1.5噸級的輕型汽車盤式制動器設計

摘要制動系統(tǒng)影響著汽車的駕駛安全。隨著技術的提高和輕量化的要求，用以達到節(jié)約能源和降低排放的的目的，越來越多的小型汽車使用盤式制動器。本次設計就所選車型及載荷進行了相關設計和計算，本次設計的是總重量1.5噸級的輕型汽車盤式制動器設計，通過分析盤式與鼓式的優(yōu)缺點，結合所選車型確定前后輪都采用浮動鉗盤式制動器。根據相關要求計算制動器的制動力矩，制動制動減速度，校核制動效能、駐車制動坡度、襯片的磨損特性等，根據參數和技術要求，設計出符合汽車制動性要求的制動器。本次設計的驅動管路選擇Ⅱ系統(tǒng)，制動驅動機構采用伺服制動的形式，采取自動調整間隙裝置，在主參數確定的條件下進行小零件的結構設計，三維繪圖由電腦軟件完成。關鍵詞：盤式制動器制動效能制動盤制動襯片ABSTRACTBrakingsystemisveryimportantforautomobilesdrivingsafety.Withtheimprovementoftechnologyandtherequirementoflightweight,inordertosaveenergyandreduceemissions,moreandmoresmallcarsusediscbrakes.Thisdesigncarriesontherelateddesignandcalculationontheselectedvehicletypeandload.Thisdesignisthediscbrakedesignoflightvehiclewithatotalweightof1.5tons.Byanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofdiscanddrumbrakes,combinedwiththeselectedvehicletype,itisdeterminedthatthefrontandrearwheelsareallequippedwithfloatingcaliperdiscbrakes.Accordingtotherelevantrequirements,thebrakingmoment,brakingdeceleration,brakingefficiency,parkingbrakegradientandwearcharacteristicsofliningsarecalculated.Accordingtotheparametersandtechnicalrequirements,thebrakethatmeetstherequirementsofautomobilebrakingperformanceisdesigned.ThedesignofthedrivingpipelineselectionIIsystem,thebrakedrivemechanismintheformofservobraking,usingautomaticclearanceadjustmentdevice,undertheconditionofdeterminingthemainparametersofthestructuredesignofsmallparts,thethree-dimensionaldrawingiscompletedbycomputersoftware.Keywords:discbrakebrakeefficiencybrakediscbrakefacing目錄1.緒論 .緒論1.1制動系統(tǒng)設計的意義汽車是現在家庭最方便的交通工具，隨著城市和經濟的發(fā)展，越來越多的人擁有汽車，車流密度越來越高，在城市駕駛要頻繁制動，因此要保證汽車有良好的制動力，保證制動效果，在頻繁制動不易失效，磨損后有一定的自動調整能力，使駕駛員操作輕便舒適。汽車的制動性能是安全駕駛的保障，因此進行制動器的設計是不可缺少的。近年來，隨著環(huán)保要求，汽車越來越輕量化，以達到節(jié)省材料和降排放的目的，越來越多的國家發(fā)展新能源和輕量化型汽車。我們也要與時俱進，不斷升級自我，以適應現在時代的發(fā)展，所以，掌握一些必要的輕型汽車制動器的分析、設計計算、優(yōu)化對于我們學生來說很重要。1.2設計的制動系統(tǒng)應達到的要求（1）具有很好的制動效能，能及時停車,在越來越繁忙的交通上，隨時停車是城市上下班高峰常見的，一旦剎車不及時，輕則愛車受損，重則人員傷亡，因此高速有效的制動器是非常有必要的。