乘用车制动系统设计2

兰州工业学院兰州工业学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目 题目 乘用车制动系统设计乘用车制动系统设计 院系 汽 车 工 程 学 院 专业 汽车制造与装配技术 班级 汽 造 11 班 姓名 张 百 宏 学号 2 0 1 1 0 9 1 0 3 1 4 5 指导老师 李 彦 晶 日期 2013 年 11 月 3 日 摘 要 汽车是现代交通工具中用得最多 最普遍 也是最方便的交通运输工具 汽车 制动系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健装置 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 可靠性要求越来越高 为保证人身和车辆的安全 必须为汽车配备十分 可靠的制动系统 本说明书主要设计了乘用车制动系统 首先介绍了汽车制动系统的发展 结构 分类 并通过对鼓式制动器和盘式制动器的结构及优缺点进行分析 最终确定方案采 用液压双回路前盘后鼓式制动器 除此之外 它还对前后制动器 制动主缸进行设计 计算 主要部件的参数选择及制动管路布置形式等的设计过程 关键字 关键字 制动 鼓式制动器 盘式制动器 液压 制动主缸 ABSTRACT Automobile is the modern traffic tools the most common used most also be the most convenient traffic transportation Automobile brake system is automobile chassis to an important system it is restricted by the car of the movement of the device And the brake is brake system directly effect the automobile sport in a restricted key device is the most important safety car parts The automobile braking performance directly influence the car driving safety With the rapid development of the industry and highway traffic density increases day by day the people to the safety and reliability of the demand is higher and higher to ensure the safety of the person and vehicles must be equipped with very reliable car brake system This manual mainly designed saibao hafei car brake system First this paper reviewed the automobile braking system development structure classification and through to the drum brake disc brake and the structure of the advantages and disadvantages and analyzed Ultimately determine the scheme adopts hydraulic double circuit qianpan hougu type brake In addition it s still around to brake and brake main cylinder design calculation of the main parts of parameter selection and brake pipe the design process of decorate a form etc Key words Braking Brake drum Brake disc Hydroid pressure Braking cylinder 目目 录录 摘 要 II ABSTRACT III 目 录 1 第一章 绪 论 3 1 1 汽车制动系的研究的目的和意义 3 1 2 汽车制动系统的研究现状和发展趋势 4 1 3 汽车制动系统的设计要求 8 第 2 章 制动系统总体方案的确定 10 2 1 制动系统的分类及作用 10 2 2 制动系统的主要参数的确定及计算 11 2 2 1 制动力与制动力分配系数 11 2 2 2 同步附着系数 12 2 2 3 制动器最大制动力矩 12 2 2 4 制动器因数 13 2 3 本章小结 14 第 3 章 制动驱动机构的设计 15 3 1 制动驱动机构的结构型式选择 15 3 2 液压制动驱动机构的设计计算 16 3 2 1 制动轮缸直径与工作容积 16 3 2 2 制动主缸直径与工作容积 17 3 2 3 制动踏板力与踏板的行程 17 3 3 本章小结 18 第 4 章 制动器设计和计算 19 4 1 制动器方案确定 