毕业设计（论文）-梦想4.0号赛车制动系设计.doc

中北大学2017届毕设计说明书毕业设计说明书中北大学“梦想4.0号”赛车 制动系设计 学生姓名： 学号： 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 车辆工程 指导教师： 2017年6月中北大学“梦想4.0号”赛车制动系设计摘要 Formula SAE缩写成FSAE它是在1979年由美国车辆工程师学会创办的,同时它又被称为国际大学生方程式赛车,在国内外都被大家视为是“学界的 F1 方程式赛车”。同时中国大学生方程式赛车在国际潮流的冲击之下，秉承着自己的发展理念，致力于将FSAE发展成为中国汽车工程师的摇篮，为我们国家的各大汽车企业提供了一大批人才。本说明书主要介绍了中北大学“梦想4号”赛车制动系统的设计，计算过程。简单的结合16年中北大学赛车制动系对“梦想4号”进行了进一步的加强。说明书首先介绍了制动系的研究意义，发展现状以及发展趋势。然后根据大赛的要求确定赛车的基本参数，其次就是对制动系的制动力分配系数、同步附着系数、制动轮缸、制动主缸等主要性能参数和尺寸参数的计算。 最后,依据设计和计算用画图软件绘制出了“梦想4号”的液压系统工程图以及制动器的零件图和三维图，并用MATLAB软件绘制理想前后制动器制动力分配曲线和f线组、r线组。关键词： 赛车，盘式制动器,设计全套图纸加扣 3012250582 Brake system design of the Dream 4.0 Racing Car of North University of ChinaAbstract Formula SAE abbreviated as FSAE it was founded in 1979 by the American society of vehicle engineer, at the same time it is also known as the international students Formula, both at home and abroad are all regarded as academic Formula one racing. At the same time, Chinese college students formula under the impact of the international trend, taking their own development philosophy, committed to FSAE development will become the cradle of Chinese automotive engineers, to our country each big car companies provide a large number of talents. This paper mainly introduces the design and calculation of the braking system of the dream 4 car of North University. A simple combination of 16 years of car braking in the university of north-central university has further strengthened the dream 4. The paper introduces the research significance, status and development trend of brake system. Then according to the requirement of the competition, the basic parameters of the car, the second is for the braking force distribution coefficient of brake system, synchronous adhesion coefficient, wheel cylinder, brake master cylinder size parameters of the main performance parameters and calculation. Finally, according to the design and calculation with drawing software