汽车制动器设计.pdf

1 前前 言言 汽车的设计与生产涉及到许多领域 其独有的安全性 经济性 舒适性等众多指标 也对设计提出了更高的要求 汽车制动系统是汽 车行驶的一个重要主动安全系统 其性能的好坏对汽车的行驶安全有 着重要影响 随着汽车的形式速度和路面情况复杂程度的提高 更加 需 要高性能 长寿命的制动 系统 其性 能的好坏对汽车的 行驶安全有 着重要影响 如果此系统不能正常工作 车上的驾驶员和乘客将会受 到车祸的伤害 鉴于制动系统的重要性 本次设计的主要内容就是运输车辆中的 制动器 目前广泛使用的是摩擦式制动器 摩擦式制动器就其摩擦副 的结构形式可分成鼓式 盘式和带式三种 其中盘式制动器较为广泛 盘 式 制 动 器 的 摩 擦 力 产 生 于 同 汽 车 固 定 部 位 相 连 的 部 件 与 一 个 或 几 个制动盘两端面之间 其中摩擦材料仅能覆盖制动盘工作表面的一小 部分的盘式制动器称为钳盘式制动器 摩擦材料覆盖制动盘全部工作 表面盘式制动器称为全盘式制动器 现代汽车中以单盘单钳式的钳盘 式制动器应用最为广泛 仅有个别大吨位矿用自卸车采用单盘三钳和 双盘单钳的钳盘式制动器 以及全盘式制动器 钳盘制动器和浮 钳盘式制动器 式制动器分为定钳盘式 定钳盘式 为制动钳固定在制动盘两侧 且在其两侧均设有加压机构 浮钳盘式 制动器仅在制动盘一侧设有加压机构的制动钳 借其本身的浮动 而 在制动盘的另一侧产生压紧力 又分为制动钳可相对于制动钳可相对 于制动盘轴向滑动钳盘式制动器 与制动钳可在垂直于制动盘的平面 内摆动的摆动钳盘式制动器 由于本人水平有限 设计中错误和不妥之处在所难免 恳请 批评 指 正 2 第一章第一章 盘式制动器概述盘式制动器概述 1 1 1 1 盘式制动盘式制动器原理及特点器原理及特点 图 1 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 上图是运输车辆 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 3 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 1 21 2 盘式制动器的主要元件盘式制动器的主要元件 1 2 11 2 1 制动盘制动盘 一 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 1 二 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 10 20mm 通风式 制动盘厚度取为 20 50mm 采用较多的是 20 30mm 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 2 三 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 4 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 四 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 60 m 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 1 2 21 2 2 制动摩擦 衬块制动摩擦 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 2 R与 内 半 径 1 R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 6 3 5 2 kg mm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 5 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 1 1 3 3 盘式制动盘式制动器操纵机构器操纵机构 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 9 带式和蹄式制动器踏板的自由行程一般为 40 80mm 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 6 第二章第二章 盘式制动器设计盘式制动器设计 2 2 1 1 制动器设计中的分析制动器设计中的分析 在制动器的设计中 p R和 g R是根据制动力矩的大小 