汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)-制動盤改裝設(shè)計(jì)說明書

1 目 錄 1. 改裝課題 . 錯誤 !未定義書簽。 2. 改裝課題分析 . 錯誤 !未定義書簽。 3. 改裝設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程 . 3 3.1. 盤式制動器主要參數(shù)的確定 . 3 3.2. 摩擦襯片磨損特性計(jì)算 . 5 3.3. 制動器主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 8 4. 設(shè)計(jì)小結(jié) . 15 5. 參考文獻(xiàn) . 16 2 1. 改裝 課題 （ 1）通過增大制動盤半徑使制動管路壓力減小以減輕制動器摩 擦襯塊的磨損 ; （ 2） 通過將光盤剎車盤改裝成通風(fēng)盤以增強(qiáng)其散熱性。 2. 改裝 課題分析 據(jù)有關(guān)資料介紹，在由于車輛本身的問題而造成的交通事故中，制動系統(tǒng)故障引起的事故為總數(shù)的 45%。可見，制動系統(tǒng)是保證行車安全的極為重要的一個系統(tǒng)。此外，制動系統(tǒng)的好壞還直接影響車輛的平均車速和車輛的運(yùn)輸效率，也就是保證運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。制動系既可以使行駛中的汽車減速，又可保證停車后的汽車能駐留原地不動。由此可見，汽車制動系對于汽車行駛的安全性，停車的可靠性和運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益起著重要的保證作用。 本 組對制動器 的 改裝 主要從兩方面 來分析：第一個方面是通過增大制動盤半徑使制動管路壓力減小以減輕制動器摩擦襯塊的磨損，第二個 方面是 通過將光盤剎車盤改裝成通風(fēng)盤以增強(qiáng)其散熱性。 制動盤半徑 的增大帶來摩擦襯塊作用半徑的增大， 當(dāng) 汽車制動 力矩 一定 時 ，更大的作用半徑 所需的力 就越小，故摩擦襯塊所受的 壓力 也將 更 小，那么，制動管路 所需 的壓力 更小， 摩擦襯塊 的 磨損也將更小。 徑向通風(fēng)制動盤，即具有徑向通風(fēng)道的制動盤，是為了提高盤式制動器散熱性能而設(shè)計(jì)的一種新型制動盤。它結(jié)構(gòu)簡單，效果良好，因而得到了迅速發(fā)展。國外現(xiàn)在已在徑向通風(fēng)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了具有徑向 +軸向 通風(fēng)道的制動盤。通過試驗(yàn)證明：如在連續(xù)制動持續(xù)時間較短或無數(shù)次剎車中制動循環(huán)周期大于 86秒時，徑向通風(fēng)制動盤優(yōu)于徑向 +軸向通風(fēng)的制動盤。試驗(yàn)又指出：徑向通風(fēng)制動盤如采用曲線通風(fēng)道，又比直線通風(fēng)道更加優(yōu)越。采用曲線通風(fēng)道，能使散熱表面積增加 3 30%，產(chǎn)生的穩(wěn)定制動功率高出直線型 12%。在其它條件不變時，以循環(huán)周期 20 秒進(jìn)行重復(fù)剎車，徑向曲線型制動盤的溫度不僅低于徑向直線型，而且也低于徑向 +軸向型。在 15次剎車時，徑向曲線型比直線型制動盤溫度低 90攝氏度。 因此，徑向曲線型通風(fēng)道，是我組改裝盤式制動器制動盤時首先 考慮的型式。下列過程即闡述了我們在改裝設(shè)計(jì)過程中對比亞迪 G3 前輪制動器的制動盤及其附屬零件進(jìn)行的參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 3. 