rendering the dream 4 hydraulic system of engineering drawing and brake parts drawing and 3 d figure, using MATLAB software to draw ideal braking force distribution curve before and after the brake and quad f, r quad.Keywords: racing car, disc brakes, design目 录1 绪论11.1 前言11.2 制动系的研究意义11.3 FSAE制动系统研究现状21.3.1中北大学21.3.2太原理工大学31.3.3湖南大学31.3.4哈尔滨工业大学31.4制动系统发展趋势41.5 FSAE赛车对制动系统的基本要求41.6 课题研究方案52 制动器的结构形式选择62.1 鼓式制动器简介62.2 盘式制动器结构形式简介62.3 盘式制动器的优缺点92.3.1 盘式制动器的优点92.3.2 盘式制动器的缺点102.4 FSAE方程式赛车制动器结构的最终选择103 制动器主要参数确定123.1地面对前、后轮的法向反作用力133.2前后制动力矩分配系数的确定153.3制动器制动力矩的确定173.4 制动器因数183.5制动盘参数的确定183.6摩擦块参数的确定193.7卡钳活塞直径d的确定204 制动器主要零部件的设计21第 I 页 共 II 页4.1制动盘214.2制动卡钳214.3 制动块224.4硬管、接头和软管234.4.1 硬管234.4.2软管24图4.5 制动软管244.4.3接头245 制动驱动机构的结构形式选择与计算255.1 制动驱动机构的结构型式选择255.1.1 简单制动系255.1.2 动力制动系255.1.3 伺服制动系265.2制动管路的多回路系统选取275.3制动主缸总成285.3.1 制动主缸直径d0的确定285.3.2 制动主缸的选型295.4制动液的确定305.5制动踏板工作行程Sp305.6 制动踏板力Fp306 制动性能分析326.1 制动性能评价指标326.1.1 制动效能32该结果符合有关标准。336.1.2 制动效能的恒定性337 总结34参 考 文 献35致 谢36第 II 页 共 II 页1 绪论1.1 前言 Formula SAE缩写成FSAE它是在1979年由美国车辆工程师学会创办的,同时它又被称为国际大学生方程式赛车,在国内外都被大家视为是“学界的 F1 方程式赛车”。同时中国大学生方程式赛车在国际潮流的冲击之下，秉承着自己的发展理念，致力于将FSAE发展成为中国汽车工程师的摇篮，为中国汽车企业培养更多的汽车专业人才。关于FSAE比赛的要求，则是根据每年出台的大赛规则，要求各大学车队在一年之内参考这年的大赛规则和FSAE赛车的相关制造依据进行制造赛车，并且设计和制造出的赛车在转向性，安全性，制动性和速度方面都要有良好的表现。然后在比赛的时候评委根据其表现进行打分。而比赛的过程中为了能全面的进行评判，大学生方程式大赛将比赛分成了两部分：静态比赛和动态比赛，顾名思义静态就是关于制造方面的分析，动态则是赛车在赛道上面的表现1。毫无疑问通过这样中国方程式汽车大赛定义和要求，国内必将涌现一批又一批的方程式赛车制造团队，他们秉承着大赛的理念和要求积极的面对这次挑战，从开始的大脑空白到艰难的初步设计，从毫无方向的采购和加工到绞尽脑汁以后的解决难题。这些过程不仅让他们学会了CATIA和UG等专业软件，还让他们积累了焊接，定位和机加工等实际操作的技巧，让他们在汽车工程师的技能方面更进一步，所以说中国的汽车方程式大赛对于大学生来说简是“车企未来工程师的起源之地”。本文就是基于这种情况提出了一套关于“梦想4号”的设计方案。1.2 制动系的研究意义 现在社会人们用得最多的交通工具就是汽车，所以汽车的安全性能对于人们的人身安全尤为的重要，,而制动系统的效能好与坏与乘员的生命安全是息息相关的，再加上制动系统对于汽车来说也是意义重大，它是汽车底盘当中十分重要的部分，在汽车的运动性能发面发挥着至关重要的作用,是汽车一个重要的安全系统。在汽车的行驶过程中良好的制动性能保障驾驶员平稳安全的制动减速也可保证汽车安全停放,不但稳定了汽车平时在路上的行驶速度而且再运输效率上面也效果卓著,所以开发和设计制动系统什么时候都是十分重要的。而对于本次中北大学“梦想4号”而言，制动性能在大赛的前第 1 页 共 36 页提规则之下，它的好坏不仅关系到了车队成绩的好坏而且还关乎到了车手的安全。