（2）具有很好的制動效能穩(wěn)定性，不因長時間工作或者涉水等影響失效，目前道路四通八達，也有很多車友喜歡自駕出行，經常去野外要駕駛在山路上，經常要下坡踩制動器，因此設計的制動系統(tǒng)要經得住長時間的比較高強度的考驗，盡量避免熱衰退導致失效：同理，雨天路滑，雨水對制動器也會有一定的潤滑作用，這對制動器是非常不利的影響，因此我們做出來的制動器要有快速消除這種不好影響的能力，保證其工作高效穩(wěn)定。（3）制動時要穩(wěn)定，汽車不跑偏、不失去轉向能力。現在道路越修越好，汽車的車速也越來越快，對高速行駛的汽車，穩(wěn)定非常重要，跑偏一點點就有可能沖出道路，造成嚴重的災難性后果，因此制動器工作時，不應該干涉汽車的行駛方向，保證駕駛的穩(wěn)定。（4）滿足在有坡度的道路長時間穩(wěn)定停車。汽車需要停車，而且不能保證所有的停車地方都是水平的，因此需要有一定的傾斜駐坡能力。（5）滯后時間要短。因為現在車速很快，除了駕駛員快速反應外，制動系統(tǒng)也應該快速的根據指令進行相應的制動，松開踏板應該快速回位解除制動。（6）應該符合人機工程學，操作輕便，讓駕駛員在使用過程中比較舒適，因此踏板的行程不應過大，根據規(guī)范，一般小于150mm。（7）和懸架，轉向等車輪附近的系統(tǒng)不干涉，不影響其他系統(tǒng)的正常工作。（8）制動系統(tǒng)應該能適應多種環(huán)境，不能因為環(huán)境溫度的變化而失效。（9）最好擁有失效報警的電子系統(tǒng)，當管路發(fā)生泄漏，傳遞到制動器的力不足以產生足夠的制動力時，應當報警，使駕駛員提前意識到發(fā)生了故障，及時送去維修，不把有問題的車輛開上公路。（10）使用壽命應該足夠長，對于消耗零件，應該考慮消耗率，避免過度磨損制動盤。（11）應該使用環(huán)保材料，襯片不應該使用對環(huán)境和人體有害的石棉，其他金屬部件在報廢之后可以重新回收利用。1.3制動系統(tǒng)的組成制動系統(tǒng)一般分為制動器和制動驅動機構兩部分，制動器一般是盤式或者鼓式，驅動機構按結構和動力源的不一樣一般分做三種：簡單制動、動力制動和伺服制動。行車制動是駕駛員踩下制動踏板，通過傳遞機構向制動器傳達力。駐車制動通常采用機械結構，通常使用后軸車輪來制動，近些年來，隨著電控技術的發(fā)展，越來越多的車輛在駐車時采用四輪同時制動的方式來獲取最大的制動力。為了保障安全，汽車一般擁有兩套獨立的管路系統(tǒng)保障其中一個失效的話，另一套還能發(fā)揮作用。在大型車上，尤其是經常跑山區(qū)的貨車，應當多裝一套輔助制動系統(tǒng)，防止制動器太熱，導致失效無法制動。相對應簡單的機械制動，使用液壓應該有制動主缸，油管，制動輪缸等，使用氣壓的應該有把發(fā)動機動力轉化的空氣壓縮機，儲存氣罐等等，使用不同的方案具體結構的形式不近相同。如圖1.1所示，這是某汽車的制動系統(tǒng)的簡單結構圖。圖1.11.4制動系統(tǒng)的發(fā)展概況從數據來看，我們的汽車數量非常多，優(yōu)勝劣汰，所以汽車的設計也在與時俱進，從目前了解的資料來看，實際應用汽車主要還是傳統(tǒng)的制動系設計，電子控制技術雖然也在發(fā)展，但是因為一些問題現在暫時無法得到解決而無法應用。首先是驅動能源問題，因為制動時需要比較大的力來使汽車停止，需要的能量比較高，如果采用電子制動，需要很大的電能，單個盤式制動器峰值功率大概1KW，四個制動器就是4KW，目前12V的汽車電路系統(tǒng)，電流高達333A，加上其他的用電系統(tǒng)，用電功率十分的高。如果要使用的話，線束及發(fā)電機等機構就會很大，大大加重了汽車的質量，這對輕量化設計是非常矛盾的。其次就是制動器在連續(xù)制動時容易產生高溫，對電路系統(tǒng)的電線絕緣，以及產生制動力的電動機是一個巨大的挑戰(zhàn)。目前技術還不是很成熟，因此前面的研發(fā)投資是很大的，不利于企業(yè)的資金周轉，影響發(fā)展。因此即使現在電子技術發(fā)達，電制動系統(tǒng)還是沒有能普及。目前，主要實用的發(fā)展趨勢是輕量化，質量較輕的車油耗更少，污染排放少，更符合目前的環(huán)保趨勢，對于電動汽車，輕量化對其續(xù)航有一定的幫助，因此使用新型材料，做更加合理的結構優(yōu)化，是當前發(fā)展的現況。低噪音，汽車制動摩擦難免會產生噪音，研究表明，噪音會嚴重影響人們的生活，因此在進行設計時要注意噪音的控制，使用新型材料，盡管噪音是無法消除的，但是降低制動器產生的噪音還是設計的優(yōu)化趨勢。隨著時代的發(fā)展，我們對汽車的要求也越來越高，以前ABS大多數是中高端汽車的標配，它有效的防止緊急制動時車輪抱死而發(fā)生意外。