19 4 1 1 鼓式制动器 19 4 1 2 盘式制动器 21 4 2 鼓 盘式制动器的主要参数的确定 22 4 2 1 鼓式制动器的结构参数和摩擦系数 22 4 2 2 盘式制动器主要参数的确定 23 4 3 制动器的设计与计算 24 4 3 1 制动蹄摩擦面的压力分布规律及径向变形规律 24 4 3 2 制动蹄片上的制动力矩 25 4 3 3 摩擦衬块的磨损特性计算 26 4 3 4 制动器热容量和温升的核算 28 4 3 5 盘式制动器制动力矩的计算 29 4 3 6 驻车制动计算 30 4 4 制动器主要零部件的结构设计 31 4 4 1 制动鼓 31 4 4 2 制动蹄 32 4 4 3 制动底板 33 4 4 4 制动蹄的支承 33 4 4 5 制动轮缸 33 4 4 6 制动盘 33 4 4 7 制动钳 34 4 4 8 制动块 34 4 4 9 摩擦材料 34 4 4 10 制动器间隙的调整方法及响应机构 34 4 5 本章小结 35 结 论 36 参考文献 37 致 谢 38 附 录 39 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 汽车制动系的研究的目的和意义汽车制动系的研究的目的和意义 汽车制动系是用于使行驶中的汽车减速或停车 使下坡行驶的汽车车速保持稳定 以及使已停止的汽车停在原地 包括在斜坡上 驻留不动的机构 汽车制动系直接影 响着汽车行驶的安全性和停车的可靠性 随着高速公路的迅速发展和车速的提高以及 车流密度的日益增大 为了保证行车安全 停车可靠 汽车制动系的工作可靠性显得 日益重要 也只有制动性能良好 制动系工作可靠的汽车才能充分发挥其性能 汽车制动系至少应有两套独立的制动装置 即行车制动装置和驻车制动装置 重 型汽车或经常在山区行驶的汽车要增设应急制动装置及辅助制动装置 牵引汽车还应 有自动制动装置 行车制动装置用于使行驶中的汽车强制减速或停车 并使汽车在下断坡时保持适 当的稳定的车速 其驱动机构常采用双回路或多回路机构 以保证其工作可靠 驻车制动装置用于使汽车可靠而无时间限制地停驻在一定位置甚至在斜坡上 它 也有助于汽车在坡路上起步 驻车制动装置应采用机械式驱动机构而不用液压或气压 驱动 以免其发生故障 应急制动装置用于当行车制动装置意外发生故障而失效时 则可利用其机械力源 如强力压缩弹簧 实现汽车制动 应急制动装置不必是独立的制动系统 它可利用 行车制动装置或驻车制动装置的某些制动器件 应急制动装置也不是每车必备的 因 为普通的手力驻车制动器也可以起到应计制动的作用 辅助制动装置用在山区行驶的汽车上 利用发动机排气制动或电涡流制动等的辅 助制动装置 可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持稳定车速 并减轻或解除 行车制动器的负荷 1 21 2 汽车制动系统的研究现状和发展趋势汽车制动系统的研究现状和发展趋势 1 制动控制系统的历史 最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力 这 时的车辆的质量比较小 速度比较低 机械制动虽已满足车辆制动的需要 但随着汽 车自质量的增加 助力装置对机械制动器来说已显得十分必要 这时 开始出现真空 助力装置 1932 年生产的质量为 2860kg 的凯迪拉克 V16 车四轮采用直径 419 1mm 的鼓式制动器 并有制动踏板控制的真空助力装置 林肯公司也于 1932 年推出 V12 轿车 该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器 随着科学技术的发展及汽车工业的发展 尤其是军用车辆及军用技术的发展 车 辆制动有了新的突破 液压制动是继机械制动后的又一重大革新 Duesenberg Eight 车率先使用了轿车液压制动器 克莱斯勒的四轮液压制动器于 1924 年问世 通用和 福特分别于 1934 年和 1939 年采用了液压制动技术 到 20 世纪 50 年代 液压助力制 动器才成为现实 20 世纪 80 年代后期 随着电子技术的发展 世界汽车技术领域最显著的成就就 是防抱制动系统 ABS 的实用和推广 ABS 集微电子技术 精密加工技术 液压控制 技术为一体 是机电一体化的高技术产品 它的安装大大提高了汽车的主动安全性和 操纵性 防抱装置一般包括三部分 传感器 控制器 电子计算机 与压力调节器 传 感器接受运动参数 如车轮角速度 角加速度 车速等传送给控制装置 控制装置进 行计算并与规定的数值进行比较后 给压力调节器发出指令 2 制动控制系统的现状 当考虑基本的制动功能量 液压操纵仍然是最可靠 最经济的方法 即使增加了 防抱制动 ABS 功能后 传统的 油液制动系统 仍然占有优势地位 但是就复杂性和 经济性而言 增加的牵引力控制 车辆稳定性控制和一些正在考虑用于 智能汽车 的 新技术使基本的制动器显得微不足道 传统的制动控制系统只做一样事情 即均匀分配油液压力 当制动踏板踏下时 主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路 并通过一个比例阀使前后平衡 而 ABS 或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压力进行调节 目前 车辆防抱制动控制系统 ABS 已发展成为成熟的产品 