某轿车浮动钳盘式制动器的设计与分析（全套含CAD图纸）
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0451制动系统原理摩擦力摩擦力的定义为抵抗两个物体之间相对运动的一种力。当两个面接触在一起，并产生相对运动时，就会产生摩擦力（如图451）。摩擦力的大小取决于两点物体的表面粗糙度和两接触面之间所受压力的大小。图451当两个物体表面接触到一起时，就会产生摩擦力。制动系统就是通过产生摩擦力来使汽车停止运动或者减速行驶的。热能当发生摩擦运动运动时，动能（运动中的能量）就会转化为热（热）能量。动能越大，产生的热量就越多，因此必须要有足够的间歇时间来散发热量。汽车在运动产生中产生的能量的大小，或者称之为动能大小，主要取决于汽车的重量和汽车行驶的速度。因此，刹车时必须要尽量减少热量的产生。摩擦力和制动系统在任何制动系统中，摩擦力的大小是由控制器控制的。通过改变摩擦力，可以使汽车停止运动，而且汽车在不同的行驶条件下，汽车的速度大小可以随坐标曲线而变化。摩擦力的控制是通过一个固定的制动蹄或是制动板，传递给一个旋转的制动鼓或者是制动盘。当驾驶员踩在制动脚踏板上的力增大时，摩擦力也会随之曾加。在制动摩擦力的作用下，车轮会逐渐停止转动，轮胎也会随之停止转动。然而，轮胎和地面之间也会产生摩擦力。制动器上产生的摩擦力必须与轮胎与地面之间产生的摩擦力大小相匹配。如果与地面接触的轮胎不能产生摩擦力，就会产生车轮锁死和1车轮打滑的现象。如果车轮不产生锁死的现象，汽车会更安全可靠的停止运动。车轮在锁死的情况下会产生非常危险的后果，尤其是在没有驱动控制的轮胎和路面之间产生摩擦。为了控制任何一个车轮在减速时出现打滑的现象，人们已经开始广泛使用电脑控制的制动器。鼓式制动器的基本操作原理鼓式制动器大致是由一个用螺栓固定在车轮上的铸造鼓构成的，而且铸造鼓也可以随车轮一起转动。在铸造鼓的内部有一个依靠一套制动蹄连接的制动板。铸造鼓内的其它部分也是连接在制动板上的，包括一个液压缸，以及一些弹簧和连接杆。制动蹄和摩擦材料连接在一起。当制动器工作时，摩擦材料就会贴附在制动鼓的内表面（图452）。制动器一旦开始工作，制动蹄就会在力的作用下紧贴在制动鼓的内表面，从而产生摩擦力。图452在一个鼓式制动系统中，制动蹄被强制向外压紧在制动鼓上，从而产生所需的摩擦力。制动蹄的激励原理当刹车系统开始工作时，制动蹄的自己离作用是很重要的。当刹车制动作用时，在摩擦力的带动作用下，制动蹄就会绕着制动蹄枢轴点旋转，就像图453所示的那样。当制动蹄和制动鼓旋转的方向一致时，主制动蹄和副制动蹄产生的摩擦力，就会使得制动蹄紧紧地贴附在制动鼓的内表面。这种现象就被称作是制动蹄的自激励作用。2图453当制动系统工作时，主制动蹄会先做出反应。然后主制动蹄会推动副制动蹄向相反方向运动。伺服式制动器伺服式制动器就是一种把一个相对较小的力转化为一个较大的力的一种设备。在当今大部分汽车当中，伺服式制动器被用来依靠液压缸内部的一种液压力来引导制动蹄向外运动。这种压力是来自于操纵者的脚。这种作用将会推动制动蹄向外运动，致使制动蹄紧紧地贴附在制动鼓上。主制动蹄和副制动蹄的工作原理在一个鼓式制动器的系统当中，有一个主制动蹄和一个副制动蹄，就像图453所示的那样。当刹车系统开始工作时，主制动蹄先做出反应。在这里面会产生一个较弱的回位弹力。制动蹄就会离开原来的位置，然后就会贴在制动鼓的表面。当制动蹄接触到制动鼓的表面时，制动蹄就会产生激励，强制制动蹄紧紧地旋附在制动鼓上，从而导致摩擦力迅速增大。在这期间，副制动蹄也会做出反应。当主制动蹄开始运动时，主制动蹄就会推动或者把副制动蹄移动到制动鼓的底部。这个动作就会使得副制动蹄随制动鼓在同一个方向上运动。我们会注意到，副制动蹄将不会再向上运动，因为它会被强制的固定在这个位置上。这个动作也会导致副制动蹄产生激励的作用。伺服制动系统就会发生作用，从而在制动蹄上产生出一个连续的作用。3来自液压缸内的驱动力只能推动一个制动蹄。通常液压缸会产生一个很小的压力来推动制动蹄工作。然而，由于制动器的激励作用，除了制动蹄与制动鼓的运动方向相反以外，这种力是不存在的。盘式制动器的基本操作原理在许多汽车当中，盘式制动器和鼓式制动器是合在一起使用的。在许多汽车中，盘式制动器通常被用在汽车的前轮上，然而鼓式制动器会被用在汽车的后轮上。盘式制动器通常也会安装在十速自行车上使用。