目前也有比較多低級汽車也能用上，為了讓車企在銷售時更具有性價比，我們需有效的降低成本，因此防抱死系統(tǒng)的降成本問題也值得我們去思考，因此進行汽車制動系統(tǒng)的學習和優(yōu)化設計是很有必要的。汽車的能量回收也是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ恼n題，汽車制動時，大量的動力勢能轉化為摩擦產生的熱能，這個過程造成了大量的能量損耗，而且過熱不僅會影響制動，還使摩擦材料磨損更加嚴重，因此如果可以把這部分能量回收起來重新利用，提高汽車的能量利用率，達到節(jié)能的效果。隨著現在新能源車的發(fā)展，我們可以在車上裝一個電機，在下坡或者需要制動時，通過機構把發(fā)動機與車輪相連接進行發(fā)電，得到的電力可以供車上用電器使用，在新能源電車上，可以把產生的電能充到電池儲存起來，延長續(xù)航里程，一舉多得。隨著5G的發(fā)展，越來越多的的企業(yè)推出無人駕駛技術，這中間的智能識別判斷系統(tǒng)很重要。即使在普通汽車上，我們可以通過傳感器和攝像頭，通過車載電腦把收到的信息分析，智能判斷是否需要剎車。我們都知道機器的反應速度比我們人快，而且不會因為長時間工作而像人類那樣產生疲勞。我們可以安裝傳感器，當汽車距離較近是時發(fā)出警告，如果駕駛員對警告長時間沒有反應，自動系統(tǒng)可以適當減速，避免發(fā)生碰撞危險，這也是未來的一些發(fā)展趨勢。相信技術越來越發(fā)達，我們的制動系統(tǒng)更加完善，車輛更智能。2.制動器的方案論證分析和選型2.1制動器選擇的依據很多因素都影響著制動系統(tǒng)的選擇，我們一般根據汽車的結構，載荷，使用的環(huán)境等，進行設計。在實際使用中，我們應該考慮實際的路面狀況，需要設計出滿足多種狀況的合理的制動器。另外，我們應該考慮實際的應用，考慮相關成本問題，要考慮所使用的材料不應該對環(huán)境有害等因素。2.2制動器的類型目前在汽車上大量使用的制動器都是摩擦式。摩擦式按結構一般可以分為鼓式、盤式和帶式三種。目前帶式制動器一般在傳動軸上的中央制動器；而常見鼓式和盤式也有很多不同的種類，常見的分類如下圖2.1所示：圖2.1汽車制動器幾乎都是摩擦式，利用與車輪連接的旋轉部件與固定部件的兩個工作表面的摩擦產生摩擦力矩使汽車進行制動。一般按照發(fā)生摩擦的位置和結構的不同分為鼓式和盤式兩大類。2.1.1鼓式制動器鼓式制動器按摩擦塊的工作運動方向分為內張型和外束型兩個不同的結構形式，而外束式也叫做帶式制動器，現在汽車上僅用在一些汽車的中央制動器。和盤式相比，因為鼓式結構的先天不足，制動鼓比較封閉，容易排水不及時，影響制動，而且鼓式通風性能不如浮鉗盤式制動器，所以散熱沒有盤式好，容易過熱失效。常見鼓式的結構如下圖2.2所示：圖2.22.1.2盤式制動器盤式制動器的原理是：由制動盤兩邊的制動襯片在促動裝置的作用下壓向制動盤產生摩擦力，進而達到制動效果。按照具體結構不同，一般分可為鉗盤式和全盤式制動器。1.鉗盤式制動器鉗盤式制動器按按制動鉗的結構形式不同分為固定鉗式和浮動鉗式制動器，一般如圖2.3所示：圖2.3（1）固定鉗盤式制動器：如圖2.4，這一類的制動器它的卡鉗靜止不動，工作時卡鉗兩側的液壓缸推動制動塊向制動盤運動，以形成摩擦產生制動力。這種結構的優(yōu)點有：卡鉗本身不需要滑動或者擺動，可以很好的保證制動鉗的強度。但是這種結構的制動器不可以當作駐車制動，需要加一個輔助的制動器，所以可以和鼓式制動器相結合輔助駐車制動，所以在鼓式向盤式過渡時，使用這種結構好。結構和制造工藝與鼓式制動器差不多，容易實現不同類型制動器的過渡和改造，由于有兩個液壓缸，更容易的配合多回路驅動系統(tǒng)。但是因為單個缸的制動器發(fā)展也很成熟了，這種需要兩個制動器進行駐車的繁瑣一點的結構被現在的低成本時代所淘汰了，一般在一些需要高強度制動的賽車但是不需要兼顧日常駐車的還有使用這種定鉗的盤式制動器。圖2.4（2）浮鉗盤式制動器：如圖2.5，這種制動器僅內側有液壓缸，只有這一側的襯塊隨著活塞活動，向外一邊的制動塊固定在卡鉗上在進行制動時，液壓力驅動活塞使靠近活塞的制動塊向制動盤移動，在反作用力下，使外面的制動塊壓向制動盤的另外一側，直到受力均勻，制動塊夾緊制動盤，產生制動力。這種機構僅在內側擁有液壓缸，所以軸向尺寸小。不需要在卡鉗內設置往外側的油道，所以不用擔心制動升溫時液壓油氣化進而對制動產生不好的影響，少一個液壓缸，因此可以減少成本，而且可以兼用駐車制動，不需要獨立設計駐車用的鼓式制動器，花費少，結構更簡單。