点，因此研制一种比较符合各种要求的摩擦材料也就成为人们的追求。但不管如何，未来汽车制动摩擦材料必须是环保化、安全化、轻量化以及低成本的原则。 1.4 FSAE赛车对制动系统的基本要求对于FSAE方程式赛车，根据中国FSC大赛规定对赛车制动系统的要求，FSAE赛车的制动系统必须符合以下基本要求：1. 赛车必须安装有制动系统。制动系统必须作用于所有四个车轮上，并且通过单一的控制机构控制。2. 制动系统必须有两套独立的液压制动回路，当某一条回路系统泄漏或失效时，另一条回路还可以至少保证有两个车轮可以维持有效的制动力。每个液压制动回路必须有其专用的储液罐（可以使用独立的储液罐，也可以使用厂家生产的内部被分隔开的储液罐）。3. 安装有限滑式差速器的车桥，其两个车轮可以使用单个制动器制动。4. 制动系统必须在后述的测试中，能够抱死所有四个车轮。5. 禁止使用线控制动。6. 禁止使用没有保护的塑料制动管路。7. 制动系统必须被碎片护罩保护，以防传动系失效或小碰撞引起的碎片破坏制动系统。8. 从侧面看，安装在赛车簧上部分上的制动系统的任何部分都不可以低于车架或者单体壳的下表面。1.5 课题研究方案 1.制动系统的结构方案分析及选择。分析FSAE方程式赛车制动系统的设计要求，通过比较、计算以及查阅相关资料，选出适合的结构方案。2.制动系统的主要参数及其选择。选择制动力、制动力分配系数、制动强度、最大制动力矩等。3.制动器的设计和计算。根据所选方案与参数，分析计算制动器的制动因数、摩擦衬块的磨损特性，核算制动器热容量和温升等。 4.制动器主要零部件的结构设计与计算。 5.制动驱动机构的结构形式选择与设计计算。 6.综合上述设计与计算，用绘图软件绘制该制动器的零部件图及总布置图。第二章 制动器的结构形式选择汽车制动器几乎均为机械摩擦式，即利用旋转元件和固定元件两工作表面间的摩擦产生的制动力矩使汽车减速或停车。一般摩擦式制动器按旋转元件的形状分为鼓式和盘式两大类。2.1 鼓式制动器结构形式简介鼓式制动器是最早形式的汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛用干各类汽车上。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器（又称蹄式制动器）和外束型鼓式制动器（又称带式制动器）两种结构型式。在汽车制动系中，带式制动器曾仅用作一些汽车的中央制动器，但现代汽车已很少采用。所以，内张型鼓式制动器通常简称为鼓式制动器，通常所说的鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构。鼓式制动器按蹄的类型分为：图 2.1 鼓式制动器简图（a）领从蹄式（用凸轮张开）；（b）领从蹄式（用制动轮缸张开）；（c）双领蹄式（非双向，平衡式）；（d）双向双领蹄式；（e）单向增力式；（f）双向增力式2.2 盘式制动器结构形式简介按摩擦副中的固定摩擦元件的结构来分，盘式制动器可分为钳盘式和全盘式制动器两大类。钳盘式制动器的固定摩擦元件是两块带有摩擦衬块的制动块，后者装在以螺栓固定于转向节或桥壳上的制动钳体内。两块制动块之间装有作为旋转元件的制动盘，制动盘用螺栓固定于轮毂上。制动块的摩擦衬块与制动盘的接触面积很小，在盘上所占的中心角一般仅约3050，所以这种盘式制动器又称为点盘式制动器。其结构较简单，质量小，散热性较好，且借助于制动盘的离心力作用易于将泥水、污物等甩掉，维修也方便。但由于摩擦衬块的面积较小，制动时其单位压力很高，摩擦面的温度较高，故对摩擦材料的要求较高。 全盘式制动器的固定摩擦元件和旋转元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全部接触。其工作原理如摩擦离合器，故又称为离合器式制动器。用得较多的是多片全盘式制动器，以便获得较大的制动力。但这种制动器的散热性能较差，故多为油冷式，结构较复杂。按制动钳的结构型式来划分，钳盘式制动器又可分为固定钳式和浮动钳式两种。1) 固定钳式盘式制动器 如图2.2.1 所示，在制动钳体上有两个液压油缸，其中各装有一个活塞。