改裝設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程 3.1. 盤式制動器主要參數(shù)的確定 3.1.1 制動盤直徑 D 本 次改裝設(shè)計(jì)的內(nèi)容是通過增大 制動盤半徑使制動管路壓力減小以減輕制動器摩擦襯塊的磨損， 但由于整個制動器總成是完全安裝在輪輞里面的，所以輪輞的尺寸就對增大制動盤造成限制。原車采用 15吋（約為 381mm） 輪輞，而其制動盤直徑為 256mm，其與輪輞直徑的比值為 67.2%。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料介紹，制動盤直徑的值一般可取輪輞直徑的 70% 79%，據(jù)此，可初步算得制動盤的直徑范圍： 7 0 % 7 9 % 7 0 % 7 9 % 1 5 2 5 . 4 2 6 6 . 7 3 0 1rD D m m 綜合考慮輪輞結(jié)構(gòu)尺寸、制動鉗體外廓尺寸及其在轉(zhuǎn)向節(jié)上的安裝位置等約束因素，在制動盤直徑的取值范圍內(nèi)選 取D=273m。 3.1.2 制動盤厚度 h 制動盤厚度 h 直接影響著制動盤質(zhì)量和工作時的溫升。為使質(zhì)量不致太大，制動盤厚度又不宜過小。制動盤可以制成實(shí)心的，而為了通風(fēng)散熱，又可在制動盤的兩工作面之間鑄出通風(fēng)孔道。通常，實(shí)心制 動盤厚度可取 10mm-20mm；具有通風(fēng)孔道的制動盤的兩工作面之間的尺寸，即制動盤的厚度取為D=273mm 4 20mm-50mm,但多采用 20mm-30mm。 原車前輪制動器使用的是實(shí)心式制動盤（光盤），其厚度為 14mm。為了改善該車前輪制動器在制動過程中的散熱能力，我們將原有實(shí)心式制動盤改為具有中空流道結(jié)構(gòu)的通風(fēng)盤，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料，選取新制動盤的厚度為 21mm。 3.1.3 摩擦襯塊內(nèi)半徑1R與外半徑0R原車 前輪制動器使用的是實(shí)心式制動盤（光盤），其外半徑0R為 125mm，內(nèi)半徑1R為 90mm。為了增大制動盤 半徑 ，我們將原有實(shí)心式制動盤摩擦 襯片的外半徑擴(kuò)大 為 135mm。 3.1.4 摩擦襯快工作面積 A 一般摩擦襯快單位面積占有汽車質(zhì)量在1.6kg/ 2cm -3.5kg/ 2cm 范圍內(nèi)選取，考慮到現(xiàn)今摩擦材料的不斷升級，此范圍可適當(dāng)擴(kuò)大 些。本次設(shè)計(jì)使用半金屬摩擦材料，其摩擦系數(shù)優(yōu)于石棉材料。經(jīng)計(jì)算得 ，改裝后的襯片摩擦面積為 244cm 。 一些國產(chǎn)汽車前盤式的制動器的主要參數(shù) 車牌 車型 制動盤外徑 /mm 工作半徑/mm 制動盤厚度/mm 摩擦襯塊厚度/mm 摩擦面積/cm2 云雀 GHK7060 212 86 10 9 65.4 奧拓 SC7080 215 91 10 15.5 60 桑塔納 2000 256 106 20 14 76 奧迪 100 256 104 22 14 96 h=21mm 1R=90mm 0R=135mm A= 244cm 5 3.2 摩擦襯片磨損 特性計(jì)算 摩擦襯片 (襯塊 )的磨損，與摩擦副的材質(zhì)、表面加工情況、溫度、壓力以及相對滑磨速度等多種因素有關(guān)，因此在理論上要精確計(jì)算磨損性能是困難的。但試驗(yàn)表明，摩擦表面的溫度、壓力、摩擦系數(shù)和表面狀態(tài)等是影響磨損的重要因素。 汽車的制動過程是將其機(jī)械能 (動能、勢能 )的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷纳⒌倪^程。