圖2.42.全盤式制動器在全盤制動器中，摩擦部件和盤都是圓形，制動時摩擦整個圓表面全部接觸，工作原理與摩擦離合器的原理相同。全盤式現在使用的大多是多片全盤式，但是這種制動器零件比較多，結構繁瑣，而且散熱比較差，所以這種原理的制動器在常用汽車上使用比較少。綜合現在的發(fā)展和分析，盤式制動器有這些優(yōu)點：（1）熱穩(wěn)定性好，制動盤高速旋轉，通風能帶走大量的熱，散熱好，沒有像制動鼓那樣受熱膨脹，產生機械衰退現象。（2）水穩(wěn)定性好，容易排水，現在大多數用的鉗盤式制動器不是全包，離心力的作用把水帶走，涉水后很快就能恢復正常。（3）制動力與汽車的前進后退不相干。（4）盤式的大小比鼓式小，可以做到質量小。（5）制動襯塊與盤之間的間隙非常小，作用時間快。（6）襯塊小，拆卸方便，維護更換簡便（7）由于半開放，可以更直觀的看到磨損的情況，便于及時更換，避免過度磨損而導致可能發(fā)生事故。綜上所述，結合本次設計的參考車型的基本參數，以及現在小型汽車制動器的使用情況，因為小型車的速度都比較快，制動時動能比較高，這樣在制動器工作時大量的熱量聚集制動器上，因此我們需要很好的散熱條件，保證制動效果。因為車速快，我們希望制動時方向盡量的穩(wěn)定，所以綜合兩種制動器的相關信息，我這次設計的是前后都是空心盤的盤式制動器。3.制動力的分析和計算3.1參考車型的基本參數名稱數值軸距2750mm整備質量1110kg滿載總重量1435kg滿載前軸分配質量788kg滿載后軸分配質量647kg滿載時質心高度550mm空載時質心高度650mm滿載時質心與前軸距離1240mm滿載時質心與后軸距離1510mm輪胎規(guī)格185/65R15表3.1根據所選車輛的輪胎規(guī)格為185/65R15，查詢相關資料，它的斷面寬度是185mm，扁平率65%，輪輞的直徑是15英寸，則15×25.4=381mm。因此車輪的滾動半徑的計算為：re=(185×65%×2+15×25.)÷3.2地面制動力、制動器制動力和附著系數的關系根據理論力學的學習，我們可以得到以下的車輪受力情況，如圖所示圖3.1汽車制動時，如果忽略路面對車輪的滾動阻力矩與汽車回轉質量的慣性力偶矩，從力矩平衡可以得到:FXb其中FXb為地面制動力，Tμ在制動時，制動器的制動力用Fμ表示。制動器制動力的大小是制動器的結構，摩擦材料摩擦系數還有壓緊襯片的壓力等因素決定的，產生的制動力矩越大，對車輪的反作用力越大。采用液壓或氣壓驅動系統(tǒng)的制動器，踏板力越大，制動力越大，成線性正比關系。踏板力Fp、地面制動力FXb和附著力FFXb或者FXbmax地面附著力受到附著系數的影響，不可能一直增大，當地面附著力達到最大時，汽車獲得最大的制動力，車輪出現抱死不轉的拖滑。但是制動器的制動力可以隨著制動踏板給驅動機構的力加大而繼續(xù)上升，直到達到設計制動器的最大制動力。它們的關系圖如圖3.2：圖3.2忽視空氣阻力和制動時的汽車慣性等外部影響，我們可以得到一個汽車在制動時的受力圖，如圖3.3：圖3.3可以求得地面對汽車前后輪的法向反力FZ1FZ2在公式里，F是地面對車輪的法向反力，N;G是汽車受到的重力，N;a是汽車質量中心到前軸距，mm;m為汽車的滿載質量，kg;hg是質心的高度,mm。汽車在不同的路面行駛，發(fā)生制動，汽車的所有輪胎都抱死的情況下，此時汽車受到最大的地面給車輪的反作用力，F=Gφ或dudt=φgFz1Fz2設計中，使每個車輪都能達到最大的地面附著利用效果，可以認為是理想的設計方案。當汽車前后車輪都抱死，制動器制動力等于附著力，此時的制動力有以下的關系式：Fμ1Fμ1FZ2把上面的3.63.7公式代入3.83.93.10可以得到：Fμ1Fμ1消掉φ可以得到Fμ2以公式3.14繪制曲線，這就是理想的前、后輪的制動器制動力分配曲線，I曲線。目前大多數汽車的前后制動力之比是確定的數，，一般是前制動力與總制動力的比，叫做制動器分配系數：β=FFμFμ1=βFFμ1設Fμ2=A(tanα=這條曲線就是實際的前、后制動力的實際分配曲線，叫做β線利用計算機Excel表格進行出圖表，使Fμ1從0開始，每次增加1000N直到120000N，代入公式3.14，可以得到以下的I曲線的圖。通過Fμ1、具體如圖3.4所示：圖3.4這是汽車在固定的φ值的路面上的理想分配曲線，然而理想是很美好的，現實的汽車不可能總在同一種路面上行駛，因此路面的附著系數是隨時變化的，我們需要根據汽車的具體行駛路面做具體的分析。