轿车钳盘式制动器设计.doc

轿车钳盘式制动器设计说明书（论文） 第 19 页 共 18 页轿车钳盘式制动器设计作者：胡锴 指导老师：宋宇老师安徽农业大学经济技术学院 05级机械设计制造及其自动化学号：05530028摘要：盘式制动器是上世纪七十年代装备在汽车上的，其散热快、重量轻、构造简单、调整方便、制动效果稳定、热稳定性好、高负载时耐高温性能好，多使用在小型汽车上。钳盘式制动器是盘式制动器其中的一种。钳盘式制动器一般用作行车制动器， 即对正在运行的车辆进行制动以降低行驶速度或停止行驶的装置。对车辆来说， 它是一个极为重要的部件，不但直接影响行车的安全而且还与整机的机动性和效率有关。由于钳盘式制动系统的优越性，所以近年来，在国内外各种车辆上得到了广泛的应用。现在有部分汽车还采用前盘后鼓，主要是考虑成本，随着汽车行业的发展，钳盘式制动的应用已成为一种趋势。关键词：制动系 钳盘式制动器 设计1. 绪论随着我国汽车工业技术的发展,特别是轿车工业的发展,合资企业的引进，国外先进技术的进入，汽车上采用盘式制动器配置正逐步在我国形成规模。特别是在提高整车性能、保障安全、提高乘车者的舒适性等方面都发挥了很大的作用。汽车设计者从经济与实用的角度出发，一般轿车采用了混合的形式：前轮盘式制动，后轮鼓式制动。只有在中高级轿车或者高性能汽车上才会采用四轮盘式制动器或者通风盘式制动器. 因轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%80%，所以前轮制动力要比后轮大。生产厂家为了节省成本，就采用了前轮盘式制动，后轮鼓式制动的混合匹配方式。采用前盘后鼓式混合制动器，这主要是出于成本上的考虑。所以目前车市中很多发动机排量较小的中低档车型，其制动系统大多采用“前盘后鼓式”，即前轮采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器，比如常见的一汽大众捷达、长安铃木奥拓及羚羊、比亚迪福莱尔、东风悦达、起亚千里马、上海通用赛欧等等。预计未来几年，随着我国公路交通条件的改善，高等级公路的发展，新法则要求的实施，市场的成熟，车辆性能的不断提高，盘式制动器作为新型的能提高汽车主动安全性的产品将会得到快速的推广和应用，有着广阔市场前景。现在汽车盘式制动器的研究和开发应注重的问题主要是：提高制动器的制动效能、防止尘污和锈蚀、减轻重量、简化结构、降低成本、向电子报警和智能化系统的发展，以及实用性更强与寿命更长等。防止制动时车轮被抱死有利于提高汽车在制动过程中的转向操纵性和方向稳定性，缩短制动距离，所以近年来防抱死制动系统（ABS）在汽车上得到了很快的发展和应用。此外，由于含有石棉的摩擦材料存在石棉有致癌公害问题已被逐渐淘汰，取而代之的各种无石棉型材料相继研制成功。 我们相信中国汽车业在全球经济不景气的大环境下，会成为一匹黑马脱颖而出，会抓住一切机遇，勇往直前，写出中国汽车业的新篇章。2. 制动系统2.1 汽车的制动性使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车速度保持稳定，以及使已停驶的汽车保持不动，这些作用统称为汽车制动；所具有这些作用的能力称为汽车的制动性。它是汽车的主要性能之一。汽车的制动性主要有以下三方面来评价：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。2.2 汽车的制动系统对汽车起到制动作用的是作用在汽车上，其方向与汽车行驶方向相反的外力。作用在行驶汽车上的滚动阻力、上坡阻力、空气阻力都能对汽车起制动作用，但这些外力大小都是随机的、不可控制的。因此，汽车上必须装设一系列专门装置，以便驾驶员能根据道路和交通等情况，使外界（主要是路面）对汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，对汽车进行一定程度的强制制动。这种可控制的对汽车进行制动的外力称为制动力，相应的一系列专门装置即称为制动系统。制动系统是由制动器和制动驱动机构组成的。制动器是指产生阻碍车辆运动或运动趋势的力（制动力）的部件，其中也包括辅助制动系统中的缓速装置。制动驱动机构包括供能装置、控制装置、传动装置、制动力调节装置以及报警装置、压力保护装置等附加装置。2.3 设计制动系的要求设计制动系时应满足如下主要要求：1）具有足够的制动效能。行车制动能力是用一定制动初速度下的制动减速度和制动距离两项指标来评定的；驻坡能力是以汽车在良好路面上能可靠地停驻的最大坡度来评定的。2）工作可靠。行车制动装置至少有两套独立的驱动制动器的管路，当其中一个管路失效时，另一套完好的管路应保证汽车制动能力不低于没有失效时规定值的30%。