在制動強(qiáng)度很大的緊急制動過程中，制動器幾乎承擔(dān)了耗散汽車全部動力的任務(wù)。此時由于在短時間內(nèi)熱量來不及逸散到大氣中，致使制動器溫度升高。此即所謂制動器的 能量負(fù)荷。能量負(fù)荷愈大，則襯片 (襯塊 )的磨損愈嚴(yán)重。 3.2.1 比能量耗散率 制動器的能量負(fù)荷常以其比能量耗散率作為評價指標(biāo)。比能量耗散率又稱為單位功負(fù)荷或能量負(fù)荷，它表示單位摩擦面積在單位時間內(nèi)耗散的能量，其單位為 2/mmW 。 雙軸汽車的單個前輪制動器的比能量耗散率為 221211()122am v vetA jvvt 21 式中： 汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； am 汽車總質(zhì)量； 1v ， 2v 汽車制動初速度與終速度， sm/ ；計(jì)算時取 1v =100 /km h 27.8 /ms； j 制動減速度， m s2，計(jì) 算時取 j=0 87g； t 制動時間， s ； 1A 前制動器襯片 (襯塊 )的摩擦面積； 21 4 4 1 7 .9A mm 制動力分配系數(shù) 計(jì)算得 0.59 6 在緊急制動到 02 v 時，并可近似地認(rèn)為 1 ，則有 1211 221tAvme a 把個參數(shù)值代入上式得 12 2 7 . 8 3 . 2 60 . 8 7 * 9 . 8vvtsj 2 221111 1 1 2 1 0 2 7 . 8 0 . 5 9 4 . 0 6 /2 2 2 2 3 . 2 6 4 4 1 7 . 9 4amve W m mtA 比能量耗散率過高會引起襯片（襯塊）的急劇磨損，還可能引起制動盤產(chǎn)生龜裂。取同樣的1v和 j 時，轎車的盤式制動器的比能量耗散率以不大于 6.0 2/W mm 為宜。式中 t 為100Km/h 時的制動時間，其值為 3.26s。1A為前制動器摩擦襯片面積。 0.59 ，求得 21 4 .0 6 /e W m m， 符合要求。 3.2.2 比滑磨功 磨損和熱的性能指標(biāo)也可用襯塊在制動過程中由最高制動初速度至停車所完成的單位襯塊面積的滑磨功，即比滑磨功fL來衡量： 2 m a x2aaffmvLLA 式中：am 汽車總質(zhì)量， kg； maxav 汽車最高制動車速， m/s A 車輪制動器各襯塊的總摩擦面積， 2cm fL 許 用 比 滑 磨 功 ， 對 轎 車 取221 0 0 0 / 1 5 0 0 /fL J c m J c m : 21 4 .0 6 /e W m m 符合要求 7 可求得： 2 21 2 1 0 2 7 . 8 2 6 5 6 . 6 /2 4 4 4fL J c m，結(jié)果偏大 ，反思后發(fā)覺襯塊的摩擦面 積取得過小 。 3.2.3 制動器的熱容量和溫升核算 應(yīng)核算制動器的熱容量和溫升是否滿足如下條件： d d h hm c m c t LV式中：dm 各制動盤的總質(zhì)量，為已知 4Kg hm 與各制動盤相連的金屬（如輪轂、輪輻、制動鉗體等）總質(zhì)量為 5kg dc 制動盤材料的比容熱，對鑄鐵 C=482J/(kgg K)；對于鋁合金 C=880 J/(kgg K) hc 與制動盤相連的受熱金屬件的比容熱； tV 制動盤的溫升（一次由 30 /av km h到完全停車的強(qiáng)烈制動，溫升不應(yīng)超過 15 C ）； L 滿載汽車制動時由動能轉(zhuǎn)變的熱能，因制動過程迅速，可以認(rèn)為制動產(chǎn)生的熱能全部為前、后制動器所吸收，并按前、后制動力的分配比率分配給前后、制動器，即 21 2aavLm 22 (1 )2aavLm 求得： 2 418 . 