3.3同步附著系數的分析與選擇由汽車理論課本我們知道同步附著系數的計算公式是：φ0同步附著系數表明，制動力分配比值一定的汽車只有在φ=φ（1）當φ<φ0（2）當φ>φ（3）當φ=φ在我們的學習中，我們知道車輪抱死對汽車行駛穩(wěn)定都是不好的，最好的結果就是保證車輪運動，最大制動到即將抱死的時刻，使汽車能夠達到最大而穩(wěn)定的制動強度，因此需要我們盡可能好的選擇φ0目前的公路條件越來越好，汽車的行駛速度也快，因此側滑是很危險的，所以我們要盡可能的避免發(fā)生這種情況。φ0的取值是一個綜合性的問題，從我設計需要的角度，我選取的φ0比較大，防止側滑發(fā)生。通過查詢大量的資料，我發(fā)現小車一般的同步附著系數選取范圍是0.65-0.8左右，因此我這次設計的φβ=代入數據得β=0.7因為現在的小轎車的發(fā)動機、變速器等主要結構都安裝在前倉，汽車的質心也比較靠前，制動時前輪受到的力更大。而且汽車在制動過程中，因為慣性的作用，前輪的負荷更加大，尤其是速度比較快的時候，慣性更大，前軸有可能達到70%或更多的負荷，因此我計算出的分配系數0.7，把70%的制動力給到了前軸，更加容易滿足因為慣性造成前輪需要更大制動力的情況，設計合理。3.4最大制動力矩汽車在獲得最大的附著利用的情況下得到最大的制動力，這個時候前后車輪都抱死，這時候的計算公式為：Tf1maxTf2max其中φ是汽車能達到的最大附著系數我們的車輛在路面良好的道路上行駛，所以φ=0.8，所以前后軸都抱死的時候獲得最大的制動力矩。車輪的有效半徑為311mm，代入車輛的數據得TT3.5利用附著系數和制動效率為了汽車的穩(wěn)定性，我們要盡量避免出現車輪抱死的危險情況，所以我們把即將出現車輪抱死的時候的制動減速度最為制動器能產生的最高減速度。汽車在同步附著系數的的路面上行駛，發(fā)生制動時，前輪，后輪都能同時抱死，這個時候的制動強度q=φ0，說明在這種路上的附著力利用效率最大。但是很多時候我們都不能完美的在同步附著系數的路上，因此制動強度都比地面附著系數小，即q<φ，為了制動力分配更合理，我們需要讓φ前軸的利用附著系數公式：設汽車的最高減速度為dudtFμ1由FZ1所以前軸利用附著系數φf同理后軸FXbFZ2所以后軸利用附著系數φr=FXb2因為路面φ=0.8，比φ0根據資料，汽車的前軸制動效率的公式是：Ef同理，后軸為：Er利用3.22–3.29的公式，通過學習和參考一些相關資料，我們利用計算機可以得到在不同的φ值和不同制動強度時的利用附著系數和制動效率的值，把它們描繪成圖，并結合ECE法規(guī)，可以得到一個綜合的圖像，如圖3.1所示：其中，ECE制動法規(guī)根據行業(yè)標準，φ=0.2?0.8的各類汽車，制動強度要滿足q≥0.1+0.85(φ?0.2)對轎車來說，q在0.3-0.4范圍，后軸利用附著系數曲線低于直線φ=q+0.05的情況下，后軸利用附著系數曲線可以在前軸曲線上。圖3.1根據所得到的圖像，我們可以看到所有的曲線都在ECE法規(guī)范圍內，說明設計的制動器制動力分配比較合理，能夠滿足ECE法規(guī)的要求。4.制動器的設計計算4.1制動盤的設計4.1.1制動盤的材料和結構制動盤一般是由摩擦性能良好的珠光體灰鑄鐵或者合金鑄鐵制成的，通常采用的牌號不低于HT250以保證足夠的強度和摩擦性能。這次設計用的制動盤由灰鑄鐵鑄造而成，制動盤的結構有平板式的，一般和全盤式制動器使用，還有一種是禮帽的形式，這種一般與浮動鉗盤制動器配合使用。因為我選用的制動器是浮動鉗盤式，所以制動盤采用禮帽的結構。通過螺栓去和輪轂相連接，為了更好的散熱，使用通風式。因為制動盤與襯塊之間的間隙很小，因此制動盤需要精加工，表面粗糙度一般小于0.06mm。4.1.2制動盤的直徑D制動盤的直徑要大一點，這樣摩擦的面積就會大一些，在達到相同制動力矩的情況下，壓緊力可以小一些，也為了散熱。當然制動盤不可能太大，它要與輪輞相匹配，一般設計的取值為輪轂的70%-79%，我這次設計的輕型汽車的質量為1.5噸，質量相對較小，因此選擇75%，根據車輪的型號為185/65R15，輪輞直徑15英寸，因此D=15x25.4x75%=285.75mm，根據查行業(yè)標準JB/T7019-2013，我們選用直徑280mm的標準制動盤。表4.14.1.3制動盤的厚度為了散熱，我們希望散熱面積盡量大一些，但是考慮輕量化，制動盤質量不應該太大，因此要衡量好散熱和質量上的考慮。制動盤通常有實心和空心的，雖然實心盤厚度可以小一些，但是多一點通風道的空心盤散熱更佳。因為考慮更好的散熱，本次選用的是在制動盤是通風式，根據行業(yè)慣例采用較多的是20~30mm，我選用的是30mm的通風制動盤。