当压力油液进入两个油缸活塞外腔时，推动两个活塞向内将位于制动盘两侧的制动块总成压紧到制动盘上，从而将车轮制动。当放松制动踏板使油液压力减小时，回位弹簧又将两制动块总成及活塞推离制动盘。这种型式也称为对置活塞式或浮动活塞式固定钳式盘式制动器。 图2.2.1 固定钳式盘式制动器1转向节（或桥壳）；2调整垫片；3活塞；4制动块总成；5-导向支承销；6制动钳体；7轮辋；8回位弹簧；9制动盘；10轮毂固定钳式盘式制动器的应用是早于浮动钳式的，其制动钳的刚度好，除活塞和制动块外无其他滑动件，但由于需采用两个油缸分置于制动盘的两侧，使结构尺寸较大，布置较困难；需两组高精度的液压缸和活塞，成本较高；制动热经制动钳体上的油路传给制动油液，易使其由于温度过高而产生气泡影响制动效果。2) 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；另一种是制动钳体可绕一支承销摆动(见图2.2.2)。因而有滑动钳式盘式制动器和摆动钳式盘式制动器之分。但它们的制动油缸均为单侧的，且与油缸同侧的制动块总成是活动的，而另一侧的制动块总成则固定在钳体上。制动时在油液压力作用下，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受力均等为止。对摆动钳式盘式制动器来说，钳体不是滑动而是在与制动盘垂直的平面内摆动 。这样就要求制动摩擦衬块应预先做成楔形的(摩擦表面对背面的倾斜角为6左右)。在使用过程中，摩擦衬块逐渐磨损到各处残存厚度均匀(一般约为l mm)后即应更换。图2.2.2 浮动钳式盘式制动器工作原理图(a)滑动钳式盘式制动器 (b)摆动钳式盘式制动器1制动盘；2制动钳体；3制动块总成；4带磨损警报装置的制动块总成；5活塞； 6制动钳支架； 7导向销浮动钳式盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸，结构简单，造价低廉，易于布置，结构尺寸紧凑，可以将制动器进一步移近轮毂，同一组制动块可兼用于行车和驻车制动。浮动钳由于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3050，汽化的可能性较小。但由于制动钳体是浮动的，必须设法减少滑动处或摆动中心处的摩擦、磨损和噪声。2.3 盘式制动器的优缺点2.3.1 盘式制动器的优点 与鼓式制动器相比，盘式制动器具有如下优点：1.热稳定性较好，因为制动盘对摩擦衬块无摩擦増力作用；另外，制动摩擦衬块的尺寸不大，其工作表面的面积仅为制动盘面积的12%16%，鼓散热性较好。2.水稳定性较好，因为制动块对制动盘的单位压力高，易于将附着的水挤出，加上离心力作用及衬块对盘的擦拭作用，出水后只需经一到二次制动，制动器即能恢复正常。而鼓式制动器则需经十余次制动方能恢复正常。3.制动力矩与车辆运动方向（前进或后退）无关。4.制动稳定性好。5.易于构成双回路制动系，使系统有较高的可靠性和安全性。6.尺寸小，质量小，散热良好。7.压力在制动衬块上的分布比较均匀，故衬块磨损也均匀。8.摩擦衬块在磨损后比鼓式制动器更换简单容易。9.摩擦衬块与制动盘之间的间隙小（0.050.15mm），缩短了油缸活塞的操作时间，并使制动驱动机构的力传动比有增大的可能。10.易于实现间隙自动调整。11.能方便地实现制动器磨损报警，以便及时更换摩擦衬块。2.3.2 盘式制动器的缺点1.难以完全防止尘污和锈蚀（封闭的多片全盘式制动器除外）。2.兼作驻车制动器时，所需附加的手驱动机构比较复杂。3.在制动驱动机构中必须装有助力器。4.因为衬块工作表面小，所以磨损快，使用寿命低，需用高材质的衬块。2.4 FSAE方程式赛车制动器结构的最终选择简单来讲，制动就是利用摩擦将动能转换成热能，使车辆失去动能而停止下来。因此，散热对制动系统是十分重要的。如果制动系统经常处于高温状态，就会阻碍能量的转换过程，造成制动性能下降。越是跑得快的汽车，制动起来所产生的热量越大，对制动性能的影响也越大。解决好散热问题，对提高汽车的制动性能也就起了事倍功半的作用。