汽车液压盘式制动器结构优化项目设计方案.doc

汽车液压盘式制动器结构优化项目设计方案 1.1 制动系统设计的意义 汽车是现代交通工具中用得最多、最普遍、也是运用得最方便的交通工具。汽车制动系统是汽车底盘上的一个重要系统，它是制约汽车运动的装置，而制动器又是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关键装置，是汽车上最重要的安全件。汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大，人们对安全性、可靠性的要求越来越高，为保证人身和车辆安全，必须为汽车配备十分可靠的制动系统。本次毕业设计题目为大学生方程式赛车制动系统设计。1.2 制动系统研究现状 车辆在形式过程中要频繁进行制动操作，由于制动性能的好坏直接关系到交通和人身安全，因此制动性能是车辆非常重要的性能之一，改善汽车的制动性能始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。当车辆制动时，由于车辆受到与行驶方向相反的外力，所以才导致汽车的速度逐步减小到0，对这一过程中车辆受力情况的分析有助于制动系统的分析和设计，因此制动过程受力情况分析是车辆试验和设计的基础，由于这一过程较为复杂，因此一般在实际中只能建立简化模型分析，通常人们从三个方面来对制动系统进行分析和评价： 1）制动效能：即制动距离与制动减速度； 2）制动效能的恒定性：即热衰退性； 3）制动时汽车方向的稳定性； 目前，对于整车制动系统的研究主要通过路试或台架进行，由于在汽车道路试验中车轮扭矩不易测量，因此，多数有关制动系的试验均通过间接测量来进行汽车在道路上的行驶，其车轮与地面的作用力是汽车运动变化的根据，在汽车道路试验中，如果能够方便地测量出车轮上扭矩的变化，则可为汽车整车制动性能研究提供更全面的试验数据和性能评价。1.3 本次制动系统应达到的目标1）具有良好的制动效能；2）具有良好的制动效能稳定性；3）制动时汽车操纵稳定性好；4）制动效能的热稳定性好； 2制动系统方案论证分析与选择2.1 制动器形式方案分析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。2.1.1 鼓式制动器鼓式制动器是最早形式汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛应用于各类汽车上。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构型式。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有 圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，后者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半轴套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件作为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮毂上。制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦蹄片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩，故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带，其旋转摩擦元件为制动鼓，并利用制动鼓的外圆柱表面与制动带摩擦片的内圆弧作为一对摩擦表面，产生摩擦力矩作用于制动鼓，故又称为带式制动器。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，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:1) 领从蹄式制动器如图2-1所示，若图上方的旋向箭头代表汽车前进时制动鼓的旋转方向（制动鼓正向旋转），则蹄1为领蹄，蹄2为从蹄。汽车倒车时制动鼓的旋转方向变为反向旋转，则相应得使领蹄与从蹄也就相互对调了。这种当制动鼓正、反反向旋转时总具有一个领蹄和一个从蹄的内张型鼓式制动器称为领从蹄使制动器。领蹄所受的摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有增势作用，故又称为增势蹄；而从蹄所受的摩擦力使蹄有离开制动鼓的趋势，即摩擦力矩具有减势作用，故又称为减势蹄。增势作用使领蹄所受的法向反力增大，而减势作用使从蹄所受的法向反力减小。领从蹄式制动器的效能及稳定性均处于中等水平，但由于其在汽车前进与倒车时的制动性能不变，且结构简单，造价较低，也便于服装驻车制动机构，故这种结构仍广泛用于中、重型载货汽车的前、后轮制动器及轿车的后轮制动器。图2-1 领从蹄式制动器2) 双领蹄式制动器若在汽车前进时两制动蹄均为领蹄的制动器，则称为双领蹄使制动器（如图2-2所示）。