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拖拉机盘式制动器的结构设计摘要我国是四大文明古国,也是世界上最大的农业国家之一。我国的种植业和农业之所以很繁盛发达,历史背景、土地和环境是一方面的原因,在其他方面的重要因由是机械在农村种植收获方面很大的普及率。全面的机械代替人们手工操作很大的提高了效率,谈到农业方向的机械,我们就会显而易见的想到拖拉机这种最普遍的农用机械车辆。在农村拖拉机可以说家喻户晓,它的投入使用极大的减轻了种植户的压力解放了农民的双手。当然拖拉机也可以用于建筑施工场所,但无论是在田间还是在工地,都离不开保证操作人员的安全以及操控人员精准的控制机器进行作业。制动器在上述过程中发挥了重要的作用,因此本次毕业设计我选择研究并设计拖拉机的制动器。拖拉机的速度可能不及乘用车那么快,但是在行进过程中车上的人员依然会因为某些偶然和事故使生命安全受到威胁。不仅如此,拖拉机在施工时需要操控人员精准控制,何时行进何时刹停都是很重要的,所以制动器是拖拉机设计制造等众多环节过程中最重要的零部件。因为是施工作业车辆,拖拉机的制动器和普通车较为不同,有鼓式制动器、带式制动器和圆盘状刹车盘的盘状制动器。前两者优点较少,因此本次设计选择盘式制动器。关键词:农业、拖拉机、盘式制动器。目录TOC\o"1-3"\h\u27405第一章绪论 241571.1课题研究的意义及目的 2138601.2国内外现状及发展趋势 232309第二章制动器的结构型式与选择 3189792.1带式制动器 3178342.1.1单端拉紧式(图a) 346212.1.2双端拉紧式(图b) 464442.1.3浮式制动器(图c) 48752.2蹄式制动器 5144732.2.1.蹄式制动器的类型

596182.2.2凸轮式制动器 7167612.2.3轮缸式制动器 7276912.3盘式制动器 7149952.3.1自动增力式盘式制动器(图4-8) 8181332.3.2液压压紧的全盘式制动器 8211952.3.3钳盘式制动器 859252.4盘式制动器的优点 925106第三章盘式制动器结构设计与计算 918673.1盘式制动器主要结构参数 9235053.1.1摩擦衬面的内、外半径R1和R2 9202523.1.2球槽倾斜角α 10108333.1.3摩擦面对数i 1088023.1.4每对摩擦面之间的间隙δ 10251673.1.5制动盘 1068053.1.6制动钳 10308013.1.7制动块 10162323.2后轮制动的轮式拖拉机制动力矩计算 10116333.3自动增力式盘式制动器的受力分析 11114833.3.1驱动力计算 12224613.3.2制动器的制动因数 1227283.3.3敏感度 1226553.4磨损性能计算 13266933.4.1单位压力p(MPa) 131056第四章制动操纵系统的结构与设计 13270944.1液压制动操纵系统的结构 13161454.1.1真空助力 14219474.1.2真空增压 1546944.2液压制动操纵系统的设计 15203974.2.1液压操纵系统的参数设计 1580374.2.2制动主缸设计 16136874.2.3踏板机构设计 1720033第五章制动器的性能计算 18293985.1制动器的效能 18308315.2制动器制动效能的稳定性 1833375.3制动器摩擦衬片的磨损特性 1883815.4同步附着系数 19第一章绪论1.1课题研究的意义及目的中国的农业历史悠久,在整个国民经济中农业占重要地位。自改革开放以来,中国的农业发展飞速,农民渐渐摆脱了贫困,解决了吃饱肚子的问题,过上了小康生活。之所以农业生产发展的如此迅速,少不了先进的科学技术和装备来改造传统的农业生产模式,降低了劳动强,提高了劳动生产力率,提高了单位面积产量,增加了农民收入。而拖拉机作为现代化农业生产中不可替代的动力机械,在农业生产中与相应的农具配合具有广泛的用途。开荒、深松耕作、整地、和联合式机械作业都少不了大型拖拉机;可以进行改造低产田、农田基本建设、及农村林、田、山、水路的工程建设和进行农业开发等。中型拖拉机既可以搞脱粒、排灌、农副产品加工等固定作业;又可以搞播种、施肥、喷雾、中耕、和收获等田间作业,还可以承担农村繁索沉重的农田运输和流通领域的运输任务。小型拖拉机适于家庭运输、农副业开发等。汽车工业的发展水平综合体现了一个国家的科学技术和工业发展水平。汽车工业以及以汽车为主的道路运输,包括农业运输,对国民经济的支柱作用越来越显得突出;是搞活农产品流通、服务于农业产业化、推动农业向商品化方向发展的重要因素。汽车在农业上的应用非常广泛,其中使用最多的是通用型货车,包括农用汽车、农用三轮车在内的农用运输车,在我国农村使用已经相当普遍。为提高农用汽车的综合利用性能,农用汽车上应装有动力输出等特殊设备,以适当承担某些农业生产任务。拖拉机制动系是用于使运动中的拖拉机减缓速度或停车,使处于下坡行驶中的拖拉机的车速保持稳定状态以及使已停的拖拉机在原地(包括在斜坡上)静止不动的机构,拖拉机制动系对拖拉机行驶的安全性和停车的可靠性具有直接影响。为了保证行车安全和停车可靠,对拖拉机制动系的工作可靠性有着较高的要求。也只有制动系工作可靠、制动性能良好的拖拉机,才能使其动力性能充分发挥。1.2国内外现状及发展趋势目前我国的农业机械化蓬勃发展,工业化进程加快,农业生产技术特别是生物技术飞速发展,农村劳动力大量转移以及农业生产体制变革等都不断地促进着我国农业机械化事业的发展。我国农村装备的总动力,拖拉机的保有量,与拖拉机配套的农机具、农用运输车、联合收获机等数量以及在耕地、播种和收获等作业的机械化水平,每年都在以很快的速度增长。国外发达国家在20世纪70年代前后就已实现了农业机械化,发展到现在已具有很高水平,但由于自然条件、土地和农业生产状况等不同,实现农业机械化的进程也不一样,如在以地多人少的美国为代表的国家是以发展大型农业机械为主,而以地少人多的日本为代表的国家则是以中、小型农业机械为主。尽管如此,他们实现农业机械化的过程基本相似,首先,农业机械化是伴随着工业化进程的加快而迅速发展起来的;其次,农业机械化都是随着农业生产规模不断扩大而发展起来的;此外,农业机械化能够确保丰产丰收,改善劳动条件等,也是农业机械化发展的重要因素。总结我国多年来农业机械化的发展,呈现出几个明显的发展趋势。