由于FSAE赛车在比赛过程中要达到一定的车速，且应具有良好的散热性能，故倾向于采用散热性能较好的盘式制动器。当然，盘式制动器也有自己的缺陷。例如对制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦片的耗损量较大，成本贵，而且由于摩擦片的面积小，相对摩擦的工作面也较小，需要的制动液压高，必须要有助力装置的车辆才能使用。而鼓式制动器成本相对低廉，比较经济。四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%80%，因此前轮制动力要比后轮大。轿车生产厂家为了节省成本，就采用前轮盘式制动，后轮鼓式制动的方式。在FSAE赛车在比赛过程中为了保证赛车在制动过程中具有稳定的制动性能，根据上述叙述，前后轮均采用浮钳盘式制动器。根据制动盘的不同，盘式制动器还可分为普通盘式和通风盘式。普通盘式我们比较容易理解，就是实心的。通风盘式就是空心的，顾名思义具有通风功效，指的是汽车在行使当中产生的离心力能使空气对流，达到散热的目的，这是由盘式碟片的特殊构造决定的。从外表看，它在圆周上有许多通向圆心的洞孔，这些洞孔是经一种特殊工艺（slotteded drilled）制造而成，因此比普通盘式散热效果要好许多，但是由于FSAE赛车车轮尺寸对制动盘尺寸的限制，所以前后制动器的制动盘均采用实心式制动盘。综上所述，本次赛车制动系统的设计，前后轮均采用浮动钳盘式制动器，前后轮制动盘均选择普通盘。第三章 制动器主要参数及其选择盘式制动器设计的一般流程为：根据所给数据，设计要求，依据大赛要求确定出的整车总布置参数。在有关的整车总布置参数及制动器结构型式确定之后，根据已给参数并参考已有的同等级汽车的同类型制动器，初选制动器的主要参数，并据以进行制动器结构的初步设计；然后进行制动力矩和磨损性能的验算，并与所要求的数据比较，直到达到设计要求。之后再根据各项演算和比较的结果，对初选的参数进行必要的修改，直到基本性能参数能满足使用要求为止；最后进行详细的结构设计和分析。在这里先给出该FSAE赛车的整车参数：赛车轴距：1650mm 质心高度：310mm赛车高度：1170mm赛车长度：2136mm质心到前轴的距离：907.5mm质心到后轴的距离：742.5mm轮胎半径：244mm轮胎型号:180/530R13总质量(含人)：345kg 赛车前轴载荷：155.3kg赛车后轴载荷：189.7kg3.1 制动力与制动力分配系数赛车制动时，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，则任一角速度的车轮，其力矩平衡方程为 (3-1)式中：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 ；地面作用于车轮上的制动力，即地面与轮胎之间的摩擦力，又称为地面制动力，其方向与汽车行驶方向相反，N ；车轮有效半径，m 。令 (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，又称为制动周缘力。与地面制动力的方向相反，当车轮角速度时，大小也相等。取决于制动器的结构型式、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成正比。当加大踏板力以加大，和均随之增大。但地面制动力受着附着条件的限制，其值不可能大于附着力，即 (3-3) (3-4) 式中：轮胎与地面间的附着系数；地面对车轮的法向反力。当制动器制动力和地面制动力达到附着力值时，车轮即被抱死并在地面上滑移。此后制动力矩即表现为静摩擦力矩，而即成为与相平衡以阻止车轮再旋转的周缘力的极限值。当制动到=0以后，地面制动力达到附着力值后就不再增大，而制动器制动力由于踏板力的增大使摩擦力矩增大而继续上升（图3.1.1）。 图 3.1.1 制动器制动力、涤棉制动力与踏板力的关系图3.1.2所示为赛车在水平路面上制动时的受力情况。其中忽略了空气阻力、旋转质量减速度时产生的惯性力矩以及汽车的滚到阻力偶矩。另外，在以下的分析中还忽略制动时车轮边滚动边滑动的情况，且附着系数只取一个数值。