显然，当汽车倒车时这种制动器的两制动蹄又都变为从蹄故它又可称为双向领蹄式制动器。如图所示，两制动蹄各用一个单活塞制动轮缸推动，两套制动蹄、制动轮缸等机件在制动底板上是以制动底板中心作对称布置的，因此，两蹄对制动鼓的作用的合力恰好相互平衡，故属于平面式制动器。双领蹄式制动器有高的正向制动效能，但倒车时则变为双从蹄式使制动效能大降，这种结构经常用于中级轿车的前轮制动器，这是因为这类汽车前进制动时，前轴的动轴荷及附着力大于后轴，而倒车时则相反。图2-2 双领从蹄式制动器3) 双向双领蹄式制动器当制动鼓正向和反向旋转时，两制动助均为领蹄的制动器则称为双向双领蹄式制动器（如图2-3所示）。它也属于平衡式制动器。由于双向双领蹄式制动器在汽车前进及倒车时的制动性能不变，因此广泛应用于中、轻型载货汽车和部分轿车的前后轮，但用作后轮制动器时，则需另设中央制动用于驻车制动。图2-3 双向双领蹄式制动器 4) 单向增力式制动器单向增力式制动器如图2-4所示两蹄下端以顶杆相连接，第二制动蹄支承在其上端制动地板上的支承销上，由于制动时两蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居于一种非平衡式的制动器。单向增力式制动器在汽车前进制动时的制动效能很高，且高于前述的各种制动器，但在倒车制动时，其制动效能却是最低的。因此，它用于少数轻、中型货车和轿车上作为前轮制动器。图2-4 单向增力式制动器5）双向增力式制动器将单向增力式制动器的单活塞式制动轮缸换用双活塞式制动轮缸，其上端的支承销也作为两蹄共用的，则称为双向增力式制动器(如图2-5所示)。对双向增力式制动器来说不论汽车前进制动或倒退制动，该制动器均为增力式制动器。双向增力式制动器在大型高速轿车上用的较多，而且常常将其作为行车制动与驻车制动功用的制动器，但行车制动是由液压经制动轮缸产生制动蹄的张开力进行制动，而驻车制动则是用制动操纵手柄通过钢索拉绳及杠杆等机械操纵系统进行操纵。双向增力式制动器也广泛用于汽车的中央制动器，因为驻车制动要求制动器正向、反向的制动效能都很高，而且驻车制动若不用于应急制动时也不会产生高温，故其热衰退问题并不突出。但由于结构问题使它在制动过程中散热和排水性能差，容易导致制动效率下降。因此，在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本低，仍然在一些经济型车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。图2-5 双向增力式制动器2.1.2 盘式制动器盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两大类。1）钳盘式钳盘式制动器按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等。a定钳盘式制动器：这种制动器中的制动钳固定不动，制动盘与车轮相连并在制动钳体开口槽中旋转。具有以下优点：除活塞和制动块外无其他滑动件，易于保证制动钳的刚度；结构及制造工艺与一般鼓式制动器相差不多，容易实现鼓式制动器到盘式制动器的改革，能很好地适应多回路制动系的要求。b浮钳盘式制动器：这种制动器具有以下优点：仅在盘得内侧具有液压缸，故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近轮毂；没有跨越制动盘的油道或油管，液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；成本低；浮动盘的制动块可兼用驻车制动。2）全盘式 在全盘制动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。由于这种制动器散热条件较差，其应用远远没有钳盘式制动器广泛。盘式制动器与鼓式制动器相比，有以下优点：1）制动效能稳定性好；2）制动力矩与汽车运动方向无关；3）易于构成双回路，有较高的可靠性和安全性；4）尺寸小、质量小、散热好；5）制动衬块上压力均匀，衬块磨损均匀；6）更换衬块工作简单容易。7）衬块与制动盘间的间隙小，缩短了制动协调时间。8）易于实现间隙自动调整。综合以上优缺点最终确定本次设计采用前后盘式制动器，且均为浮钳盘式制动器。2.2 制动驱动机构的机构形式选择根据动力源的不同，制动驱动机构可分为简单制动、动力制动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、气压-液压式的区别。2.2.1 简单制动系简单制动系即人力制动系，是靠四级作用于制动踏板上或手柄上的力作为制动力源。而传力方式有机械式和液压式两种。机械式的靠杆系或钢丝绳传力，其结构简单，造假低廉，工作可靠，但机械效率低，因此仅用于中、小型汽车的驻车制动装置中。液压式的简单制动系统通常称为液压制动系，用于行车制动装置。其优点是作用滞后时间短（0.1-0.3s),工作压力大（可达10MPa-12MPa),缸径尺寸小，可布置在制动器内部作为制动蹄的张开机构或制动块的压紧机构，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适用范围。