SL1045厢式轻型卡车制动器设计

图1.1所示图1.SEQ图1.\*ARABIC1技术路线图第2章制动器结构类型与制动方案确定2.1盘式制动器原理及特点盘式制动器分为定钳式和浮动钳盘式制动器，定钳式制动器出现较早，可以较为方便地替代鼓式制动器，但是定钳式盘式制动器自身的结构问题，目前已基本不再使用，浮钳盘式制动器是目前盘式制动器的主要结构类型，见图2.1和图2.2。图2.1浮钳盘式制动器图2.2浮钳盘式制动器结构图浮钳盘式制动器的工作过程:踩下制动踏板，液压作用于制动轮缸时，制动轮缸内活塞移动，把制动钳内侧制动衬块压向制动盘，同时，制动轮缸内也受到同样的液压，则把制动钳体远离制动盘方向，使外侧的制动衬块压向制动盘，产生制动力，迫使制动盘停止转动。放松制动踏板，制动轮缸内的液压消失，使原来被推压在活塞上而产生形变的橡胶圈恢复原状，在橡胶圈作用下，把活塞推回原位，使制动衬块与制动盘之间保持原有的间隙。盘式制动器和鼓式制动器相比，具有结构复杂，造价高等缺点，但是盘式制动器的优点也是显著的，和鼓式制动器相比具有以下优点:(1)制动盘暴露于空气中，散热能力好，可以将制动热迅速的扩散到周围空气中，制动过程中的温升低，制动效果好；(2)制动摩擦面浸水后制动效能降低小，仅需几次制动就可以恢复正常的制动效能；(3)制动的平顺性好，制动过程比鼓式制动器柔和，同时制动效能受摩擦系数影响较小；(4)制动盘沿厚度方向热膨胀量小，便于装设自动间隙调整装置；(5)维修保养方便，制动衬块拆卸方便。盘式制动器的缺点是:(1)盘式制动器制动时无自增力助势效果，制动过程中制动管路的液压压力在10MPa左右，远高于鼓式制动器对制动管路压力的要求；(2)盘式制动器活塞的在制动结束后制动摩擦片的回位能力差，同时制动器间隙又较小，所以在制动结束后液压系统中不能留有残余压力；(3)盘式制动器为开放式结构，制动元件防污性能差，制动衬块摩擦面积小，磨损较快；(4)盘式制动器兼用于驻车制动器使用时，需要加装的驻车制动传动装置，较鼓式制动器复杂，因而在后轮上的应用受到限制；(5)盘式制动器制造成本较高，同时对制动管路的要求较高，制动衬块的耗损量较大，存在制造成本和使用成本较高。2.2鼓式制动器原理及特点鼓式制动器主要由制动鼓、制动蹄片、制动轮缸、制动管路等组成，见图2.3。鼓式制动器的旋转元件是制动鼓，通过螺栓等固定在车轮的轮毂上，鼓式制动器的制动元件是制动蹄，制动时制动蹄在驱动装置的作用下向外移动，制动蹄的外表面的摩擦衬片压紧到制动鼓的内圆柱面上，对制动鼓产生制动摩擦力矩，通常鼓式制动器多为内张双蹄式结构。鼓式制动器的分类方式很多，按照制动过程中，制动蹄张开放式不同，可以分为液压轮缸张开式制动器和凸轮张开式制动器；按照制动时两制动蹄对制动鼓作用的径向力是否平衡，可以分为简单非平衡式制动器、平衡式制动器和自增力式制动器，分别见图2.3到图2.7所示。图2.3鼓式制动器图2.4简单非平衡式制动器图2.5非平衡式制动器工作原理图2.6平衡式制动器图2.7自增力式制动器鼓式制动器在经济型商用车中得到广泛应用，具有以下优点:(1)