图3.1.2 制动时的汽车受力图根据图3.1.2 中给出的赛车制动时的整车受力情况，并对后轴车轮的接地点取力矩，得平衡式为对前轴车轮的接地点取力矩，得平衡式为式中：汽车制动时水平地面对前轴车轮的法向反力，；汽车制动时水平地面对后轴车轮的法向反力，；汽车轴距，mm；汽车质心离前轴距离，mm；汽车质心离后轴距离，mm；汽车质心高度，mm；汽车所受重力，；汽车质量kg；汽车制动减速度，。根据上述汽车制动时的整车受力分析，考虑到汽车制动时的轴荷转移以及G=mg，式中g为重力加速度()，则可求得汽车制动时水平地面对前、后轴车轮的法向反力，分别为 （3-5）令=qg，q称为制动强度，则汽车制动时水平地面对汽车前、后轴车轮的法向反力，又可表达为 （3-6） 若在附着系数为的路面上制动，前、后轮均抱死（同时抱死或先后抱死均可），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，亦等于作用于质心的制动惯性力m（见图3.1.2），即有或代入式（3-5），则得水平地面作用于前、后轴车轮的法向反作用力的另一表达式： （3-7）式（3-5），（3-6），（3-7）均为直线方程，由上式可见，当制动强度或者同步附着系数改变时，前后轴车轮的地面法向反作用力的变化是很大的，前轮增大，后轮减小。汽车的地面走马那个制动力为 （3-8） 式中：q制动强度，亦称比减速度或比制动力； 前后轴车轮的地面制动力。由式（3-4）式（3-6）及式（3-8）可求出前、后轴车轮的附着力为 （3-9）上式表明：赛车在附着系数为任一确定的路面上制动时，各轴车轮附着力即极限制动力并非常数而是制动强度q或总制动力的函数。当汽车各车轮制动器的制动力足够时，根据前、后轴的轴荷分配，以及前、后轮制动器制动力的分配、道路附着系数和坡度的情况等，制动过程可能出现的情况有3种，即（1） 前轮先抱死拖滑，然后后轮再抱死拖滑；（2） 后轮先抱死拖滑，然后前轮再抱死拖滑；（3） 前、后轮同时抱死拖滑。在上述3种情况中，显然是第3种情况的附着条件利用的最好。由式（3-8），式（3-9）不难求得在任何附着系数的路面上，前、后轮同时抱死即前、后轴车轮附着力同时被充分利用的条件为 （3-10）式中：前轴车轮的制动器制动力，； 后轴车轮的制动器制动力，； 前轴车轮的地面制动力； 后轴车轮的地面制动力； 地面对前、后轴车轮的法向反力； 汽车重力； 汽车质心离前、后轴的距离； 汽车质心高度。由式（3-10）可知，前、后车轮同时抱死时，前、后车轮制动器的制动力，是的函数。由式（3-10）中消去可得 （3-11）目前大多数两轴汽车前后制动器制动力的比值为一定值，并已前端制动器制动力与汽车总的制动器制动力之比来表明分配的比例，称为汽车制动器制动力分配系数，即 （3-12）又由于在附着条件所限定的范围内，地面制动力在数值上等于相应的制动周缘力，因此又可通称为制动力分配系3.2 同步附着系数由式（3-12）可得 （3-13）上式是一条通过坐标原点且斜率为(1-)/的直线，是汽车实际前、后制动器制动力分配线，简称线。线与I曲线交于B点， B点处的附着系数=，则称为同步附着系数。它汽车制动性能的一个重要参数，由汽车结构参数所决定。本设计选取赛车前、后制动器制动力为固定比值，因此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，当赛车在不同值的路面上制动时，可能有以下3种情况。1. 当，线位于I曲线上方，制动时总是后轮先抱死，这时容易发生后轴侧滑使汽车失去方向稳定性。3. 当，制动时前、后轮同时抱死，是一种稳定工况，但也失去转向能力。为了防止赛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，赛车在同步附着系数的路面上制动(前、后车轮同时抱死)时，其制动减速度为du/dtg，即，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=的路面上，地面的附着条件才能得到充分利用。