所以本次毕业设计中北大学“梦想4号”赛车制动系设计必须以大赛规则为原则，车手安全为前提，提高制动性能为目的进行一系列的设计研究。1.3 FSAE制动系统研究现状 方程式赛车在比赛的过程中，需要制动时制动系统给赛车一个相反的方向外力，使得赛车的车速慢慢的从初速度减小到零,这个从开始制动到停车的过程中对于制动系的研究和分析十分有利，同时也是汽车实验和设计的基础，因为这个过程比较复杂所以需要建立有限元软件来进行分析，从而模拟赛车制动时的受力情况。 当然了对于一辆汽车的制动系统的好坏是有评价指标的，1）制动效能：制动距离和制动减速度2)制动效能的稳定性：热衰退性3）制动时制动方向的稳定性。除了这些只懂得实际过程中还收到了环境路况等影响，这些都是国内外一直模拟研究的领域。国内的车队也是做了大量的模拟实验，但是因为起步比较晚，再加上学生赛车具有一定的危险性，特别是关于汽车制动系这个重要的系统。所以国内车队在参加FSAE时处于安全性的考虑都是向国外购买制动部件的。1.3.1中北大学 在制动方面就是可圈可点，一些重要的制动部件由于不是用的国外的，再加上技术不是很成熟所以在以往比赛车检的时候老是因为四个轮胎不能同时抱死而过不了车检，再加上一些制动液的外漏等等毛病导致了“梦想号”的制动系统不能达到预期，所以解决这些问题时时刻刻都是迫在眉睫。但是中北大学“行知”赛车队虽然在条件艰苦同时也是刚参加FSAE不久，但是自2014年参加中国大学生方程式汽车大赛以来，连续参加三届比赛,都是取得了较为理想的成绩。 图 1.1 行知车队16年竞赛合照 图1.2 车队制动器实物图1.3.2太原理工大学成绩太原理工大学的晋翔车队在12年组建，前身经过了多次的易名，车队最早组建在09年，相对于我们学校来说资历稍微要高一些，车队实力可圈可点。曾经参加过多次的技能，车队大赛也拿过一定的奖项。在FSAE这块去年变现还算可以，但成果往往与他们所花的经费不成正比，差强人意。在制动系统这块，也是由于起步比较晚，制动系有比较复杂，很多方面都是需要完善的。 图1.3 太原理工大学赛车图 图1.4 太原理工大学车队比赛和照图1.3.3湖南大学湖南大学的FSAE车队本名就叫湖南大学FSAE赛车队，它成立于2006年10月，是中国大陆第一支大学生方程式赛车队。在国内的赛车队来说湖南大学FSAE赛车队起步很早，所以积累的经验也是很多，加上学校的极度扶持湖南大学FSAE赛车队成立10年以来，自主研发了 9 代性能卓和越的方程式赛车,不仅去美国参加比赛而且也去德国参加比赛,经验十分丰富，值得我们学校学习的方面很多。 图1.5 湖南大学赛车竞赛 图1.6 湖南大学车队合照1.3.4哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学FSAE方程式赛车队名叫HRT车队，它成立于09年，在国内的车队里面哈工大车队走在了很多学校的前沿，不仅与国外有一定的结果在最近今年的FSAE中也是表现优秀，今年又以FSAE第五，巴哈大赛冠军与电动车方程式赛车冠军成就了“冠王”，在FSAE当面值得我校学习和参考的东西很多。 图1.7 哈尔滨工业大学车队合照图 图1.8 哈尔滨工业大学赛车正在比赛1.4制动系统发展趋势随着一些电子，信息和生物方面的智能技术的革新和提高，在很多系统和装备的控制技术上都逐渐走向了高精度和高智能话，让整个机械的蓝图更加的宽广和美丽。对于汽车制动系统来说同样如此，有了这些技术的进步，在控制方面汽车制动系统也能更一步的精确和智能，从原来得纯机械走向了高智能控制，让整个市场都活跃了起来。但是这也是具有一定的局限性的，高精度和高智能的控制就要求其生产的高度化，但是由于国内外生产设备的局限性导致了新技术无法革新，而且相关规则也不健全所以对于这样的技术来讲还有很长一段路程要走，只有克服这些困难汽车制动系才能走向美好的未来。而对于赛车而言，本就是服务于汽车人才的培养，所以“梦想4号”制动系的研究方向可以借鉴与车辆制动的发展趋势的。1.5 FSAE赛车对制动系统的基本要求 1、关于赛车制动系统，大赛规定一定要有两套液压回路，并且相互独立具有独自的工作能力，不相互依赖。 2、 安装有限滑差速器的车桥,可以仅在差速器单侧使用单个制动器。 3、制动系统在车检时四个车轮必须都能抱死。 4、禁止使用线控制动。 5、禁止使用塑料材质不安全的制动管路。 6、禁止使用塑料材质不安全的制动管路。 7、从侧面看,车架和单体壳下表面必须高于制动系（安装在赛车弹簧上）的任何部分。 8、制动踏板的设计前提必须是能受到2000N 的力而不破坏制动系统和踏板机构。 9、制动踏板的材料必须由铝合金,钢或者钛加工而成。 