汽车设计第八章.ppt

第八章制动系设计,第一节概述第二节制动器的结构方案分析第三节制动器主要参数的确定第四节制动器的设计与计算第五节制动驱动机构第六节制动力调节机构第七节制动器的主要结构元件,回主目录,第一节概述,制动系的功用：使汽车减速行驶直至停车；下坡时使汽车保持适当的稳定速度；使汽车可靠地停在原地或坡道上。,制动系的组成：应有行车和驻车两套制动装置，此外，有些汽车还设有应急制动、辅助制动和自动制动装置。任何一套制动装置都由制动器和制动驱动机构组成。,应急制动装置：是利用机械力源（如强压弹簧）进行制动，在用动力制动或伺服制动的汽车上，一旦发生蓄能装置泄露或压力过低时，应急制动装置可实现汽车制动，在人力控制下可兼做驻车制动。辅助制动装置：如缓速器，可在汽车下长坡时，持续减速或保持车速稳定，减轻行车制动装置负荷。自动制动装置：当制动管路泄漏或断开时使挂车自动制动。,一设计制动系应满足的基本要求1、足够的制动能力行车制动能力用某一制动初速度制动时的制动距离和减速度两项指标评定。驻坡能力汽车在良好路面上能可靠的停驻的最大坡度。,国外法规空驶距离制动距离,2、工作可靠用双管路，当一套失效，另一套行车制动能力不低于没有失效时的30%。3、用任何初速度制动，汽车均不应当丧失操纵性和方向稳定性。1）前轮抱死，丧失操纵性，所以要求前后制动器的制动力矩有合适的比例，并应能随轴荷转移而变化。,2)制动时汽车不跑偏同一轴上左右轮制动力应相同，差值最大不超过15%。4、防止水、污泥进入制动器工作表面(鼓式），水与污泥使制动能力下降，工作面磨损变大。水f下降制动能力下降，称为水衰退。经若干次制动后应能恢复正常。5、制动能力的热稳定性良好下长坡连续和缓制动以及频繁重复制动可使制动器温度上升，f下降、制动能力下降、称为热衰退。要求热稳定性良好，即不易衰退，衰退后能迅速恢复。,6、操纵轻便，并且具有良好的随动性7、产生制动与解除制动的作用滞后性尽可能短。8、公害小，包括制动时产生的噪声小，使用无公害摩擦材料。9、寿命长。10、摩擦副间间隙可调，且调整工作容易进行。11、驱动机构有故障时，应有声光报警信号提示。,摩擦式制动器的分类,回目录,第二节制动器结构方案分析,不同鼓式制动器的区别为：1）蹄片固定支点的位置和数量不同；2）张开装置的形式和数量不同；3）制动时两蹄片之间有无相互作用。,一、鼓式制动器,制动器效能的定义：制动器在单位输入压力或力的作用下所输出的力或力矩称为制动器效能。用制动器效能因数K来评价各式制动器的效能。制动器效能因数的定义：在制动毂或制动盘的作用半径R上所得到的摩擦力（M/R）与输入力F0之比M制动器输出的制动力矩,1）钳盘式制动器的效能因数单片钳盘式制动器两侧制动块对制动盘的夹紧力均为F0，制动盘在其两个工作面的作用半径上所受的摩擦力为，则单片钳盘式制动器的效能因数为：,2）鼓式制动器的效能因数若两蹄上的张开力各为F01和F02，制动鼓内圆柱面半径为R，两蹄施加给制动鼓的摩擦力矩各为Mt1和Mt2，那么两制动蹄的效能因数分别为：,，,整个鼓式制动器的效能因数则为：,若,则,制动器效能稳定性：是指效能因数K对摩擦因数f的敏感性(dk/df）。制动器效能稳定性好，即是制动器效能对f的变化敏感性较低。领从蹄式鼓式制动器：对f的导数：,结论：在结构尺寸相同的条件下（、）随f的增加增加，减少；在f相同条件下，说明领蹄对f的变化更为敏感。,盘式制动器：,为常数，可见制动器效能的稳定性好。,二盘式制动器结构方案分析1、盘式制动器,回目录,2、盘式制动器与鼓式制动器比较,鼓受热膨胀呈椭圆状，接触不好，制动效能下降，产生机械衰退。盘轴向膨胀小，无机械衰退。