附着条件的利用情况可用附着系数利用率(或称为附着力利用率)表示： （3-14） 式中：赛车总的地面制动力； 所受重力； 制动强度。 当=时，=，=1时利用率最高。根据有关资料推荐，取赛车=0.7，则=0.5823.3 制动强度、地面制动力和附着系数利用率前面的式子（3-8）和（3-14）已给出了制动强度q和附着系数利用率的定义式，下面再讨论一下当=、时的q和。根据所定的同步附着系数=0.7，和求得的=0.582进而求得 （3-15） （3-16）当=时：，故，q=；=1。故 当时：可能得到的最大总制动力取决于后轮刚刚首先抱死的条件，即。可求得： （3-20） （3-21） （3-22） 令 则： 本设计中赛车的值恒定，其值小于可能遇到的最大附着系数，使其在常遇附着系数范围内不致过低。在的良好路面上紧急制动时，总是后轮先抱死。3.4 制动器最大制动力矩为保证赛车具有良好的制动效能和稳定性，应合理地确定前，后轮制动器的制动力矩。最大制动力是在附着系数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。由式（3.10）可知，双轴汽车前、后车轮附着力同时被充分利用或前、后轮同时抱死时的制动力之比为=1.3896式中：，质心离前、后轴距离;同步附着系数；汽车质心高度。 按有关资料，上式的比值在1.31.6较为合适。制动器所能产生的制动力矩，受车轮的计算力矩所制约，即； 式中：前轴制动器的制动力，；后轴制动器的制动力，；作用于前轴车轮上的地面法向反力；作用于后轴车轮上的地面法向反力； 车轮有效半径。由于选取了较大的值0.7，应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定各轴的最大制动力矩。当时,（设所遇到最大的值为1）相应的极限制动强度，可求得其最大总制动力而车轮半径，最大制动力矩为：故前轴最大制动力矩为： 一个前轮制动器应有的最大制动力矩： 后轮最大制动力矩为：一个后轮制动器应有的最大制动力矩为： 3.5 制动器因数 制动器因数BF，它表示制动器的效能，因而又称为制动器效能因数。其实质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，用于评价不同结构型式的制动器的效能。制动器因数可定义为在制动盘的作用半径上所产生的摩擦力与输入力之比，即 (3-23)式中：制动器的摩擦力矩； 制动盘的作用半径； 输入力，一般取加于两制动块的压紧力的平均值为输入力。对于钳盘式制动器，两侧制动块对制动盘的压紧力均为P，则制动盘在其两侧工作面的作用半径上所受的摩擦力为2P（为盘与制动衬块间的摩擦系数），于是钳盘式制动器的制动器因数为 (3-24) 式中：f为摩擦系数.在本次赛车设计中取f=0.4；则BF=0.83.6 盘式制动器主要参数的确定3.6.1 制动盘直径D制动盘直径D应尽可能取大些，这是制动盘的有效半径得到增大，可以减小制动钳的夹紧力，降低衬块的单位压力和工作温度，受轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为7079。在本次设计中： 制动盘直径的选择范围为：，由制动盘尺寸选择标准选取制动盘直径。3.6.2 制动盘厚度h制动盘厚度h直接影响着制动盘质量和工作时的温升。为使质量不致太大，制动盘厚度应取得适当小些；为了降低制动盘工作时的温升，制动盘厚度又不宜过小。制动盘可以制成实心的，而为了通风散热，又可在制动盘的两工作面之间铸出通风孔道。通常，实心制动盘厚度可取10mm-20mm；具有通风孔道的制动盘的两工作面之间的尺寸，即制动盘的厚度取为20mm-50mm,但多采用20mm-30mm。在本次设计中，前后制动器均选取实心式制动盘，取厚度h=10mm.3.6.3 摩擦衬块内径与外径与厚度b推荐摩擦衬块外半径与内半径的比值不大于1.5.若此比值偏大，工作时衬块的外缘与内侧圆周速度相差较大，使得 磨损不均匀，接触面积减小，最终将导致制动力矩变化大。在本次设计中，选取/=1.35，由于摩擦衬块外半径略小于制动盘半径，取。所以，取。参考相关资料，选定摩擦衬块厚度b=14mm。