允许的表面 单位压力和制动器结构的合理布置等决定的 一般不考虑对加力效果 的影响 当摩擦材料选定后 系数 也是一个既定的数 值 因此要使 制动器满足一定的加力效果 关键在于合理的确定球槽 斜角 可以看出 当球槽斜角 减少时 加力系数变大 操纵省力 但 是 的减少受到自刹的限制 如果 较小 则只要压盘与摩擦片开 始接触后 不需要驾驶员的操纵力 制动器就会自行制动 这是我们 不希望的 因此 不自刹的条件为 tg p R g R 2 1 式中 摩擦系数 p R 擦力合力的作用半径 g R 钢球至中心O的距离 加力系数愈大 表示操纵力减少愈多 但必须指出 加力系数并 不代表操纵力实际减少的比例 因为实际操纵力取决于主拉杆的拉力 p 即 1 p与 2 p的 合力 而不是 1 p与 2 p的代数和 其中 1 p为斜拉杆对压 盘 1 的拉力 2 p为斜拉杆对压盘 2 的拉力 从以上分析看出 盘式制动器之所以结构紧凑 在于它在同样体 积下可获得较多的摩擦面积 它的加力效果显著 使操纵力很小 并 与被制动轴的转动方向无关 由于摩擦面上的压力分布比较均匀 因 此磨损均匀 延长了摩擦片的寿命 减少了调整 次数 压力分布均匀 对于减少结构尺寸也很有利 因为摩擦片的磨损取决于最大的单位压 力 及单位摩滑功 此外 在盘式制动 器中各径向力相互 平衡 减少 了轴和轴承上的载荷 2 2 2 2 制动器的基本参数制动器的基本参数 2 2 12 2 1 先确定制 动力矩先确定制 动力矩 r M 7 一 车辆在行驶中制动 1r M 2 saq m m grLa iLh 0 7 2100 10 0 625 1 950 78 2 4 846 1 950 7 0 7 454 5N m 2 2 式 中 s m 车辆整机使用质量 s m 2100kg 车辆驱动附着系数 0 7 raq 车辆驱动轮胎动力半径 raq 0 625m L 车辆轴距 L 1950mm a 车辆质心纵坐标 a 780mm h 车辆质心高度坐标 h 700mm m i 制动器至驱动轮的传动比 m i 4 846 二 车辆在坡道上停车 2r M sincos 2 saq m m gfr i 2100 10 sin200 02 cos20 0 625 2 4 846 438N m 2 3 式 中 a 坡道停车时坡度角 a 20 c f 车辆滚动阻力系数 f 0 02 取 大值 r M 454 5N m 作为制动器计算力矩 2 2 22 2 2 确定摩擦 盘尺寸确定摩擦 盘尺寸 摩 擦 盘 的 外 径 2 R和 内 径 1 R的 数 值 主 要 取 决 于 单 位 压 力 和 单 位 摩 滑功 计算时假设单位压力q是均匀的 摩擦面上的单位压力可用下 式计算 q 22 21 r p M R iRR q 0 3 0 5MP 2 4 在 实 际 设 计 中 摩 擦 力 的 合 力 半 径 p R 近 似 地 可 以 按 内 外 径 的 平均值进行计算 即 p R 12 1 2 RR 2 5 若令c 0 55 即 12 RcR 代入式 2 4 后 可得 q 32 2 2 1 1 r M iRcc 2 6 8 根据上述关系 便可按下式求得 3 2 2 2 1 1 r M R icc q 2 7 国 内 的 一 般 运 输 车 辆q 300000 500000 2 N m 这 里 q 300000 2 N m 系数c的数值一般在 0 5 0 6 范 围内选择 这里选 为c 0 55 所以 有 3 2 2 2 1 1 r M R icc q 3 25 2 454 5 3 14 0 3 4 1 0 55 1 0 55 3 10 90 6mm 式 中 摩擦片的干摩擦系数 0 3 i 摩擦面对数 i 4 12 RcR 0 55 90 6 49 83mm 按上述方法求得的 1 R和 2 R还应根据结构安排情况加以修整 查阅 国 内 运 输 车 辆 盘 式 制 动 器 的 有 关 参 数 现 对 1 R和 2 R做 一 些 修 整 取 1 R 50mm 2 R 90mm 2 2 32 2 3 制动器的 磨损验算制动器的 磨损验算 由 2 4 式可得出 压紧力 Q r P M iR 12 0 5 r M RR i 454500 0 5 0 3 5090 4 5411N 2 8 单位压力 q 22 21 Q RR 226 5411 3 14 9050 10 307722 N m 2 2 9 单位滑磨功p qv 式 中V 线速度 V 2 max 30 ew bvz R n ii 3 14 0 09 