另外，液压管路在过渡受热时会形成气泡而影响传输，即产生所谓“气阻”使制动效能降低甚至失效；而当气温过低时（-25摄氏度和更低时），由于制动液的粘度增大，使工作的可靠性降低，以及当有局部损坏时，使整个系统都不能继续工作，液压式简单制动系曾广泛用于轿车、轻型及以下的货车和部分中型货车上。但由于操作较沉重，不能适应现代汽车提高操作轻便性的要求，故当前仅多用于微型汽车上，在轿车和轻型汽车已经极少采用。2.2.2 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，而司机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发比例关系在动力制动系中便不复存在。动力制动系有气压制动系、气顶液式制动系和全液压动力制动系3种。1)气压制动系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连接装置结构简单、连接和断开均很方便，因此被广用于总质量为8t以上尤其是15t以上的载货汽车、越野汽车和客车上，但气压制动系必须采用空气压缩机、储气筒、制动阀等装置，使其结构复杂、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（0.3s-0.9s),因此，当制动阀到制动气室和储气罐的距离较远时，有必要加设启动的第二控制元件-继动阀（即加速阀）以及快放阀；管路工作压力较低（一半为0.5MPa-0.9MPa)。因而制动器室的直径达，只能置于制动器之外，在通过杆件及凸轮或锲块驱动制动蹄，使非簧载质量增大；另外制动气室排气时也有较大噪声。2)气顶液式制动系气顶液式制动系是动力制动系的另一种型式，即利用气压系统作为普通的液压制动系统主缸的驱动力源的一种制动驱动机构，它兼有液压制动和气压制动的主要优点。由于其气压系统的管路短，故作用滞后时间也较短。显然，其结构复杂、质量大、造价高，故主要用于重型汽车上，一部分总质量为9t-11t的中型汽车上也有所采用。3)全液压动力制动系全液压动力制动系除具有一般液压制动系统的优点外，还具有操作轻便、制动反应快、制动能力强、受气阻影响较小、易于采用制动力调节装置和防滑移装置，及可与动力转向、液压悬架、举升机构及其他辅助设备共同液压泵和储油等优点。其结构复杂、精密件多，对系统的密封性要求也较高，故并未得到广泛应用，目前仅用于某些高级轿车、大型客车以及极少数的重矿用自卸汽车上。2.2.3 伺服制动系伺服制动系是在人力液压制动系的基础上加设一套除其他能源提供的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系，在正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生，而在动力伺服系统失效时，仍可全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力。因此，在中级以上的轿车及轻、中型客、货汽车上得到了广泛的应用。按伺服系统能源的不同，又有真空伺服制动系、气压伺服制动系和液压伺服制动系之分，其伺服能源分别为真空能（负气压能）、气压能和液压能。根据赛规及经验要求，确定本次设计采用简单液压制动2.3 液压分路系统的形式的选择为了提高制动工作的可靠性，应采用分路系统，即全车的所有行车制动器的液压或气压管路分为两个或更多的相互独立的回路，其中一个回路失效后，仍可利用其他完好的回路起制动作用。双轴汽车的双回路制动系统有以下常见的物种分路形式(如图2-6所示)：1） 一轴对一轴（II）型，前轴制动器与后桥制动器各用一个回路。2） 交叉型（X），前轴的一侧车轮制动器与后桥的对策车轮制动器同属一个回路。3） 一周半对半轴（HI）型，两侧前制动器的板书轮缸和全部后制动器轮缸属于一个回路，其余的前轮缸则属另一回路。4） 半轴一轮对半轴一轮（LL)型，两个回路分别对两侧前轮制动器的半数轮缸和一个后轮制动器起作用。5） 双半轴对双半轴（HH）型，每个回路均只对每个前、后制动器的半数轮缸起作用。图2-6 液压分路系统形式II型管路布置较为简单，可与传统的但轮岗鼓式制动器配合使用，成本较低，目前在各类汽车特别是商用车商用得最广泛。对于这种形式，若后制动回路失效，则一旦前轮抱死即极易丧失转弯制动能力。对于采用前轮驱动因而前制动器强于后制动器的乘用车，当前制动回路失效而单用后桥制动时，制动力将严重不足（小于正常情况下的一半），并且，若后桥负荷小于前轴负荷，则踏板力过大时易使后桥车轮抱死而汽车侧滑。X型的结构也很简单。直行制动时任一回路失效，剩余的总制动力都能保持正常值的50%。但是，一旦某一管路损坏造成制动力不对称，此时前轮将朝制动力大的一边绕主销转动，使汽车丧失稳定性。因此，这种方案适用于主销偏移距为负值（达20mm)的汽车上。这时，不平衡的制动力使车轮反向转动，改善了汽车的稳定性。HI、HH、LL型结构都比较复杂。LL型和HH型在任一回路失效时，前后制动力比值均与正常情况下相同，剩余总制动力可达正常值的50%左右。HI型单用一轴半回路时剩余制动力较大，但此时与LL型一样，紧急制动情况下后轮很容易先抱死。