3.6.4 摩擦衬块工作面积A 一般摩擦衬快单位面积占有汽车质量在1.6-3.5范围内选取，考虑到现今摩擦材料的不断升级，此范围可适当扩大些。本次设计使用半金属摩擦材料，其摩擦系数优于石棉材料。由于制动衬块为扇形，选定其到圆心的夹角为，故工作面积为： 本次设计取A=3.6.5 摩擦衬块摩擦系数f选择摩擦衬块时,不仅希望其摩擦系数要高些，更要求其热稳定性要好，受温度和压力的影响要小。不可单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数。各种制动器用摩擦材料的摩擦系数的稳定值约为 0.30.5，一般来说，摩擦系数愈高的材料，其耐磨性愈差，所以在制动器设计时并非一定要追求高摩擦系数的材料。在假设的理想条件下计算制动器的制动力矩，为使计算结果接近实际，在本次设计中，取f =0.4。另外，在选择摩擦材料时，应尽量采用减少污染和对人体无害的材料，故选用粉末冶金材料。第四章 制动器的设计计算4.1摩擦衬块的磨损特性计算 摩擦衬片(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，因此在理论上要精确计算磨损性能是困难的。但试验表明，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。汽车的制动过程是将其机械能(动能、势能)的一部分转变为热量而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎承担了耗散汽车全部动力的任务。此时由于在短时间内热量来不及逸散到大气中，致使制动器温度升高。此即所谓制动器的能量负荷。能量负荷愈大，则衬片(衬块)的磨损愈严重4.1.1 比能量耗散率制动器的能量负荷常以其比能量耗散率作为评价指标。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，其单位为。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）式中：回转质量换算系数； 赛车总质量； ，制动初速度与终速度，；计算时取 制动减速度,设赛车在附着系数的赛道上以 的初速度制动，由于赛车同步附着系数为，故后轮先抱死取。 制动时间，； 前、后制动器衬片(衬块)的摩擦面积；（） 制动力分配系数。在紧急制动到时，并可近似地认为，则有 （4-2）把各参数值代入上式得 盘式制动器的比能量耗散率以不大于6.0为宜 ，比能量耗散率过高会引起衬片（衬块）的急剧磨损，而且还可能引起制动盘产生龟裂。式中t为100Km/h时的制动时间，其值为2.78s。为前后制动器摩擦衬片面积。2，求得，符合要求。4.1.2 比滑磨功磨损和热的性能指标也可用衬块在制动过程中由最高制动初速度至停车所完成的单位衬块面积的滑磨功，即比滑磨功来衡量： （4-3）式中：汽车总质量，kg； 汽车最高制动车速，m/s 车轮制动器各衬块的总摩擦面积， 许用比滑磨功，取可求得：，满足要求。其中，最高车速取33.3m/s即120km/h4.2 制动器的热容量和温升核算应核算制动器的热容量和温升是否满足如下条件： （4-4）式中：各制动盘的总质量，为已知2Kg 与各制动盘相连的金属（如轮毂、轮辐、制动钳体等）总质量，为4kg 制动盘材料的比容热，对铸铁C=482J/(kgK)；对于铝合金C=880 J/(kgK) 与制动盘相连的受热金属件的比容热； 制动盘的温升（一次由到完全停车的强烈制动，温升不应超过15 ）； 满载汽车制动时由动能转变的热能，因制动过程迅速，可以认为制动产生的热能全部为前、后制动器所吸收，并按前、后制动力的分配比率分配给前后、制动器，即 （4-6）求得： 所以： 式中 赛车满载总质量，为345Kg 赛车制动时的初速度 赛车制动器制动力分配系数，为0.582核算： 故，满足以下条件：4.3 盘式制动器有效半径的计算盘式制动器的计算用简图如图 4.3.1所示，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：摩擦系数，取值0.4； 单侧制动块对制动盘的压紧力，见图 4.3.1 作用半径。