4.1.4制動襯塊的參數以前的襯塊采用石棉纖維與樹脂粘結劑，配合其他的一些調整摩擦性能的材料一起混合而成，然而由于石棉帶來較大的環(huán)境污染并且對人體有毒害，已經被禁用。因此，宜采用無石棉，無重金屬的新摩擦材料來制造制動塊。摩擦襯片的摩擦工作面積的推薦值在1.6-3.5kg/cm2，為了更好的制動效果，我選擇上極限，即3.5kg/cm2，因此工作面積A=1435÷3.5=410cm2。即單個制動襯塊的面積為410÷8=51.25cm2。圖4.1因為制動盤直徑280mm，因此襯塊的外半徑R2可以取135mm，內外徑的比值不宜偏大，偏大容易導致磨損不均勻，導致制動力矩變化大，因此推薦外半徑與內半徑比值不大于1.5，根據所得的工作面積，以及外徑，并選取常見的扇形襯片，選襯片的角度為60°，得R1=92mm，R襯塊的厚度根據GB5763-2008《汽車用制動襯片》標準，取厚度為13mm,公差為±0.4mm。我這次設計的是擺動盤式制動器，因此襯塊是楔形，傾斜角為6°。對于扇形的摩擦襯片，其平均半徑Rm=R1+R22扇形表面積中心到制動盤中心的距離的計算為R其中m=R1/代入數據，得Re襯塊的作用半徑一般等于平均半徑或者有效半徑。由于制動時摩擦會使襯塊的摩擦材料磨損，為了避免摩擦材料耗盡而使底板與制動盤接觸，造成制動盤磨損，因此要定期檢查剩余量?，F代汽車一般安裝電子傳感器，當襯塊磨損到警報值使，傳感器發(fā)出信號，提醒司機注意要更換，避免底板摩擦制動盤，造成損壞。4.2工作間隙的調整盤式的工作間隙很小，在0.05mm到0.15mm，而且過熱發(fā)生膨脹時也是向徑向方向，基本不會產生影響。最簡單的調整結構就是活塞與殼體之間有一個密封和回位作用的斜角橡膠圈，制動時，膠圈發(fā)生形變，而且這個能力是比較有限的，只能回復設定的間隙值。如果襯片磨損，壓力就會把活塞向前推，密封圈因為受到缸體上開槽的限制，不會向前移動，等壓力消失時，活塞就會恢復密封圈的變形量，就是剛剛開始設定的間隙。這個過程會因為襯片不斷磨損活塞不斷的慢慢靠近制動盤。為了保證良好的制動效能和合理的制動間隙，應當定期檢查車輛的制動系統(tǒng)以保證安全。4.3襯片摩損特性的計算襯片的磨損受很多因素的影響，理論上要計算磨損性能是很困難的。實驗表明，影響磨損的最主要因素是摩擦表明的溫度和摩擦力。我們知道制動器工作時，把大量的動能轉化為摩擦的熱能，工作時襯塊的溫度就會急速上升，因此我們需要快速散熱，需要選擇散熱能力好，而且在制動器溫度上升是盡可能少的發(fā)生形變高溫材料，使制動器即使在短時間較高溫度下也能穩(wěn)定工作。制動器短時間內溫度上升越大，負荷越大，制動器的摩擦襯片磨損就越嚴重。一般通過比能量耗散率這個世界上常用的指標來進行校核。雙軸汽車單個前輪和后輪的比能量耗散率的計算方法為：根據相關文獻汽車制動的初速度，乘用車取V1=100km/h即27.8m/s，緊急制動至停車，則V據有關文獻推薦，計算時取減速度，制動時按照汽車緊急剎車到停車的時間計算：。將數據帶入公式得：汽車比能量耗散率不宜太高，過高會使襯塊磨損過快，降低襯塊壽命，增加維護成本。一般要求盤式制動器的比能量耗散率要小于6W/mm2，我們計算得出前輪盤式制動器的比能量耗散率為：，后輪盤式制動器的比能量耗散率：。本次設計的前后制動器的比能量耗散率都在要求范圍內。5.制動器性能分析5.1制動效能的計算汽車的制動性主要有三個方面的評價，分別是制動效能，制動效能的恒定性和制動時汽車的方向穩(wěn)定性。通過汽車理論課本的學習，我們比較容易計算的是制動效能，可以通過相關公式計算制動時的減速度和制動距離。制動效能表示汽車制動時減低車速直到完全停止的能力，這個涉及到制動踏板踩下到發(fā)生減速度的時間，跟汽車行駛的路面附著系數息息相關。我們得到最大的減速度的時候，表明汽車完全利用了地面的反作用力，由此我們可以得到最大的制動力的最大制動減速度amax=dva所以根據相關公式，可以得到制動的距離SS=在這個式子里，t1表示制動器滯后的時間，t2是制動力增加到最大所需要的時間，所以它們加起來t1+tS=按照標準，在φ≥0.7的路面上，任何載荷的汽車在初始速度50km/h的情況下進行最大制動力的緊急制動，制動距離不應該大于20m，制動減速度要大于5.9m/s由這條公式的運算過程，我們不難看到如果可以縮短反應時間或者增大制動減速度，都可以使最終的制動距離減小。但是因為路面能夠反饋的作用力和司機的反應時間是有限的，我們很難提高減速度，但是我們可以通過優(yōu)化制動系統(tǒng)，可以有效降低制動器作用的滯后時間，提高制動器的反應性能?？梢酝ㄟ^驗算，當我們把式中的反應時間縮短到0.2s時，汽車緊急制動的距離S=這樣就意味著汽車從行駛到停止減少了4米，這樣可以給駕駛員有更多的反應空間。