综合以上各个管路的优缺点，最终选择X型管路。2.4 液压制动主缸的设计方案 为了提高汽车行驶的安全性，并根据交通法则的要求，现代汽车的行驶制动系统都采用了双回路制动系统。双回路制动系统的制动主缸为串联双缸制动主缸，单缸制动主缸已经被淘汰。储存罐中的油经每一腔的进油螺栓和各自旁通孔、补偿孔流入主缸的前、后腔。在主缸前、后工作腔内产生的油压分别经各自的出油阀和各自的管路传到前、后轮制动器的轮缸。 主缸不工作时，前、后俩工作腔内的活塞头部与皮碗正好位于前、后腔内各自的旁通孔和补偿孔之间。 当踏下制动踏板时，踏板传动机构通过推杆推动后缸活塞前移，到皮碗掩盖住旁通孔后，此腔液压升高。在后腔液压和后腔弹簧力的作用下，推动前缸活塞向前移动，前腔压力也随之升高。当继续下踩制动踏板时，前、后腔的液压继续升高，使前、后轮制动器制动。 撤除踏板力后，制动踏板机构、主缸前后腔活塞和轮缸活塞，在各自的复位弹簧作用下回位，管路中的制动液借其压力推开回油阀门流回主缸。于是接触制动。 当迅速放开制动踏板时，由于油液的粘性和管路阻力的影响，油液不能及时流回主缸并填充因活塞右移而让出的空间，因而在旁通孔开启之前，压油腔中产生一定的真空度。此时进油腔液压高于压油腔，因而进油腔的油液便从前、后缸活塞的前密封皮碗的边缘与缸壁间的间隙流入各自的压油腔以填补真空。与此同时，储液室中的油液经补偿孔流入各自的进油腔。活塞完全复位后，旁通孔已开放，由制动管路继续流回主缸而显多余的油液便可经前、后缸的旁通孔流回储液室。液压系统中因密封不良而产生的制动液漏泄，和因温度变化而引起的制动液膨胀或收缩，都可以通过补偿孔和旁通孔得到补偿。 若与前腔连接的制动管路损坏楼有时，则在踩下制动踏板时只后腔中能建立液压，前腔中无压力。此时在液压差作用下，前腔活塞迅速前移到前缸活塞前端顶到主缸体上。此后，后缸工作腔中液压方能升高到制动所需的值。若与后腔连接的制动管路损坏漏油时，则在踩下制动踏板时，起先只是后缸活塞前移，而不能推动前缸活塞，因后缸工作腔中不能建立液压。但在后缸活塞直接顶触前缸活塞时，前缸活塞前移，使前缸工作腔建立必要的液压而制动。由此可见，采用这种主缸的双回路液压制动系，当制动系统中任一回路失效时，串联双缸制动主缸的另一腔仍能够工作，只是所需踏板行程加大，导致汽车制动距离增长，制动力减小。大大的提高了工作的可靠性。 3盘式制动器概述3.1盘式制动器原理及特点图3-1增力式盘式制动器零件图1、2压盘 3、7摩擦盘 4半轴壳 5半轴 6回位弹簧 8中间壳体 9调整螺栓 10斜拉杆11调节叉 12拉杆13压盘凸肩14壳体肩台图3-1是运输车辆增力式盘式制动器零件图。在差速器的每一侧半轴上，用花键安装着两个粘有摩擦衬面的摩擦盘3和7，它们能在花键轴上来回滑动，是制动器的旋转部分。在两摩擦盘之间有一对可锻铸铁的圆形压盘1和2，它们的表面支承在半轴壳4的三个凸肩上，并能在较小的弧度内转动。两压盘内侧面的五个卵圆形凹坑中装有五个钢球，两压盘用三根弹簧6拉紧。在中间盖8和摩擦盘4上，与摩擦盘相对着的表面经过加工。摩擦盘与压盘间，以及摩擦盘与半轴壳和中间盖间，在不制动时都有一定间隙。制动时，制动踏板通过斜拉杆使两压盘相对转动，此时凹坑中夹着的五个钢球就从坑底向坑边滚动，将两压盘挤开，两压盘就将旋转着的两个摩擦盘分别推向半轴壳和中间盖，使各相对摩擦表面间产生摩擦扭矩，最终将半轴制动。如果放松制动踏板，则弹簧6又将两压盘拉紧复原，使钢球进入坑底，恢复了摩擦盘两侧的间隙。 盘式制动器在上述制动过程中有增力作用。当摩擦盘顺时针旋转时；作用在压盘上的摩擦扭矩将使它们跟随旋转，但当压盘1由于其凸起13受到半轴壳上的凸肩14的限制而不能转动时，压盘2则在摩擦扭矩的作用下将相对于压盘1作顺时针转动，协助钢球继续将两压盘挤开，使操纵省力。当摩擦盘反时针旋转时，和上述过程相似地起增力作用。因此不管运输车辆前进还是倒退，制动时盘式制动器都有增力作用。 与带式和蹄式制动器相比，盘式制动器除了结构复杂外有一系列优点：如结构紧凑，操纵省力，制动效果好，衬面磨损较均匀，间隙不需调整，封闭性好不易进泥水，且散热容易，故使用寿命较长等。这些特点使它得到越来越广泛的应用。3.2 盘式制动器的主要元件3.2.1制动盘a.制动盘直径D 制动盘直径D应尽可能取大些，这时制动盘的有效半径得到增加，可以降低制动钳的夹紧力，减少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轮辋直径的70一79。总质量大于2t的汽车应取上限。 b.制动盘厚度h 制动盘厚度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，或者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1020，通风式制动盘厚度取为2050，采用较多的是2030。在高速运动下紧急制动, 制动盘会形成热变形, 产生颤抖。为提高制动盘摩擦面的散热性能, 大多把制动盘做成中间空洞的通风式制动盘, 这样可使制动盘温度降低20 %30 %。c.制动盘的安装制动盘安装在轮毂上, 与车轮形成整体旋转。制动盘是旋转部件, 与摩擦衬块之间只有微小的间隙。