对于常见的扇形摩擦衬块，如果其径向尺寸不大则取R为平均半径或有效半径已足够精确。如图图 4.3.2所示，平均半径为式中：，扇形摩擦衬块的内半径和外半径。（） 图 4.3.1 盘式制动器的计算用图 图 4.3.2 钳盘式制动器的作用半径计算用图根据图 4.3.2，在任一单元面积RdR上的摩擦力对制动盘中心的力矩为，式中为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：单侧衬块给予制动盘的总摩擦力为：得有效半径为：令，则有：=100.7mm 因，故。当，。但当m过小，即扇形的径向宽度过大时，衬块摩擦表面在不同半径处的滑磨速度相差太大，磨损将不均匀，因而单位压力分布将不均匀，则上述计算方法失效。本次设计取有效半径为100mm。第五章 制动器主要零部件的结构设计5.1 制动盘制动盘一般用珠光体灰铸铁制成，或用添加等的合金铸铁制成。用于钳盘式制动器的制动盘结构形状一般为礼貌形（见图5.1）。有的文献认为：制动盘两侧表面不平行度不应大于0.008mm,盘的表面摆差不应大于0.1mm；制动盘表面粗糙度不应大于0.06mm，本设计在此采用。本次设计采用的材料为合金铸铁，结构形状为礼帽形，前后均为实心盘。 图5.1 礼帽形制动盘5.2 制动钳制动钳由可锻铸铁KTH370-12或球墨铸铁QT400-18制造，也有用轻合金制造的。例如用铝合金压铸。可做成整体的，也可做成两半并由螺栓连接。其外缘留有开口，以便不必拆下制动钳便可检查或更换制动块。制动钳体应有高的强度和刚度。在钳体中加工出制动油缸。为了减少传给制动液的热量，将活塞的开口端顶靠制动块的背板。活塞由铸铝合金制造，为了提高耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。为了解决因制动钳体由铝合金制造而减少传给制动液的热量的问题，减小了活塞与制动块背板的接触面积。制动钳在汽车上的安装位置可在车轴的前方或后方。制动钳位于车轴前可避免轮胎甩出来的泥，水进入制动钳，位于车轴后则可减小制动时轮毂轴承的合成载荷。因此本次设计采用可锻铸铁，整体式、镀铬处理，前后制动钳位于车轴后。5.3 制动块制动块由背板和摩擦衬块构成，两者直接牢固地压嵌或铆接或粘接在一起。衬块多为扇形，也有矩形，正方形或圆形的。活塞应能压住尽量多的制动块面积，以免衬块发生卷角而引起尖叫声。制动块背板由钢板制成。为了避免制动时产生的热量传给制动钳而引起制动液汽化和减小制动噪声，可在摩擦衬块与背板之间或在背板后粘（或喷涂）一层隔热减震垫（胶）。由于单位压力大和工作温度高等原因，摩擦衬块的磨损较快，因此其厚度较大。许多盘式制动器装有衬块磨损达极限时的警报装置，以便及时更换摩擦衬片。本次设计取衬块厚度14mm，有隔热减震垫。5.4 摩擦材料表5.1 摩擦材料性能对比材料性能有 机 类无 机 类制法编制物石棉模压半金属模压金属烧结金属陶瓷烧结硬度软硬硬极硬极硬密度小小中大大承受负荷轻中中-重中-重重摩擦系数中-高低-高低-高低-中低-高摩擦系数稳定性差良良良-优优常温下的耐磨性良良良中中高温下的耐磨性差良良良-优优机械强度中-高低-中低-中高高热传导率低-中低中高高抗振鸣优良中-良差差抗颤振-中-良中-对偶性优良中-良差差价格中-高低-中中-良高高制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数，抗热衰退性能好，不能在温度升到某一数值后摩擦系数突然急剧下降，材料应有较好的耐磨性，较低吸水率、压缩率、热传导率和热膨胀率以及高的抗压、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和不良气味，应尽量采用低污染和对人体无害的摩擦材料。以往车轮制动器采用广泛应用的模压材料，它是以石棉纤维为主并与树脂粘结剂、调整摩擦性能的填充剂(由无机粉粒及橡胶、聚合树脂等配成)与噪声消除剂(主要成分为石墨)等混合后，在高温下模压成型的。模压材料的挠性较差，故应按衬片或衬块规格模压，其优点是可以选用各种不同的聚合树脂配料，使衬片或衬块具有不同的摩擦性能和其他性能。