【《汽车浮动钳盘式制动器系统设计》9100字（论文）】

汽车浮动钳盘式制动器系统设计目录摘要： 3关键词： 31绪言 41.1研究的目的和意义 41.2国内外发展状况 41.2.1国外发展状况： 41.2.2国内发展状况： 41.3制动系统的简介与类型选择 51.3.1制动系统简介 51.3.2制动系统的分类 51.4设计要求 61.5设计任务 62制动器结构方案的选择与确定 72.1鼓式制动器介绍 72.2盘式制动器介绍 82.3制动器结构最终方案 83制动器设计 93.1整车参数 93.2盘式制动器主要参数的确定 93.2.1制动盘直径D 93.2.2制动盘厚度h 93.2.3摩擦衬块内半径与外半径 93.2.4摩擦衬块工作面积A 93.2.5摩擦衬块的设计计算 104制动器主要零件结构的设计 114.1制动盘 114.2制动卡钳 114.3制动块 114.4摩擦材料 114.5制动器间隙调整方法及相应机构 125制动系的主要参数选择和计算 125.1制动力和制动分配系数 125.2制动强度和同步附着系数 135.3制动器最大制动力矩 135.4制动器因数 145.5摩擦衬块磨损特性的计算 155.5.1比能量耗散率 155.5.2比摩擦力 166液压驱动机构的结构形式选择及设计计算 166.1制动驱动机构的结构形式选择 166.2制动管路多回路系统 176.1制动驱动机构的设计与计算 176.1.1制动轮缸直径与工作容积 176.1.2制动主缸直径与工作容积 196.1.3制动踏板力 196．1.4制动踏板工作行程 207.制动系统的制动性能分析 207.1制动性能的评价指标 207.1.1制动减速度 207.1.2制动距离 207．2制动器热容量和温升的核算 217.3驻车制动的验算 227.4驻车制动手柄拉力的验算 238.结论 24摘要：制动系统的作用是确保行安全，让汽车在无论什么样的道路和工况下强制减速并稳定停车，同时保证汽车在上下坡路况时保持行驶稳定。如果汽车制动系统出现故障，那么车辆安全将难以保障。现在，随着经济的发展和技术的进步，人们对于制动系统的要求也在不断提高，当下城市公路网不断完善，车流量也在日益增加，对车辆的性能需求也在不断攀升，因此，为了保证驾驶员的驾驶安全性，我们需要在现有的制动系统上进行创新和改进。本次毕业设计的参考车型为大众-途安2015款，通过对相关的文献和国标资料进行参考，综合考虑不同制动系统的优缺点和适用性，并结合所学知识选定相应的制动器结构。根据所选车型的参数进行分析，确定合适的整体方案和制动方案。在确定了整体的设计方案后，我对所选车型的制动效能进行了分析，包括制动衬块的设计计算以及制动主缸和轮缸的设计计算，并依据国家标准对制动减速度、制动距离以及制动器的热容量和温升进行校核。在计算和校核完毕后使用Mtelab对制动力分配进行分析，最后使用CATIA软件进行三维模型图的绘制，AutoCAD进行盘式制动器二维零件图和总成的绘制。关键词：浮钳盘式制动器；制动驱动机构；制动性能；驻车制动1绪言1.1研究的目的和意义现代汽车的底盘主要有五个系统，分别是燃油控制系，动力传递控制系，转向控制系，行驶控制系和底盘制动系统。其中汽车制动系统是底盘最为重要的部件。汽车制动系统可以保证车辆在行驶过程中具备良好的安全性和稳定性，是保障汽车行驶安全的主要基石。根据世界卫生组织的调查，目前大部分汽车事故的原因都是因为制动系统出现诸如制动跑偏、制动反应时间过长、紧急刹车时减速度不够以及刹车距离太长等原因导致的。