从制动盘中心到摩擦衬块磨合中心称为制动盘有效半径。根据杠杆原理,如摩擦力相同,则制动盘的有效半径越大, 制动力就越大。d.制动盘的维修制动盘都是标准设计，以使在制动盘使用期限内保持制动表面各项指标的允差，这些指标是平行度、平面度以及横向摆差。保持关于制动表面形状的精度的允差，有助于尽量减少制动粗暴及踏板脉动。制动盘表面粗糙度必须保持在60m特定范围内，或者更小些。需要控制制动表面粗糙度，尽量减少踏板费力、过大的制动衰退、反常性能的问题。控制表面粗糙度同样能提高摩擦衬片的寿命。每当维修制动摩擦块或卡钳、或者换位车轮或为了其他类型工作而拆卸车轮，总要检查盘式制动器制动盘。不要忘记，伴随盘式制动器制动盘而发生的许多问题，一般用肉眼检查一下，可能不是很明显的。制动盘厚度、平行度、摆差、平面度。以及刮痕深度等，只能用准确的测量仪和千分尺进行测量。精密的测量工具及现代的精加工设备，对维修好制动盘来说，是至关重要的。3.2.2制动摩擦衬块摩擦衬块是指钳夹活塞推动挤压在制动盘上的摩擦材料。摩擦衬块分为摩擦材料和底板,两者直接压嵌在一起。摩擦衬块外半径只与内半径及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多，磨损不均匀，接触面积减少，最终导致制动力矩变化大。 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1.63.5范围内选用。由于摩擦,摩擦衬块会产生磨损。摩擦材料使用完后, 底板和制动盘直接接触会丧失制动效果, 损坏制动盘。制动盘损坏后,修理费用十分昂贵。为避免损坏制动盘,过去,用户靠定期车检来确定摩擦衬块的剩余量; 后来, 在底板上安装摩擦衬块磨损指示器, 当摩擦衬块已磨损到剩余量很少时, 指示器与制动盘接触, 当司机踏制动踏板时, 就发出异常的声响; 现在有一种更加准确提醒摩擦衬块磨损的方法, 即安装电子式磨损指示器, 当摩擦衬块磨损后, 磨损指示器中的线路断掉,警示灯亮3.3 盘式制动器操纵机构 在一般拖拉机上，制动操纵机构几乎都是机械式的。制动踏板通过一些杆件与制动元件相连。当摩擦衬面磨损后，为了调整踏板的自由行程，有一些杆件的长度是可调的，如利用调节叉来调节长度。左右制动器的踏板可用连接板连接，以便同时制动两驱动轮。当松开制动时，制动踏板都应该有回位弹簧使其自动回位。为使运输车辆能在斜坡上停车或在作固定作业时不让其随意移动位置，在操纵机构中都有停车锁定装置，它能卡住已踏下的制动踏板，使其不能回位，以使制动器能在没有驾驶员操纵的情况下长时间地处于制动状态。带式和蹄式制动器踏板的自由行程一般为4080，盘式制动器踏板的自由行程稍大些，这是因为盘式制动器的旋转元件和制动元件间的总间隙较小，如果自由行程过小，驾驶员稍一踏下踏板就已开始了制动，这样易使摩擦衬面加速磨损。左右踏板的行程必须一致，否则拖拉机在紧急制动时会容易发生偏转而发生安全事故。 如果用作直线行驶中降速或停车，则必须注意首先分离主离合器然后再制动；如果用作协助履带拖拉机转向，则必须注意首先分离慢速侧的转向离合器，然后再制动该侧驱动轮。 4制动系统设计计算4.1 制动系统主要参数数值4.1.1 相关主要参数a.汽车相关主要参数如表4.1所示。表4.1 汽车相关主要参数编号名称符号数值单位备注1质量M0320.000 kg2重力G3136.000 N3质心高hg300.000 mm11.82 inch4轴距L1600.000 mm63.04 inch5质心至前轴的距离a848.000 mm33.41 inch6质心至后轴的距离b752.000 mm29.63 inch7前轴负荷Wf1473.920 N47.00 %8后轴负荷Wr1662.080 N53.00 %b.轮胎相关参数如表4.2所示。表4.2 2010年FSAE赞助轮胎相关参数规格180/530R13标准轮辋内距8轮胎胎面宽(mm inch)223 8.8轮胎外径(mm inch)533 21.0轮胎接地面宽(mm inch)185 7.3轮胎半径(mm)244轮胎周长1626轮辋内距7.5-8.54.1.2 同步附着系数的分析（1） 当时：制动时总是前轮先抱死，这是一种稳定工况，但丧失了转向能力；（2）当时：制动时总是后轮先抱死，这是容易发生后轴策划而使汽车丧失方向稳定性；（3）当时：制动时汽车前后轮同时抱死，是一种稳定工况，但也丧失了转向能力。分析表明，汽车在同步系数为的路面上制动（前后轮同时抱死）时，其制动减速度为，即q=,q为制动强度。而在其他附着系数的路面上制动时，达到前轮或者后轮即将抱死的制动强度q,这表明只有在的路面上，地面的附着条件才可以得到充分利用。根据相关资料查出赛车=0.7，故取=0.7。4.1.3 地面对前、后轮的法向反作用力若在不同附着系数的路面上，前、后轮同时抱死（不论是同时抱死或分别先后抱死），此时或。