鼓式制动器能够提供较大制动力矩，其中自增力式制动器制动时具备明显助势效果。同等外形尺寸下，其制动能力优于盘式制动器，广泛应用于重型及重载车辆。同时领蹄可依靠摩擦衬片与制动鼓内壁的摩擦力实现辅助压紧，有效降低制动系统所需工作压力。(2)鼓式制动器结构简单，制造成本低，后期的维护检修成本较低，同时便于和驻车制动器集成装配，因此在车辆后轮制动系统中应用十分普遍。(3)鼓式制动器为封闭结构，密封性好，可以有效的隔绝外界灰尘和水。鼓式制动器的制动鼓将制动蹄封闭在其中，在泥泞、雨雪等恶劣工况下可靠性高。(4)鼓式制动器的摩擦衬片寿命长。鼓式制动器的主动摩擦片为弧形，和制动鼓的接触面积较大，单位面积承受载荷更小，制动蹄的磨损较小，有效的延长了制动摩擦片的使用时间。鼓式制动器的缺点如下:(1)鼓式制动器的封闭结构，导致制动元件和外界的热交换效率低，制动力热衰退明显。鼓式制动器将制动元件封闭在制动鼓内，制动产生的热量扩散到周围空气中的速度较慢，尤其是在连续长下坡和频繁制动时，制动鼓的温升高，制动鼓受热膨胀导致直径变大，因此存在制动过程中制动踏板行程增加，制动力明显下降。(2)鼓式制动器制动响应慢，鼓式制动器的制动动力传输路线较长，在高速紧急制动时的响应速度和灵敏度步入盘式制动器。(3)鼓式制动器维护保养麻烦。在为鼓式制动器进行检查和更换制动蹄片时，需要拆下整个制动器，同时由于制动磨损产生的制动间隙需要人工或者专用机构调整，并且涉水行驶后侵入制动器的水分不易排出，造成鼓式制动器制动效能下降。(3)鼓式制动器在低温环境和涉水行驶后，制动效能下降严重，影响车辆行驶安全。

2.3制动方案的确定制动驱动机构是制动方案的一部分，制动驱动机构按照驱动介质不同，分为液压和气压驱动。乘用车通常是在制动踏板后方安装制动液压主缸和真空助力装置，将踏板制动力转换为液压能，驱动制动器工作；气压制动多用于载货汽车和大型载客汽车。SL1045厢式轻型货车制动驱动机构，一般为断气刹，制动管路为双管路制动系统，制动器配置为前后均为通风盘式、浮钳盘式盘式制动器。

第3章制动器结构设计3.1整车参数整车参数是制动系统设计的原始数据，在设计任务书中给出了整车性能参数，见表3.1。表3.1整车参数项目名称参数驱动形式4×2后驱车身结构非承载式车身满载质量(kg)4495前轴载荷(kg)1950后轴载荷(kg)2545满载质心位置(mm)高()900mm，距离前轴()1868mm，距离后轴()1432mm轴距(mm)3300mm()轮距(mm)前轮距1726mm，后轮距1640mm最高车速(km/h)95车轮滚动半径(mm)376(7.00R16LT8PR)主减速比4.66最大功率转速(r/min)3000(400Nm)最大爬坡度25%(14.04°)轮辋尺寸R16(406.4mm)3.2制动力分配原则在行车过程中，遇到紧急情况或者连续下长坡时，需要进行制动操作，根据行驶工况和制动工况，制动过程一般为以下三种情况:(1)紧急制动时，此时发生了危急行车安全或者行人安全的情况，驾驶人踩死制动踏板，制动压力升至最大值，制动衬块抱死制动盘，迫使前轮处于地面拖滑状态，然后后轮抱死，使车辆快速停车。(2)紧急制动时，驾驶人踩死制动踏板，制动大达到最大，制动衬块抱死制动盘，迫使后轮处于地面拖滑状态，然后前轮抱死，使车辆快速停车。(3)紧急制动时，驾驶人踩死制动踏板，制动大达到最大，制动衬块抱死制动盘，迫使前、后轮同时抱死，处于地面拖滑状态，使车辆快速停车。最理想的制动状态为第三种，本设计按第三种情况展开设计计算。3.3同步附着系数和制动力分配同步附着系数按照制动的第三种情况进行选取，见式(3-1)—式(3-3)，制动力分配曲线见图3.1，受力分析图见图3.2。图3.1制动力分配曲线图3.2受力分析图 (3-1) (3-2) (3-3)式中；；；。 (3-5) (3-6)将式(3-5)和式(3-6)代入式(3-3)变形后可得: (3-7)式中；；；。现代汽车中，通常前后制动器的制动力的比值为固定值，前制动力与总制动力的比值被称为制动力分配系数，用表示，见式(3-8)。 (3-8)式中。将各式变形后可得式(3-9): (3-9)假设是一条通过坐标原点的直线，则直线的斜率为式(3-10)。 (3-10)SL1045厢式轻型货车行驶工况多为城市道路或者高速公路，路况质量较好，同步附着系数可取值大一些()，本设计取值，计算如下:也就是:可以计算出:；将式(3-8)变形可得式(3-11): (3-11)假设式(3.11)是图3-1中一条通过坐标原点的直线，被称为前、后轮制动力分配曲线，也就是线。图3-1中线和I线的交叉点的附着系数被称为同步附着系数，见式(3.12)。 (3-12)计算后可得同步附着系数为:相关文献中给出了车辆在空载和满载情况下的同步附着系数应符合轻型客车和轻型货车应符合，同步附着系数满足要求。3.4制动器受力分析与力矩计算3.4.1制动受力分析(1)后轮接地点力矩计算见式(3-13)。 (3-13)式中；；；。q(2)前轮接地点力矩计算见式(3-14)。 (3-14)前、后轮上的力矩平衡方程为:式中。一般认为，且，则有式(3-15)。 (3-15)也就是制动器的制动力由制动器的结构决定，并且和制动时的踏板力成正比，最大地面制动力见式(3-16)。 (3-16)3.4.2制动力矩(1)盘式制动器制动力矩计算见图3-3。计算时设定摩擦衬块的摩擦面和制动盘接触面完全接触，并且个接触部位单位压力一致，制动力矩计算见式(3-17)。 (3-17)式中；；；。图3.3计算简图在前左、右转向轮均设置有相同的盘式制动器，则制动衬块单侧的压紧力计算见式(3-18)。 (3-18)有效半径计算见式(3-19)。 (3-19)数据带入后计算如下:3.5制动器效能因数假设在制动过程中，两侧的衬块施加在制动盘式上的压紧力是相同的，制动效能见式(3-20)。 (3-20)式中；；；；。取值，。

第4章盘式制动器结构设计4.1制动盘结构设计和参数计算4.1.1制动盘直径制动盘主要由轮毂和制动工作面组成，制动盘的内孔安装轴承，起到回转中心的作用，制动盘的两侧面式中制动时的工作面，因此对制动盘表面的加工质量有着一定的质量要求。制动盘由灰铸铁铸造成产，具有良好的耐磨性、抗压强度和结构稳定性。SL1045厢式轻型货车制动盘选用分离式毂结构设计。制动盘通常由铸铁或者可锻铸铁加工而成，为了提高制动效能，制动盘的直径D在结构尺寸允许的情况下，可以取得大一些，有效地降低制动钳的压紧力，降低制动过程中的温升。制动盘的结构尺寸主要决定于轮辋的直径，通常取值为轮辋直径的(70-80)%[2]。SL1045厢式轻型货车配备的是7.00R16LTP8PR斜交轮胎，轮辋直径为406.4mm，见式(4-1)。 (4-1)式中；。市场调查后可知，同级别的载货车盘式制动器制动盘外径为340mm，结合计算结果，SL1045厢式轻型货车制动盘直径取值为，材料为QT450-12。4.1.2制动盘厚度制动盘的厚度决定了制动盘的结构强度和结构刚度，也决定了制动器的热容量。从结构角度考虑，制动盘的厚度应大一些，制动过程的温升也会低一些；从轻量化角度考虑，制动盘的厚度有不易取得过大，过大会影响车轮的非簧载质量。制动盘可以是实心盘结构，也可以在制动盘的径向铸造通风孔道，提高散热效果。通常实心制动盘的厚度取值在之间；通风盘式制动盘厚度取值在之间，常用的取值在。