改進制動系統(tǒng)結構，減少滯后時間，是縮短制動距離的一項有效措施。5.2汽車駐車制動的計算校核如圖5.1所示，這是汽車在上坡路上駐停時的受力圖情況：圖5.1根據圖片受力情況的分析，我們可以得出汽車在上坡停駐時后橋的附著力：F同理，亦可以推導出汽車在下坡停駐時后橋的附著力：F根據后軸車輪附著力與制動力相等的條件，可求得汽車在上坡和下坡路上的縱向穩(wěn)定性的極限坡度傾角α和α1m求得汽車在上坡路上停駐的極限傾角為α=arctan同理，也可以推導出汽車在下坡路上停駐的極限傾角：α其中，汽車是在良好的城市路面，所以φ取0.8.按照規(guī)范，汽車的最大停駐坡度應當大于9.1°?11.3°，因此，根據計算得到的結果，該制動器滿足一般要求。本章小結：通過計算制動器的制動效能，汽車在坡度的路面上停止不動的極限角度，我們可以得到結論，這個制動器的設計參數是符合相關要求的，能夠滿足現狀下的安全法規(guī)，安全性有保證。6.制動驅動機構的選型和設計計算6.1制動驅動機構的形式驅動機構是把人或其他動力源的力通過一些裝置，如油管或鋼絲等機械構造把力傳遞到制動器上，通過制動器產生制動力矩。按照產生控制或者驅動的輔助動力的不同，一般分為三大類，簡單制動，動力制動以及伺服制動。簡單制動是最常見的一種方式，因為結構簡單，故障率非常低，被大量應用在駐車制動上。由于僅靠人力驅動，在質量大的車上無法保證制動力，而且在結構上，如果采用機械的方式，由于機械傳遞效率較低，傳動比小，要保證正確的前、后軸制動力比和左、右平衡是很困難的，所以因為這些原因，在汽車行車制動系統(tǒng)里已經不再使用了。只用作小型汽車的駐車制動。簡單制動的液壓形式由人力直接對液壓缸施加力，通過液壓油向制動器傳遞力矩，這種結構的優(yōu)點是作用滯后時間短，有自潤滑的作用。但是由于管路較長，壓力較大，駕駛員操作起來不輕松，不夠簡便，而且制動液過度受熱會產生氣化，極大的影響制動效果，甚至發(fā)生失效，由于不夠安全，以及操作不夠省力，基本沒有新型車采用這種形式。動力制動由發(fā)動機提供動力，駕駛員通過制動踏板控制回路的控制部件來控制輸出到制動器上的力。氣壓制動是應用最廣泛的動力制動系統(tǒng)，操作簡便，工作可靠，維修保養(yǎng)方便，其氣壓除了制動可以用還可以用在汽笛上，但是其缺點也比較明顯，需要氣體壓縮機及其儲存機構，結構比較復雜，質量較大，成本較高。因為氣體具有可壓縮的性質，作用時間比液壓稍微慢一點。因為氣體力源機構比較大，通常用在質量8噸以上的商用車上，因為氣路連接簡便，汽車列車也多采用這種形式。氣頂液制動系統(tǒng)靠氣壓推動制動液來進行制動，兼顧氣壓與液壓兩者的優(yōu)點，但是結構復雜，需要兩套系統(tǒng)協(xié)同作用，成本高，全液壓動力制動主要有兩種形式，開式和閉式。由發(fā)動機驅動制動液的流動，閉式要保持高液壓，一旦發(fā)生泄漏，影響制動的安全性。因為結構復雜，需要較多的精密部件，應用比較少，僅一些高級車輛或特種車輛會用到。伺服制動是一直可以把人產生的踏板力和發(fā)動機提供的動力結合起來一起傳遞到制動器的驅動系統(tǒng)，這樣做的好處是當動力助力發(fā)生故障失效時，可以僅靠人力驅動也產生一定的制動力來保證安全。主要分為三種形式：真空伺服制動系統(tǒng)，空氣伺服制動系統(tǒng)和液壓伺服制動。前兩個的工作原理類似，區(qū)別在于真空伺服是采用真空負壓力，空氣伺服采用高壓空氣的正壓力。液壓伺服制動由于要充滿高壓制動液，對結構管路要求較高，因此成本比較高，但是液壓具有比氣壓更短的作用滯后時間，因此多用于高級轎車。綜上分析所述，結合所選的車型，綜合使用情況和成本上的一些基本問題，這次設計的驅動系統(tǒng)使用真空伺服的方式。6.2制動管路系統(tǒng)制動系統(tǒng)對汽車的行駛安全極其重要，因此其管路系統(tǒng)也一樣需要做到安全可靠，即采用分路系統(tǒng)，全車的氣壓或者液壓系統(tǒng)采用兩個或更多獨立回路系統(tǒng)，好處是當其中一個系統(tǒng)失效時，另一套還能正常發(fā)揮作用，確保行車制動安全。目前常見的雙軸汽車的回路系統(tǒng)常見形式如圖6.1所示：圖6.1其中圖(a)，是一軸對一軸（Ⅱ）型，前軸制動器用一條管路系統(tǒng)，后軸制動器用另一條管路系統(tǒng)，如圖，因為其布置形式我們形象稱之為Ⅱ型。它的結構簡單，布置容易與車架相配合。圖（b）如圖所示，它的布置形式像字母X一樣，車輪對側的制動器使用同一套管路，這樣做的好處是如果有一條管路發(fā)生故障，另外一條管路可以保證50%的的制動力，從而保證安全。