行车和驻车制动装置可以有共同的制动器，而驱动机构应各自独立。行车制动装置都用脚操纵，其他制动装置多为手操纵。3）在任何速度下制动时，汽车都不应丧失操纵性和方向稳定性。4）防止水和污染进入制动器工作表面。5）制动能力的热稳定性良好。6）操纵轻便，并具有良好的随动性。7）制动时，制动系产生的噪声尽可能小，同时力求减少散发出对人体有害的石棉纤维等物质，以减少公害。8 )作用滞后性应尽可能好。作用滞后性是指制动反应时间，以制动踏板开始动作至达到给定的制动效能所需的时间来评价。气制动汽车的反应时间较长，要求不得超过0.6s；对于汽车列车，不得超过0.8s。 9 )摩擦衬片（块）应该有足够的使用寿命。10）摩擦副磨损后，应有能消除因磨损而产生间隙的机构，且调整间隙工作容易，最好设置自动调整间隙机构。11）当制动驱动装置的任何元件发生故障并使其基本功能遭到破坏时，汽车制动系应有音响或光信号等报警提示。3. 制动器3.1 制动器概述制动器就是刹车，是汽车制动系统的主要组成部分，是汽车行驶安全性的重要部件之一。它是使机械中的运动件停止或减速的机械零件，是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件，俗称刹车、闸。制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。制动器分为行车制动器（脚刹），驻车制动器（手刹）。 一般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的旋转角度度降低，同时依靠车轮与路面的附着作用，产生路面对车轮的制动力，以使汽车减速。在行车过程中，一般都采用行车制动（脚刹），便于在前进的过程中减速停车，不单是使汽车保持不动。若行车制动失灵时才采用驻车制动。当车停稳后，就要使用驻车制动（手刹），防止车辆前滑和后溜。停车后一般除使用驻车制动外，上坡要将档位挂在一档（防止后溜），下坡要将档位挂在倒档（防止前滑）。 3.2 制动器的分类按工作原理制动器可分为：机械摩擦式制动力的获得只能靠接触副的相互摩擦来产生；液力式借阻滞被动零件所搅动的液流达到制动作用；排气制动器利用发动机排气阻力对汽车进行制动。目前，汽车上所用的制动器绝大多数是机械摩擦式。摩擦式制动器应保证工作可靠，有足够的制动力，工作性能稳定，为此制动器的摩擦衬片材料除应具有较大的摩擦系数外，还应该具有较大的抗热衰退性能，制动器中摩擦元件之间的间隙应能调整，其调整机构的机构要简单和操作方便。按摩擦式制动器的机构类型大体上可分为鼓式，带式和盘式三种类型。按摩擦副中固定元件的结构不同，盘式制动器又分为钳盘式和全盘式两类。钳盘式制动器的固定摩擦元件是制动块，装在与车轴相连接且不能绕车轴轴线旋转的制动钳中。制动衬块与制动盘接触面很小，在盘上所占的中心角一般仅3050度。按制动钳的结构型式区分，钳盘式制动器可分为固定钳式和浮动钳式两种。固定钳式的制动钳固定不动，制动盘两侧均有液压缸，制动时两侧液压缸中的制动块向盘面移动。浮动钳式制动钳可以相对制动盘作轴向运动，只在制动盘的内侧有液压缸，外测固定在钳体上。制动时活塞推动制动块靠道制动盘，反作用力推动固定制动块压向另一侧。3.3 钳盘式制动器钳盘式制动器又可分为定钳盘式和浮钳盘式两类。 （1）定钳盘式制动器 1.制动盘 2.活塞 3.摩擦块 4.进油口 5.制动钳体 6.车桥图一 定钳盘式制动器示意图 定钳盘式制动器，跨置在制动盘1上的制动钳5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，制动油液由制动总泵(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3压向与车轮固定连接的制动盘1，从而产生制动。 这种制动器存在着以下缺点：液压缸较多，使制动钳结构复杂；液压缸分置于制动盘两侧，必须用跨越制动盘的钳内油道或外部油管来连通，这使得制动钳的尺寸过大，难以安装在现代化轿车的轮辋内；热负荷大时，液压缸（特别是外侧液压缸）和跨越制动盘的油管或油道中的制动液容易受热汽化；若要兼用于驻车制动，则必须加装一个机械促动的驻车制动钳。这些缺点使得定钳盘式制动器难以适应现代汽车的使用要求，故自20世纪70年代以来，逐渐被浮钳式制动器所取代。定钳盘式制动器目前使用较少。（2）浮钳盘式制动器 1.制动盘 2.制动钳体 3.摩擦块 4.活塞 5.进油口 6.导向销 7.车桥图二 浮钳盘式制动器示意图 浮钳盘式制动器，制动钳体2通过导向销6与车桥7相连，可以相对于制动盘1轴向移动。制动钳体只在制动盘的内侧设置液压缸，而外侧的制动块则附装在钳体上。