并在各种车辆上得 到了广泛的应用 但是这些产品基本都是基于车轮加 减速门限及参考滑移率方法设 计的 方法虽然简单实用 但是其调试比较困难 不同的车辆需要不同的匹配技术 在许多不同的道路上加以验证 从理论上来说 整个控制过程车轮滑移率不是保持在 最佳滑移率上 并未达到最佳的制动效果 滑移率控制的难点在于确定各种路况下的最佳滑移率 另一个难点是车辆速度的 测量问题 它应是低成本可靠的技术 并最终能发展成为使用的产品 对以滑移率为 目标的 ABS 而言 控制精度并不是十分突出的问题 并且达到高精度的控制也比较 困难 因为路面及车辆运动状态的变化很大 多种干扰影响较大 所以重要的问题在 于控制的稳定性 即系统鲁棒性 应保持在各种条件下不失控 防抱系统要求高可靠 性 否则会导致人身伤亡及车辆损坏 因此 发展鲁棒性的 ABS 控制系统成为关键 现在 多种鲁棒控制系统应用到 ABS 的控制逻辑中来 除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外 增益调度 PID 控 制 变结构控制和模糊控制是常用的鲁棒控制系统 是目前所采用的以滑移率为目标 的连续控制系统 模糊控制法是基于经验规则的控制 与系统的模型无关 具有很好 的鲁棒性和控制规则的灵活性 但调整控制参数比较困难 无理论而言 基本上是靠 试凑的方法 然而对大多数基于目标值的控制而言 控制规律有一定的规律 车轮的驱动打滑与制动抱死是很类似的问题 在汽车起动或加速时 因驱动力过 大而使驱动轮高速旋转 超过摩擦极限而引起打滑 此时 车轮同样不具有足够的侧 向力来保持车辆的稳定 车轮切向力也减少 影响加速性能 由此看出 防止车轮打 滑与抱死都是要控制汽车的滑移率 所以在 ABS 的基础上发展了驱动防滑系统 ASR ABS 只有在极端情况下 车轮完全抱死 才会控制制动 在部分制动时 电子制动 使可控制单个制动缸压力 因此反应时间缩短 确保在任一瞬间得到正确的制动压力 近几年电子技术及计算机控制技术的飞速发展为 EBS 的发展带来了机遇 德国自 20 世纪 80 年代以来率先发展了 ABS ASR 系统并投入市场 在 EBS 的研究与发展过程 中走到了世界的前列 3 制动控制系统的发展 今天 ABS ASR 已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备 车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展 一方面是扩大控制范围 增加 控制功能 另一方面是采用优化控制理论 实施伺服控制和高精度控制 经过了一百多年的发展 汽车制动系统的形式已经基本固定下来 随着电子 特 别是大规模 超大规模集成电路的发展 汽车制动系统的形式也将发生变化 如凯西 海斯 K H 公司在一辆实验车上安装了一种电 液 EH 制动系统 该系统彻底改变了 制动器的操作机理 通过采用 4 个比例阀和电力电子控制装置 K H 公司的 EBM 就 能考虑到基本制动 ABS 牵引力控制 巡航控制制动干预等情况 而不需另外增加 任何一种附加装置 EBM 系统潜在的优点是比标准制动器能更加有效地分配基本制 动力 从而使制动距离缩短 5 一种完全无油液 完全的电路制动 BBW Brake By Wire 的开发使传统的液压制动装置成为历史 4 全电路制动 BBW BBW 是未来制动控制系统的 L 发展方向 全电制动不同于传统的制动系统 因 为其传递的是电 而不是液压油或压缩空气 可以省略许多管路和传感器 缩短制动 反应时间 全电制动的结构如图 2 所示 其主要包含以下部分 a 电制动器 其结构和液压制动器基本类似 有盘式和鼓式两种 作动器是电 动机 b 电制动控制单元 ECU 接收制动踏板发出的信号 控制制动器制动 接收驻 车制动信号 控制驻车制动 接收车轮传感器信号 识别车轮是否抱死 打滑等 控 制车轮制动力 实现防抱死和驱动防滑 由于各种控制系统如卫星定位 导航系统 自动变速系统 无级转向系统 悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成 所 以 ECU 还得兼顾这些系统的控制 c 轮速传感器 准确 可靠 及时地获得车轮的速度 d 线束 给系统传递能源和电控制信号 e 电源 为整个电制动系统提供能源 与其他系统共用 可以是各种电源 也 包括再生能源 从结构上可以看出这种全电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比拟的优 点 a 整个制动系统结构简单 省去了传统制动系统中的制动油箱 制动主缸 助 力装置 液压阀 复杂的管路系统等部件 使整车质量降低 b 制动响应时间短 提高制动性能 c 无制动液 维护简单 d 系统总成制造 装配 测试简单快捷 制动分总成为模块化结构 e 采用电线连接 系统耐久性能良好 f 易于改进 稍加改进就可以增加各种电控制功能 全电制动控制系统是一个全新的系统 给制动控制系统带来了巨大的变革 为将 来的车辆智能控制提供条件 但是 要想全面推广 还有不少问题需要解决 电制动控制系统首先用在混合动力制动系统车辆上 采用液压制动和电制动两种 制动系统 这种混合制动系统是全电制动系统的过渡方案 由于两套制动系统共存 使结构复杂 成本偏高 随着技术的进步 上述的各种问题会逐步得到解决 全电制动控制系统会真正代 替传统的以液压为主的制动控制系统 