10、赛车的制动系统在测试的时候，从运动到静止必须式四轮抱死不跑偏。 11、赛车必须装有制动踏板超程开关作为熄火系统的一部分,并且必须 与熄火按钮串联。并控制那些重复触发该开关不能恢复上述系统的供电。并且该开关必须设计成不能被车手复位。 12、赛车必须配备一个红色制动灯。 13、在竖直方向,制动灯的安装位置必须在车轮中心线和车手肩膀高度之间,且在横向接近赛车中心线1。 1.6 课题研究方案1、了解课题相关背景，熟悉、掌握汽车制动系统工作原理和评价指标及参数选择的原则；2、查阅相关技术文献15篇以上，其中至少有2篇外文相关文献，并将其中1篇不少于2000词的外文资料翻译成汉语； 3、选择制动器的类型；4、根据FSC赛车要求对制动系统进行匹配计算分析，计算制动器及总成各部件的设计参数，完成制动器总成的设计；5、设计两套独立的制动液压回路；6、绘制液压系统的工程图；7、用Matlab软件绘制理想前后制动器制动力分配曲线和f线组、r线组；8、制作制动系统及FSC赛车；9、撰写毕业设计说明书1篇；10、论文答辩。2 制动器的结构形式选择 汽车制动器主要分为摩擦式、液力式和电磁式。但主要现在汽车几乎用的都是机械摩擦式制动器。摩擦式又按摩擦结构的形式不同分为鼓式、盘式和带式制动器三种4。2.1 鼓式制动器简介鼓式制动器的摩擦装置几乎就是两个制动蹄，它几乎是世界上最早应用到汽车上面的刹车装置，除开后来出现的盘式制动器市面上几乎都是鼓式制动器。而鼓式制动器又分为两种，一种就是制动蹄式制动器内张形式当制动蹄从里面张开就与带车轮的制动装置摩擦进行制动，另一种就是外速性简称带式。其中内张型用得很多，现在鼓式制动器当中都是，所以它就被称为鼓式制动器。而对于带式来说也许是因为某些原因很少用于现在汽车上面。下面的对于内张式鼓式制动系按蹄式的分类。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 盘式制动器的分类跟鼓式制动器有一定的差别，但是几乎同样是一个原则，同样是按照固定摩擦元件来分，不过这个是按结构来分，它可以分为钳盘式和全盘式制动器。 钳盘式制动器是靠制动盘和固定摩擦元件之间的摩擦来使汽车制动的，制动盘的位于与轮胎相互固定的轮毂上面，它的基本上是带孔的满盘形状这有利于制动时候的散热。而固定的摩擦元件就是两块带有摩擦能力的垫块，它们位于制动钳内，而制动钳则是固定在转向节或则赛车上面的，摩擦垫块一般来说是呈扇形，面积十分小差不多占到了制动盘的一半不到。在制动的时候摩擦垫块固定然后通过压紧力与制动盘相互接触摩擦，这种结合的结构十分简单而且还能获得很大的摩擦力是现在大部分轿车上面通用的结构，固有称之为点盘式制动器，由于面积小，制动力大所以要求摩擦材料必须散热块，强度和刚度要求也十分的高。 除了点盘式制动器还有一种就是摩擦元件和制动盘全部接触的制动器，称之为全盘式制动器。顾名思义这种制动器就是感觉与离合器摩擦式差不多，因为这样的制动器获得的制动力比较大，所以用起来十分的方便，但是由于结构的复杂和散热的不良好也是存在一定的缺陷的。 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轮毂除了按制动盘和摩擦元件的接触方式来对制动钳的结构进行分类，还可以按照钳盘式制动器的制动钳能否运动进行分类，这样就可以分成固定钳式与浮动钳式。1） 固定钳式盘式制动器 如图2.2.1 所示,固定钳盘式制动器顾名思义就是制动钳固定而位于其内的摩擦垫块是通过其中的活塞进行运动，同时两个活塞是由制动踏板上的力通关总泵，液压管和分泵传过来的，当压力油液进入制动钳的分泵时通过活塞将制动块压向了制动盘进行制动。而压力放松时液体油压离开分泵，通过弹簧又将制动块和活塞进行回味，这种工作形式制动钳就叫做固定钳式制动器。固定钳式盘式制动器在盘式制动器里面算是较早的应用于汽车之上，它的设计比较简单但是对其要求比较大。这是因为它的布置性比较差再加上对于制动钳和刚度的要求也是比较高的。除了这些对于液压缸和活塞也有高精度这样的要求。如果散热不够快的话就容易将制动时后产生的热量传递给制动液使之产生气泡，从而让整个制动器失去效能发生危险，所以其成本要求十分之高。2）浮动钳式盘式制动器通过字面理解浮动钳式盘式制动器的制动钳是运动的，同时又因为运动的轨迹不同又将其分为两种制动器，一种就是制动钳在相应的平面内做滑行浮动这样的制动器称之为滑动钳式制动器。第二种则是制动钳体不能做滑动而是在与制动盘垂直的平面内做摆动所以称它为摆动钳式制动器。但是它们都是有相同的结构，那就是制动的油缸都是位于制动盘的一侧，这一侧的制动块也是移动的，在油压的作用下活塞将这一侧的制动块推向制动盘，同时反作用力推动另一侧的摩擦块压向制动盘使得汽车进行制动。