自動調(diào)整臂設(shè)計

緒論研究背景剎車作為交通工具中最為重要的一個元件，已經(jīng)具有上百年的歷史，最早的剎車可以追溯到古代馬車上，當馬匹被命令停止前進時，為了讓乘客安全地平穩(wěn)地下車，馬夫會撥動如下圖所示的杠桿機構(gòu)對車輪施加壓力以提供摩擦力，組織馬車因慣性向前移動，同時保持馬車的整體平衡。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)革命之后誕生了蒸汽動力驅(qū)動的汽車，相比古代的生物動能，燃燒動能能提供更大更強的動力，也就意味著人們不再簡單地使用手來操控簡易剎車機構(gòu)進行制動，這時，面向汽車的剎車系統(tǒng)也隨之誕生了：鼓式制動剎車器。早在200年前便已被設(shè)計出了鼓式剎車器，并作為不可或缺的裝置安裝在汽車上，以保證汽車的安全行駛，其模樣如下圖所示。鼓式制動器主要用于卡車和公共汽車上。圖馬車剎車裝置圖汽車鼓式剎車器而鼓式剎車器本身難以克服制動時發(fā)熱量大的問題，使得整體元件老化速度較快，為了進一步提高制動的效率以提高駕駛安全性，盤式制動器順應(yīng)而生。其具有更好的散熱性能，同時結(jié)構(gòu)簡單制造容易，隨著材料科學的發(fā)展，盤式制動器的可靠性愈加提升，逐步取代鼓式剎車器成為家用汽車和重型卡車上最為關(guān)鍵的裝置。盤式制動系統(tǒng)包括：轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子能夠繞車輪軸線的。制動系統(tǒng)中的制動鉗組件安裝在底盤上，制動鉗殼體可在支架上滑動。墊也可以在錨固支架上滑動，而活塞可以在卡鉗殼體內(nèi)滑動。當施加液壓時，活塞將摩擦塊壓在轉(zhuǎn)子上，從而通過摩擦產(chǎn)生制動扭矩。圖盤式制動器圖盤式制動器剎車原理從圖中我們可以看出，無論是最原始的馬車剎車系統(tǒng)，還是目前最受歡迎的盤式制動器，其最基本的制動原理都是利用了摩擦力進行減速制動，提升剎車能力的方法即增大摩擦塊與制動盤之間相互作用的壓力，以增大摩擦力，過度使用摩擦式制動系統(tǒng)會導致制動片的溫度升高，從而降低制動摩擦力。大多數(shù)墊摩擦材料是基于金屬纖維增強的有機基體的有機材料。其他類型的摩擦材料包括金屬，半金屬和碳基材料。有機墊是多種不同材料的混合物：具有粘合劑的功能基團；用于增強強度的結(jié)構(gòu)材料；用于調(diào)節(jié)成本和體積的填料以及用于摩擦控制的摩擦添加劑。加入摩擦添加劑以控制摩擦系數(shù)或更改磨損類型。磨料顆粒用于增加摩擦系數(shù)或增加制動盤磨損，目的是從制動盤表面去除氧化鐵，從而提供更一致的制動性能。同時，由于不存在理想剛體，在摩擦制動的過程中必然帶來了摩擦塊的質(zhì)量損耗。使用新的摩擦塊進行制動時，腳踩在踏板上所需要運動的行程為，這個距離的做功即可使得摩擦塊與制動盤接觸進行制動。在1990年代初期REF_Ref73102289\r\h[1]幾家處在美國、加拿大、歐洲的運輸分析指出，重型卡車中制動器發(fā)生故障的主要原因是剎車超過了規(guī)定極限的推桿沖程，該原因?qū)е轮匦涂ㄜ囍苿有阅茏儾钌踔翢o法制動。隨著使用時間的增長，摩擦塊逐漸無法滿足剎車的需求，我們的腳就需要位移更多的行程對磨損的摩擦塊進行補償。因此踏板的移動將變得過大，對于駕駛員的剎車行動造成影響。這時我們就需要在不增加踏板位移的前提下對已損耗的摩擦塊進行補償。因此在當時便在剎車機構(gòu)中加入了自動調(diào)整裝置，即自動調(diào)整臂。目前最常見的剎車補償裝置分為兩種：手動調(diào)整臂自動調(diào)整臂圖自動調(diào)整臂圖手動調(diào)整臂雖然長相相似，但手動調(diào)整臂需要人工手動調(diào)整六角螺母，如果不及時調(diào)整則仍會影響汽車制動。因此人們又發(fā)明了自動調(diào)整臂，它具有以下幾個優(yōu)點：制動過程中可以給予剎車盤更好的性能和左右車輪更好的平衡性；減少了人們在維護上所花費的時間提高了內(nèi)部間隙的耐用程度，因為整個機構(gòu)密封后不易被污染和腐蝕；適配于不同的剎車鼓和摩擦塊，泛用性好由于手動調(diào)整臂隨著時代的發(fā)展逐漸落后于時代，不能滿足卡車所需要的長時間高精度的剎車補償需求，因此逐漸被自動調(diào)整臂取代，故本文著重于介紹自動調(diào)整臂。