5 结论 综上所述 现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展 全电制动控制 因其巨大的优越性 将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统 同时 随着其他 汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展 电子元件的成本及尺寸不断下降 汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统 汽车主动式 方向摆动稳定系统 电子导航系统 无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子 控制系统 未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统 各种控制单元集中在一个 ECU 中 并将逐渐代替常规的控制系统 实现车辆控制的智能化 但是 汽车制动控制技术的发展受整个汽车工业发展的制约 有一个巨大的汽车 现有及潜在的市场的吸引 各种先进的电子技术 生物技术 信息技术以及各种智能 技术才不断应用到汽车制动控制系统中来 同时需要各种国际及国内的相关法规的健 全 这样装备新的制动技术的汽车就会真正应用到汽车的批量生产中 1 3 汽车制动系统的设计要求 本设计研究的主要内容 设计完成汽车制动系统 包括制动系统的类型选择 总 体布置形式 制动系统各零部件的结构设计和性能分析 设计要求 1 各项性能指标除应满足设计任务书的规定和国家要求 法规制定的有关要 求外 也要考虑到我的制动系统应符合现在国内汽车市场的低成本和高性能的要求 2 具有足够的制动效能 包括行车制动效能和驻车制动效能 行车制动效能 是由在一定的制动初速度下及最大踏板力下的制动减速器和制动距离两项指标来评定 的 制动距离直接影响着汽车的行驶安全性 3 工作可靠 为此 设计两套系统 行车制动系统和驻车制动系统 且它们 的驱动机构是独立的 而行车制动装置的制动驱动机构至少应有两套独立的管路 当 其中一套失效时 另一套应保证汽车制动效能不低于正常值的 30 驻车制动装置应 采用工作可靠的机械式制动驱动机构 4 制动效能热稳定性好 汽车的高速制动 短时间的频繁重复制动 尤其使 下长坡时的连续制动 均会引起制动器的温升过快 温度过高 提高摩擦材料的高温 摩擦稳定性 增大制动鼓 盘的热容量 改善其散热性或采用强制冷却装置 都是提 高抗热衰退的措施 5 制动效能的水稳定性好 制动器摩擦表面浸水后 会因水的润滑作用而使 摩擦副的摩擦系数急剧减小而发生所谓的 水衰退 现象 一般规定在出水后反复制 动 5 15 次 即应恢复其制动效能 良好的摩擦材料的吸水率低 其摩擦性能恢复迅 速 另外也应防止泥沙等进入制动器摩擦副工作表面 否则会使制动效能降低并加速 磨损 6 制动时的汽车操纵稳定性好 即以任何速度制动 汽车均不应失去操纵性 和方向稳定性 通过 ABS 来调节前后轮的制动油压来实现 为此 汽车前 后轮制 动器的制动力矩应有适当的比例 最好能随各轴间载荷转移情况而变化 同一车轴上 的左 右车轮制动器的制动力矩应相同 否则当前轮抱死而侧滑时 将失去操纵性 当后轮抱死而侧滑甩尾时 会失去方向稳定性 当左 右轮的制动力矩差值超过 15 时 会在制动时发生汽车跑偏 7 制动踏板和手柄的位置和行程符合人 机工程学要求 即操作仪方便性好 操纵轻便 舒适 减少疲劳 8 制动系的机件应使用寿命长 制造成本低 对摩擦材料的选择也应考虑到 环保要求 应力求减小制动时飞散到大气中的有害于人体的石棉纤维 9 制动时不应产生振动和噪声 10 与悬架 转向装置不产生运动干涉 在车轮跳动或汽车转向时不会引起自 行制动 11 制动系中应有音响或光信号等警报装置 以便能及时发现制动驱动机件的 故障和功能失效 制动系中应有必要的安全装置 在行驶中挂车一旦脱挂 亦应有安 全装置驱使驻车制动将其停驻 12 能全天候使用 气温高时液压制动管路不应有气阻现象 气温低时 气制 动管路不应出现结冰现象 13 作用滞后的时间要尽可能短 包括从制动踏板开始动作至达到给定制动效 能水平所需的时间和从放开踏板至完全解除制动的时间 第 2 章 制动系统总体方案的确定 2 1 制动系统的分类及作用 制动系统按功用分为行车制动系统 驻车制动系统 应急制动系统和辅助制动系 统 汽车制动系至少应有前两套制动系统 而重型汽车或者经常在山区行驶的汽车要 增设应急制动系统及辅助制动系统 行车制动系统用于使行驶中的汽车强制减速或停车 并使汽车在下短坡时保持适 当的稳定车速 其驱动机构常采用双回路或多回路结构 以保证其工作可靠 驻车制动系统使已停驶的汽车驻留在原地不动的一套装置 应采用机械式驱动机 构而不用液压或气压驱动 以免其产生故障 应急制动系统也叫第二制动系统 是在用于行车制动系统发生意外故障而失效时 保证汽车仍能实现减速或停车的一套装置 应急系统也不是每车必备的 因为普通的 手力驻车装置也可起到应急制动的作用 辅助制动系统通常安装在常行驶于山区的汽车上 利用发动机排气或者电涡流制 动等的辅助制动装置 可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持车速 并减轻或 解除行车制动器的负荷 按制动系统的制动能源分类 1 人力制动系统 