值得一提的是摆动钳式制动器的制动块形状式楔形这是由于其摆动的轨迹位于制动盘的垂直平面，制动过程中对摩擦垫块的要求很高。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的有点十分之多，单从结构上来说浮动钳式盘式制动器的结构十分的简单，而且可布置性很高，因为只有一侧是活动的这就造就了浮动钳可以不跨过制动盘的油路，制动液和油液的受热肯定是不可能的，加上活动的一侧可以处于车轮的内侧所以对于冷却来说也是相得益彰，故而这种形式的制动器普遍不会气化，油液的温度比之固定钳式制动器低了50度左右。同时制动器如果将它移到轮毂还可以用来进行驻车制动，简直是一劳永逸。但是由于钳体的浮动，所以在制动过程中有一定的磨损和噪音，这是没有办法改变的。2.3 盘式制动器的优缺点2.3.1 盘式制动器的优点 盘式制动器比之鼓式制动器较晚于鼓式制动器，下面是它们优缺点的对比：优点：1. 制动器的热稳定性很好,这不仅是因为制动时摩擦垫块的面积比较小，约占制动盘总面积的十分之一所以散热来说简直是手到擒来。而且还因为它们摩擦垫块和制动盘在工作的时候相互摩擦这个过程中并没有任何的增力作用。 2.盘式制动器的水稳定很好,水稳定性就是在汽车涉水以后制动器能恢复如初的快慢程度，对与盘式制动器来说因为制动盘高速旋转的缘故其离心力足以将大量的水甩出制动器，再加上制动过程中的压紧力简直是如虎添翼，所以盘式制动器的水稳性就十分之高，但是鼓式制动器就不一定了，几乎是制动十几次才能将水甩出去。3.盘式制动器的制动力矩不随着汽车的运动方向即前方和后方是没有关系的十分的稳定。4.盘式制动器在制动时的稳定性好即制动稳定性高。5.盘式制动系统大多都是双回路的液压制动系，相互独立也不相互影响，这让它的安全性和可靠性变得很高。6.盘式制动器结构简单，而且尺寸比较小，接触面积的小让它的散热也是十分好，从而质量也小。 7.盘式制动器由于摩擦块和制动盘没有增力的作用，让它制动时的受力十分均匀，磨损来说也是比较客观。8.盘式制动器由于结构简单所以摩擦衬块的更换比起鼓式制动器来说更容易更换。9.盘式制动器由于摩擦元件与制动盘的距离十分之小的原因让其活塞的行程更加的短，缩短了整个制动过程的滞后时间，能让制动机构的穿力更加的快捷。 10.盘式制动器比之鼓式制动器更加的容易实现一些间隙的自动调整。11.盘式制动器在制动器磨损报警装置上面也是表现十分的突出，有利于及时更换摩擦衬块。2.3.2 盘式制动器的缺点1.相对于鼓式制动器来说盘式制动器的防尘性能和防腐蚀性能比较差。2.盘式制动器在使用驻车制动的时候，需要进行一定的机构转换这让它的手驱机构比较复杂。3.盘式制动器在制动的过程中为方便制动的顺利进行必须要有助力器。4.盘式制动器的摩擦垫块磨损比较块所以使用寿命比较低。2.4 FSAE方程式赛车制动器结构的最终选择从根本上来讲汽车的制动过程中就是能量的转换，就是将制动时候的汽车的动能转化为热能，整个过程中制动器肯定会产生较大的热量，这样来讲汽车的散热就尤其的重要，一旦散热不好汽车的动能就无法变为热能，简单来说制动器在高温状态下是很难进行制动的，严重时还会发生危险。而且速度越高汽车对制动的要求也就越高这是因为它的动能越大所需要的散热也就越好，所以制动器一定要有很好的的散热性能，所以从这方面来说赛车制动器选择盘式制动器比较合适。但是盘式制动器也有一定的不足，首先就是由于制动器对于制动块和制动液压回路的要求较高，所以成本来说肯定是比鼓式制动器要高的。在平时的轿车制动过程中由于制动时候的所有载荷都是处于汽车前轮所以很多汽车企业都是将轿车做成前盘后鼓的形式，这样即经济汽车的制动性能也满足。但是在梦想4号的设计过程里赛车必须要有温性的制动性能有保障安全和成绩，所以赛车肯定是前后轮都是选择盘式制动器，综合上面的情况选择浮动盘式制动器。除了这些盘式制动器在制动盘上面还有一定的研究，那就是制动盘的分类之说，制动盘可以分为实心盘和空心盘，对应的就是普通盘和通风盘，从字面意思来说通风盘可以进行通风，也就是我们所说的散热，通风盘可以在赛车的行进过程中通过空气的对流进行更好的散热，其整体制动器的散热效果比实心盘好上很多所以这次梦想4号的设计过程中选择通风盘。综合上面的情况，这次“梦想4.0号”号赛车的设计前轮和后轮都是采用浮动钳盘式制动器，前后轮的制动盘都是采用通风盘。下图为赛车通风盘制动器。图2.4 通风盘制动器3 制动器主要参数确定 根据往年的梦想号的设计流程FSAE赛车的制动器设计过程一般为:依据已知数据、设计纲领和大赛给出的规格和要求确定了整车数据以后，在制动器结构选定的前提之下结合已知数据和同级赛车的参数给制动系同进行初步的布局和设计。