制动系统是保障汽车行驶安全的基础。随着我国汽车制造工艺设计和技术的发展与进步以及汽车产品制造业的发展，汽车的智能化程度、专业性和驾驶速度也将稳步提高。所以对制动系统的性能，使用寿命，以及工作稳定性等要求有待逐步改进。本次毕业设计希望在现有的制动系统上进行改良，提高制动系统的性能和稳定性，从而保证行驶安全性。本次毕业设计，是对大学四年所学课程的一个总结，也是对学生独立思考和分析判断能力的检验，如何能在复杂的信息集群里对自己想要的信息进行分析、提取并应用，是相当有必要的。1.2国内外发展状况1.2.1国外发展状况：国外制动系统的发展最早要追溯到19世纪初，1902年，最原始的鼓式制动器和盘式制动器被发明了出来，分别由法国人和英国人取得专利。1909年四轮刹车系统被研制出来，汽车制动系统随着技术的完善开始普及，到了二十世纪七十年代，国外汽车制动系统的设计和研究已经开始步入自动化阶段。1913年，美国福特汽车公司提出了生产流程分析的概念，改变了汽车行业的生产和研发模式，让汽车制动技术的研究更加科学。从九十年代开始，国外就立足于提高汽车安全性能，开始研究提高汽车制动系统效能的新技术。1989年，TOYOTA公司首次研发并应用车身结构设计系统。1993年，五十铃公司开发了专业系统，能够对小型汽车的制动系统进行制动效能的分析与设计。近年来，日本三菱公司与美国的WCK公司联手，研发了新型的制动控制装置，实现了装置轻量化、小型化，提高了系统灵敏度和制动系统的可维修性能。保障了汽车的行驶安全和稳定。到如今，国外汽车行业不光开发了各种有关制动系统的专家系统来进行零部件的设计，还深入研究了电子综合控制系统。1.2.2国内发展状况：国内汽车行业的起步较晚，但得益于国内汽车制造工艺设计和技术的发展与进步和国家相关政策的支持，国内学者开始着眼于汽车制动领域。并对汽车制动安全方面的课题进行了深入的研究和开发。例如由清华大学与浙江亚太等主持的新型汽车液压防抱死制动系统(abs)"九五"国家重点研究的科技攻关项目,在abs控制理论和方法、电子控制单元、液压控制单元、研制装置及其相互匹配的设计方法等领域都已经取得了巨大的成果。该研究课题突破了我国传统逻辑门限值研究方法的局限,采用全新的逻辑价值理论,在液压制动,电子控制等研究方向颇有进展。并采用了全新的理论，开发出了新型的ABS系统，该系统在南京IVECO轻型客车上进行匹配试验，实验数据表明该系统已经具备了国标GB12676−1999和欧洲规定标准eecr−13的水平，其已经具备产品化、大规模生产的可能性。与此同时合肥工业大学也研发了具有自主知识产权的国产液压制动电子防抱死系统，并在HF6700轻型汽车上进行匹配试验。虽然国内对液压制动技术的研究还是落后于国际水平，但是结合国家政策的倾力支持和国内优秀学者以及领先企业的科研水平，相信我国能够在较短的时间内，抹平与国外制动领域的差距，并取得领先。就目前来说，因为我国汽车行业的起步落后，关于制动技术的技术积累不足，同时受到资本的限制，我国制动系统相关产业还是集中在低端产品的生产上，只有业内少数头部企业处于自主研发的道路上，逐步提高研发成本，努力向科技水平较高的中高端产品靠拢。1.3制动系统的简介与类型选择1.3.1制动系统简介制动系统有四个机构，即供给机构，控制机构，传动机构和制动器。制动系统的作用包括保障汽车的行驶安全性能，它可以通过提高汽车来提高运输生产率。对于一辆合格的汽车来说，当其行驶在道路上时，需要做到可以在行驶中迅速减速或停车，并且保证汽车的平稳和安全。