i.因为块与盘之间单位压力高，易将水挤出，所以溅水后制动效能降低得不多。ii.离心力及衬块对盘的摩擦作用，进水后经12次制动可恢复正常，鼓式需经十多次制动可以恢复。衬块与制动盘之间的间隙小（0.050.15）mm,第三节制动器主要参数的确定一鼓式制动器主要参数的确定1制动鼓内径D,初选D：初选D后，参照ZB/T24005-89制动鼓直径及制动蹄片宽度尺寸系列圆整。,2.摩擦衬片宽度b和包角,b尺寸应符合ZB/T24005-89,1）摩擦衬片宽度b,2）包角,3）单个制动器总的衬片摩擦面积Ap在D已定条件下，影响的Ap因素为和b,当Ap增加以后，单位压力下降，ma大的汽车要求Ap提高。对于轿车：,3、摩擦衬片起始角0单位压力在衬片上的分布规律有两种观点：1)均匀分布2)按正弦规律分布为了使衬片磨损均匀、改善制动效能，应该将衬片相对最大压力点对称布置。常见的布置方法是给定初始角00=（180-）/2=90-/2,如右图,4、制动器中心到张开力F0作用线的距离e初选时：e=0.4D5、制动蹄支撑点位置坐标a和c初选时：a=0.4D,二、盘式制动器主要参数的确定1制动盘直径D初选D=（70%79%）Dr(Dr为轮辋直径），总质量大于2吨的汽车取上限。,2制动盘厚度h初选实心制动盘取1020mm通风式制动盘取2050mm(多用2030mm),3摩擦衬块外半径R2与内半径R1推荐R2/R11.5R2/R11.5时，内外侧圆周速度相差过多磨损不均匀接触面积降低制动力矩降低、寿命降低。4制动衬块面积A推荐单位制动衬块面积占有汽车质量在1.63.5kg/cm2.,回目录,第四节制动器的设计与计算一鼓式制动器的设计与计算1制动蹄的分类,2压力沿衬片长度方向的分布规律假设：衬片在径向方向有变形，鼓、蹄、支撑的变形忽略不计。1)两自由度紧蹄的压力沿衬片长度方向的分布规律坐标原点取在鼓心O点，Y1坐标取在OA1方向，过O点垂直于Y1方向为X1坐标方向。其中A1为蹄片瞬时转动中心。,制动瞬间蹄片移动特点：在张开力作用下，蹄片绕A1转动，蹄压到鼓上，衬片受压变形，同时蹄还要顺着摩擦力作用方向沿支撑面移动。蹄片中心移至O1点，所以未变形时的衬片表面轮廓线，沿OO1方向靠近制动鼓变为E1E1线。并且，衬片表面上所有点在OO1方向上的变形是相同的。如B1点在OO1方向的变形为B1B1。B1点径向变形为1：,OB1与Y1轴夹角OB1与最大压力线OO1之间的夹角X1轴与最大压力线之间的夹角结论：两自由度紧蹄压力沿衬片长度方向分布符合正弦分布规律。,2)一个自由度紧蹄的压力沿衬片长度方向的分布规律坐标原点取在O点，Y1坐标在OA1方向。衬片表面任意点B1，在张开力与摩擦力作用下，蹄片绕支承销A1转动d角后，B1点沿蹄片转动的切线方向的变形为线段B1B1，其径向变形分量是这个线段在半径OB1方向上的投影B1C1线段。因为d很小，所以认为则：考虑到,那么分析等腰三角形，则有所以衬片表面的径向变形和压力为：结论：一个自由度紧蹄压力沿衬片长度方向分布规律符合正弦分布规律。,3压力分布不均匀系数沿衬片长度方向，压力分布的不均匀程度用不均匀系数来评价：pf在同一制动力矩作用下，假想压力分布均匀时蹄片上的平均压力；pmax压力分布不均匀时蹄片上的最大压力。,首先应查明蹄压紧到鼓上的力与产生的制动力矩之间的关系。计算一个自由度蹄片上的力矩：1)在衬片表面取微元面积bRd2)鼓作用在bRd上的法向力为3)摩擦力:fdF14)制动力矩5)从到区段积分上式得到：,4计算蹄片上的制动力矩,6)压力均匀分布时则不均匀系数：5制动力矩与张开力F0的关系紧蹄的：F1紧蹄的法向合力；R1摩擦力fF1的作用半径。