地面作用于前、后轮的法向反作用力为 （4-1） （4-2）前后轮同时抱死制动时地面对前、后轮法向反作用力的变化如表3.3所示表3.3 前后轮同时抱死地面对前、后轮法向反作用力的变化01474 1662 47%53%0.1 1533 1603 49%51%0.2 1592 1544 51%49%0.3 1650 1486 53%47%0.4 1709 1427 55%46%0.5 1768 1368 56%44%0.6 1827 1309 58%42%0.7 1886 1250 60%40%0.8 1944 1192 62%38%0.9 2003 1133 64%36%1.0 2062 1074 66%34%4.2 制动器有关计算4.2.1 确定前后制动力矩分配系数根据公式： （4-3） 得到： （4-4）4.2.2 制动器制动力矩的确定应急制动时，假定前后轮同时抱死拖滑，此时所需的前桥制动力矩为 （4-5）式中 G为赛车重力； L为轴距； a为汽车质心到前轴的距离； 为汽车质心的高度； 为附着系数； 为轮胎有效半径。当=0.7时，即因为= (4-6)所以4.2.3 盘式制动器主要参数确定1）制动盘直径D制动盘直径D应尽可能取大些，这时制动盘的有效半径得到增加，可以降低制动钳的夹紧力，减少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轮辋直径的70一79。总质量大于2t的汽车应取上限。 这里去制动盘的直径D为轮辋直径的百分之70%，即mm 2）制动盘厚度的选择制动盘厚度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，或者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1020mm，通风式制动盘厚度取为2050mm，采用较多的是2030mm。在高速运动下紧急制动, 制动盘会形成热变形, 产生颤抖。为提高制动盘摩擦面的散热性能, 大多把制动盘做成中间空洞的通风式制动盘, 这样可使制动盘温度降低20 %30 %。这里制动器采用实心制动盘设计，mm厚度 。 3）摩擦衬块内半径R1和外半径R2摩擦衬块（如图4-1所示）是指钳夹活塞推动挤压在制动盘上的摩擦材料。摩擦衬块分为摩擦材料和底板,两者直接压嵌在一起。摩擦衬块外半径只与内半径及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多，磨损不均匀，接触面积减少，最终导致制动力矩变化大。因为制动器直径D等于231mm,则摩擦块mm取，所以mm。 图4-1 摩擦衬块4）摩擦衬块工作面积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范围内选用。单个前轮摩擦块,则单个前轮制动器A=48;单个后轮摩擦块，则单个后轮制动器A=32.能够满足的要求。5）摩擦衬块摩擦系数f选择摩擦片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。不能单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数，应提高对摩擦系数的稳定性和降低制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的要求，后者对蹄式制动器是非常重要的。各种制动器用擦材料的摩擦系数的稳定值约为 0.30.5，少数可达0.7。一般说来，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。当前国产的制动摩擦片材料在温度低于 250时，保持摩擦系数=0.350.40 已无大问题。因此，在假设的理想条件下计算制动器的制动力矩。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。所选择摩擦系数=0.35。总结得到参数如表4.4所示表4.4 制动器基本参数制动盘外径/mm工作半径/mm制动盘厚度/mm摩擦衬块厚度/mm摩擦面积/cm前轮2319610948后轮23196109324.2.4 盘式制动器的制动力计算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为 （4-7）式中 为摩擦因数； 为单侧制动块对制动盘的压紧力； R为作用半径。对于常见的具有扇形摩擦表面的衬块，若其径向宽度不很大，则R等于平均半径或有效半径，在实际中已经足够精确。平均半径为 mm式中，和为摩擦衬块扇形表面的内半径和外半径。有效半径是扇形表面的面积中心至制动盘中心的距离，如下式所示（推导见离合器设计） （4-8）式中 .因为,故，越小，则两者差值越大。应当指出，若过小，即扇形的径向宽度过大，衬块摩擦面上各不同半径处得滑磨速度相差太远，磨损不均匀，因为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。值一般不应小于0.65.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为 （4-9）式中 为摩擦因数； 为单侧制动块对制动盘的压紧力； R为作用半径。对于常见的具有扇形摩擦表面的衬块，若其径向宽度不很大，则R等于平均半径或有效半径，在实际中已经足够精确。平均半径为 （4-10）式中 和为摩擦衬块扇形表面的内半径和外半径。