在结构允许的情况下，尽量选用通风盘式结构，可以降低制动盘在制动过程中的温升。为了有效的散热，本设计选用通风盘式结构，在制动盘的两侧开有两个冷却通风孔道，提高制动盘的散热能力，SL1045厢式轻型货车制动盘厚度h取22mm。4.1.3制动盘安装制动盘通过螺钉紧固安装在轮毂上，和车轮组成一个运动整体，随着车轮一起转动。制动盘和摩擦衬块之间的间隙通常很小，在之间，常用的是0.2mm。4.1.4制动盘维修满足设计要求的制动盘需要在制动器的使用寿命周期内保持制动盘的各项尺寸公差和形位公差，从而保证良好的制动效能。在正常使用期间，制动盘的尺寸精度一般不会发生变化，但是如果经常粗暴驾驶、粗暴制动或者在维修过程中造成制动盘变形甚至损坏，这就需要对制动盘进行维修或者更换。在车辆进行维修保养或者更换制动衬块时，需要对制动盘进行检修，使用专用的测量工具检查制动盘的厚度、平行度、平面度和轴向跳动量。4.2制动块结构设计与摩擦材料选型4.2.1内半径和外半径制动摩擦衬块是制动器工作中的摩擦材料，在主动轮缸的作用下，将制动衬块压向制动盘，产生制动力。摩擦衬块的外半径和内半径的比值不大于1.5，比值过大就会造成制动衬块磨损不均，造成制动力矩波动较大。盘式制动器制动衬块的工作面积的取值范围为。在制动过程中摩擦衬块和制动盘之间存在滑动摩擦，因此制动衬块的磨损是比较严重的，需要定期检查摩擦衬块的厚度，并及时更换。在现代汽车中，会在制动衬块中设置电子报警装置，当制动衬块磨损到工作极限时，会接通报警电路，提醒驾驶人及时更换摩擦衬块。SL1045厢式轻型货车制动器的摩擦衬块外半径为，内半径，制动衬块厚度初始值为10mm。4.2.2摩擦衬块工作面积设计过程中取摩擦衬块的夹角，摩擦衬块的工作面积计算见式(4-2)(4-2)取值。4.2.3制动块背板制动块背板在制动过程中频繁的承担拉应力和压应力，因此需要选用力学性能好的优质钢材制造，本设计选用Q235，背板厚度为10mm。4.2.4摩擦材料制动衬块的摩擦材料应具有高且稳定的摩擦系数，在制动过程中随着温度上升热衰退较小，并且热稳定性好；摩擦材料耐磨性好，与水的亲和度低，具有较高的耐挤压和耐冲击性能；制动过程中噪声小且无异味。摩擦材料通常由各种物质经过混合后加入添加剂成型。摩擦材料的摩擦系数在(0.3-0.5)之间，少数可达0.7，根据GB5763-2018《汽车用制动衬片》的规定，轻型货车制动衬片在常温及常规工况下，推荐值取值范围为(0.3-0.35)，根据制动系统安全冗余度的设计原则，考虑到了制动过程中的热衰退、湿态工况和制动器磨损后的制动性能衰减，本设计取值0.3，确保可以满足各种极端条件下满足全寿命周期内制动力满足法规和安全性能要求。4.3制动钳结构设计制动钳按照结构分可以分为浮动式制动钳和固定式制动钳。浮动式制动钳是目前的主流配置方式，其结构特点是在制动钳体内单侧布置制动活塞，驱动钳体沿着滑动导向销轴向滑动，位于制动钳内侧的制动衬块压紧到制动盘，然后反推钳体，带动外侧制动衬块同步压紧制动盘，具有结构简单、成本低、重量情、散热好、易维护等优点，多用于乘用车和轻型卡车，HJQF货物运输车制动器选用浮动式制动钳。制动钳在制动过程中受力状况比较复杂，因此需要具有良好的结构强度和刚度，铸铁的结构强度和刚度较好，在工作过程中几乎不会发生塑性变形，通常制动钳选用可锻铸铁或者球墨铸铁铸造而成，常用的材料牌号有和，本设计选用，具有同时具有良好的散热效果。