3 31 2 1 0 0 . 5 9 2 . 5 1 0 ( )2LJ 2 428 . 3 31 2 1 0 0 . 4 1 1 . 7 1 0 ( )2 所以： 412 2 . 5 1 . 7 4 . 2 1 0 ( )L L L J 式中 am 汽車滿載總質(zhì)量，為 1210Kg av 汽車制動時的初速度 汽車制動器制動力分配系數(shù)，為 0.59 8 核算： 4( 4 8 8 0 5 4 8 2 ) 1 5 8 . 9 0 1 0 ( )d d h hm c m c t J V44.2 10L 故，滿足以下條件： d d h hm c m c t LV3.3 制動器主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.3.1 制動盤 3.1.1.1 制動盤基本結(jié)構(gòu)形式的選擇 根據(jù)相關(guān)資料：制動盤一般采用珠光體灰鑄鐵制成，或用添加 ,irNC等的合金鑄鐵制成。其結(jié)構(gòu)形狀有平板形和禮帽形。制動盤在工作時不 僅承受著制動塊作用的法向力和切向力，而且承受著熱負(fù)荷。為了改善冷卻效果，鉗盤式制動器的制動盤有的鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤，這樣可大大地增加散熱面積，降低溫升約 20%-30%，但盤的整體厚度較厚。 由于本次設(shè)計(jì)是改裝設(shè)計(jì)，故考慮盡量不改變原制動盤結(jié)構(gòu)。所以，新設(shè)計(jì)的制動盤結(jié)構(gòu)形狀仍為禮帽形 ,并將原有實(shí)心光盤結(jié)構(gòu)改為徑向通風(fēng)盤結(jié)構(gòu)。 3.1.1.2 制動盤通風(fēng)孔道的詳細(xì)設(shè)計(jì) 徑向通風(fēng)制動盤結(jié)構(gòu)簡單，效果良好，因而得到了迅速發(fā)展。試驗(yàn)指出：徑向通風(fēng)制動盤如采用曲線通風(fēng)道，又比直線通風(fēng)道更加優(yōu)越。采用曲線通 風(fēng)道，能使散熱表面積增加 30%，產(chǎn)生的穩(wěn)定制動功率高出直線型 12%。在其它條件不變時，以循環(huán)周期 20 秒進(jìn)行重復(fù)剎車，徑向曲線型制動盤的溫度不僅低于徑向直線型，而且也低于徑向 +軸向型。在 15次剎車時，徑向曲線型比直線型制動盤溫度低 90 攝氏度。因此，徑向曲線型通風(fēng)道，是我組改裝盤式制動器制動盤時首先考慮的型式。 據(jù)流體力學(xué)指出：離心通風(fēng)機(jī)曲線葉片分前向、徑向、后向三種，如下圖所示為曲線型通風(fēng)道示意圖，其中1b、2b分別為通風(fēng)道入口角、通風(fēng)道出口角， 21 、 分別為通風(fēng)道高度44.2 10L 滿足條件 采用禮帽形結(jié)構(gòu)，徑向通風(fēng)盤 采用曲線型通風(fēng)道 9 和冷卻片厚度。從冷卻片形狀來分析，向后通風(fēng)道（2b90）的流道更平滑，氣流在其中流動時阻力較小，能量損失小，因此選擇后向的冷卻片。 曲線型通風(fēng)道示意圖 根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論：單位體積或單位重量的理想流體自葉輪中獲得的能量多少， 僅與通風(fēng)道入口、出口處的參數(shù)有關(guān)，而與通風(fēng)道內(nèi)部的形狀無關(guān)。因此，為了設(shè)計(jì)與工藝簡單，采用圓弧做通風(fēng)道曲線較好。 通風(fēng)道基本形狀確定后，計(jì)算合理的通風(fēng)道入口角1b、出口角2b和葉片數(shù) B。