,当已知h、a、c及法向压力值时，如上图列出力的平衡方程式x1轴和力F1的作用线之间的夹角；支承反力在x1轴上的投影。联立上述两方程消去Fx求解得到：,对于紧蹄：对于松蹄：结论：,6制动器上的制动力矩对液压驱动Fo1=Fo2。则张开力F0为：凸轮张开机构的张开力，由蹄上的力矩平衡条件得：,7紧蹄不自锁的条件紧蹄的制动力矩方程分母为零时蹄自锁：,从而解出：,由和式可计算得领蹄表面最大压力为：,结论：,二盘式制动器的设计与计算,设衬块与盘之间的单位压力为p，则微元面积RdRd上的摩擦力pRdRdf对中心o的力矩为：,单侧衬块在盘上产生的制动力矩为：式中p是未知数时，算不出。因为=力x力臂，所以要求取力臂及作用半径R（或有效半径Re）。,单侧衬块加于制动盘的总摩擦力为：Re也可写成：,且m越小，两者差值越大，且扇形径向宽度过大（R2与R1相差得多），滑磨速度相差大，磨损不均匀，造成单位压力分布不均匀，所以要求m0.65。,三衬片磨损特性计算1比能量耗散率e汽车的动能、势能制动热能制动器吸收升温称之为制动器的能量负荷。能量负荷越大的制动器，其磨损越严重。评价指标：比能量耗散率。比能量耗散率定义：单位衬片摩擦面积在单位时间内耗散的能量W/mm2,双轴汽车单个前、后轮制动器的比能量耗散率e1、e2的计算：V1制动初速度；t制动时间；A1、A2前、后制动器衬片（衬块）的摩擦面积；制动力分配系数。,2比摩擦力f0定义：单位衬片(块)摩擦面积占有的制动器摩擦力。f0越大，磨损越严重。单个车轮制动器的比摩擦力的计算：R制动鼓半径（盘式用Rm或Re）；A单个制动器的衬片（衬块）面积。在j=0.6g时，f0不大于0.48N/mm2,四前、后轮制动器制动力矩的确定1、由汽车理论可知，前后轮制动力矩的比值0同步附着系数L1、L2质心至前轴和后桥的距离（由总布置给出）；hg质心高度（由总布置给出）。,2计算M1按好路、满载，紧急制动到前轮抱死拖滑算出M1maxG1满载前轴静负荷3计算M2,五应急制动和驻车制动所需要的制动力矩1应急制动应急制动用手制动，如果控制的是后桥车轮制动器，则FB1=0。后轮抱死滑移。所需后桥制动力矩为：F2法向反力；re车轮有效半径。单个后轮制动器的应急制动力矩，。用中央制动器时，应急制动应有的制动力矩为。,分析上表中公式可知：影响汽车停坡角的主要因素有、L和汽车质心位置（L1、hg）。若L、hg相同，则L1大的汽车的1和1均增加，表明4*2汽车若是后轮驱动，L1增大，其停坡角要大些。若L、L1相同，仅hg不同，则hg大的汽车其1变大，1变小。,回目录,根据附着力与制动力相等的条件求得,2驻车制动,2驻车制动,第五节制动驱动机构的设计与计算一制动驱动机构的形式1分类,2结构方案分析1)简单制动靠驾驶员施加的踏板力或手柄力作为制动力源，又称为人力制动。续下表,2)动力制动利用发动机的动力转化成气压或液压的势能进行制动。,简单制动与动力制动的比较：,续上表,3.伺服制动工作压力由动力伺服机构产生，伺服机构失效可用人力驱动液压系统。,二、分路系统采用分路系统的目的：提高制动系统工作可靠性双轴汽车双回路方案有五种：,继上表,因为前轮制动力不对称，导致车轮朝力大的方面绕主销转动。改善方法：用负转臂（主销偏移距）（）结果前轮制动力产生的力矩使转向轮朝右转。后轮制动力绕汽车质心转，力矩为，结果汽车摆正。,三、液压制动驱动机构的计算1制动轮缸直径d的确定已知参数：F0、pp取值范围：鼓式1012Mpa；盘式略高；d应符合GB7524-87规定的标准；19、2255mm,2.