对于前制动器 (4-11)所以对于后制动器 (4-12)所以4.3 制动器主要零部件的结构设计 1）制动盘制动盘一般用珠光体灰铸铁制成，或用添加Cr或Ni等合金铸铁制成。制动盘在工作时不仅承受着制动块作用的法向力和切向力，而且承受着热负荷。为了改善冷却效果，钳盘式制动器的制动盘有的铸成中间有径向通风槽的双层盘这样可大大地增加散热面积，降低温升约20-30%，但盘得整体厚度较厚。而一般不带通风盘的汽车制动盘，其厚度约在10-13mm之间。本次设计采用的材料为HT250。 . 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。 3）制动块制动块由背板和摩擦衬快组成，两者直接牢固地压嵌或铆接或粘结在一起。 4）摩擦材料制动摩擦材料应具有稳定的摩擦系数，抗热衰退性要好，不应在温升到某一数值以后摩擦系数突然急剧下降，材料应有好的耐磨性，低的吸水（油、制动液）率，低的压缩率、低的热传导率和低的热膨胀率，高的抗压、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、应尽量采用污染小对人体无害的摩擦材料。当前，制动器广泛采用模压材料。 5）制动轮缸制动轮缸采用单活塞式制动轮缸，其在制动器中布置方便。轮缸的缸体由灰铸铁HT250制成。其缸简为通孔，需镗磨。活塞由铝合金制造。活塞外端压有钢制的开槽顶快，以支承插槽中的制动蹄，极端部或端部接头。轮缸的工作腔由装在活塞上的橡胶密封圈或靠在活塞内端面处得橡胶皮碗密封。本次设计采用的是HT250. 5液压制动驱动机构的设计计算5.1 前轮制动轮缸直径的确定 制动轮缸对制动块施加的张开力与轮缸直径和制动管路压力的关系为 (5-1)制动管路压力一般不超过1012。取。 (5-2)轮缸直径应在标准规定的尺寸系列中选取（HG2865-1997),具体为19mm、22mm、24mm、25mm、28mm、30mm、32mm、35mm、38mm、40mm、45mm、50mm、55mm。因此取前轮制动轮缸直径为32mm.同理，后轮制动轮缸直径。因此取后轮制动轮缸直径为25mm.5.2 制动主缸直径的确定 第个轮缸的工作容积为： (5-3)式中 为第个轮缸活塞的直径； 为轮缸中活塞的数目； 为第个轮缸活塞在完全制动时的行程，初步设计时，对鼓式制动器可取2.0-2.5mm.此处取mm.所以一个前轮轮缸的工作容积为一个后轮轮缸的工作容积为所有轮缸的总工作容积为,式中，为轮缸数目。制动主缸应有的工作容积为,式中为制动软管的变形容积。在初步设计时，制动主缸的工作容积可为：对于乘用车;对于商用车。此处取。所以 (5-4)主缸活塞行程和活塞直径为 (5-5)一般=（0.81.2）。此处取=。 所以 (5-6)主缸的直径应符合QC/T311-1999中规定的尺寸系列，具体为19mm、22mm、28mm、32mm、35mm、38mm、40mm、45mm。所以取得mm。5.3 制动踏板力和制动踏板工作行程制动踏板力为： (5-7)式中 为制动主缸活塞直径； p为制动管路的液压； 为探班机构的传动比； 为踏板机构及液压主缸的机械效率，可取=0.820.86.此处取=4，=0.85.制动踏板力应满足以下要求；最大踏板力一般为500N（乘用车）或700N（商用车）。设计时，制动踏板力可在200N350N的范围内选取。所以符合设计要求。制动踏板工作行程为 (5-8)式中，为主缸中推杆与活塞间的间隙，一般取1.5mm2mm;为主缸活塞空行程，主缸活塞由不工作时的极限位置到使其皮碗完全封堵主缸上的旁通孔所经过的行程。制动器调整正常时的踏板工作行程,在只应占计及制动衬块的容许磨损量的踏板行程的40%60%。为了避免空气侵入制动管路，在计算制动主缸活塞回位弹簧时，应保证踏板放开后，制动管路中仍保持0.050.14的残余压力。最大踏板行程，对乘用车应不大于100150mm,对商用车不大于180mm。此外，作用在制动手柄上最大的力，对乘用车不大于400N，对商用车不大于600N。制动手柄最大行程对乘用车不大于160mm,对商用车不大于220mm.符合设计要求第6章 制动性能分析任何一套制动装置都是由制动器和制动驱动机构两部分组成。汽车的制动性是指汽车在行驶中能利用外力强制地降低车速至停车或下长坡时能维持一定车速的能力。6.1 制动性能评价指标汽车的制动性主要由下列三方面来评价：1） 制动效能，即制动距离与制动减速度。2）制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。3）制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。6.2 制动效能 制动效能是指在良好路面上，汽车以一定初速度制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度。制动效能是制动性能中最基本的评价指标。制动距离越小，制动减速度越大，汽车的制动效能就越好。6.3 制动效能的恒定性制动效能的恒定性主要指的是抗热衰退性能。汽车在高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。