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盘式制动器设计毕业设计
汽车工程
目录
第一章 绪 论 1
1.1制动系统概述 1
1.1.1汽车制动系统的功用及其组成:
2
1.1.2制动系的一般工作原理 3
1.1.3制动系的类型 5
1.1.4汽车制动器设计要求 6
1.2汽车制动系统的研究现状及发展趋势 9
第二章 制动器的结构型式方案分析与选择 11
2.1汽车制动器形式方案分析 11
2.1.1盘式制动器 11
2.1.2鼓式制动器 15
2.2制动驱动机构的结构型式选择 16
2.2.1简单制动系 16
2.2.2动力制动系 16
2.2.3伺服制动系 17
2.3制动主缸型式 18
2.4制动管路型式选择 19
2.4.1 II型回路 20
2.4.2 X型回路 20
2.4.3其他类型回路 21
2.5制动系统布置型式 21
第三章 制动系统主要参数及其设计计算 22
3.1参考车型制动系相关主要参数数值 22
3.2同步附着系数分析 22
3.3法向力及制动力矩分配系数 23
3.4制动强度和附着系数利用率 26
3.5附着力的计算 27
1
52
3.6制动器制动力及制动力矩的计算 28
3.7前轮盘式制动器制动因数 28
3.8前轮盘式制动器参数设计计算 29
3.9制动器磨损特性热容量及温升计算 30
3.9.1盘式制动器磨损特性计算 30
3.9.2制动器的热容量和温升的核算 31
3.9.3盘式制动器制动力矩的校 32
第四章 制动器主要零部件的结构设计 35
4.1制动盘 35
4.2制动钳 35
4.3制动块 36
4.4摩擦材料 36
第五章 液压制动驱动机构的设计计算 38
5.1前轮制动轮缸直径与工作容积的设计计算 38
5.2制动主缸与工作容积设计计算:
39
5.3制动踏板力与踏板行程 40
5.3.1制动踏板力
Fp
......................................................................................................40
5.3.2制动踏板工作行程 xp 40
第六章 制动性能分析计算 42
6.1制动性能评价指标 42
6.2制动器制动力分配曲线分析 43
6.3制动减速度的计算 44
6.4驻车制动计算 45
结 论 47
致 谢 48
参考文献 49
附录 50
2
第一章 绪 论
1.1制动系统概述
汽车制动器是用以强制行驶中的汽车减速或停车、 使下坡行驶的汽车的车速保持稳定以及使已停止的汽车在原地 (包括在斜坡上)驻留不动的机构。
随着高速公路的迅速发展和车速的提高以及车流密度的日益增大,为了保证行车安全,汽车制动系的工作可靠性显得日益重要。
也只有制动器性能良好、制动系工作可靠的汽车,才能充分发挥其动力性能。
1.1.1 汽车制动系统的功用及其组成:
1)制动系的功用:
(1)使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车 .
(2)使已停驶的汽车在各种道路条件下 (包括在坡道上)稳定驻车.
(3)使下坡行驶的汽车速度保持稳定。
2)制动系的组成:
(1)供能装置:
也就是制动能源,包括供给、调节制动所需能量以及各个部件,产生制动能量的部分称为制动能源。
(2)控制装置:
包括产生制动动作和控制制动效果的部件。
(3)传动装置:
包括把制动能量传递到制动器的各个部件。
(4)制动装置:
产生阻碍车辆运动或者运动趋势的力的部件。
汽车的制动装置又可分为行车、驻车、应急和辅助制动四种装置。
1.1.2制动系的一般工作原理
行驶中的汽车具有一定的动能。
根据物理学知识,汽车的动能
k
E=1/2(1+δ)mv2 (1-1)
式中:
m为汽车的重质量;v为汽车的行驶速度;δ为考虑汽车回转部件动能的系数。
3
图 1.1
汽车行车制动减速度实质上就是要耗散汽车的动能 Ek耗散动能最简便的方法就是通过摩擦将动能变成热能扩散到大气中去。
一个简单的制动系统如图 1.1所示,用以说明系统的工作原理。
他由制动器和液压传动机构组成。
车轮制动器主要由旋转部分、固定部分和张开机构组成。
旋转部分是制动鼓,他固定在车轮轮毂上,随车轮一起旋转,它的 工作面是内圆柱面。