制动主缸直径d0的确定1)轮缸一次制动体积增量Vidi第i个轮缸直径；n第i个轮缸中活塞的数目；i完全制动时轮缸活塞行程。鼓式i=22.5mm2）全部轮缸一次制动体积增量Vm轮缸数目。,3)主缸工作容积V0V软管的容积变形。（轿车）（货车）4)d0的确定S0主缸活塞行程；S0=（0.81.2）d0。d0应符合ZB/TT24008-90规定。,3.制动踏板力Fpip踏板机构传动比；ip=l/l。踏板机构及主缸的机械效率；=0.820.86。要求：设计时初选Fp=200350N。,4.踏板行程Sp01推杆与活塞间的间隙，01=1.52.0mm；02活塞空行程。,回目录,第六节制动力调节机构一、限压阀,限压阀的工作原理：1.制动初期活塞位于图中左侧，在预紧弹簧作用下，紧靠到接头上。接头底部有孔，油液经此孔和活塞上缺口进入限压阀的右侧与汽车后轮制动管路相通。所以制动初期前、后轮制动管路油压P1=P2，并且同步增长，如同曲线中OA段。2.制动后期因为活塞本身呈阶梯状，所以油压的压力P也作用到活塞中部工作面上，随P的增加，逐渐克服弹簧预紧力。并将活塞移向右侧直至关闭阀门。以后P增加，则P1增加但P2不变。如特性线图上AB段所示。图中阴影线区域为前轮先抱死区域。,制动时要求前轮先抱死，后轮后抱死，防止汽车甩尾，减少危险，提高行驶安全性。可供满足上述要求能采取的措施有多种：选择比较大的0；装用限压阀、比例阀、惯性阀；装ABS.其中限压阀结构简单，适用于装载质量相差不大的汽车上。,二、制动防抱死机构（ABS）ABS是附加于制动系统中的防止车轮发生制动抱死的控制系统。具有防止车轮发生制动抱死功能的制动系统称之为防抱死制动系统。制动过程防止车轮抱死，能避免车轮在路面上滑移，提高汽车制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力，并缩短制动距离。即能提高汽车行驶的主动安全性，目前获得广泛的应用。,1.车轮滑动率S车轮在路面上的纵向运动有如下两种形式：滚动车轮纵向运动形式滑移滑动滑转制动过程车轮的运动状态的变化过程：滚动（滚动+滑动）滑动车轮滑移率S用来表示车轮滑动成分为多少的一个参数，其定义为：,滑动率在01之间变化，S值越大，表明滑动成份越大。要求ABS通过控制制动管路中的压力，使车轮的滑动率保持在0.2左右。此时纵向附着系数达到最大，制动效能最好。,2.ABS的组成及工作原理,ABS组成：转速传感器电子控制器压力调节器转速传感器用来测定车轮转速电子控制器功能有：1)计算车轮速度、滑动率、车轮加、减速度。2)根据计算结果对压力调节器发出控制指令。压力调节器由电磁阀、油泵、电机组成，用来调节管路中压力的变化。,ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力反复的经过保持减小增大的过程，而将趋于抱死车轮的滑动率控制在峰值附着系数滑动率的附近范围内，直至汽车速度减小到很低或者停止。3.控制方法：1)逻辑门限控制2)最优控制3)滑动模态变结构控制4)模糊控制5）制动器消耗能量最大为目标6）PID控制,第七节制动器的主要结构元件一、制动鼓1.要求制动鼓有：1)足够大的强度；2)足够大的刚度；3)足够大的热容量；4)耐磨损性能良好；5)较高的摩擦因数。2.分类铸造式组合式图b圆柱部分用铸铁铸造，腹板部份用钢板冲压。图c制动鼓用钢板冲压，内镶合金铸件图d主体用铝合金铸造，内镶灰铸铁,3.方案分析,二、制动蹄1.要求制动蹄有1)足够的刚度货车制动蹄刚度应足够大小型汽车用钢板制成的制动蹄，弯曲刚度可小些，以保证制动时蹄与鼓接触良好。并减少尖叫声。方法：腹板上开12条径向槽2)质量小3)足够的使用寿命4)效率高,2.