然后在针对汽车的制动力、力矩和地面摩擦力、力矩进行数据比较一直到所设计的制动器达到要求。下一步就是根据各项数据的情况进行验算，从而对于初步结构参数的修改，在结合实际情况和大赛要求进行详细的修改对其结构进行最后的分析和设计鉴于制造能力所限，制动盘、制动卡钳、制动主缸及制动管道只能采购现有产品，但采购件必须在理论计算的尺寸参数范围内，以最终成品零件尺寸为理论依据进行最终系统安装和优化。车辆满载总重、轴距、整车质心位置、车轮有效滚动半径等参数。在初始参数的基础上进行设计计算以确定其他可加工零件（比如卡钳安装支架、制动盘安装法兰、平衡杆等）的必要参数，之后进行踏板总成的设计制造、优化。制动钳的设计安装与悬架设计人员合作完成，踏板总成及制动主缸总成的设计安装与车架设计人员合作完成，制动踏板超行程开关和制动灯总成与电控设计人员合作完成。最后，进行系统的调试和优化。通过大赛要求和梦想号参考得到的整车数据参数：整车质量W（载人60kg）275kg，赛车轴距L：1545mm，赛车前轴载荷：123.75kg赛车后轴载荷：151.25kg如图3.1所示，由满载时各轴负荷以及轴距、车重，可求出质心距前、后轴的距离。 3.1 赛车静止受力图如图分别对前、后轮接地点求力矩，可得: 上式同时适用于空满载两种状况，于是得出满载的质心位置： 求得 空载质心位置:、 前后轮胎规格均为 215/60 R10，故车轮滚动半径为： 式中，为轮辋直径，故mm综合得出详细的“梦想4号”赛车整车基础参数： 表3.1 梦想4号赛车整车基础参数项目整车质量W(Kg)前轴载荷Kg后轴载荷Kg质心高度h（mm）距前轴距a（mm）居后轴距b（mm）轴距L（mm）车轮有效半径R（mm）赛车数据275123.75151.25300849.75695.2515453003.1地面对前、后轮的法向反作用力赛车制动时忽略赛车车轮的滚动力矩和汽车回转的惯性力矩，其任意车轮的力矩平衡方程为： （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 ；Fxb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 。 赛车制动器制动力： （3-2） 赛车制动力又称之为制动周缘力在车轮角度大于零的情况下它与地面给轮胎的力F大小相等方向相反。而它本身的大小取决于制动器的尺寸和结构，而且还与制动系的液压成正比，与制动器的摩擦系数也是息息相关的。同时F也是受到了一定的限制它不可能大于附着力5W，所以有： F （3-3）式中：轮胎与地面间的附着系数；地面对车轮的法向反力；W车轮在地面的附着力。由（3-3）和上述条件可知当制动器制动力FXb 和地面制动力F达到地面附着力W时车轮就会处于抱死状态，再由图3.1赛车整体受力图分别以前后轴车轮为接地点列出力矩平衡方程得： （3-4） （3-5） 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；a汽车质心离前轴距离，mm；b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，。若在不同附着系数的路面上，前、后轮同时抱死或分别先后抱死，此时FXb=F=W，而赛车的质心惯性力与地面附着力相等即： （3-6） 由（3-4）（3-5）（3-6）可知地面作用于前、后轮的法向反作用力分别为Fz1=1859.88 Fz2=786.12 （3-7） 图3.2赛车整体受力图3.2前后制动力矩分配系数的确定 一般把汽车前轴制动力与汽车制动器总制动力之比称之为汽车制动器制动力分配系数11即 （3-8）同时根据公式 : (3-9)式中为汽车同步附着系数，查阅相关取，所以，而为汽车同步系数及理想前后制动力分配曲线I与曲线的交点，由（3-8）可知曲线是一条过原点的直线，其直线的斜率 （3-10）而I曲线取决于汽车的质量参数与地面的情况无关，它是前后车轮制动力最理想分配下的制动力关系曲线，前后制动力理想分配就是赛车前后车轮同时抱死，汽车不发生侧滑，也不容易发生转向失控的情况，此时赛车制动器总制动力等于整车的附着力，同时前后车轮各自制动器制动力等于附着力由此可得以下公式： （3-11） （3-12）所以由上述条件综合（3-10） （3-11）（3-12）可得下理想曲线图图3.3 赛车I曲线与曲线分布图上述的I曲线为前后轮同时抱死的情况，而当制动力不理想的时候就会出现前轮抱死后轮不抱死，此时的关系曲线就为r线组；或则赛车后轮抱死前轮不抱死此时的关系曲线就为f线组，它们都是地面制动力的关系曲线，它们的交点连成的曲线就是赛车的I曲线，由MATLAB分析画出f，r线组为以下情况。