以驾驶员的肌体作为惟一制动能源的制动系统 2 动力制动系统 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 进行制动的制动系统 3 伺服制动系统 兼用人力和发动机进行制动的制动系统 人力目前仍是国内中低档车最为适合的制动能源 它符合了降低成本同时又有可 靠的性能保证 所以我选择人力为我的制动系统的能源 按照能量的传输方式 制动系统又可分为机械式 液压式 气压式和电磁式 在 行车制动系统上我选用液压式 反应迅速 性能好 而在驻车制动系统上我选用机械 式 性能稳定 故障少 通过以上的分析 本次设计主要围绕行车制动系统和驻车制动系统来设计 而应 急系统为了节省成本就利用现有的驻车系统来代替 本次设计的汽车使用范围是在城 市内行驶 所以不设计辅助制动系统 如图 2 1 所示 图 2 1 总体布置图 2 2 制动系统的主要参数的确定及计算 在制动器设计中需预先给定的整车参数有 表 2 1 制动系统整车参数 空载满载 整车质量 990kg1365kg ab 质心位置 0 56m0 5m 空载满载轴 距 质心高度 0 95m0 85m2 37m 最高车速车轮工作半径轮 胎同步附着系数 其 他 178km h283mm175 65R14 0 6 0 而对汽车制动性能有重要影响的制动系参数有 制动力及其分配系数 同步附 着系数 制动器最大制动力矩与制动器因数等 2 2 1 制动力与制动力分配系数 根据公式 2 1 L hL g02 得 67 0 6 2 85 0 6 025 1 2 2 2 同步附着系数 同步附着系数是汽车制动性能的一个重要参数 由汽车结构参数所决定的 它 是制动器动力分配系数为 的汽车的实际前 后制动器制动力分配线 简称 线 与 汽车理想的前 后制动器动力分配曲线 I 线的交点 对于前 后制动器制动力为固定 比值的汽车 只有在附着系数等于同步附着系数的路面上 汽车前 后车轮才会 0 同时抱死 当汽车在不同 植的路面上制动时 可能出现以下 3 种情况 1 当时 制动时总是前轮先抱死 这是一种稳定工况 单失去转向能 0 力 2 当时 制动时总是后轮先抱死 这时容易发生后轴侧滑而使汽车失 0 去方向稳定性 3 当时 制动时前 后轮同时抱死 是一种稳定工况 但也失去转向 0 能力 现代的道路条件大为改善 汽车行驶速度也大为提高 因此汽车因制动时后轮先 抱死的后果十分严重 由于车速高 它不仅会引起侧滑甩尾甚至会发生调头而丧失操 纵稳定性 因此后轮先抱死的情况十分严重 所以现在各类汽车的值都均有增大 0 趋势 轿车0 6 货车0 5 0 0 2 2 2 0 g LL h 故取 0 6 0 2 2 3 制动器最大制动力矩 由轮胎与路面附着系数所决定的前后轴最大附着力矩 2 3 eg rqhL L G M 1max2 式中 该车所能遇到的最大附着系数 q 制动强度 车轮有效半径 e r 后轴最大制动力矩 max2 M G 汽车满载质量 L 汽车轴距 q 0 66 g ha a 0 85 0 6 07 0 35 1 7 035 1 故后轴 1 57Nmm max2 M3707 0 85 0 66 0 35 1 6 2 20000 6 10 后轮的制动力矩为 0 785Nmm2 1057 1 6 6 10 前轴 T 0 67 1 0 67 1 57 3 2Nmm max1 M max1fmax2 1 f T 6 10 6 10 前轮的制动力矩为 3 2 2 1 6Nmm 6 10 6 10 2 2 4 制动器因数 制动器因数定义为在制动鼓或制动盘的作用半径上所产生的摩擦力与输入力之 比 即 f T BF PR 2 4 式中 制动器的摩擦力矩 f T 制动盘或制动鼓的作用半径 R 输入力 一般取加于两制动蹄的张开力的平均值输入力 P 对于钳盘式制动器 设两侧制动块对制动盘的压紧力均为 P 即制动盘在其两侧 的作用半径上所受的摩擦力为 2 此处为盘与制动衬块饿摩擦系数 于钳盘式fPf 制动器的制动器因数为 2 5f P fP BF2 2 f 取 0 5 得 BF 2 0 5 1 对于鼓式制动器 当时 则有 12 PPP 12TT BFBFBF 如图 2 2 假设在张力 P 的作用下 制动蹄的摩擦衬片与鼓之间作用力的合力 N 的 B 点上 这一法向力引起作用于制动蹄衬片上的摩擦力为 为摩擦系数 Nff a b c h R 及 为结构尺寸 图 2 2 受力图 对领题绕支点 A 的力矩平衡方程 即 2 60PhNfcNb 由上式得到领蹄的制动蹄因数为 1 1 T Nfhf BF c Pb f b 2 7 代入参数得 0 79 1T BF 当制动鼓逆转时 上述制动蹄则又成为从蹄 这时摩擦力的方向相反 用上Nf 述分析方法 同样可得出从蹄绕支点 A 的力矩平衡方程 即 2 80PhNfcNb 由上式得从蹄的制动蹄因数为 2 9 2 1 T Nfhf BF c Pb f b 代入参数得 0 48 2T BF 2 3 本章小结 本章先选定了要设计的制动系统的类型 然后确定了本设计的汽车的技术参数 通过这些参数 计算出了要设计的制动系统的制动力 制动力分配系数 同步附着系 数 制动器最大制动力矩 制动器因数等重要参数 这些参数是保证该制动系统正常 工作的前提 第 3 章 制动驱动机构的设计 3 1 制动驱动机构的结构型式选择 简单制动系即人力制动系 是靠司机作用于制动踏板上或手柄上的力作为制动力 源而力的传递方式 又有机械式和液压式 