①农业机械化首先是从劳动强度大的农业作业开始的,如耕地、播种、排灌、收获、植保等作业的机械化水平较高,而农产品加工、蔬菜种植等方面的机械化水平则相对较低。

②农业机械化的发展是不平衡的,工业发达、经济条件好的地区的农业机械化水平明显高于经济欠发达地区;平原地区的农业机械化水平高于山区。

③我国幅员广阔,不但机具种类不同,其大小也不同,北方地区的农机具以大、中型为主,南方地区则以中、小型为主。

④随着农业机械化的不断发展,我国各地的科研单位、院校以及农机工作人员结合当地条件研制和生产出各种符合当地农业技术要求并具有我国自己特色的农机具,填补了我国在该领域空白,这些机具结构合理,操作容易,使用可靠,深受农民朋友欢迎。第二章制动器的结构型式与选择2.1带式制动器带式制动器主要被应用在履带拖拉机上,这是转向离合器的从动鼓恰好可用作制动器的制动鼓,例如采用带式,其结构十分简单。而轮式拖拉机很少采用带式制动器,因为带式制动器具有尺寸大,制动鼓受制动带包围,带上各部分磨损不均,散热情况不好的缺点。根据拉紧制动带的方式不同,带式制动器可分为三种:2.1.1单端拉紧式(图a)单端拉紧式制动器的一端固定,另一端相连操纵机构,鼓的旋转方向决定这一端是紧端还是松端。为了减少操纵力,设计时,应使踏板和前进时为松端的那一端相连;这时操纵力在鼓对带的摩擦力的帮助下将制动带拉紧。增力作用是利用摩擦力来加大操纵力的效果。单端拉紧式缺点为当拖拉机倒驶或在上升坡道上静止时,由于制动鼓转动方向改变,和踏板相连的一端变成紧端,操纵力为前进时的eμα倍。操纵力随鼓的旋转方向而变,如∝=4.8rad,μ=0.3时,2.1.2双端拉紧式(图b)操纵时同时拉紧两端,不管制动鼓的转动方向怎么变,操纵力P均等于(S1+S2)b/a。初看好像操纵力比单端拉紧式的任意一种情况都大。但是因为两端同时拉紧,为了消除鼓与带之间的同样同隙,在踏板行程相同的前提下,可以把力臂b取小一点。