图3.4 赛车实际，曲线图3.3制动器制动力矩的确定 在“梦想4号”赛车的比赛过程中赛车前后轮的制动力矩确定尤为重要，它们既能保障制动效能又能保障汽车制动性能的稳定性，由此可见其重要性。而在应急制动时，前后轮很有可能同时抱死拖滑，此时附着系数被完全利用，附着力也被汽车的前后车轮充分利用了起来。赛车的制动力与地面对于车轮的反作用力成正比即 （3-13）式中：质心离前、后轴距离;汽车质心高度； 当赛车的附着系数与相等时前后轴的制动力矩达到最大由公式 =W(b+)/L （3-14）得前桥制动力矩=W(b+)/L=(0.695+0.3)0.70.2292750/1.545 =234.35N/m 式中r为车轮有效半径其值为0.3 =195.3 即=234.35N/m则后桥制动力矩为 =（1-B）/BM1=99.00N/m =82.51N/m3.4 制动器因数 定义制动器因数为BF，它其实是评定盘式制动盘或者制动毂的效能同时也是整个制动器效能的参数即制动盘或者制动毂上得到的摩擦力与人为液压力的比值可以定义为以下公式： (3-14)式中：制动盘的摩擦力矩； 制动盘的作用半径； 输入力，一般取于两侧制动块的压紧力的平均值为输入力。由于本次设计采用的是钳盘式制动器，所以制动盘两边的制动块对它的压紧力都为p，所以制动盘总共受到的压紧力就为2fp。由此就可以得到制动盘上的摩擦力矩就为2fpR所以得到制动器的摩擦因数： (3-15) 式中：f为制动盘与制动钳之间的摩擦系数.在本次“梦想4号”赛车设计中取f=0.35；则BF=0.73.5制动盘参数的确定（1）制动盘直径D在选取制动盘直径D时要注意一个问题，那就是制动盘的直径在轮辋的限制条件下尽可能的选大一些因为这样制动盘的有限半径才能尽可能的增大，达到良好的制动效能同时也减小了制动钳的夹紧力，让衬块的单位压紧力和它的工作温度得到了充分的减小，而受轮辋的限制制动盘的直径通常选择为7079。在本次“梦想4号”赛车设计中： 制动盘直径的选择范围为：，由制动盘尺寸选择标准5选取制动盘直径。 (2)制动盘厚度h0 在选择制动盘厚度的时候同样要注意几个问题，第一：为了使制动盘质量不至于太大制动盘厚度h0适当的取得小一些；第二：为了制动盘的温度不过于上升得太快或者过高厚度也不宜过小；第三：为了保障制动盘的通风散热可以在制动盘的两侧工作面打通风孔或者选择通风制动盘；而一般实心制动盘的制动厚度在10mm-20mm之间。但是由于制作条件的限制所以本次“梦想4号”赛车制动盘的厚度取h0=4.5mm。3.6摩擦块参数的确定(1)摩擦块内、外半径R1 、R2在选取摩擦块的时候如果摩擦块的外径与内径相差过大就会导致制动器工作时衬块的两侧工作圆周速度偏差较大，长此以往就会导致内外磨损不均匀，严重时就会因为力矩变化大导致制动效能大大下降，所以一般来说制动器摩擦块的外径与内径之比不得超过1.5。在本次“梦想4号”制动器设计中，选取/=1.4，价值摩擦块的外径要略小于制动盘半径所以取。所以，取。根据资料7相推荐制动摩擦块的厚度为12mm。(2) 摩擦块工作面积 常见的摩擦块材料都有NAO，半金属和少金属，一般在乘用车上面用到的都是一些半金属材料，因为半金属即较耐磨，环保，摩擦系数较低。而其单位面积都是在汽车质量的1.6-3.5范围之间选取，所以本次设计选取半金属材料的摩擦块，由于摩擦块的形状为扇形选定其圆心夹角为，故有： 本次设计取A=(3)摩擦块摩擦系数f 一般来说乘用车制动器的摩擦块对摩擦系数的要求都在0.3到0.5之间，再加上对摩擦材料的热稳定性、耐磨性、环保性以及对于温度和压力有一定的要求所以综合上面的情况选择f=0.35的粉末治金材料，这样就可以满足在理想的预算结果之下更能贴近实际。表3.1 制动器基本参数制动盘半径mm工作半径mm制动盘厚度mm摩擦块厚度mm摩擦面积Cm2前轮9060-90101227后轮9060-901012273.7卡钳活塞直径d的确定 卡钳活塞对制动块施加的张开力F0与活塞直径d和制动管路压力P的关系为 （3-16）制动管路压力P=10MPa, 求得前轮活塞直径d=23.8mm,d=21.77mm后轮活塞直径d=18.3mm.d=14.15mm。4 制动器主要零部件的设计4.1制动盘 一般来说制动盘的材料都是用灰铸铁制成，但大多数乘用车的制动盘都添加了等合金铸铁制成。结构形状大多都是礼帽形，根据本次“梦想4号”的制动盘设计，制动盘直径为180mm由于制作条件的限制所以只能购买制动盘如图4-1为通风制动盘尺寸参数为外径90mm,内径44.5mm,厚度4.5mm。