制动轮缸直接在钳体中加工，缸径φ56mm，制动活塞为铝合金结构，直径φ56mm，顶部带防尘罩和密封环槽，钳体的结构设计见二维图。4.4制动力矩校核4.4.1行驶中制动行车过程中制动力矩计算见式(4-3)。 (4-3)式中；；；；；；。将数据代入式(4-3)计算可得:4.4.2坡道驻车时坡道驻车时制动力矩计算见式(4-4)。 (4-4)式中；。将数据代入式(4-4)计算可得:4.5制动间隙和自动间隙调整机构在盘式制动器制造完毕后，制动盘应能自由转动，不和制动衬块发生运动干涉，盘式制动器的初始制动间隙为(0.1-0.3)mm，本设计取值0.2mm。盘式制动器在使用过程中，制动衬块不可避免的要被磨损而尺寸变小，为了方便车辆的维修保养，同时保证制动效能，在制动系统中需要加设制动器间隙制动调整装置。本设计在制轮缸和活塞之间加装一个弹性装置，可以自动复位和具备间隙制动调整功能。4.6制动器比能量耗散率摩擦衬块在制动过程中，磨损因素主要是摩擦副表面的温度和摩擦力。制动器的能量负荷以单位摩擦面积在单位时间内消耗的制动能量计算，被称为比能量耗散率，后驱车辆单个前轮制动器的比能量耗散率计算见式(4-5)和式(4-6)。 (4-5) (4-6)式中；；；；；；。则有式(4-7)。 (4-7)前文计算了摩擦衬块的摩擦面积为369cm2，按实际进行校核。制动时间计算如下:满载情况下，汽车进行紧急制动时的比能量耗散率计算过程为，将以上已知数据代入式(4-5)计算可得:通常通风盘式制动器允许的比能量耗散率为(0.25-0.5)W/mm2，故满足。4.7磨损计算压紧力计算见式(4-8)。 (4-8)单位压紧力见式(4-9)。 (4-9)单位磨滑功计算见式(4-10)。 (4-10)式中。线速度。 (4-11)式中；。数据代入后计算可得:计算可得:以上校核通过。4.8制动器热容量和温升汽车的制动器的热容量和温升应满足式(4-12)。 (4-12)式中；；；；；。将数据代入式(4-12)计算可得:汽车满载制动时，制动过程短，假设制动热全部被制动器吸收，并按照前、后轴制动力的分配比率进行划分，见式(4-13)和式(4-14)。 (4-13) (4-14)式中；；将数据代入式(4-13)计算可得:计算结果表明303660J>233185J，符合设计要求。

第5章制动驱动机构结构设计5.1制动驱动机构类型及选型制动驱动机构的分类方式很多，但通常制动所需的动力源和传动方式，可以分为以下三类:1.简单制动，也被称为人力制动，在制动过程中需要有驾驶人通过脚踩动制动踏板或者用手操作制动手柄进行制动，简单制动又分为机械式和液压式两种。机械式是通过一系列的杆件或者钢索进行动力传递，具有结构简单，成本低和动作可靠等特点，目前常被用于驻车制动，在行车制动中已经不再使用；液压式是通过驾驶人在行车过程中，用脚踩动制动踏板，驱动液压主缸将制动力转换为液压驱动力，经过液压管路传输到制动轮缸进行制动，具有响应速度快(0.1-0.3s)、制动压力高(10-20)MPa，多用于轻型车和家用轿车。2.伺服制动，也被成为助力制动，是目前主流的配置方式。在制动过程中由驾驶人操作制动踏板、在助力源的协助下共同驱动。在轻型卡车和家用轿车中，多用这类驱动方式，具有结构紧凑、成本低等优势，真空源来源于发动机运转时产生的真空。伺服制动中压缩空气助力制动多用于中重型货车，液压伺服制动多用于高端或者重载车型。3.