為滿足雙向散熱性能的要求，一般取1b=90，通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口的截面積 1S 應(yīng)大于出風(fēng)口的截面積2S ，其中制動盤外徑為 273mm,摩擦環(huán)內(nèi)徑為 170mm，經(jīng)計(jì)算，得出 5.38)2 7 3/1 7 0a rc s in (2b。 通過計(jì)算和畫圖，最終確定1b=90，2b=38，葉片厚度 5mm,30個，如下圖。 制動盤通風(fēng)道 采用后向冷卻片 1b=90 2b=38 葉片厚度5mm 30 個 采用圓弧曲線 10 3.1.1.3 制動盤的裝配設(shè)計(jì) 改裝后的制動盤與相鄰零件的裝配關(guān)系保持不變，采用兩顆 M8 20開槽沉頭螺釘實(shí)現(xiàn)其與輪轂的定位，并采用四顆 M10螺柱將輪轂、制動盤、輪輞三者固定在一起，裝配關(guān)系如下圖所示。 制動盤的裝配 3.1.1.4 尺寸公差、形位公差、表面粗糙度的設(shè)計(jì)與標(biāo)注 制動盤的工作表面應(yīng)光潔平整，制造時應(yīng)嚴(yán)格控制表面的跳動量，兩側(cè)表面的平行度（厚度差）及制動盤的不平衡量。參考表 5.1 表 5.1 一些轎車制動盤的表面跳動量、 兩側(cè)表面的平行度及不平衡量 車型 表面跳動量/mm 兩側(cè)表面的不平行度 /mm 靜不平衡量/N.cm 奧迪、紅旗 0.03 0.01 0.5 云雀 0.05 0.03 1.5 奧拓 1.0 根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)規(guī)定：制動盤兩側(cè)表面不平行度不應(yīng)大于0.008mm,盤的表面擺差不應(yīng)大于 0.1mm；制動盤表面粗糙度不應(yīng)大于 0.06mm。詳細(xì)標(biāo)注見于制動盤零件圖。 11 3.3.2 制動鉗 制動鉗由可鍛鑄鐵 KTH370-12 或球墨鑄鐵 QT400-18 制造，也有用輕合金制造的。例如用鋁合金壓鑄?？勺龀烧w的，也可做成兩半并由螺栓連接。其外緣留有開口，以便不必拆下制動鉗便可檢查或更換制動塊。制動鉗體應(yīng) 有高的強(qiáng)度和剛度。在鉗體中加工出制動油缸。為了減少傳給制動液的熱量，將活塞的開口端頂靠制動塊的背板?；钊设T鋁合金制造，為了提高耐磨損性能，活塞的工作表面進(jìn)行鍍鉻處理。為了解決因制動鉗體由鋁合金制造而減少傳給制動液的熱量的問題，減小了活塞與制動塊背板的接觸面積。 制動鉗在汽車上的安裝位置可在車軸的前方或后方。制動鉗位于車軸前可避免輪胎甩出來的泥，水進(jìn)入制動鉗，位于車軸后則可減小制動時輪轂軸承的合成載荷。 因此本次設(shè)計(jì)采用可鍛鑄鐵，整體式、鍍鉻處理，前制動鉗位于車軸后。 3.3.3 制動塊 制動塊由背板和摩擦 襯塊構(gòu)成，兩者直接牢固地壓嵌或鉚接或粘接在一起。襯塊多為扇形，也有矩形，正方形或圓形的?；钊麘?yīng)能壓住盡量多的制動塊面積，以免襯塊發(fā)生卷角而引起尖叫聲。制動塊背板由鋼板制成。為了避免制動時產(chǎn)生的熱量傳給制動鉗而引起制動液汽化和減小制動噪聲，可在摩擦襯塊與背板之間或在背板后粘（或噴涂）一層隔熱減震墊（膠）。由于單位壓力大和工作溫度高等原因，摩擦襯塊的磨損較快，因此其厚度較大。 許多盤式制動器裝有襯塊磨損達(dá)極限時的警報裝置，以便及時更換摩擦襯片。 本次設(shè)計(jì)取襯塊厚度 10mm，制動塊襯板厚 5mm,制動塊襯板 外側(cè)貼有消音片，有報警裝置，如下圖所示。 制動襯塊厚 10mm 制動塊襯板厚 5mm 12 制動塊 總成 3.3.4 摩擦材料 制動摩擦材料應(yīng)具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，抗熱衰退性能好，不能在溫度升到某一數(shù)值后摩擦系數(shù)突然急劇下降；材料的耐磨性好，吸水率低，有較高的耐擠壓和耐沖擊性能；制動時不產(chǎn)生噪聲和不良?xì)馕?