我的驻车制动系统为机械式 行车制动系 统为液压式 驻车制动系统的机械式为杆系传力 其机构简单 造价低廉 而且性能稳定 由 驾驶员拉动手柄 通过钢丝绳传递力到后驻车制动器 产生驻车效果 行车制动系统为液压式 作用滞后时间 0 2s 工作压力 10MPa 工作原理可用如 图 3 1 所示的一种简单的液压制动系统工作原理示意图来说明 一个以内圆柱面为工 作表面的金属制动鼓 8 固定在车轮轮毂上 随车轮一同旋转 在固定不动的制动底板 11 上有两个支承销 12 支承着两个弧形制动蹄 10 的下端 制动蹄的外圆柱面上装有 摩擦片 9 制动底板上还还装有液压制动轮缸 6 用油管 5 与装在车驾上的液压制动 主缸 4 相连通 主缸活塞 3 可由驾驶员通过制动踏板机构来操纵 制动踏板 推杆 制动活塞 制动主缸 油管 制动轮缸 轮缸活塞 制动鼓 摩擦片 制动蹄 制动底板 支承销 制动蹄回位弹簧 图 3 1 制动装置原理图 工作原理为 驾驶员踩下踏板时 作用力由活塞推杆 2 传给活塞 3 活塞就移动 克服主缸内部的作用力 油液由主缸流出经油管 5 到达制动器的轮缸 使制动轮缸活 塞推动制动蹄产生制动 钳盘式制动器原理一样 为防止空气进入制动系油液系统 当放松制动踏板时 制动系的油液系统应保持 一定的剩余压力 0 5kg cm 2 3 2 液压制动驱动机构的设计计算 3 2 1 制动轮缸直径与工作容积 前轮制动轮缸直径与工作容积的设计计算 3 1 p P dw 2 式中 p 考虑到制动力调节装置作用下的轮缸或灌录液压 p 8Mp 12Mp 取 p 10Mp 根据轿车使用与维护手册得 P 19625N 得 50mm 6 101014 3 19625 2 w d 根据 GB7524 87 标准规定的尺寸中选取 因此轮缸直径为 50mm 一个轮缸的工作容积 w V 3 2 n ww dV 1 2 4 式中 一个轮缸活塞的直径 w d n 轮缸活塞的数目 一个轮缸完全制动时的行程 3 3 4321 取 2mm 消除制动蹄与制动鼓间的间隙所需的轮缸活塞行程 1 由于摩擦衬片变形而引起的轮缸活塞 2 分别为鼓式制动器的变形与制动鼓的变形而引起的轮缸活塞行程 3 4 得一个轮缸的工作容积 3925mm 1 1 2 250 4 14 3 w V 3 全部轮缸的工作容积 3 4 m w VV 1 式中 m 轮缸的数目 V 2V 2V 2 2826 2 3925 13502mm 1w2w 3 3 2 2 制动主缸直径与工作容积 制动主缸应有的工作容积 3 5 VVVm 式中 V 全部轮缸的总的工作容积 制动软管在掖压下变形而引起的容积增量 V V 13502mm 3 轿车的制动主缸的工作容积可取为 1 1V 1 1 13502 14852 2 mm m V 3 主缸直径和活塞行程 S m d m 3 6 mmm sdV 2 4 一般 S 0 8 1 2 d mm 取 S d mm 得 26 65mm m d 3 4 m V 3 4 14 3 2 14852 根据 GB7524 87 标准规定的尺寸中选取 因此主缸直径为 28mm 28mm m s m d 3 2 3 制动踏板力与踏板的行程 制动踏板力可用下式验算 P F 3 7 2 1 1 4 Pm p Fd p i 式中 制动主缸活塞直径 m d 制动管路的液压 p 制动踏板机构传动比 4 P i 2 1 P r i r 制动踏板机构及制动主缸的机械效率 可取 0 9 求得 1710N500N 700N 662 10 9 0 1 4 1 101028 4 14 3 p F 所以需要加装真空助力器 3 8 IFF Pp 式中 真空助力比 取 4 I 1710 4 427 5N500N 700N P F 所以符合要求 3 9 21mmmpp six 式中 主缸中推杆与活塞的间隙 取 2mm 1m 主缸活塞空行程 即主缸活塞由不工作的极限位置到使其皮碗完全封堵 2m 主缸上的旁通孔的行程 取 2mm 求得 128mm 150mm 符合设计要求 2228 4 p x 3 3 本章小结 这一章进行了液压驱动机构的设计 通过对不同的制动能源的利弊分析 选用了 液压式作为这套制动系统的行车制动的能源 又选用了机械式作为驻车制动的能源 然后开始了对液压制动驱动结构的计算包括制动轮缸 制动主缸 真空助力器 踏板 的行程与制动踏板力 油管和油管接头等一些重要元件 第 4 章 制动器设计和计算 汽车制动器几乎均为机械摩擦式 通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩 使后者的旋转角速度降低 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 以使汽车减速或停车 汽车制动器按其在汽车上的位置分为车轮制动器和中央制动器 前者安装在车轮 处 并用脚踩制动踏板进行操纵 故又称为脚制动 后者安装在传动系的某轴上 并 用手拉操纵杆进行操纵 故又成为手制动 车轮制动器一般应用于行车制动 也有兼 用第二制动和驻车制动 中央制动器一般只用于驻车制动和缓速制动 4 1 制动器方案确定 4 1 1 鼓式制动器 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袖套管的凸缘上 其 旋转的摩擦元件为制动鼓 车轮制动器的制动鼓均固定在轮鼓上 制动时 利用制动 鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦路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 并利用制动鼓的外因柱表面与制动带摩擦片 的内圆弧面作为一对摩擦表面 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 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 1 领从蹄式制动器 汽车倒车时制动鼓的旋转方向变为反向旋转 则相应地使领蹄与从蹄也就相互 对调了 这种当制动鼓正 反方向旋转时总具有一个领蹄和一个从蹄的内张型鼓式制 动器称为领从蹄式制动器 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 也便于附装驻车制动机构 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 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 则称为双领蹄式制动器 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单向双领蹄式制动器 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 两蹄对制动鼓作用的合力恰好相互平衡 故 属于平衡式制动器 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 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 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 因此广泛用于中 轻型载货汽车和部分轿车的前 后车轮 但用作后轮制 动器时 则需另设中央制动器用于驻车制动 4 单向增力式制动器 单向增力式制动器如图所示两蹄下端以顶杆相连接 第二制动蹄支承在其上端制 动底板上的支承销上 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 它仅用于少数轻 中 型货车和轿车上作为前轮制动器 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 则成为双向增力式制动器 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 车制动共用的制动器 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作汽车的中央制动器 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 在轿车领域上己经逐步退出让位给盘式制动器 但由于成本比较低 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 所以本次设计最终 采用的是双向曾力式制动器 4 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型式又可分为定钳盘式制动器 浮钳盘式制动器等 定钳盘式制动器 这种制动器中的制动钳固定不动 制动盘与车轮相联并在制 动钳体开口槽中旋转 具有下列优点 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 容易实现从鼓式制动器到 盘式制动器的改革 能很好地适应多回路制动系的要求 浮动盘式制动器 这种制动器具有以下优点 仅在盘的内侧有液压缸 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加之液压缸冷却条 件好 所以制动液汽化的可能性小 成本低 浮动钳的制动块可兼用于驻车制动 2 全盘式 在全盘式制动器中 摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆形盘 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 应用远没有浮钳盘式制动器广泛 通过对盘式 鼓式制动器的分析比较可以得出盘式制动器与鼓式制动器比较有如 下均一些突出优点 1 制动稳定性好 它的效能因素与摩擦系数关系的 K p 曲线变化平衡 所以对 摩擦系数的要求可以放宽 因而对制动时摩擦面间为温度 水的影响敏感度就低 所 以在汽车高速行驶时均能保证制动的稳定性和可靠性 2 盘式制动器制动时 汽车减速度与制动管路压力是线性关系 而鼓式制动 器却是非线性关系 3 输出力矩平衡 而鼓式则平衡性差 4 制动盘的通风冷却较好 带通风孔的制动盘的散热效果尤佳 故热稳定性 好 制动时所需踏板力也较小 5 车速对踏板力的影响较小 综合以上优缺点最终确定本次设计采用前盘后鼓式 前盘选用浮动盘式制动器 后鼓采用双向曾力式制动器 4 2 鼓 盘式制动器的主要参数的确定 4 2 1 鼓式制动器的结构参数和摩擦系数 1 结构参数 1 制动鼓直径 D 或半径 R 当输入力 P 一定时 制动鼓的直径越大 则制动力矩就越大 且使制动器的散热 性能越好 但直径 D 的尺寸受到轮辋直径的限制 而且 D 的增大也使制动鼓的质量增 