而当汽车快速刹车时，会出现一个反向作用力，包括坡道阻力，行驶阻力、滚动阻力、空气阻力等阻力。这些力很难被控制，因此，为了保证驾驶员能够借助外界因素对车轮施加一定的力，让车辆能够迅速制动，就需要一些特定的装置。这些特定的装置就组成了制动系统。除此之外，保证汽车能够在减速后平稳停车，并且在上下坡路况下安全停车，也是制动系统的功能之一。1-制动分泵2-后盘式或鼓式制动器3-制动加力器4-制动踏板5-制动主缸图1-1制动系统结构图1.3.2制动系统的分类目前主流的制动系统有四种，即常用制动系统，紧急制动系统，驻车制动系统和辅助制动系统。其中，常用制动系统的作用是适应不同的道路状况（包括城市、乡村、以及上下坡等），保证制动效果可控，让驾驶员无需离开即可实现制动作用。紧急制动系统的作用是当常用制动系统失效时，保证车辆能够正常制动，使车辆快速安全停车的制动系统。驻车制动系统可以以确保汽车停留在原地时，车辆泊车时不会移动。驻车制动系统需要确保在驾驶员离开时车辆能够平稳停靠在路面上。辅助制动系统的目的是确保汽车长坡公路上行驶时能够稳定车速，避免超速，减少或消除常用制动系统的过载。1.4设计要求(1)满载时汽车制动距离不大于20m，平均减速度不小于5.9m/s。(2)至少得有两套独立的回路，当任一回路出现故障时，仍有50%制动效能。(3)制动器的比能量耗散率不能大于6W/mm。(4)汽车驻车时，最大停驻坡度不能小于9°-11°。(5)制动时，手柄拉力和踏板压力不应大于500N。6制动衬块工作面积不超过3.5kg/cm²1.5设计任务本次设计选择大众-途安2015款为参考车型，主要设计内容如下：根据国标的设计标准以及参考车型确定制动系统的设计方案根据要求确定制动系统主要参数根据制动系统主要参数进行验算校核：包括制动驱动机构以及制动分路系统的结构形式的选择和设计计算制动性能分析2制动器结构方案的选择与确定2.1鼓式制动器介绍鼓式制动器又称块式制动器，它的原理是通过轮缸活塞推动制动蹄压迫制动鼓，制动鼓受到摩擦力矩的影响，减速达成制动效能。根据制动时两蹄的径向力方向的不同，可分为内张式和外束式。区分内张式和外束式的方法在于正确分辨其工作表面的位置，也就是制动鼓的内外圆柱面。目前市场上偏好使用内张式制动器。内张式制动器位于制动鼓的制动蹄块在一端受到促动力时，可绕另一端的支点向外转动，压靠在制动鼓内圆上，产生摩擦力矩。1-刹车分泵2-摩擦衬片3-间隙调节杆4-回位弹簧图1-鼓式制动器结构图按照闸瓦执行机构的不同，可分为三种类型：轮缸制动、凸台制动和楔块制动。轮缸制动由液压缸驱动，凸台制动和楔块制动分别使用凸轮和楔块进行驱动。根据制动蹄受力情况的不同，可分为超前跟蹄式制动器、双超前跟蹄式制动器和双跟蹄式制动器。2.2盘式制动器介绍盘式制动器有两种结构：定钳盘式和浮动钳盘式制动器。定钳盘式制动器的制动盘是固定在轮毂上的，制动钳固定在车桥身上，既不能旋转不能移动。其工作原理是踩下踏板制动器时，制动主缸的制动液压入制动轮缸，轮缸液压升高，两缸活塞在液压作用下向制动盘移动，制动块压向制动盘并夹紧制动盘，产生相应的摩擦力矩来防止车轮转向，从而达到制动效果。浮钳盘式制动器的制动钳可以沿制动盘进行轴向的移动。在制动盘的内侧设有液压油缸，外侧的固定制动块附装在钳体上。当驾驶员进行制动时，制动液受压力影响流入油缸中，在液压作用下活塞向左移动，推动右侧制动块进行同向移动并压靠到制动盘上，于是制动盘给活塞一个反向作用力，使活塞连同制动钳体整体沿导向销向右移动，直到制动盘左侧的固定制动块也压到制动盘上。