分类1)钢板焊接2)铸造（铸铁、铸钢）3.方案分析,三、摩擦衬片1.摩擦衬片（块）的材料应满足下述诸项要求：1)有稳定的摩擦因数，即温度、压力、工作速度变化时，f变化小；2)耐磨损性能良好；3)要求有尽可能小的压缩率和膨胀率；压缩率大，则主缸排量大，踏板行程变大，制动灵敏度下降，热膨胀率大，衬块与盘会拖磨，鼓式会咬死。4)无噪声污染；5)采用对人体无害的材料；6)较高的耐挤压强度和冲击强度，足够的抗剪切能力；,7)摩擦衬块热传导率应控制在下述范围。摩擦衬块在300c加热板上作用30min后，背板温度不超过190c，用来防止防尘罩、密封圈过早老化和制动液温度迅速升高。2.摩擦衬片材料种类1)石棉摩阻材料增强材料（石棉、其他纤维）加粘结剂加摩擦性能调节剂，因有害、致癌已被淘汰。2)半金属磨阻材料金属纤维加粘结剂加摩擦性能调节剂。3)金属磨阻材料粉末冶金无机质。,3.优缺点比较,四、制动鼓（盘）与衬片（块）之间的间隙自动调整装置1.为什么要自动调整鼓与衬片或盘与衬块之间应保留有尽可能小的间隙。制动时因衬片（块）与鼓（盘）的磨损间隙增大，会导致：1)制动滞后时间增长；2)各制动器磨损不同，间隙也不同，所以各制动器产生制动作用时间有差别，结果同步制动性能变坏；3)增加了压缩空气，制动液消耗量，踏板（手柄）行程变大。上述间隙可自动调整也可手动调整。手动调整的缺点：不及时；各处间隙难控制准确；增加劳动量；对底盘低的汽车，必须在有地沟设施的地方才能调。,2.自动调整间隙装置举例1)盘式：a)为制动状态b)为不制动状态图中1活塞2制动钳3密封圈,工作原理：1.制动油液压力增加活塞向右移动，克服衬块与盘之间的设定间隙，制动。同时因弹性密封圈紧压在活塞上，随活塞一同变形，变形量如图所示正是。2.解除制动后，油压下降，密封圈恢复原状态，同时带动活塞左移值，停止移动。3.衬块磨损后，增大至1，此时制动活塞右移量为1值，而密封圈的变形量仍保持为。1-=磨损量解除制动后，密封圈恢复原状态，即带动活塞向左移动，活塞停止移动。,因此：此时的活塞位置较前一次制动时位置，向右移动位置；在新位置上位于活塞端部的衬块与制动盘仍保持着大小的间隙，实现自动调整。关键技术：o安装密封圈处（位于制动钳内）槽的形状和尺寸。o密封圈的弹性及耐老化性能o密封圈与活塞的配合性质,汽车设计课考试（考查）时间安排：,1、车辆工程专业考试：12月31日上午8：30-10：30，地点另行通知。2、工业设计专业考查：12月31日上午8：30-10：30地点另行通知。,汽车设计课答疑时间安排：,23日（周四）晚6：308：30，二教三楼答疑室。29日晚（下周一）晚6：308：30，二教三楼答疑室。,2010年汽车设计课程复习题一,一、名词解释1）整车整备质量；2）转向系角传动比；3）比摩擦力；4）双曲面锥齿轮偏移距E；5）独立悬架侧倾中心；6）制动器制动效能因素；7）悬架静挠度；8）离合器后备系数；二、离合器的设计要求？三、双曲面锥齿轮与螺旋锥齿轮比较的主要优缺点？四、简述中间轴式四档变速器的配齿方案？五、对钢板弹簧进行受力分析，画出其驱动状态下的受力图？六、独立悬架有哪几种形式？画简图说明之。七、超载对汽车性能有何影响?八、客车有几种布置形式？各有何特点？九、转向系以驾驶员手力作为计算载荷给出其确定方法？十、评价汽车的主要性能指标有哪些？,2010年汽车设计课程复习题二,什么是差速器的锁紧系数？它对汽车性能有何影响？按承载能力不同汽车车身可分成几种不同形式？各有何特点？主要用于那种车型？离合器设计时为何要考虑通风散热？试举出至少4种通风散热措施。试比较膜片弹簧与螺旋弹簧压紧式离合器的优缺点？