因此,实际上它的操纵力虽比单端拉紧式拉紧S2端时大,但却比拉紧S1端时小。通常用于中小型履带拖拉机。2.1.3浮式制动器(图c)在这种结构下,杠杆2的支点随着鼓的旋转方向的改变而自动改变,使踏板拉动的一直是紧端,从而保证操作省力,但是结构较复杂。在经常需要倒驶的大型履带拖拉机上广泛应用。2.2蹄式制动器蹄式制动器具有增力作用强、结构尺寸小、散热条件好、防泥沙性能好和易调整等特点,在轮式拖拉机和手扶拖拉机上广泛应用。蹄式制动器的基本组成与工作原理如图9-22

2.2.1.蹄式制动器的类型

蹄式车轮制动器多为内张双蹄式,按张开装置的形式可分为液压轮缸式和凸轮式制动器。按制动时两蹄对制动鼓作用的径向力是否平衡,分为简单非平衡式、平衡式和自动增力式三种。简单非平衡式制动器。其工作原理如图9-29。两蹄支承点都位于蹄的一端,都与张开力作用点对称布置,两轮缸活塞直径相等。制动时轮缸活塞对两蹄施加大小相等方向相反的张力P1、P2,使两蹄分别绕各自的支承销转动,而压靠在制动鼓内圆表面上。制动鼓对两蹄作用的法向反力为N1和N2,摩擦力为T1和T2,假设这些反力作用在蹄片中央。当车轮逆时针旋转时,前蹄上所受的摩擦力T1与张开力P1对支承销产生的力矩方向相同,T1使前蹄与制动鼓压得更紧,使该蹄的制动力矩进一步增大,即具有“助势”作用,称为助势蹄或领蹄。与此相反,摩擦力T2有使后蹄离开制动鼓的趋势,从而使该蹄制动力矩减小,具有“减势”作用,称为减势蹄或从蹄。由此可见,虽然两蹄所受的张开力P1、P2相等,但两蹄对制动鼓作用的法向反力不平衡(N1>N2,T1>T2)。该制动器的结构简单,故称为简单非平衡式制动器。两蹄所受压力不等使摩擦片磨损不同,并对轮毂轴承造成附加载荷,影响其使用寿命。为弥补这一不足,有的前蹄摩擦片比后蹄摩擦片长;也有采用阶梯式轮缸,增大后蹄轮缸活塞的直径,以增大后蹄推力来均衡磨损。平衡式制动器。平衡式制动器是前、后蹄均为助势蹄,制动时两蹄对制动鼓的法向反力互相平衡的制动器。它又可分为单向助势平衡式和双向助势平衡式两种。只有在车辆前进制动时两蹄均为助势蹄的制动器,称为单向助势平衡式制动器,如图9-30所示。其结构特点是两制动蹄的活动端各有一个制动轮缸。前进制动时,两蹄都是助势蹄,倒车制动时,两蹄变为减势蹄。且前后两蹄对制动鼓的法向作用力互相平衡。该制动器的前进制动性能好,蹄片磨损趋于相等。为了保证倒车时的制动效能,-般只用于前轮制动器,后轮仍采用简单非平衡式制动器。