，?yīng)盡量采用少污染和對人體無害的摩擦材料。 以往車輪制動器采用廣泛應(yīng)用的模壓材料，它是以石棉纖維為主并與樹脂粘結(jié)劑、調(diào)整摩擦性能的填充劑 (由無機(jī)粉粒及橡膠、聚合樹脂等配成 )與噪聲消除劑 (主要成分為石墨 )等混合后，在高溫下模壓成型的。模壓材料的撓性較差 ，故應(yīng)按襯片或襯塊規(guī)格模壓，其優(yōu)點(diǎn)是可以選用各種不同的聚合樹脂配料，使襯片或襯塊具有不同的摩擦性能和其他性能。 13 表 5.2 摩擦材料性能對比 材料 性能 有 機(jī) 類 無 機(jī) 類 制法 編制物 石棉模壓 半金屬模壓 金屬燒結(jié) 金屬陶瓷燒結(jié) 硬度 軟 硬 硬 極硬 極硬 密度 小 小 中 大 大 承受負(fù)荷 輕 中 中 -重 中 -重 重 摩擦系數(shù) 中 -高 低 -高 低 -高 低 -中 低 -高 摩擦系數(shù)穩(wěn)定性 差 良 良 良 -優(yōu) 優(yōu) 常溫下的耐磨性 良 良 良 中 中 高溫下的耐磨性 差 良 良 良 -優(yōu) 優(yōu) 機(jī)械強(qiáng)度 中 -高 低 -中 低 -中 高 高 熱傳導(dǎo)率 低 -中 低 中 高 高 抗振鳴 優(yōu) 良 中 -良 差 差 抗顫振 - 中 -良 中 - - 對偶性 優(yōu) 良 中 -良 差 差 價格 中 -高 低 -中 中 -良 高 高 此次設(shè)計(jì)綜合考慮各種材料，采用性能更好、環(huán)保效果更好的半金屬材料。摩擦系數(shù)為 f=0.4 3.3.5 制動輪缸 制動輪缸的缸體與制動鉗體采用可鍛鑄鐵一體制造，缸壁需鏜磨。 采用半金屬摩擦材料 14 3.3.6 制動器間隙的調(diào)整方法及相應(yīng)機(jī)構(gòu) 制動盤與摩擦襯塊之間在未制動的狀態(tài)下應(yīng)有工作間 隙，以保證制動盤能自 由轉(zhuǎn)動。一般來說盤式制動器的制動間隙為0.1mm-0.3mm（單側(cè) 0.05mm-0.15mm）。此間隙的存在會導(dǎo)致踏板或手柄的行程損失，因而間隙應(yīng)盡量的小。考慮到制動過程中摩擦副可能產(chǎn)生熱變形和機(jī)械變形，因此制動器在冷態(tài)下的間隙應(yīng)有試驗(yàn)確定。本次改裝設(shè)計(jì)保持原有制動間隙不變，為0.1mm。 制動器間隙的調(diào)整 另外，制動器在工作過程中會由于摩擦襯塊的磨損而使間隙加大，因此制動器必須設(shè)有間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。當(dāng)前，盤式制動器的調(diào)整機(jī)構(gòu)已自動化。一般都采用一次調(diào)準(zhǔn)式間隙自調(diào)裝置。最簡單且常用的結(jié)構(gòu)是在 缸體和活塞之間裝一個兼起復(fù)位和間隙自調(diào)作用的帶有斜角的橡膠密封圈，制動時密封圈的刃邊是在活塞給予的摩擦力的作用下產(chǎn)生彈性變形，與極限摩擦力對應(yīng)的密封圈變形量即等于設(shè)定的制動間隙。當(dāng)襯塊磨損而導(dǎo)致所需的活塞行程增大時，在密封圈達(dá)到極限變形之后，活塞可在液壓作用下克服密封圈的摩擦力，繼續(xù)前移到實(shí)現(xiàn)完全制動為止。活塞與密封圈之間這一不可恢復(fù)的相對位移便補(bǔ)償了這一過量間隙。解除制動后活塞在彈力作用下退回，直到密封圈的變形完全消失為止，這時摩擦快與制動盤之間重新回復(fù)到設(shè)定間隙。 15 4.設(shè)計(jì)小結(jié) 總體來說，我在完成這 次課程設(shè)計(jì)的過程中