制动时，液压油通过进油口5进入制动油缸，推动活塞4及其上的摩擦块向右移动，并压到制动盘上，并使得油缸连同制动钳体整体沿销钉向左移动，直到制动盘右侧的摩擦块也压到制动盘上夹住制动盘，在制动盘上产生与运动方向相反的制动力矩，促使汽车制动。与定钳盘式制动器相比，浮钳盘式制动器的单侧液压缸结构不需要跨越制动盘的油道，因此不仅轴向和径向尺寸较小，有可能布置得更接近车轮轮毂，而且制动液受热汽化的机会较少。此外，浮钳盘式制动器在兼做驻车制动器的情况下，不用加设驻车制动钳，只须在行车制动钳液压缸附近加装一些用以推动液压缸活塞的驻车制动机械传动零件即可。故自70年代以来，浮钳盘式制动器逐渐取代了定钳盘式制动器。4钳盘式制动器主要参数的选择（以奇瑞瑞虎轿车为例）4.1 有关参数给定和计算表1 奇瑞瑞虎轿车结构参数 发动机型号4G64S4M使用燃料93#汽油缸径*行程（mm）76*73形式直立4缸顶置凸轮轴多点电喷总排量（l）2.35主要尺寸（mm）和质量（Kg）外形尺寸（长*宽*高）4285*1765*1705轴距2510轮距（前/后）1524/1519前悬/后悬700/570接近角/离去角（）20/26最小离地距离160装载质量（Kg）375整备质量（Kg）1380总质量（Kg）1755表2 奇瑞瑞虎轿车结构参数 空载满载汽车总重量Go=1380Ga=1755轴荷分配（Kg ）前轴Go1=775Ga1=905后轴Go2=605Ga2=850质心高度（mm）Hg=750Hga=700质心距前轴距离(mm)L01=1100L1=1215.7质心距后轴距离(mm)L02=1410L2=1294.3轴距(mm)L=2510车轮滚动半径(mm)Rr=266涉及相关计算：(见下图)空载时：对前轮支点求力距： G0*g*L01-G02*g*L=0 L01=G02*L/G0 =60525101380=1100(mm) L02=L-L01 =2510-1100=1410 (mm)满载时：G0*g*L1-G02*g*L=0L1=G02*L/G0 =85025101755 =1215.7 (mm) L2=L-L1 图三 汽车轴荷分配图 =2510-1215.7 =1294.3 (mm) 42 同步附着系数：对于一般汽车而言，根据其前、后轴制动器制动力的分配、载荷情况及道路附着系数和坡度等因素，当制动器制动力足够时，制动过程可能有三种情况：（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。分析三种情况：情况（1）是一种稳定工况，但在制动时汽车丧失转向能力，附着条件没有充分利用；情况（2）中，后轴可能出现侧滑，是不稳定工况，附着利用率也低；而情况（3）是一种稳定工况，可以避免后轴侧滑，同时前转向轮只有在最大制动强度下才使汽车失去转向能力，较之前两种工况，附着条件利用情况较好。前后轮同时抱死时前后轮制动器制动力是的函数，前后轮制动器制动力分配系数将影响到汽车制动时的方向稳定性和附着条件利用程度，一般总希望前轮先抱死，则值就应大此，要定值首先就要选取同步附着系数 0，根据我国道路情况轿车， 0应该在0.550.8之间，则取 0=0.6，根据 0=(L-L2)/hg可得=( 0hg+L2)/L =(0.6700+1294.3)234=0.684.3 制动器最大制动力矩的确定：由于选取了较小的附着系数，为了保证 0的较好路面上能够制动到后轴与前轴先后抱死拖滑，前轮制动器所能产生的最大制动力矩为：Mm1max =Z1* *Rr=Gg(L2+ hg) Rr/LZ1前轮地面垂直反力将前述值代入上两式有：Mm1max=17559.8(1.2943+0.60.45)0.60.2662.51 =1710.7(Nm)Mm2max =Mm1max*（L1-johg）/（L2+johg） =1572（Nm）4.4 钳盘式制动器主要参数的确定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，可以减少制动钳的加紧力，降低衬块的单位压力和工作温度。收到轮毂直径的限制，制动盘的直径通常选择为轮毂直径的70%79%。总质量大于2t的汽车应取上限。所以一般取D/Dr=0.70-0.79 取轮辋直径Dr=406.4 mm D=Dr*(0.70-0.79) =284.28-321.056 取D=300 mm R=150 mm2.制动盘厚度h制动盘厚度h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；为了减少温升，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1020mm，通风式制动盘厚度取为2050mm，采用较多的是2030mm. 