双向助势平衡式制动器是车辆在前进或倒车时均能得到相同和较高制动效能的制动器,如图9-31所示。其结构特点是在对称的两个轮缸内装入两个双向活塞,蹄的两端既是支承点又是张开力的作用点,支点和力点随制动鼓的旋转方向不同而相互转换。在前进或倒车制动时,两蹄均为助势蹄。这种制动器的结构复杂,蹄片磨损后调整不便。自动增力式制动器。制动时两蹄均产生助势作用,且前蹄的助势作用能加强后蹄的张开力,使总的摩擦力矩进一步增大,称为自动增力。自动增力式制动器也有单向和双向两种形式。2.2.2凸轮式制动器制动时,制动气室推动制动调整臂,从而使制动凸轮轴旋转,迫使两制动蹄的摩擦片压靠在制动鼓上。前蹄的助势作用使其离开制动凸轮,而后轮的减势使其与凸轮靠得更紧,其为非平衡式。凸轮式制动器被广泛应用在驻车制动器。2.2.3轮缸式制动器以液压制动轮缸作为制动蹄促进装置的制动器称为轮缸式制动器。液压轮缸式制动器有简单非平衡式、平衡式和自增力式,简单非平衡制动器有制动效能较低的缺点,但其有结构简单,制动较平顺的优点;自增力式制动器虽然制动力矩最大,但其构造较复杂,而且制动平顺性较差;平衡式制动器的性能位于二者之间,但其有两个对称的轮缸,宜布置双回路制动系统。2.3盘式制动器盘式制动器具有结构紧凑、易于密封、磨损均匀、制动器轴不承受径向力、制动效果不受转动方向影响等优点。在新设计的轮式拖拉机上采用盘式制动器的比较多。盘式制动器也有很多种,分述如下。2.3.1自动增力式盘式制动器(图4-8)盘式制动器应用范围很广,它具有的自动增力作用可以帮助减少操纵力。但增力作用的副作用是使制动不平顺。制动时,踏板下移,两压盘在两斜拉杆10的作用下相对转动,两压盘的凸肩13相互贴近,则13与壳体凸肩14之间的间隙变大。两压盘慢慢被钢球顶开,产生摩擦力矩。两压盘在摩擦力矩的作用下一起转动,直到壳体凸肩14(或调整螺栓9)顶住其中一个压盘1的凸肩13使其不能再转时,在摩擦力矩的作用下,另一压盘2进一步楔入钢球和摩擦片之间,使两压盘压得更紧。压紧力在压盘楔入时突然增长引起制动不平顺。通过增大压盘上球槽的倾斜角α来改善制动平顺性,13与14之间的间隙减小可以减少楔入时的冲击,同时改善制动平顺性。2.3.2液压压紧的全盘式制动器环形活塞压紧的湿式盘式制动器在国外很多大功率拖拉机应用广泛,它利用壳体作油缸体,但是油缸体上不能有砂眼,因此通常把后桥壳分成多段后连接起来,来满足庞大的后桥壳体的铸造质量的要求。在尺寸相同的后桥外壳中,采用环形活塞压紧,可使后桥壳体空间利用最大化,增加摩擦衬面直径,减少片数。由于活塞面积大,为了减少泄漏可采用较低油压。由于制动器无助力作用,操纵平顺性好。2.3.3钳盘式制动器两块带有摩擦衬块的制动块是钳盘式制动器的固定摩擦元件,后者装在以螺栓固定于转向节或桥壳上的制动钳体内,如图2-29所示。