这时两侧制动块都压在制动盘上，制动块夹紧制动盘，产生阻止车轮转动的摩擦力矩，进行刹车。2.3制动器结构最终方案相较于鼓式制动器，盘式制动器具有稳定的制动性能、简单的结构，良好的散热性能和可靠的工作能力。间隙自动调整也足够简单。但是定钳盘式制动器结构复杂，整体尺寸偏大，安装难度大。并且位于制动盘两侧的输油管路的制动液容易挥发。相比之下，浮钳盘式制动器结构简单，整体尺寸相对偏小，安装简易，不会影响到制动液。因此，最终结构方案是浮钳盘式制动器。3制动器设计3.1整车参数满载质量/空载质量轴距质心离前轴距离质心离后轴距离质心高度附着系数车轮有效半径1925/15202678153515085750.7316mm3.2盘式制动器主要参数的确定3.2.1制动盘直径D制动盘直径与轮辋直径有关，通常为轮辋直径的70%-79%，根据所选车型的轮胎代号为205/55R16，可以得出轮辋直径为16x25.4=406mm，参考所选车型的需求和市面上同类标准件的数值，为防止制动钳夹紧力过大，也为了减小衬块的单位压力和工作温度，前后轮制动盘直径分别为310mm,263mm。3.2.2制动盘厚度h由于汽车在制动时，轴向载荷会向前移动，大部分制动力作用在前轮上，制动盘的热效率会更加明显，因此前轮制动盘一般采用通风盘。这样既能兼顾散热性能，又能降低热衰减。通风盘厚度一般为20-30mm,如果通风盘厚度不够，则会导致制动盘磨损过快，不能保证其制动性能。而通风盘厚度取值过大，会增加整体的质量，成本太高。因此在本次设计中，厚度取25mm,而后轮实心制动盘一般取10-20mm,本设计取15mm。3.2.3摩擦衬块内半径与外半径衬块外半径与内半径比值要小于1.5，如果比值超过1.5，那么衬块外缘和内缘之间的圆周速度差会很大，会导致衬块磨损不均使得接触面积减小，影响衬块的工作稳定性。因为前轮通风盘半径为152mm，所以衬块外半径R2取142mm，内半径R1取110mm，后轮实心制动盘半径为131mm，R4取86mm，R33.2.4摩擦衬块工作面积A摩擦衬块单位面积与整车质量的比值是（1.6-3.5）kg/。由于前轮载荷为851kg，后轮为669kg，则前后轮衬块工作面积选取范围如下：8513.5×4<A57<A1>127根据所需面积，衬块夹角选择为A1取84AA1A2取76AA2摩擦衬块厚度在7.5-16mm之间取，在这里取10mm。参考GB5763-2008《汽车用制动器衬片》。3.2.5摩擦衬块的设计计算平均半径RR有效半径RR4制动器主要零件结构的设计4.1制动盘制动盘通常使用珠光体灰铸铁制造，有两种结构形式，一种是平板式，另一种是礼帽式，浮动钳盘式制动器采用后一种类型，其圆柱部分的长度取决于制动器的布局尺寸。因为制动盘在高强度的工作条件下温度会迅速上升，故采用通风盘式，通风肋数量是24个。4.2制动卡钳卡钳根据选用材料的不同，可分为三种，第一种是选用锻铸铁KTH370-12，第二种是球墨铸铁QT400-18，第三种是选用轻型合金进行铸造。制动钳可以设计成整体式的，也可以设计成分块式的，分块式采用螺栓进行连接。制动钳体最外侧需设计开口，以便维修人员在无需拆卸卡钳的情况下对制动块进行检查和拆卸。制动钳体的设计应该确保它有足够的刚度和强度。制动油缸和卡钳可以分开制造，最后统一组装，也可以直接在钳体内制造。鼓式制动器因为其结构的限制，只能装载小型的制动油缸。但盘式制动器可以装载直径更大的制动油缸。考虑到制动液应避免吸收过多热量，活塞的开口存在两种设计方案，一种是杯型，一种是阶梯型。