車輛的自動剎車調(diào)整臂廣泛用于重型卡車。它是制動系統(tǒng)上不可或缺的元件，確保車輛安全運行并可靠。自動剎車調(diào)整臂可以恢復和補償剎車片磨損時的制動間隙。因此，自動剎車調(diào)整臂可以確保剎車防止故障的系統(tǒng)，例如制動力不足，側(cè)滑等。由此可見，自動調(diào)整臂具有很大的商業(yè)價值，而國內(nèi)外學者開始針對自動調(diào)整臂的設(shè)計與優(yōu)化進行科研努力。國內(nèi)研究現(xiàn)狀武林REF_Ref73102453\r\h[2]REF_Ref73048663\r\h[6]等工程師基于普通的自動調(diào)整臂，針對其調(diào)整間隙中精度無法滿足要求等缺點，進行了優(yōu)化設(shè)計，通過改變傳統(tǒng)的齒輪齒條、蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)為拉桿棘輪、扭簧等結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高精度的自動調(diào)整臂間隙優(yōu)化并投入了商業(yè)化流水線生產(chǎn)中。張艷娥REF_Ref73049411\r\h[7]指出自動調(diào)整臂雖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于重型卡車中，但目前自動調(diào)整臂仍需要解決自身制動間隙偏小所帶來的制動鼓發(fā)熱量大，摩擦塊耗損速度快的缺點。該缺點的原因為初始的間隙角較小，同時制動時發(fā)熱量大使得制動鼓體積增加超過了自動調(diào)整臂的超量間隙。劉志敏REF_Ref73049957\r\h[8]在文中提到，重型卡車自動調(diào)整臂產(chǎn)生故障的原因中，單向離合器裝配精度是較大影響因素，因為單向離合器與調(diào)整間隙具有線性關(guān)系，因此單向離合器的設(shè)計精度直接影響到了自動調(diào)整臂調(diào)整間隙的精度。最后通過增大單向離合器的出廠扭矩可以有效降低故障率至10%以下。陳益REF_Ref73050534\r\h[9]針對瀚德式自動調(diào)整臂的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使得摩擦塊與制動鼓之間的間隙保持不易改變，穩(wěn)定性增強，同時提高了外殼的密封性使得調(diào)整臂內(nèi)部不容易進入灰塵造成元件污染。國外研究現(xiàn)狀PradeepCREF_Ref73051378\r\h[10]設(shè)計了一款以棘輪為間隙調(diào)整主要元件的自動調(diào)整臂用于補償摩托車上的制動器摩擦塊損耗。RaveendranRREF_Ref73052132\r\h[11]指出，踩剎車時過長的踩踏推桿行程對車輛制動時的響應(yīng)速度影響較大，可以利用自動調(diào)整臂來對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練，根據(jù)制動腔壓力對于推桿行程進行預測。PradoWBREF_Ref73103379\r\h[12]指出，最為影響自動調(diào)整臂的因素為：制動器安裝在軸上時凸輪桿的長度以及調(diào)整臂的尺寸；鼓式剎車盤的熱性能以及機械特性。最后得出結(jié)論是，在設(shè)計車輛前應(yīng)對自動調(diào)整臂與整個剎車系統(tǒng)的適配進行考慮。加拿大運輸部的一篇報告中REF_Ref73105501\r\h[13]也指出了自動調(diào)整臂的重要性，以及手動調(diào)整臂相比自動調(diào)整臂而言，調(diào)節(jié)行程的標準偏差略大，這一原因也符合對于制動器失調(diào)的可能性的調(diào)查結(jié)果。在推行普及自動調(diào)整臂的三十年中，故障率下降到了較低水平，約為15%。