2000 2939 30 388 5 06 m s 2 10 式 中 new 发动机标定转 速 new 2000r min 9 ibvmax 变速箱最高档的传动比 ibvmax 29 38 iz 中央传动比 iz 39 8 所以 有 p qv 0 3 303228 4 95 0 5 MPa m s 单位压力q是制动器工作寿命的重要参数 取得过大 制动器易 磨损 但q值过小将增大制动器的尺寸 对于一般的国内运输车辆要 求q 300000 500000 2 N m 上述中验算的q 307722 2 N m满足要求 故合适 在求得 1 R和 2 R后 还应验算单位滑 磨 功 A 单位摩滑功按摩擦片 外圆来计算 因为该处圆周速度最高 对于一般的国内运输车辆要求 p 0 5 0 8 Mpa m s 上 述中验算满足要求 故合适 此处省去此处省去 NNNNNNNNNN 需要更多更完整的图纸和说明书请联系需要更多更完整的图纸和说明书请联系 秋秋 30537030613053703061 2 2 42 2 4 踏板操纵 力踏板操纵 力 钢球对压盘的作用力通过球槽的法线方向 该力可分为轴向力和 圆周力 其关系为 图 2 1 表示受力 图 2 1 钢 球 受 力 分 析 图 g P a F tg 2 11 式 中 g P 钢 球的圆周力 在轴向压力Q的作用下 摩擦表面之间将产生摩擦力矩即制动力 10 矩 r M 其数值为 r M p iQR 2 12 式 中 摩擦因数 p R 摩擦力合力的作用半径 由 于 每 个 压 盘 只 具 有 一 个 摩 擦 面 故 所 受 的 摩 擦 力 矩 为 p QR 这就可以求得每个压盘的力矩平衡关系 对于压盘 1 图 2 2 所示 图 2 2 压 盘 1 受 力 分 析 图 1 F L R g P g R Q p R 2 13 式中 1 F 斜拉杆对压盘 1 的拉力 L R 斜拉杆的拉力至中心O的距离 对于压盘 2 图 2 3 所示 11 图 2 3 压 盘 2 受 力 分 析 图 2L F R gg P R p QR f FR 2 14 式 中 2 F 斜拉杆对压盘 2 的拉力 单位N F 壳体凸肩对压盘 2 的反力 单位N f R 作用力 F 至中心 O 的距离 单位mm 在摩擦片未磨损时 压盘从初始位置只转过极小的角度就靠住了 壳体的凸肩 可近似地认为拉力 P2 和 P1 的合力 P 通过中o 图 2 4 所 示 根据压盘总成的力矩平衡关系 可以得出 f FR 2 p qR 2 15 12 图 2 4 压 盘 总 成 的 受 力 分 析 图 将此式代入式 2 14 后看出 这时 1 F 2 F 由于 g PQtg 因 此 斜拉杆的 拉力 1 F 2 F gp l Q R tgR R 2 16 图 2 5 盘 式 制 动 器 杆 件 运 动 关 系 图 如 图 根据正弦定理得 13 00 sinsin x Rl 斜拉 杆长度 0 0 0 0 sin103 sin39 71 5 sinsin65 x R lmm 则 0 0 sin103 sin40 arcsin67 8 71 5 x R l 1 F 2 F gp l Q R tgR R 00 103 cos3971 5cos65 1399N 新车时主拉杆的拉力 3 F 2 1 F cos 2 17 2 1399 cos 0 67 8 1057N 两踏板上的操纵力 2 c P 2 3 F c i 2 1057 15 9 133N 2 18 式 中 1 球槽斜角 1 33 30 g R 钢 球至制动器中心的距离 g R 70mm 0 初始中心角 0 0 39 0 斜拉杆的倾角 0 65 x R 压 盘 上 与 斜 拉 杆 连 接 的 销 孔 中 心 至 轴 线 的 距 离 x R 103mm ic 操纵机构传动比 ic 15 9 2 2 2 2 5 5 踏板操纵踏板操纵 行程行程 ScSc 计算计算 踏板自 由行 程 c S取决于主拉 杆的 位 移 A0A 及操 纵机 构传动 比 c i 14 即 c S A0A ci 2 19 由于 A0A OA OA0 而且 OA0 x R cos l cos OA x R cos 0 l cos 综上可得 有关系式 OA0 x R cos l cos 00 103 cos4071 5 cos67 8 106mm OA x R cos 0 l cos 00 103 cos3971 5 cos65 110 3mm A0A OA OA0 110 3 106 4 3mm c S A0A c i 4