杯型的开口需要制动背板进行支撑，阶梯型则是在同一平面上形成相对的两个小的半圆环形端面。4.3制动块制动块由两个部件分组成一个是摩擦部分，另一个是为了安装设计的背板部分，他们通过挤压直接合成一体。衬块设计为扇形的结构，活塞与制动块背板间加装消音片，并且活塞应尽量多地压在消音片上，这样更能减少噪声。制动块背板由钢板制成，制动块应该加装制动报警器，在衬块磨损到一定量时进行预警，保证制动安全性。4.4摩擦材料制动摩擦材料应根据国家标准来确定摩擦系数和抗热衰退性能，材料的耐磨性也要达到国家标准，吸水率、压缩率、热传导率和热膨胀率取值要低，抗压、抗拉、抗剪切、抗弯曲性能和耐冲击性能要尽可能的取较高值；在车辆制动过程中，应达到静音、无味的标准。不管选择哪种摩擦材料，其摩擦系数的平均稳定值应当在0.3～0.5之间，特殊的摩擦材料可以到0.7。在对盘式制动器进行设计时，通常取f=0.3～0.5，以便于计算。在选择摩擦材料时要注意摩擦系数与稳定性的平衡，防止摩擦材料过脆。4.5制动器间隙调整方法及相应机构在不进行制动时制动盘和摩擦衬块之间一般要留有合适的间隙，该间隙不能太大，不然活塞行程不足以推动摩擦块，当然也不能太小，要保证制动盘的转动不会受到影响。该间隙一般为0.1-0.3mm。但是间隙会随着衬块的磨损而增大，所以间隙调整机构需要在油缸和活塞中间加装带有斜角的橡胶密封圈，让间隙调整机构能够复位并且对间隙宽度进行自主调整。5制动系的主要参数选择和计算5.1制动力和制动分配系数为保证汽车前后车轮同时抱死，得出以下条件：（3-1）（3-2）（3-3）地面对车轮法向反力公式：（3-4）（3-5）-前轴车轮的制动器制动力-后轴车轮的制动器制动力-前轴车轮的地面制动力-后轴车轮的地面制动力-地面对前后车轮的法向反力-汽车重力-汽车质心离前后轴距离-质心高度根据公式（3-4），（3-5）地面对车轮的法向反力：ΖZ根据公式（1-2），（1-3）汽车总的制动力矩：F根据公式（3-1），（3-2）前后制动器的力矩为：F制动力分配系数：β=5.2制动强度和同步附着系数制动强度为：附着系数利用率：（3-6）-为汽车总的地面制动力-轮胎与地面的制动力根据公式（3-6）则,即当时，，利用率最高。5.3制动器最大制动力矩为了确保车辆能够平稳制动，就要考虑将同步附着系数选大一点。在计算最大制动力矩时。如果＞，相应的极限制动强度q＜，所以我们要求的前后制动力矩如下： （3-7）（3-8）-为车轮有效半径，re-为汽车重力汽车质心离前轴距离-质心高度-制动强度-轮胎与地面附着系数-制动力分配系数L轴距根据公式（1-7），（1-8）前后制动器的最大制动力矩如下：Tf2maxT5.4制动器因数制动器因数即在制动鼓或制动盘上所产生的摩擦力与输入力之比,公式如下：（3-9）-制动器摩擦力矩-制动盘作用半径-制动块对制动盘的压紧力浮动钳盘式制动器的制动盘两侧制动块对制动盘压力均为,那么制动盘在其两侧的工作表面的相互作用时在一定半径上就会承受到一定的摩擦力,此处表示为一定的摩擦系数，根据公式（3-9）钳盘式制动器的制动器因数为其中取0.45.5摩擦衬块磨损特性的计算5.5.1比能量耗散率当车辆开始制动时，制动器的机械能将转换成热能并发散。特别是在发生紧急制动时，汽车动力将以热量的形式散发出去。然而，由于制动器不能在短时间内释放热量,因此制动器温度会迅速上升。比能量耗散率常用于表达制动器的能量负载。它也可以简称为一个单位的功耗负荷或者一个能量负荷,它用来表示一个单位在短暂时间内，由一个单位面积所消耗的能量,其单位表达为。