这种制动器的摩擦力是由刹车片产生的，就像图454所示的那样。刹车片被挤压，或者是夹紧在正在旋转的制动盘上。刹车盘有时也会被称作是转子，会被安装在轮辋上和轮胎上。转子是由生铁制作而成的，通常会被安装在机器的两边。刹车片是被安装在金属板上的，他是靠液压缸内的活塞驱动的。图454在盘式制动系统中，通常会使用两个刹车片作用在一个转子上，从而产生停车所需要的摩擦力。制动钳的工作原理在盘式刹车系统中，活塞被安装在制动钳的上。制动钳是不会旋转的，因为它是安装在汽车上的一部分固定结构。制动钳是一个装载着包括液压活塞和液压缸的壳体。制动钳的结构还包括密封圈、弹簧和用来使活塞和制动片产生运动的通道。刹车片在转子上的作用力是垂直于转子旋转方向的（如图455）。这是不同于鼓式制动刹车系统的。盘式制动器被认为是没有自激励系统的。这就意味着在同一个制动过程中，它需要获得更大的制动力。正是由于这个原因，盘式制动器通常被用在动力4驱动轮的制动上。图455在盘式制动系统中，刹车片的作用方向是垂直于转子的。固定式制动钳的设计方案这里有两种制动钳的设计方案固定式制动钳和浮动式制动钳。固定式制动钳的设计方法，是将制动钳直接安装在汽车框架或者转向部件上。每一个刹车盘依靠一个活塞来驱动。图456为我们展示了固定式制动钳的设计方案。图456固定式制动钳是保持固定不动的，它是靠刹车片向里或者是向外运动来产生摩擦力的。在这个系统中是有两个活塞的。浮动式制动钳的设计方案在浮动式制动钳的设计方案中，制动钳的主壳体是允许在支撑架上，向里或者是向外运动一小段距离的。而且它只有一个活塞安装在制动钳的一侧。制动钳的另一侧只是安装了一个摩擦板。当制动系统开始工作时，液压缸内产生的液压力推动活塞向一个方向上运动。整个制动钳的壳体自由的向其相反的方向移动。当制动板接触到转子时，活塞板就会和制动钳的另一侧的摩擦板产生一个大小相等的力。图457就为我们展示里浮动式制动钳的设计思路。5图457浮动式制动钳是允许在支撑架上向内或是向外运动一小段距离的。在这个系统中只有一个活塞。制动液制动液在制动系统中扮演了一个重要的角色。在任何一个制动过程中，制动液用于将操纵者脚上的力传递到液压缸和活塞上。制动液是不能够被压缩的，然而气体是可以被压缩的，就像图458展示的那样。随着压力的增加，任何在液压制动系统中的空气就会受到压缩，从而减小系统中所需要传递的力。这就是为什么要把液压系统中的空气赶出去的重要原因。为了达到这个目的，必须要把制动系统中的空气驱除出去。这个过程被称作是制动系统的放气过程。图458制动液在刹车系统中得到使用是因为它不能被压缩的。然而气体是可以被压缩的，所以气体必须从液压系统中清除出去。6液压系统的工作原理在汽车的制动系统中是通过液压系统来传递操纵者脚上的力，使之变为两个物体表面的摩擦力。在图459中，当制动脚踏板被踩下的时候，就会使得液压缸内产生一个压力。这个压力就会通过液压线路传递到各个车轮的液压缸内。我们会注意到，在整个压力系统中的每一点的压力大小是相等的。图459当驾驶员踩下制动踏板时，液压系统的压力随之增加，而且压力会被传递到每一个液压缸内来操控制动系统。动力和压力在整个封闭的液压系统中，刹车和活塞两者之间的力，有一种特殊的关系。如果一个大小为100磅的力作用在一个面积为1平方英尺的活塞上面，那么在每平方英寸上将会产生100磅的压力。也就是说，如图4510所示的那样，如果在这个液压系统中有其他的活塞，他们将会因为尺寸的不同而产生一个大小不等的压力。一个尺寸为1/2平方英寸的活塞能产生一个50磅力。一个1平方英寸的活塞上会产生一个100磅的力。一个2平方英寸的活塞会产生一个200磅的力。这个例子告诉我们，在一个大小确定的力作用在一个液压系统中将会产生大小不同的力的作用，这主要是一句活塞面积的大小而定的。在液压系统中，制动液只会做非常微小的运动。制动系统中，只是依靠动力和压力来工作的。在实际工作过程中，制动液仅仅是被用作于把操作者脚上产生的动力和压力传递到活塞和摩擦盘上。7图4510液压系统中的压力会随着活塞尺寸的不同而发生改变。