两轴式和中间轴式变速器各有何优点和缺点？发动机前置后驱动汽车传动轴为什么采用双十字轴万向节传动？双万向节传动的输入与输出轴等速旋转条件是什么？鼓式和盘式制动器各有何优缺点？独立悬架按车轮运动形式区分有几种？各有何优缺点？非独立悬架有何优缺点？什么是转向器传动间隙特性？其变化特点是什么？为什么要求这样的变化？车用空气弹簧有何特点？,控制通道分类:1、四通道式。特点：附着系数利用率高，制动时可以最大程度的利用每个车轮的最大附着力。但是如果汽车左右两个车轮的附着系数相差较大(如路面部分积水或结冰)，会影响汽车的制动方向稳定性。广州本田即是使用四通道ABS装置。2、三通道式。特点：汽车在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性，三通道ABS在轿车上被普遍采用。3、二通道式、特点：二通道式ABS难以在方向稳定性、转向控制性和制动效能各方面得到兼顾，目前采用很少。4、一通道式。特点：结构简单，成本低等，在轻型载货车上广泛应用。,控制通道能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。,2)鼓式如图8-21a所示,1制动蹄2限位摩擦环3活塞衬片与鼓的设定间隙，等于活塞后端与摩擦环断面间隙,工作原理：1.制动时，油压压力增加，推活塞左移蹄、克服衬片与鼓之间的间隙，进行制动，同时消除活塞与摩擦环处的间隙2.解除制动时，油压压力解除，回位弹簧拉动蹄回位，同时活塞右移直至靠近摩擦环。在上述过程中图中间隙经历一次从右部到左部、又从左部到右部过程；摩擦环始终未动。3.衬片磨损后制动。此时衬片与鼓的间隙1。活塞需移动1距离，方能制动，因此活塞也推动限位摩擦环2移动一距离=1-限位摩擦环保持在新位置上不动，活塞退回时，相对前次少动mm，因此蹄上衬片与鼓仍保持大小设定的间隙。,回目录,ABS工作原理举例：,（续上表）,1）分类,2)高选、低选车轮独立控制：如果车轮的制动压力，可以进行单独调节，称该车轮为独立控制。车轮一同控制：如果两个（或两个以上）车轮的制动压力是一同进行调节的称该两车轮为一同控制。高选当两个车轮一同控制时，如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节。称这两个车轮是按高选原则一同控制。低选当两个车轮一同控制时，如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，称这两个车轮是按低选原则一同控制。高选、低选的转换对两轮一同控制时可根据附着条件进行高选或低选的转换，如双通道ABS中a）图两前轮即是。,3)通道控制方案的特点分析,（续上表）,制动时前轮附着重量变大，FF车制动时前轮附着力约占总附着力的70%80%，所以对前轮独立控制，可充分利用前轮附着力，产生的制动力，缩短制动距离。因为后轮按低选原则控制，制动时后轮附着重量又小，所以制动力损失不大，制动距离增长不明显。因为前轮独立控制，所以制动力差别可能很大，对方向稳定性有影响，但影响较小，并可通过转向操纵予以修正。,假设一侧车轮在低的道路上，另一侧在高的路面上，若前轮按高选原则一同控制，则位于低路面上的车轮会因管路压力高而抱死，制动力且不大，而位于高路面上的车轮不会抱死，附着力又得以充分利用。所以制动力若大许多，结果对汽车质心处产生的力矩不等。方向稳定性变坏。因为a）、b）、c）三种方式后轮按低选原则一同控制，所以后轮制动力相等。,对反应灵敏的驾驶员，可通过转动转向轮，使车轮与地面之间产生一横向力，使之与不平衡的制动力抗衡，改善