本次设计为了减少质量取h=15mm 实心盘。3.摩擦衬块外半径R2与内半径R1一般，摩擦衬块外半径R2与内半径R1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，最终将导致制动力矩变化大。本次设计选择 R2=150mm ，取R2/R1=1.36，则R=110mm。4.制动衬块工作面积A在确定盘式制动器制动衬块工作面积A时，根据制动衬块单位面积占有的汽车质量，应在1.63.5kg/cm2范围内选择。本次设计选用3.5kg/cm2 ， 车上共有4个衬块，9053.5=258cm2 ， 2584=65cm2 ，单个衬块面积A=65cm2 。5. 制动器的设计与计算5.1 制动力距的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较均匀，则制动器的制动力矩： Mm1=2fF0R式中，f为摩擦因数，F0为单侧制动衬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,若有径向宽度不是很大,取R等于平均半径Rm,在实际中已经足够精确.平均半径Rm为 Rm=（R1+R2）/2=130mm取制动管路的压力P=8MP 前轮活塞直径d1=35mm 后轮d2=22mmF01=Ppd12/4=8106p35210-64=7693（N） F02=Ppd22/4=8106p22210-64=3040(N) 摩擦系数 f=0.35Mm1=20.3576930.130=700 （Nm） Mm2=1.5330400.118=548(Nm）5.2 制动器性能的计算 制动系的作用效果可以用最大的减速度和最小的制动距离来评价： （1） 制动减速度 j 假设汽车速是在水平的，坚硬的道路上行驶且不考虑路面的附着条件，因此制动力只有制动器产生可以用下式计算： F总=2*F012*F02=2769323040=2146（N） j= F总/m=21461755=12.2 m/s2一般来说，最低要求减速度j推荐值为轿车 5.8-7m/s2 （2） 制动距离在减速度为j，制动、速度V0=80km/h时的制动距离S为： S=V02/2j=22.22212.2=20m中国ZBT2400789规定: 汽车满载在干水泥路面上制动初速度为80km/h时的制动距离不大于50.7m , 满足要求。5.3 制动衬片磨损特性的计算摩擦衬片（衬块）的磨损受温度、摩擦力、滑磨速度、制动盘的材质及加工情况，以及衬片（衬块）本身材质等许多因素的影响，但试验表明，影响磨损的最严重的因素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，实际上热量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。各种汽车的总质量及其制动衬片（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耗散率，即单位时间内衬片（衬块）单位摩擦面积耗散的能量，通常所用的计量单位为W/mm2。比能量耗散率有时也称为单位功负荷，或简称能量负荷。在紧急制动到停车的情况下，v2=0，并可认为汽车回转质量换算系数为1，故e1=mav12b/4tA1 =175527.820.68427.8（0.69.8）26500 =3.31e1=6W/mm2ma汽车总重v1制动初速度，取v1=100km/h 即 27.8m/sb制动力分配系数A1单个前后制动衬片摩擦面积t以9.8m/s2制动时的制动时间e1许用单位比功率另一个磨损特性指标是衬片（衬块）单位摩擦面积的制动器摩擦力，称为比摩擦力f0。比摩擦力越大，则磨损越严重。单个车轮制动器的比摩擦力为f0=M/RA。式中，M单个制动器的制动力矩R制动衬块的半径A单个制动器的衬块摩擦面积计算要求f0=M /（RA）0.48N/mm2 而实际上，f 0=700(0.13065002)=0.410.48N/mm2都满足要求，故取值合理。5.4 制动器的温升计算 汽车在一般车速制动时，动能转化为热能，一部分热能传到空气中，一部分被制动部件（只要是制动鼓，衬块）吸收。紧急制动时，热量几乎全部被制动盘吸收。在这种情况下，从速度Va到完全停车，单个制动衬块的计算公式：t=1/5791*GaVa2/ZCga = 157911755（303.6）2（21.05337ga） =2.230%提高了爬坡性能 tana2=26%一般要求各类汽车的最大停驻坡度不小于16%-17%，显然都能满足要求，也满足设计性能的需要。