因为制动过程中实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收转换为热能，所以制动器温度升高后能保持在冷态时的制动效能，已成为设计制动器时要考虑的一个重要问题。6.4 制动时汽车方向的稳定性制动时汽车的方向稳定性，常用制动时汽车给定路径行驶的能力来评价。若制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力。则汽车将偏离原来的路径。制动过程中汽车维持直线行驶，或按预定弯道行驶的能力，称为方向稳定性。影响方向稳定性包括制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力三种情况。制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力时，汽车将偏离给定的行驶路径。因此，常用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价汽车制动时的方向稳定性，对制动距离和制动减速度两指标测试时都要求了其实验通道的宽度。方向稳定性是从制动跑偏、侧滑以及失去转向能力方面来考验。制动跑偏的原因有两个：1） 汽车左右车轮，特别是转向轴左右车轮制动器制动力不相等。2） 制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上不协调（相互干涉）。前者是由于制动调整误差造成的，是非系统的。而后者是属于系统性误差。侧滑是指汽车制动时某一轴的车轮或两轴的车轮发生横向滑动的现象。最危险的情况时高速制动时后轴发生侧滑。防止后轴发生侧滑应使前后轴同时抱死或前轴先报死后轴始终不抱死。理论分析如下，真正的评价需要靠实验。6.5 制动器制动力分配曲线分析对于一般汽车而言，根据其前后轴制动力的分配、载荷情况及路面附着系数和坡度等因素，当制动器制动力足够时，制动过程可能出现如下三种情况：1） 前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑。2） 后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑。3） 前后轮同时抱死拖滑。所以，前后轮制动力分配将影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件利用程度，是设计汽车制动时必须妥善处理的问题。根据给定参数和及制动力分配系数，应用EXCEL编制出制动力分配曲线如下：1） 当I线与线相交时，即=0.7时，即前后轮同时抱死。2） 当I线在线下方时，前轮先抱死。3） 当I线在线上方时，后轮先抱死。通过图6-1可以看出相关参数和制动力分配系数的合理性。图 6-1制动力分配曲线6.6 制动减速度和制动距离S制动系的制动效果，可以用最大制动减速度及最小制动距离来评价。假设汽车是在水平的，坚硬的道路上行驶，并且不考虑路面附着条件，因此制动力是由制动器产生。此时 所以符合要求。6.7 摩擦衬块的磨损特性计算摩擦衬块的磨损受温度、摩擦力、滑磨速度、制动鼓（制动盘）的材质及加工情况，以及衬片本身材质等许多因素的影响，因此在理论上计算磨损性能极为困难。但试验表明，影响磨损的最重要的因素还是摩擦表面的温度和摩擦力。从能量的观点来说，汽车制动过程即是将汽车的机械能（动能和势能）的一部分转变为热能而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎承担了汽车全部动能耗散的任务。此时，由于制动时间很短，实际上热能还来不及逸散到大气中就被制动器所吸收，致使制动器温度升高。这就是所谓制动器的能量负荷。能量负荷越大，则衬片（衬块）的磨损越严重。对于盘式制动器的衬块，其单位面积上的能量负荷比鼓式制动器衬片大许多倍，所以制动盘的表面温度比制动鼓的高。各种汽车的总质量及其制动衬块的摩擦面积各不相同，因而有必要用一种相对的量作为评价能量负荷的指标。目前，各国常用的指标是比能量消散率，即单位时间内衬块单位摩擦面积耗散的能量，通常所用的计量单位为。比能量耗散率有时也称为单位功负荷，或简称能量负荷。双轴汽车的单个前轮及后轮制动器的比能量耗散率分别为 (6-1) (6-2) (6-3)式中，为汽车总质量；为汽车回转质量换算系数；、为制动初速度和终速度（）；为制动减速度（）；t为制动时间；、为前、后制动衬片（衬块）的摩擦面积；为制动力分配系数。在紧急制动到停车的情况下，并可认为，故 (6-4) （6-5）据有关文献推荐，鼓式制动器的比能量耗散率比不大于为宜，计算时取减速度。制动初速度：乘用车用100km/h(27.8m/s)；总质量3.5t以下的商用车用；总质量3.5t以上的商用车用65km/h(18m/s)。乘用车的盘式制动器在同上的和的条件下，比能量耗散率应不大于。对于最高车速低于以上规定的制动初速度的汽车，按上述条件算出的值允许略大于。比能量耗散率过高不仅引起衬片（衬块）的加速磨损，且又可能使制动鼓或制动盘更早发生龟裂。 （6-6） （6-7） (6-8）盘式制动器的比能量耗散率应不大于，故符合要求。另一个磨损特性指标是衬片（衬块