加 使汽车的非悬挂质量增加 不利于汽车的平顺性 制动鼓与轮辋之间应有一定的 间隙 此间隙一般不应小于 20mm 30mm 以利于散热通风 也可避免由于轮辋过热 而损坏轮胎 由此间隙要求及轮辋的尺寸即可求得制动鼓 D 的尺寸 另外 制动鼓直 径 D 与轮辋直径之比的一般范围为 r D 轿车 0 64 0 74 r D D 货车 0 70 0 83 r D D 轿车制动鼓内径一般比轮辋外径小 125mm 150mm 综上取得制动鼓内径 D 220mm 轮辋直径 350mm 制动鼓外径 269mm r D 2 制动蹄摩擦衬片的包角 及宽度 b 如图 4 1 所示 包角 通常在 范围内选取 试验表明 摩擦衬片包90 120 oo 角 时磨损最小 制动鼓的温度也最低 而制动效能则最高 再减小 虽90o100o 有利于散热 但由于单位压力过高将加速磨损 包角 也不宜大于 因为过大不120o 仅不利于散热 而且易使制动作用不平顺 甚至可能发生自锁 选取 110 摩擦衬片宽度 b 较大可以降低单位压力 减少磨损 但 b 的尺寸过大则不易保证 与制动鼓全面接触 通常是根据在紧急制动时使其单位压力不超过 2 5MPa 的条件来 选择衬片宽度 b 的 选取 b 45mm 3 摩擦衬片起始角 0 摩擦衬片起始角通常为了适应单位压力的分布情况 将衬片相对于最大压 0 力点对称布置 以改善制动效能和磨损的均匀性 取 0 40 图 4 1 制动蹄摩擦衬片参数 4 张开力的作用线至制动器中线的距离 a 在满足制动轮缸或凸轮能布置在制动鼓内的条件下 应使距离 a 尽可能地大 以提高其制动效能 a 0 8R 左右 求得 a 99 6mm 5 制动蹄支削中心的坐标位置 k 与 c 制动蹄支销中心的坐标尺寸 k 应尽可能地小 以使尺寸 c 尽可能地大 初步设 计可取 c 0 8R 左右 取 c 99 6mm 2 摩擦片摩擦系数 选择摩擦片时 不仅要希望其摩擦系数要高些 而且还要求其稳定性好 受温 度和压力的影响小 不宜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 各种制动器用摩擦材料的摩擦系数的稳定值约为 0 3 0 5 少数可达到 0 7 一般来说 摩擦系数愈高的材料 起耐磨性愈差 所以在制动器设计时 并非 一定要追求高摩擦系数的材料 选取 f 0 3 4 2 2 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 希望尽量大些 这时制动盘的有效半径得以增大 就可以降低制动 钳的夹紧力 降低摩擦衬快的单位压力和工作温度 但制动盘直径 D 受轮辋直径的限 制 通常 制动盘的直径 D 选择为轮辋直径的 70 79 所以求得制动盘直径 D 256mm 2 制动盘厚度 h 制动盘厚度直接影响制动盘质量和工作时的温升 为使质量不致太大 制动盘 厚度应取小些 为了降低制动时的温升 制动盘厚度不宜过小 通常 实心制动盘 厚度可取为 10 mm 20 mm 只有通风孔道的制动盘的两丁作面之间的尺寸 即制 动盘的厚度取为 20 mm 50 mm 但多采用 20 mm 30 mm 取 h 20mm 3 摩擦衬块内半径与外半径 1 R 2 R 推荐摩擦衬块的外半径与内半径的比值不大于 1 5 若此比值偏大 工作时 2 R 1 R 摩擦衬块外缘与内缘的圆周速度相差较大 则其磨损就会不均匀 接触面积将减小 最终会导致制动力矩变化大 4 摩擦衬块厚度与摩擦面积 摩擦衬块厚度取 14mm 推荐根据制动摩擦衬块单位面积占有的汽车质量在 1 6kg 3 5 kg 内选取 摩擦面积取 76cm 2 cm 2 cm 2 4 3 制动器的设计与计算 4 3 1 制动蹄摩擦面的压力分布规律及径向变形规律 由前面的分析可知 制动器摩擦材料的摩擦系数及所产生的摩擦力对制动蹄因数 BF 有很大影响 掌握制动蹄摩擦面上的压力分布规律 有助于正确分析制动器因数 但用分析方法精确计算沿蹄片长度方向上的压力分布规律比较困难 因为除了摩擦衬 片有弹性变形外 制动蹄 制动鼓以及支承也会有弹性变形 但与摩擦衬片的变形量 相比 则相对很小 故在通常的近似计算中只考虑衬片径向变形的影响 其他零件变 形的影响较小 可忽略不计 即通常作以下一些假定 1 制动鼓 制动蹄为绝对刚性体 2 在外力作用下 变形仅发生在摩擦衬片上 3 压力与变形符合虎克定律 可根据图 4 2 来分析计算具有一个自由度的增势蹄摩擦衬片的径向变形规律和压 力分布规律 此时摩擦衬片在张开力和摩擦力的作用下 绕支承销中心转动 d 角 1 A 摩擦衬片表面任意点沿制动蹄转动的切线方向饿变形即为线段 其径向变形 1 B 11 B B 分量是线段在半径延长线上的投影 即线段 由于 d 角很小 可以认 11 B B 1 OB 11 BC 为 90 则所求的摩擦衬片的径向变形为 111 AB B o 4 1 11111 1 sin sin BCB B Bd A 图 4 2 摩擦衬片的径向变形规律和压力分布 考虑到 则由等腰三角形可知 11 OAOBR 11 AOB 4 2 11 sin sinABR 代入上式 得摩擦衬片的径向变形和压力分别为 1 11max sin sin Rd qq 4 3 通过上式可看出摩擦片的径向变形和压力都是关于张开角 的正弦函数 4 3 2 制动蹄片上的制动力矩 在计算鼓式制动器时 必须建立制动蹄对制动鼓的压紧力与所产生的制动力矩之 间的关