同时根据相关资料显示制动盘的粗糙度不大于0.06mm，所以本次所购合金材料满足要求。图4.1 制动盘4.2制动卡钳 制动钳分为固定制动钳和滑动制动钳，在制动的过程中制动钳通过压力以及活塞让制动块夹紧制动盘来实现制动，所以制动钳在整个制动过程中发挥着十分重要的作用。因此在选材方面有一定的要求，制动钳不仅要由较高的强度而且还要有较高的刚度，在结构方面也要本着方便便于拆卸的原则进行设计，故而大多数制动钳都是采用可锻铸铁和球墨铸铁的材料设计成整体式的镀铬形态，结构上还可以是两半式由螺栓连接，钳体中不仅要加入制动油缸而且还要减小活塞与制动块的接触面积这样就可以有效的将制动过程中产生的热量散出去。而本次设计本应该采用可锻铸铁，整体式、镀铬处理，但由于制作条件的限制只能进行采购。图4.2 制动卡钳4.3 制动块制动块分别处于制动盘的前后两侧通过压紧力与制动盘产生摩擦，从而产生制动力矩来使汽车制动。制动块一般由背板和摩擦衬块构成，它们两者都是紧密相连的，摩擦垫块在制动过程中磨损比较快所以它的厚度肯定是比较厚的，而其形状大多数都是扇形，为了较于方便的更换摩擦垫片很多汽车制动器上都安装着警报装置。而背板的材大多都是钢，同时在制动过程中背板与摩擦衬块会产生强大的热量和噪音，为了避免这种情况的发生可以在它们中间粘（或喷涂）一层隔热减震垫（胶）。而本次设计取衬块厚度12mm，有隔热减震垫的作用。 图4.3 制动块实物图 图4.4 制动器摩擦块设计图4.4硬管、接头和软管 制动管路由硬管与软管组成，它们用来在主缸和每个车轮制动器之间传递有压力的制动液。硬管用于引导固定制动件之间的液体，软管用于连接硬管管和运动的制动元件。4.4.1 硬管 考虑到液压力大，为保障赛车的制动安全，车队采购了能承受10MP的紫铜管，6mm,如图4.4。图4.4 制动硬管4.4.2软管 采用与所选制动钳配套的软管，如图4.5所示。图4.5 制动软管4.4.3接头制动管与元件、制动软管和其他长度硬管连接采用喇叭口接头。图为设计后图。图4.6 制动器零件组装图5 制动驱动机构的结构形式选择与计算 制动器在制动过程中需要有一个驱动机构，而这个驱动机构正是通过司机或则其它动力源产生制动作用力从而使制动器产生制动力矩进行制动。5.1 制动驱动机构的结构型式选择制动驱动机构的结构型式分为了三种，它们是由于动力源不同而进行分类的，分别是简单制动、根据制动和伺服制动。同时在力的传递方式上面也有一定的区别，又分别是机械式、液压式以及气压式。5.1.1 简单制动系现在的乗用车上面多数使用的简单制动系，这种制动系动力源就是司机作用于制动踏板上面的力，它又称为人力制动系。并且力的传递方式也是大家所熟知的机械式和液压式。机械式就是通过一些的杆组或者链条进行传递，通俗来讲它差不多和自行车上面的刹车无异这是稍微比它复杂一点，所以这样的制动系一般用于中小型的乗用车。而液压式在简单制动系中大多用于行车制动，它的一个别名又叫做液压制动系。可以说它的优点和缺点是对等的，优点就是工作时不仅作用时间滞后了零点几秒而且工作压力也是十分之高加上其尺寸小所以在布置方面十分方便，但是又由于它是液压制动所以在液压管路受热过后就会产生气泡让整个制动效能受到影响，相反的如果温度过低，整个液压系统都会受到影响。5.1.2 动力制动系动力制动系顾名思义这种制动方式的动力源不在人力而在于汽车本身，事实也是如此动力制动系的动力源是汽车发动机形成的，在发动机工作时会产生气压和液压，并且能形成一定的势能这种能量可以通过制动踏板和手柄的控制单元将它们进行操纵作用于制动系。这种制动系可以打破踏板力与行程之间的平衡即较小的踏板力就可以有适当的行程。动力制动系当中最为普遍的就是气压制动系，气压制动系链接和断开都非常的方便，它可以获得较大的制动驱为此其必须采用空气压缩机和一些列密装灌，这样就让气压制动系的结构变得十分的复杂，体积过于的庞大这样不仅占的地方变多而且造价十分之高。另一方面因为容积水分庞大的原因导致了制动管路的反应时间十分缓慢严重的反应时间接近一秒，这样一来就又不得不增加另一个控制单元这样就让整个管路的结构更为复杂，而且里面的压力也变得尤为的低下且其噪音也是十分之大，任何一个环节出了问题都会影响制动效能，这就让气压制动系十分的脆弱。动力制动系中液压和气压一起利用起来的制动系叫做气顶液式制动系，它是将气压系统作为制动主缸，液压为主要系统的制动系。其优点就是即利用了液压的效果也利用了气压的优点，不仅让滞后时间缩短而且上制动效能较于实现，但是面对的问题同样是结构复杂，质量大，造价高等问题。全液压动力制动系的动力源发动机油泵所