前后轮制动器的比能量耗散率分别为：（3-10）（3-11）式中：-汽车回转质量的换算系数-汽车总质量；-制动器初速度和末速度，计算时初速度取27.8m/s。-制动时间；按下式计算（3-12）j-制动减速度，；-前后轮制动器摩擦衬块的面积；-制动力分配系数；根据公式（3-10）（3-11），（3-12）经计算单个前后车轮制动器的耗散率分别为ee5.5.2比摩擦力磨损特性指标也可用衬块比摩擦力即单位制动面积的摩擦力来衡量。每个车轮制动器比摩擦力为（3-13）-单个制动器制动力；R-制动盘有效半径，分别为129mm，104mm；A-单个制动块摩擦面积；根据公式（3-13），前后轮车轮制动器比摩擦力分别为FF综上该衬块达到要求。6液压驱动机构的结构形式选择及设计计算6.1制动驱动机构的结构形式选择制动驱动机构包括简单制动，动力制动和伺服制动,力的传递方式又分机械式，气动式,在这里我们选择伺服刹车。所以它的动力源是人力和发动机动力，传动方式就有机械式和液压式。机械式的优点就是结构简单，，运行可靠,而液压式优点是滞后时间短，结构简单，但其液压管路在过热时会产生蒸汽阻力，降低制动性能。6.2制动管路多回路系统在行车过程中，我们有必要确保制动驱动机构的安全，可靠。因此制动驱动机构应该是双回路系统。只有这样才能保证在汽车任一管路失效时仍然能正常的进行运转。下图是双回路系统的五种形式图5-1制动分路的五种形式考虑到设计需要。我选择了交叉（X）型回路。这样能够保证前后轮制动器属于相同回路，无论哪个回路失效，都能保有50%的制动效能。6.1制动驱动机构的设计与计算6.1.1制动轮缸直径与工作容积根据公式制动轮缸直径（5-1）式中：P-制动管路压力，为10MPa；-制动轮缸对制动块施加的张力；（5-2）R-制动盘有效半径，分别为129mm，104mm；f-摩擦因数，取0.4；根据公式（5-2），前后制动轮缸对制动块施加的张开力分别为FF根据公式（5-1），前后轮缸直径分别为dd根据GB7524-87表5-114.51617.51920.522（22.22）（23.81）24（25.40）2628（28.58）3032353842465056注：表中单位均为mm。选为38mm,选为35mm。第1个轮缸的工作容积（5-3）-活塞工作行程，为2.0mm；n-轮缸活塞数目；-轮缸活塞直径；根据公式（5-3）前轮两轮缸工作容积为v后轮两轮缸工作容积为v则所有轮缸总工作容积为=8410mm36.1.2制动主缸直径与工作容积=9251主缸和关系如下（5-4）一般为0.8~1.2d0,根据公式（5-4），制动主缸直径为d根据QC/T311-1999表5-214.51617.51920.522(22.22)(23.81)24(25.40)2628(28.58)303235384246注：表中单位均为mm。取24mm。6.1.3制动踏板力（5-5）式中-，一般为2-5，取为3。-为，取0.85（0.82-0.86）；-10MPa；根据公式（5-5），得制动踏板力为F因此需要加装真空助力器。6．1.4制动踏板工作行程（5-6）式中-为取2.0mm。-，取2.0mm。-，取1。根据公式（5-6），制动踏板工作行程为S一般最大踏板行程不大于150-200mm，所以符合要求。7.制动系统的制动性能分析7.1制动性能的评价指标7.1.1制动减速度（6-1）-汽车最大制动力矩；-车轮有效半径，316mm；-汽车总质量；则根据公式（6-1），制动