后轴驻车制动力矩（单个车轮） M1=0.5*magresina1=783Nm6. 制造工艺分析6.1 制动盘制动盘的工作面的精度应达到的要求：平面度允差为0.012mm表面粗糙度Ra值为0.71.3m，两个摩擦面的平行度不应大于0.05mm制动盘的端面圆跳动不应大于0.03mm，通常制动盘采用摩擦性能良好的铢光体灰铸铁制造。为了保证有足够的强度和耐磨性能，其牌号不应低于HT250。6.2 制动钳制动钳是安装制动块和油缸的基础件，在浮钳盘式制动器中，部分制动反力由安装架或固定件承受。因此制动钳和安装架应有足够的刚度和强度，并能承受冲击和振动。制动钳由球墨铸铁或铝合金压铸件制成，钳体具有足够的强度和刚度。在制动钳外缘的中间开个窗口供检查，拆卸制动块之用。对于浮钳盘式制动器还用该考虑制动钳在固定件上滑动带来的机件碰撞，响声和密封等问题。制动钳在汽车上的安装位置可在车轴的前方或后方，制动钳为于前方可避免轮胎甩出来的泥，水进入钳体，位于车轴后则可减小制动时轮毂轴承的合成载荷。6.3 摩擦衬块摩擦衬块的材料应该满足如下要求：1） 具有一定的稳定摩擦因数。在温度，压力升高和工作速度变化时，摩擦因数变化尽可能小。2） 具有良好的耐磨性。盘式制动器的摩擦衬块硬度过高，则制动盘磨损严重，通常要求制动盘的磨耗不大于衬块的1/10。3） 要有尽可能小的压缩率和膨胀率。压缩变形太大影响制动主缸的排量和踏板行程，降低制动灵敏度。4） 制动时不易产生噪音，对环境无污染。5） 应采取对人体无害的材料。6） 有较高的耐挤压强度和冲击强度，以及足够的抗剪切能力。7） 摩擦衬块的热传导率应控制在一定范围。要求摩擦衬块在300度加热板上作用30分钟后，背板的温度不超过190度。防止防尘罩，密封圈过早老化和制动液温度迅速升高。汽车制动系摩擦材料有模压材料和编织村料，目前在鼓式和盘式制动器中应用最广泛的，其主要成分是石棉纤维，一般约占4070%，它能在高温下保持较高的机械强度。结 论由于历史发展较短，我国汽车工业在一开始就处于落后的情景，与世界发达国家相比，汽车的产量，品种和质量陡还是由很大的差距。但是随着中国成为世界贸易组织的一员，中国汽车行业日趋壮大，我国汽车工业技术的迅速发展,特别是轿车工业的发展,合资企业的引进，国外先进技术的吸收，汽车上采用盘式制动器配置已逐步在我国形成规模。近年来，我国汽车工业正在迅速发展。钳盘式制动器已广泛应用于轿车，但除了在一些高性能轿车上用于全部车轮以外，大都只用作前轮制动器，而与后轮的鼓式制动器配合，以期汽车有较高的制动时的方向稳定性。随着汽车的速度的不断提高，对汽车制动时的热稳定性能要求也愈来愈高。在货车上，钳盘式制动器目前也采用得不少，但离普及还有相当距离。致 谢本人在论文设计过程中得到了宋宇老师的悉心指导，在老师和同学的帮助下我顺利地完成了毕业论文，在此，我向所有关心、帮助和督促过我的宋宇老师和同学表示真诚的感谢。参 考 文 献 1 余志生 汽车理论 北京机械工业出版社 2006.52 陈家瑞 汽车构造 北京机械工业出版社 2005.13 王望予 汽车设计 北京机械工业出版社 2004.84 付百学 汽车实验技术 北京北京理工大学出版社 20025（德）耶尔德.赖姆佩 汽车底盘基础 张洪欣等译 北京科学普及出版社 19926（德）阿达姆.措莫托著 汽车行驶性能 黄锡明译 北京科学技术出版社 19927（德）约森.籁姆佩著 悬架件与底盘力学王萱译 长春机械科学技术出版社1992Design on A Caliper Disc BrakeAbstract: The Caliper Disc Brake serves as the driving brake generally, which is carrying on the brake to reduce the moving velocity and the stop travel installment. To the vehicles, it is an important part.Not only it affects the driving directly the security,but also concerns with the complete machine mobility with the productivity. The modern automobile uses the pliers type brake, its merit lies in the hydraulic cylinder inside the brake disc, therefore the axial size