結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義自動調(diào)整臂的設(shè)計本身就是為了解決制動鼓與摩擦塊之間的間隙問題，自動調(diào)整臂可以在駕駛員踩下剎車踏板的時候自動根據(jù)摩擦片與制動鼓之間的間隙來進行補償。自動調(diào)整臂投入市場生產(chǎn)已經(jīng)有三十年時間了，整體已經(jīng)趨于成熟，對于自動調(diào)整臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計最重要的目的是為了適配不同的車輛以及適應(yīng)不同的路況。不同的車輛剎車時所需要的摩擦力也不同，摩擦塊損耗也有所差異，這就意味著給予剎車塊損耗補償時要對癥下藥，才能在最節(jié)約成本的前提下設(shè)計出適配的自動調(diào)整臂。本文設(shè)計的自動調(diào)整臂，目標是基于已經(jīng)成熟應(yīng)用的商用自動調(diào)整臂，根據(jù)任務(wù)要求的0.4Mpa剎車壓力，設(shè)計出一款能滿足需求的自動調(diào)整臂。設(shè)計的主要工作設(shè)計人員對于自動調(diào)整臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要任務(wù)如下：自動調(diào)整臂中蝸輪蝸桿的設(shè)計、計算以及校核，同時使用有限元軟件進行嚙合時的齒根強度校核。自動調(diào)整臂中齒輪齒條的設(shè)計、計算以及校核，同時使用有限元軟件進行嚙合時的齒根強度校核。自動調(diào)整臂中單向離合器的設(shè)計、計算以及校核，同時使用有限元軟件進行嚙合時的彈簧強度校核。自動調(diào)整臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及裝配，同時使用CAD軟件SOLIDWORKS制作工作動畫。自動調(diào)整臂介紹自動調(diào)整臂相關(guān)應(yīng)用自動調(diào)整臂在國內(nèi)外都已廣泛應(yīng)用于各類車輛中，是整車裝配中的標準配置，同時舊車上未安裝或安裝了手動調(diào)整臂的也被相關(guān)管理部門督促更換為自動調(diào)整臂。在我國《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能和試驗方法》GB12676-1999規(guī)定中，從兩千年初便強制汽車中使用自動調(diào)整臂。而現(xiàn)今最大自動調(diào)整臂生產(chǎn)商為Haldex公司，其產(chǎn)品在市場上的比重超過50%。國內(nèi)許多自動調(diào)整臂生產(chǎn)商所生產(chǎn)的自動調(diào)整臂則是在Haldex的產(chǎn)品基礎(chǔ)上改進，仿制而得來的。自動調(diào)整臂特點在上文已經(jīng)提及，在此便不再贅述。自動調(diào)整臂結(jié)構(gòu)介紹自動調(diào)整臂簡單的可以分為內(nèi)外兩個部分：對于外部結(jié)構(gòu)，主要的組成部分是11殼體、23控制臂蓋、以及26控制臂組合，它們作為自動調(diào)整臂在外部固定在汽車底盤上的零件，需要相對強大耐磨性和適應(yīng)不同路況的性能。同時該部分結(jié)構(gòu)也要具備優(yōu)秀的密封性保證調(diào)整臂內(nèi)部零件不受外界環(huán)境污染，以延長其壽命。內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，4、5、6為單向離合器，矩形彈簧以及直齒輪裝配后與9蝸輪桿通過花鍵實現(xiàn)連接，19齒條與6直齒輪嚙合，21蝸輪與9蝸桿嚙合，同時蝸桿內(nèi)圈有花鍵與外部凸輪軸連接以轉(zhuǎn)動凸輪。圖自動調(diào)整臂內(nèi)部構(gòu)造自動調(diào)整臂工作原理介紹

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