本次设计综合考虑各种材料，参考了表5.1，采用性能更好、环保效果更好的半金属材料。摩擦系数为f=0.4。5.5 制动器间隙的调整方法及相应机构制动盘与摩擦衬块之间在未制动的状态下应有工作间隙，以保证制动盘能自由转动。一般来说盘式制动器的制动间隙为0.1-0.3mm（单侧为0.05-0.15mm）。此间隙的存在会导致踏板或手柄的行程损失，因而间隙应尽量的小。考虑到制动过程中摩擦副可能产生热变形和机械变形，因此制动器在冷态下的间隙应有试验确定。本设计制动间隙取为0.2mm。图5.2 制动间隙的自调装置1-制动钳体；2-活塞；3-活塞密封圈另外，制动器在工作过程中会由于摩擦衬块的磨损而使间隙加大，因此制动器必须设有间隙调整机构。当前，盘式制动器的调整机构已自动化。一般都采用一次调准式间隙自调装置。最简单且常用的结构是在缸体和活塞之间装一个兼起复位和间隙自调作用的带有斜角的橡胶密封圈，制动时密封圈的刃边是在活塞给予的摩擦力的作用下产生弹性变形，与极限摩擦力对应的密封圈变形量即等于设定的制动间隙。当衬块磨损而导致所需的活塞行程增大时，在密封圈达到极限变形之后，活塞可在液压作用下克服密封圈的摩擦力，继续前移到实现完全制动为止。活塞与密封圈之间这一不可恢复的相对位移便补偿了这一过量间隙。解除制动后活塞在弹力作用下退回，直到密封圈的变形完全消失为止，这时摩擦快与制动盘之间重新回复到设定间隙。详见图5.2第六章 制动驱动机构的结构形式选择与设计计算制动驱动机构用于将司机或其他动力源的制动作用力传给制动器，使之产生制动力矩。6.1 制动驱动机构的结构型式选择根据制动力源的不同，制动驱动机构可分为简单制动、动力制动以及伺服制动三大类型，而力的传递方式又有机械式、液压式、气压式和气压-液压式的区别，如表6.1所示。表6.1 制动驱动机构的结构形式制动力源力的传递方式用途型式制动力源工作介质型式工作介质简单制动系（人力制动系）司机体力机械式杆系或钢丝绳仅用于驻车制动液压式制动液部分微型汽车的行车制动动力制动系气压动力制动系发动机动力空气气压式空气中，重型汽车的行车制动气压-液压式空气，制动液液压动力制动系制动液液压式制动液伺服制动系真空伺服制动系司机体力与发动机动力空气液压式制动液轿车，微，轻，中型汽车的行车制动气压伺服制动系空气液压伺服制动系制动液6.1.1 简单制动系简单制动系即人力制动系，是靠驾驶员作用于制动踏板上或手柄上的力作为制动力源，且力的传递方式又有机械式和液压式两种。机械式靠杆系或钢丝绳传力，其结构简单，造价低廉，工作可靠，但机械效率低，故仅用在中、小型汽车的驻车制动装置中。液压式的简单制动系通常简称为液压制动系，可用于行车制动装置。其优点是作用滞后时间短(0.10.3s)，工作压力高(可达1012MPa)，轮缸尺寸小，可布置在制动器内部作为制动蹄张开机构或制动块压紧机构，使之结构简单、紧凑、质量小、造价低。但其有限的力传动比限制了它在汽车上的使用范围。另外，液压管路在过度受热时会形成气泡而影响传输，使制动效能降低甚至失效，且气温过低时，可能整个系统都不能正常工作6.1.2 动力制动系动力制动系是以发动机动力形成的气压或液压势能作为汽车制动的全部力源进行制动，而驾驶员作用于制动踏板或手柄上的力仅用于对制动回路中控制元件的操纵。在简单制动系中的踏板力与其行程间的反比例关系在动力制动系中便不复存在，因此，此处的踏板力较小且可有适当的踏板行程。气压制动系是动力制动系最常见的型式，由于可获得较大的制动驱动力且主车与被拖的挂车以及汽车列车之间制动驱动系统的联接装置结构简单、联接和断开都很方便。但气压制动系必须采用空气压缩机、贮气罐、制动阀等装置，使结构复杂、笨重、轮廓尺寸大、造价高；管路中气压的产生和撤除均较慢，作用滞后时间较长(0.30.9s)，因此在制动阀到制动气室和贮气罐的距离较远时有必要加设气动的第二级控制元件继动阀(即加速阀)以及快放阀；管路工作压力较低(一般为0.50.7MPa)，因而制动气室的直径大，只能置于制动器之外，再通过杆件及凸轮或楔块驱动制动蹄，使非簧载质量增大；另外，制动气室排气时也有较大噪声。气顶