动力制动，也被成为完全动力驱动，在行车过程中，驾驶人仅操作阀门即可完成制动操作，制动力全部来源于发动机动力，可以分为气压制动、液压制动，是重卡和大客车的标配。目前总质量在(1.8~6.5)t的轻型货车制动系统多采用真空助力的液压制动方式，主要由制动踏板、真空助力器、主动主缸、液压管路、制动轮缸等组成，助力源多为发动机进气歧管产生的真空、制定液压管路为双管路系统、制动器为前后盘式制动器，见图5.1。SL1045厢式轻型货车制动驱动装置选用真空助力的伺服制动系统，由驾驶人踩动制动踏板，在真空助力器作用下，驱动制动主缸将制动踏板力转换为液压驱动轮驱动制动轮缸动作，完成制动。图5.1制动驱动机构简图5.2制动踏板力在制动过程中，驾驶人踩动制动踏板，通过制动主缸和真空助力器，转换为制动管路中的液压能，驱动制动轮缸工作。制动踏板力计算见式(5-1)。 (5-1)式中；；；；。将数据代入后计算可得:计算结果表明，制动踏板力在(212-372)N之间，根据GB7258-2017规定，轻型货车的制动踏板力≤500N，故满足。5.3制动踏板行程制动过程中，制动踏板的工作行程计算见式(5-2): (5-2)式中；；；。将数据代入后计算可得:计算结果表明，制动踏板行程(120.8-211.4)mm之间，根据GB7258-2017规定，制动踏板行程不大于(150-200)mm，故满足。

第6章总结本课题以SL1045厢式轻型载货卡车为研究对象，并对SL1045厢式轻型货车的运行工况和载货情况，根据汽车制动器的发展趋势，确定前、通风盘式浮钳盘式盘式制动器，并完成在制动中起到主要制动作用的前轮盘式制动器的结构设计。整体设计过程中，取得的主要研究成果如下：（1）在分析和对比盘式制动器和鼓式制动器制动效能、成本等的基础上，根据制动器发展的技术趋势，SL1045厢式轻型载货卡车制动器结构为前、后轮制动器均为浮钳式通风盘式制动器，此方案在兼顾制动效能、制动相应速度和制动力热衰退的基础上，同时考虑到车辆的运行工况和后期的维修保养成本，和SL1045厢式轻型载货卡车的运行工况是匹配的。（2）根据汽车制动系统设计的相关基础知识，完成整车制动过程中前后轮制动力的分配，并计算了制动力分配系数和同步附着系数，确保制动力在许可的范围户内，以满足GB7258-2017对于制动力和制动距离的要去，并计算完成和制动相关的数据计算和校核，为盘式制动器的结构设计做好基础数据准备。（3）根据计算数据完成在制动中起到主要制动作用的、前轮配置的浮钳盘式、通风盘是结构的盘式制动器结构设计，完成了制动盘、制动卡钳和制动摩擦衬块的结构设计和参数计算，并对摩擦材料的选用进行选取和优化，应满足前后盘式制动器的结构设计满足相关国标标准和行业标准的要求。（4）制动器结构设计完成后，完成制动效能相关的校核，包括制动器的比能量耗散率、磨损计算、制动器热容量和温升计算和校核，以及制动踏板力和制动踏板距离的计算和和校核确保在GB7258-2017许可的范围之内，并能满足整车对于制动性能的要求。本设计完成的制动器散热性能好、制动响应快、使用可靠且便于维护，各项指标均能够满足轻型货车实际使用工况，可为同类车型制动系统设计提供参考。但仍存在诸多不足之处，例如参数选取仅依托理论数值，和实际量产使用的制动器存在差距，且未进行仿真验证，在实车上的制动效果有待考量。经过本次毕业设计，我基本熟练掌握了盘式制动器完整的设计流程与相关计算方式。针对本次设计暴露出的各类问题，在今后我会深入钻研汽车设计相关专业知识，不断夯实专业基础，在日常学习与工作中持续提升个人专