（材料P810814）8451BRAKINGSYSTEMPRINCIPLESFRICTIONFRICTIONISDEFENDASARESISTANCETOMOTIONBETWEENTWOOBJECTSWHENTWOSURFACESRUBAGAINSTEACHOTHER,THEREISFRICTIONFIGURE451THEAMOUNTOFFRICTIONDEPENDSONTWOTHINGSTHEROUGHNESSOFTHESURFACESANDTHEAMOUNTOFPRESSUREBETWEENTHETWOSURFACESHEATENERGYWHENTHEREISFRICTION,KINETICENERGYENERGYINMOTIONISCONVERTEDTOTHERMALHEATENERGYTHEGREATERTHEAMOUNTOFKINETICENERGYTHATMUSTBEBROUGHTTOREST,THEGREATERTHEAMOUNTOFHEATPRODUCEDTHEENERGYOFMOTION,ORKINETICENERGY,DEPENDSONTHEWEIGHTOFTHEVEHICLEANDTHESPEEDOFTHEVEHICLEBRAKESMUSTALSOBEABLETOREMOVETHEHEATTHATISPRODUCEDFRICTIONANDBRAKINGSYSTEMSINANYBRAKINGSYSTEM,THEAMOUNTOFFRICTIONISCONTROLLEDBYTHEOPERATORBYVARYINGFRICTION,THEVEHICLECANBESTOPPED,ANDITSSPEEDCANBEMODIFIEDONCURVES,GRADES,ANDINDIFFERENTDRIVINGCONDITIONSCONTROLOFFRICTIONISOBTAINEDBYFORCINGASTATIONARYBRAKESHOEORPADAGAINSTAROTATINGDRUMORDISCASTHEDRIVERPRESSESHARDERONTHEBRAKEPEDAL,FRICTIONINCREASEASTHEWHEELISSLOWEDDOWNBYTHEBRAKEFRICTION,THETIREISALSOSLOWEDDOWNHOWEVER,FRICTIONISALSOPRODUCEDBETWEENTHETIREANDTHEROADTHEFRICTIONONTHE9BRAKESMUSTBEMATCHEDBYTHEFRICTIONOFTHETIRESANDTHEROADIFTHETIRESONTHEROADCANNOTPRODUCETHEFRICTIONS,THETIRESWILLLOCKUPANDSKIDACARSTOPSBETTERIFTHEWHEELSARENOTLOCKEDLOCKEDWHEELSCANPRODUCEDANGEROUSRESULTS,ESPECIALLYSINCETHEREISNODRIVERCONTROLOFTHEFRICTIONBETWEENTHETIRESANDTHEROADCOMPUTERCONTROLLEDBRAKESAREALSOBEINGUSEDTOCONTROLTHESLOWINGDOWNOFEACHWHEELWITHOUTSKIDDINGBASICOPERATIONOFDRUMBRAKESADRUMBRAKEASSEMBLYCONSISTSOFACASTDRUMTHATISBOLTEDTOANDROTATESWITHTHEWHEELINSIDETHEDRUM,THEREISABACKINGPLATETHATHASASETOFBRAKESHOESATTACHEDTOITOTHERCOMPONENTSAREALSOATTACHEDTOTHEBACKINGPLATE,INCLUDINGAHYDRAULICCYLINDERANDSEVERALSPRINGSANDLINKAGESTHEBRAKESHOESARELINEDWITHAFRICTIONALMATERIALTHEFRICTIONALMATERIALCONTACTSTHEINSIDEOFTHEDRUMWHENTHEBRAKESAREAPPLIEDFIGURE452WHENTHEBRAKESAREAPPLIED,THEBRAKESHOESAREFORCEDOUTANDPRODUCEFRICTIONAGAINSTTHEINSIDEOFTHEDRUMSHOEENERGIZATIONWHENTHEBRAKESAREAPPLIED,ITISIMPORTANTFORTHESHOETOBESELFENERGIZINGWHENTHEBRAKESHOEISENGAGED,THEFRICTIONALDRAGACTINGAROUNDTHESHOETENDSTOROTATETHESHOEABOUTITSPIVOTASSHOWNINFIGURE453WHENTHEDRUMROTATESINTHESAMEDIRECTION,THEFRICTIONALDRAGBETWEENTHETWOCAUSESTHESHOETOBECOMETIGHTERAGAINSTTHEINSIDEOFTHEDRUMTHISACTIONISCALLEDSELFENERGIZING10SERVOTYPEBRAKESASERVOISADEVICETHATCONVERTSARELATIVELYSMALLFORCEINTOALARGERFORCEINMOSTVEHICLESTODAY,SERVOBRAKESAREUSEDTOCAUSETHEBRAKESHOESTOMOVEOUTWARDFROMAHYDRAULICPRESSUREINSIDEACYLINDERTHEPRESSUREISPRODUCEDBYTHEOPERATORSFOOTTHEMOTIONISTHEOUTWARDPUSHOFTHEBRAKESHOESAGAINSTTHEDRUMPRIMARYANDSECONDARYSHOEOPERATIONINADRUMBRAKESYSTEM,THEREAREPRIMARYANDSECONDARYSHOESASSHOWNINFIGURE453WHENTHEBRAKESAREAPPLIED,THEPRIMARYSHOEREACTSFIRSTITHASAWEAKERRETURNSPRINGTHESHOELIFTSOFFTHEANCHORANDCONTACTSTHEDRUMSURFACEASTHESHOEBEGINSTOCONTACTTHEDRUM,THESHOEISENERGIZED,FORCINGITTOROTATEDEEPERINTOTHEDRUM,PRODUCINGINCREASEDFRICTIONDURINGTHISTIME,THEREISALSOACTIONONTHESECONDARYSHOEASTHEPRIMARYSHOEMOVES,ITTENDSTOPUSHORMOVETHESECONDARYSHOEATTHEBOTTOMTHISMOTIONFORCESTHESECONDARYSHOEINTHESAMEDIRECTIONASTHEDRUMNOTETHATTHESECONDARYSHOECANNOTMOVEUPWARDBECAUSEITISFORCEDAGAINSTTHEANCHORTHISCAUSESTHESECONDARYSHOETOALSOBEENERGIZEDTHESERVOBRAKESYSTEMACTSORBEHAVESASIFITWEREONECONTINUOUSSHOETHEACTUATINGFORCEFROMTHEHYDRAULICCYLINDERPUSHESONONLYONESHOEASMALLAMOUNTOFPRESSUREISUSUALLYPRODUCEDAGAINSTTHESECONDARYSHOEBYTHEHYDRAULICCYLINDERTHISFORCEISNOT,HOWEVER,USEDTOENERGIZETHEBRAKES,EXCEPTINAREVERSEDIRECTIONBASICOPETATIONOFDISCBRAKESMANYVEHICLESUSEDISCBRAKESALONGWITHDRUMBRAKESONMANYVEHICLES,DISCBRAKESARE11USEDONTHEREARWHEELSDISCBRAKESRESEMBLETHEBRAKESUSEDONATENSPEEDBICYCLETHEFRICTIONISPRODUCEDBYPADS,ASSHOWNINFIGURE454THESEPADSARESQUEEZEDORCLAMPEDAGAINSTAROTATINGDISCTHEDISC,ALSOCALLEDTHEROTOR,ISATTACHEDTOTHERIMANDTIRETHEROTORISMADEOFCASTIRONTHATISMACHINEDONBOTHSIDESTHEPADSAREATTACHEDTOMETALPLATESTHATAREACTUATEDBYPISTONSFROMTHEHYDRAULICSYSTEMCALIPEROPERATIONTHEPISTONSINADISCBRAKESYSTEMARECONTAINEDORHELDINPLACEBYTHECALIPERTHECALIPERDOESNOTROTATEBECAUSEITISATTACHEDTOTHEVEHICLESFRAMETHECALIPERISAHOUSINGTHATCONTAINSHYDRAULICPISTONSANDCYLINDERSITALSOCONTAINSSEALS,SPRINGS,ANDFLUIDPASSAGESTHATAREUSEDTOPRODUCETHEMOVEMENTOFTHEPISTONANDPADSTHEPADSACTPERPENDICULARTOTHEROTATIONOFTHEROTORFIGURE455THISISDIFFERENTFROMTHEDRUMBRAKESYSTEMDISCBRAKESARESAIDTOBENONSELFENERGIZEDTHISMEANSTHATTHEYREQUIREMOREFORCETOACHIEVETHESAMEBRAKINGEFFORTFORTHISREASON,DISCBRAKESAREUSUALLYUSEDWITHPOWERBRAKES12FIXEDCALIPERDESIGNTHEREARETWOTYPESOFCALIPERDESIGNSTHEFIXEDCALIPERANDTHEFLOATINGCALIPERTHEFIXEDCALIPERDESIGNHASTHECALIPERASSEMBLYATTACHEDDIRECTLYTOTHEFRAMEORSTEERINGCOMPONENTSEACHPADISACTUATEDBYAPISTONFIGURE456SHOWSTHEFIXEDCALIPERDESIGNFLOATINGCALIPERDESIGNINTHEFLOATINGCALIPERDESIGN,THEMAINHOUSINGOFTHECALIPERALLOWSITTOSLIDEINANDOUTASMALLAMOUNTONTHEMOUNTINGSTHEREISAPISTONONONLYONESIDETHEOTHERHASONLYAFRICTIONPADWHENTHEBRAKESAREAPPLIED,THEHYDRAULICPRESSUREWITHINTHECYLINDERPUSHESTHEPISTONINONEDIRECTIONTHEENTIRECALIPERHOUSINGISFREETOSLIDEINTHEOPPOSITEDIRECTIONASTHEPADSCONTACTTHEROTOR,THEFORCEOFTHEPISTONPADISMATCHEDBYANEQUALFORCEFROMTHEPADONTHEOTHERSIDEOFTHECALIPERFIGURE457SHOWSAFLOATINGCALIPERDESIGNFLUIDSFLUIDSPLAYANIMPORTANTPARTINBRAKINGSYSTEMSBRAKEFLUIDISUSEDTOTRANSFERTHEMOTION13OFTHEOPERATORSFOOTTOTHECYLINDERSANDPISTONSATEACHBRAKEFLUIDSCANNOTBECOMPRESSED,WHILEGASESARECOMPRESSIBLE,ASSHOWNINFIGURE458ANYAIRINTHEBRAKEHYDRAULICSYSTEMWILLCOMPRESSASTHEPRESSUREINCREASES,WHICHREDUCESTHEAMOUNTOFFORCETHATCANBETRANSMITTEDTHISISWHYITISVERYIMPORTANTTOKEEPALLAIROUTOFTHEHYDRAULICSYSTEMTODOTHIS,AIRMUSTBEREMOVEDFROMTHEBRAKESTHISPROCESSISCALLEDBLEEDINGTHEBRAKESYSTEMHYDRAULICPRINCIPLESTHEAUTOMOTIVEBRAKINGSYSTEMUSESHYDRAULICPR
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