旋转元件是两块制动块之间装有的铸铁制的制动盘,用螺栓将制动盘固定在轮毂上。制动块的摩擦衬面面积很小,在盘上所占的中心角仅约为30°~50°,因此这种盘式制动器又称为点盘式制动器。其结构较简单,散热性能好,质量小,且在制动盘的离心力作用下,泥水、污物等易甩掉,方便维修。由于摩擦衬块的面积较小,制动时单位压力很高,摩擦面的温度较高,因此,对石棉衬面的要求也较高。2.4盘式制动器的优点(1)热稳定性较好。无摩擦增力作用;制动摩擦衬块面积小,故散热性能好(2)水稳定性较好。制动衬块对制动盘的单位压将沾附的水挤出,离心力将沾水甩掉,同时衬块对盘具有擦拭作用,制动器出水后很快能恢复正常。(3)制动稳定性好。在制动过程中制动力矩增长较缓和,能保证良好的制动稳定性。(4)制动力矩与汽车行驶状态无关。(5)在输出同样大小的制动力矩条件下,盘式制动器的结构尺寸和质量小(6)盘式制动器的摩擦衬块比鼓式制动器的摩擦衬片在磨损后更易更换,结构也较简单,维修、保养容易。因此,本设计选择盘式制动器。第三章盘式制动器结构设计与计算3.1盘式制动器主要结构参数3.1.1摩擦衬面的内、外半径R1和R2根据所需的制动力矩大小和安装的可能性来确定外半径R2,也可参考同类型拖拉机确定。内半径R1=(0.5~0.7)R2。本课题取R1=388mm,R2=646.5mm。3.1.2球槽倾斜角α球槽倾斜角α的选择对自动增力式盘式制动器制动性能有很大影响。在制动器的摩擦材料和摩擦衬面对数确定后,α越小,制动因数Kr越大,操纵越省力。但抗热衰退性和制动平顺性均变差。研究表明,当Kr>3~4时,制动明显不平顺。本课题取α=33.5°。3.1.3摩擦面对数i摩擦面对数i主要根据所需的制动力矩大小选取,但与结构类型有关。本课题取i=4。3.1.4每对摩擦面之间的间隙δ干式一般δ=0.3~0.4mm;湿式δ=0.1~0.2mm。3.1.5制动盘采用珠光体灰铸铁制成,带有通风槽的制动盘厚度一般在20mm-22.5mm之间;而不带通风槽的制动盘厚度一般在10mm-13mm之间。3.1.6制动钳采用可锻铸铁KTH370-12制造,要求制动钳体有足够高的强度和高度。为避免轮胎泥、水甩入制动钳,将其装在车轴前。3.1.7制动块背板和摩擦衬块直接牢固地压嵌或粘接或铆接在一起构成制动块。制动块背板由钢板制成。摩擦衬块设计足够的厚度来预防磨损。设计警报装置以便摩擦衬块磨损达到极限时能及时更换摩擦衬块。3.2后轮制动的轮式拖拉机制动力矩计算1)对于后轮制动的轮式拖拉机在行驶过程中制动器的制动力矩M,(N.mm)为(忽略不计滚动阻力、旋转部分的惯性力矩和传动效率)Mr=Φmmg:拖拉机使用质量2160kgg:重力加速度,取9.8m/s;