缺點是會導致制動力不對稱，高速行駛時容易發(fā)生事故。圖（c）前輪與兩條制動管路相連接，后軸僅與另一條管路相連接，從布置形式上看起來像字母HI，因此也稱為HI型。圖（d）兩個回路同時對前輪起作用，對后輪兩個管路分別控制一側，稱之為LL型管路圖（e）每個回路均對前、后制動器的半數輪缸產生作用，如圖稱之為HH型。每種管路均有它們的特點，共同的特點都是有一個回路失效時，另一個也能發(fā)揮作用，都符合汽車設計的要求，其中II型因為非常簡單，可以與傳統(tǒng)的制動器配合使用，因而使整個制動系統(tǒng)花的錢比較少，得到了大量的應用。X型因為故障會導致制動力不平衡，制動方向穩(wěn)定性不夠好，因此僅用于主銷偏移距為負20mm以上的車輛，車輪反轉，達到相對平衡。HI、HH、LL型，它們的結構比較復雜，但是即使失效了一個回路，制動效果也比較好。綜上所述，結合所選車型，綜合其優(yōu)缺點，參考經濟性，因此這次設計我選用的是簡單的II型回路。6.3制動輪缸的直徑假設整個制動器都能發(fā)生充分的摩擦，壓力均勻分布，所以有制動器的制動力矩為M對于這條公式，f是摩擦襯片的摩擦系數，我們希望得到足夠的摩擦力，但是并不是越大越好，容易磨損制動盤，一般取0.4。F0因為是單個的液壓缸的制動器，所以制動器的最大力矩等于液壓缸的力矩，根據第三章計算得前軸最大制動器制動力矩：

T后軸最大制動器制動力矩：T所以有F0=Tfmax制動輪缸的直徑用D表示，它與輪缸對制動塊的制動力F和輪缸中的液壓力p的關系如下：D=管路壓力一般是10-12MPa，通常我們采用12MPa即可。代入數據，可以得到前輪的直徑D1=53.98mm根據HG2865-1997標準的尺寸系列有19mm、22mm、24mm、25mm、28mm、30mm、32mm、35mm、38mm、40mm、45mm、50mm、55mm，因此我們選用的尺寸前制動器的的直徑是D1=55mm6.4制動主缸的直徑一個輪缸時的工作容積有以下計算Vi=π4D2δ，在盤式制動器一般取δ=0.5mm主缸活塞的行程S0和活塞直徑dV一般S0=(0.8?1.2)d6.5制動踏板力制動踏板力公式為：F=根據一般制動踏板機構的傳動比為4~7，我們選用i=5，機械效率取0.85，在12MPa的液壓管路下，代入數據，得到最大的踏板力結果為800N。我們可以看到比一般的乘用車的設計標準500N要大，駕駛員操作需要的力很大，所以這個制動器應該要使用助力裝置讓駕駛員不感到吃力的情況使制動器到達最大的制動力。助力大小選這500N，所以這個制動踏板的力為300N，符合設計常規(guī)取值200N～350N。6.6制動踏板的行程SS=i(根據6.4主缸的活塞行程S0=19mm，主缸推桿和活塞的間隙一般取δ01=1.5-2.0mm，我選取2mm，活塞的空行程δ本章小結，通過對比各個管路的結構及其優(yōu)缺點，最終選擇簡單常用的II型管路。根據第三章、第四章計算的最大制動力矩和制動器的相關參數，根據計算公式，得出液壓缸的尺寸，制動踏板的力和行程，通過大量的參考資料和設計慣例，得出設計的制動器符合設計要求。總結這次畢業(yè)設計是對我們能力的一次測試，在這次設計里，我主要根據選擇的總重量1.5噸的車輛，根據參考車型查詢大量的資料，通過比較各個結構的好處和缺點，選擇了合適自己設計的基本結構類型。通過力學的相關知識，對汽車所受到的路面反力，通過力的作用是相互的計算出制動器的制動力計算制動器的制動力矩，制動制動減速度，校核制動效能、駐車制動坡度、襯片的磨損特性等。通過查詢相關標準質量，對所算得的力進行相關校核，通過對比，得出設計的制動器是符合相關法規(guī)的結論。當然，在設計過程中也遇到了重重困難，在設計中主要遇到的困難是制動力分配系數和同步附著系數的選取，因為這兩個系數關系著很多計算，一旦選取不合理，將導致整個設計也會不符合規(guī)范。在這個選擇上，我積極和組內的同學和老師溝通討論，老師叫我通過matlab程序進行優(yōu)化，但是由于自身學習不夠好，沒有能夠很好的完成這個問題。通過這次，我深刻認識到自己缺點，以后將更加勤快努力的學習。在做三維圖的時候，平時的訓練比較少，對軟件不夠熟悉，在畫圖的時候比較慢，這也是我需要努力做好的地方，為了以后的工作，我會加倍努力的學好本專業(yè)的軟件知識。通過這次畢業(yè)設計，讓我有許多感悟。首先是知識學到的遠遠不夠，都說活到老學到老，通過這次檢驗，把我很多的不足都顯現了出來，這樣我就可以根據發(fā)現的問題進行改進，也為我后面的工作奠定的很好的基礎。其次是在過程中，我與組內的同學溝