rdq:驱动轮动力半径为607.71mm;

i:制动器和驱动轮之间的传动比5.8;

ϕ:附着系数,一般取0.7;

L:拖拉机轴距1850mm;

a:拖拉机质心纵向坐标753.5mmh:拖拉机质心高度坐标643.11mm;可以求得Mr2)在斜坡上停车时,制动器制动力矩M式中GS:f:滚动摩擦阻力系数0.02;α:坡度角取20°。可以求得Mr综上,制动力矩取在平直路面上的。3.3自动增力式盘式制动器的受力分析图7.3-10为两压盘的受力简图。制动时两压盘通过两斜拉杆在压盘上的力F1、F2的作用向相反方向转动,钢球慢慢将两压盘顶开,紧靠摩擦片,产生摩擦力矩。在摩擦力矩的作用下,一个压盘2的凸肩由于接触壳体凸肩而停止转动,另一个压盘1继续转动,使钢球滚向球槽浅处,这时摩擦片被产生的更大的压紧力Q压紧,即自动增力。3.3.1驱动力计算两斜杆的拉力F1,F2可近似的认为相等,由图7·3-10b可得(忽略回位弹簧拉力)则F式中Rf:拉力F1和F2距轴线O的距离Rq:钢球至轴线0的距离474;

α:球槽倾斜角33.5°μ:摩擦系数0.2;Rm:切向摩擦力总和的作用半径R可以求得F1自动增力式盘式制动器的驱动力是指拉力F1和F2的平均值。不发生自刹的条件如果Rqtgα<μRm自动增力式盘式制动器的驱动力是指拉力F1和F2的平均值。3.3.2制动器的制动因数K可求得K3.3.3敏感度ε可求得ε3.4磨损性能计算3.4.1单位压力p(MPa)Q=p可分别求得Q第四章制动操纵系统的结构与设计4.1液压制动操纵系统的结构液压制动是指由液压驱动车轮制动器的轮缸,其中真空助力和真空增压较为常见。目前液压制动的管路系统各国都采用分立的管路系统,即全车所有的行车制动器的管路分成两个或两个以上互相独立的回路,应用最为广泛的为双回路,其布置形式较常见的有五种分配形式(见图7-24)。①前轴对后轴型的管路布置最简单方便,成本较低,目前被广泛地应用在各类汽车尤其是货车上。但使用时应考虑当任一回路失效时,另一回路应能满足应急制动效能。②交叉型管路布置结构简单。当任一回路失效时,剩余的总制动力都能保持正常值的一半,且前后制动力分配不变。但任一回路失效所形成的后轴单轮制动不利于转弯制动,只有外后轮制动时将导致不足转向,仅内后轮制动时,将导致过度转向。这种布置形式只能在特殊的条件下使用,即必须是在前轮主销偏移距为负值的汽车上,才能保证制动时处于稳定状态,所以多用于中、小型轿车。③一轴半对半轴型,在只有一轴半回路时剩余制动力较大,此时紧急制动后轮很容易抱死。只有半轴回路制动时,其制动效果较差。④半轴一轮对半轴一轮型,在任一回路失效时,前后制动力比不变,剩余总制动力还可达到正常值的一半以上。但它处于不稳定的工况下,因此采用很少。⑤双半轴对双半轴型,若失效一套管路时,四个车轮仍能全部实施制动,其制动效果最好。只要适当增加踏板力,仍与管路完好时制动距离没有明显差别。但是其结构较复杂,成本较高,因此只在极少数高级轿车上采用,如红旗CA770轿车和吉尔114轿车等。4.1.1真空助力真空助力液压制动系如图7-26,其主要部件真空助力器主要有双膜片和单膜片两种形式。图7-27为单膜片真空助力器。真空助力器有结构简单、可靠的优点,工作时真空装置是干燥的,不会结冰。但是也有助力较小,外型尺寸较大的缺点。4.1.2真空增压图7-28所示真空增压液压制动系,如图7-29为其主要部件真空增压器的原理示意图。制动主缸的液压为P1,通向制动轮缸的液压为P2。制动踏板放松时,大气阀门关闭,此时P1=P2,制动踏板踩下时,大气阀门开启,膜片左右压差使P2>P1。真空增压器的优点是制动踏板可直接与制动主缸相连,有利于驾驶室内的空间布置。缺点是前后液压回路中需各装一个真空增压器,液压管路连接复杂,且成本较高。4.2液压制动操纵系统的设计4.2.1液压操纵系统的参数设计1)轮缸直径的确定。确定了所需的制动力矩和对制动器制动衬块施加的张力P,进而可以求出轮缸的直径(mm)。d=制动液的压力p为7MPa,轮缸工作效率率取0.95可求得d=制动主缸直径d0的确定。汽车全制动时,制动系统所需的最少制动液量:V主缸的工作容积:V主缸活塞直径d0和活塞有效行程S0满足:V以上三式中d1,n1,δ1l是制动软管总长度;ak综上:d0踏板力和踏板行程的计算踏板力:F式中ip:踏板机构传动比p:制动液的压力;η0:是制动主缸效率取0.95,主缸内壁和橡胶件间的摩擦以及主缸活塞回位弹簧的阻力造成制动主缸的输出损失ηc:是踏板杆系的机械效率,取决于杠系需要的铰链点数,如果在踩踏板和主缸输人间是一根杠杆两个铰链点,效率值可取为0.85-制动踏板最大行程(mm)为:S式中Sp:油塞的有效行程δ01:总泵柱塞与推杆或调整螺钉间的间隙为1.5mmδ02:总泵柱塞空行程综上:FSp4.2.2制动主缸设计1)主缸壳体。为保证足够的耐压强度,主缸壳体表面不能有疏松和裂纹,一般壳体在20MPa以内不应有任何泄漏。壳体材料通常选择有灰铸件HT250。本设计整备质量为1060kg,故采用紧凑型主缸。为保证密封性能良好,壳体内孔表面粗糙度选用0.2μ。为保证主缸里内废气的排出,设计主缸总成布置时,缸体中心线与水平线要有夹角,使放气螺钉处在主缸最高处,如图7-31。

2)活塞及其他部件。由于缸体材料为铸铁,故活塞采用铝合金棒材铸铝,面氧化铝膜处理。活塞的配合直径名义尺寸与缸孔相同,配合间隙一般在0.04~0.10mm范围。制动主缸的防尘罩设计留通气孔。防止防尘罩里的气体受压进人主缸补腔。支承座边缘与皮碗留有间隙;橡胶密封件皮碗和皮圈采用SBR橡胶;弹簧紧力选择40-120N。4.2.3踏板机构设计1)踏板机构的要求和结构形式。制动踏板通过杠杆传递驾驶员脚

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