固定部分包括制动蹄和制动底板等,制动底板用螺栓与转向节凸缘(前轮)或桥壳凸缘(后轮)固定在一起。
在固定不动的制动底板上,有两个支撑销,支承着两个弧形制动蹄的下端。
制动蹄的外圆面上装有摩擦片,上端用制动蹄回位弹簧拉紧压靠在轮缸活塞上。
制动蹄可用凸轮或液压轮缸等张开机构使其张开。
液压轮缸也安装在制动底板
上。
传动机构主要由制动踏板、推杆、制动主缸、制动轮缸和油管等组成。
装在车架上的制动主缸用油管与制动轮缸相连通。
制动主缸活塞由驾驶员通过制动踏板来操纵。
(1)制动系不工作时,制动鼓的内圆面与制动蹄上摩擦片的外圆面之间有一定的间隙,车轮和制动鼓可以自由旋转。
(2)制动时,驾驶员需踩下制动踏板,迫使制动主缸内的油液流入制动轮缸,推动两制动蹄绕支承销转动, 使制动蹄摩擦片紧贴到制动鼓内圆面上。
这样,制动鼓上便产生摩擦力矩 Mu阻止车轮转动。
其方向与车轮旋转方向相反。
制动鼓将该力矩传到车轮后,由于车轮与路面间的附着作用, 车轮即对路面作用一个向前的周缘力Fμ。
同时,路面也会给车轮一个反作用力 FB,方向与汽车行驶方向相反。
这个力就是车轮受到的制动力。
各车轮上制动力的和就是汽车受到的总制
4
动力。
制动力由车轮经车桥和悬架传给车架及车身,迫使整个汽车产生一定的减
速度,甚至停车。
由于车轮与地面间的附着左右,路面上产生了切向反作用力
FB。
FB一方面要迫使车轮继续滚动,造成制动蹄与制动鼓间相对运动而产生摩擦,消耗汽车的动能;另一方面它又作为制动力促使整个汽车减速行驶。
(3)解除制动时,放松制动踏板,在回位弹簧的作用下,制动蹄回到原位。
同时蹄鼓间隙得到恢复,因而制动作用被解除。
1.1.3制动系的类型
制动系根据功用、能源等不同可分为以下几类:
(1)按制动系统的作用
制动系统可分为行车制动系统、 驻车制动系统、应急制动系统及辅助制动系统等。
用以使行驶中的汽车降低速度甚至停车的制动系统称为行车制动系统; 用以使已停驶的汽车驻留原地不动的制动系统则称为驻车制动系统; 在行车制动系统失效的情况下,保证汽车仍能实现减速或停车的制动系统称为应急制动系统;
在行车过程中,辅助行车制动系统降低车速或保持车速稳定,但不能将车辆紧急制停的制动系统称为辅助制动系统。
上述各制动系统中,行车制动系统和驻车制动系统是每一辆汽车都必须具备的。
(2)按制动操纵能源
制动系统可分为人力制动系统、 动力制动系统和伺服制动系统等。
以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系统称为人力制动系统; 完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制动的系统称为动力制动系统; 兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统称为伺服制动系统或助力制动系统。
(3)按制动能量的传输方式
制动系统可分为机械式、液压式、气压式、电磁式等。
同时采用两种以上传能方式的制动系称为组合式制动系统。
(4)按传能介质的传输回路方式
制动系统可分为单回路制动系和双回路制动系。
5
1.1.4汽车制动器设计要求
(1)能适应有关标准和法规的规定。
各项性能指标除应满足设计任务书的规定和国家标准、法规制定的有关要求外,也应考虑销售对象国家和地区的法规和用户要求。
我国的强制性标准是 GB12676-1999《汽车制动系结构、性能和试验方法》、GB7258《机动车运行安全技术条件》。
(2)具有足够的制动效能,包括行车制动效能和驻坡制动效能。
行车制动效能是用在一定的制动初速度下或最大踏板力下的制动减速度和制动距离两项指
标来评定,它是制动性能最基本的评价指标。
表 1-1给出了欧、美、日等国的有关标准或法规对这两项指标的规定。
表1-1 欧、美、日等国的制动效能标准
标准名称 适用车型 制动初速
最大踏
制动距离
制动减速
0.15v+
轿车与客车:
座位数(包括司机) 80
8
500
0.1v+
v2
150
5.8
座位数>8 和总质 80
量>5t
500
0.15v+
v2
130
5.0
6
续表1-1
瑞典制动法规
总质量 3.5t
80
500
5.8
总质量>3.5t
60
700
5.0
日本制动标准
JASO6913-
货车和客车:
减速度
73
TA级
700
0.5g
TB级
800
0.5g
TC级
900
0.5g
TD级
900
0.4g
(3)工作可靠。
汽车至少应有行车制动和驻车制动两套制动装置,且它们的制动驱动机构应是各自独立的。
行车制动装置的制动驱动机构至少应有两套独立
的管路,当其中一套失效时,另一套应保证汽车制动效能不低于正常值的 30%;驻车制动装置应采用工作可靠的机械式制动驱动机构。
(4)制动效能的热稳定性好。
汽车的高速制动、短时间内的频繁重复制动,
尤其是下长坡时的连续制动,都会引起制动器的温升过快,温度过高。
特别是下长坡时的频繁制动,可使制动器摩擦副的温度达300℃~400℃,有时甚至高达700℃。
此时,制动摩擦副的摩擦系数会急剧减小,使制动效能迅速下降而发生
热衰退现象。
制动器发生热衰退后,经过散热、降温和一定次数的和缓使用使摩擦表面得到磨合,其制动效能可重新恢复,这称为热恢复。
提高摩擦材料的高温摩擦稳定性,增大制动鼓、盘的热容量,改善其散热性或采用强制冷却装置,都
是提高抗热衰退的措施。
一般要求在初速为最高车速的 80%时,以约0.3g 的减速度重复进行 15~20次制动到初速度的 1/2的衰退试验后,其热态制动效能应达到冷态制动效能的 80%以上。
(5)制动效能的水稳定性好。
制动器摩擦表面浸水后,会因水的润滑作用使
摩擦系数急剧减小而发生所谓的“水衰退”现象。
一般规定在出水后反复制动 5~
15次,即应恢复其制动效能。
良好的摩擦材料吸水率低,其摩擦性能恢复迅速。
也应防止泥沙、污物等进入制动器工作表面,否则会使制动效能降低并加速磨损。
某些越野汽车为了防止水和泥沙侵入而采用封闭的制动器。
(6)制动时的操纵稳定性好。
即以任何速度制动,汽车都不应当失去操纵性
和方向稳定性。
一般要求在进行制动效能试验时,车辆的任何部位不得偏出 3.7m
7
的试验道。
为此,汽车前、后轮制动器的制动力矩应有适当的比例,最好能随各
轴间载荷转移情况而变化;同一轴上左、右车轮制动器的制动力矩应相同。
否则当前轮抱死而侧滑时,将失去操纵性;后轮抱死而侧滑甩尾,会失去方向稳定性;当左、右轮的制动力矩差值超过15%时,会发生制动时汽车跑偏。
(7)制动踏板和手柄的位置和行程符合人机工程学要求,即操作方便性好,
操纵轻便,舒适,能减少疲劳。
踏板行程:
对轿车应不大于 150mm;对货车应不大于170mm,其中考虑了摩擦衬片或衬块的容许磨损量。
制动手柄行程应不大于
160~200mm。
各国法规规定,制动的最大踏板力一般为 500N(轿车) ~700N(货车)。
设计时,紧急制动(约占制动总次数的 5%~10%)踏板力的选取范围:
轿车为200~300N;货车为350~550N,采用伺服制动或动力制动装置时取其小值。
应急制动时的手柄拉力以不大于 400~500N为宜;驻车制动的手柄拉力应不大于
500N(轿车) ~700N(货车)。
(8)作用滞后的时间要尽可能地短,包括从制动踏板开始动作至达到给定制
动效能水平所需的时间(制动滞后时间)和从放开踏板至完全解除制动的时间 (解除制动滞后时间)。
一般要求这个时间尽可能短,对于气制动车辆不得超过 0.6s,对于汽车列车不得超过 0.8s。
(9)制动时不应产生较大的振动和噪声,制动时不应有异响。
(10)与悬架、转向装置不产生运动干涉, 在车轮跳动或汽车转向时不会引起自行制动。
(11)制动系中应有音响或光信号等警报装置以便能及时发现制动驱动机件的故障和功能失效;制动系中也应有必要的安全装置, 例如一旦主、挂车之间的连接制动管路损坏,应有防止压缩空气继续漏失的装置; 在行驶过程中挂车一旦脱挂,亦应有安全装置驱使驻车制动将其停驻。
(12)能全天候使用,气温高时液压制动管路不应有气阻现象; 气温低时气制动管路不应出现结冰
(13)制动系的机件应使用寿命长、 制造成本低;对摩擦材料的选择也应考虑到环保要求。
防止制动时车轮被抱死有利于提高汽车在制动过程中的转向操纵性和方向
稳定性,缩短制动距离,所以近年来防抱死制动系统( ABS)和电子制动力分配
8
(EBD)在汽车上得到了很快的发展和应用。
此外,由于含有石棉的摩擦材料存
在石棉有公害问题,已被淘汰,取而代之的无石棉材料。
1.2汽车制动系统的研究现状及发展趋势
1)制动控制系统的现状
当考虑基本的制动功能量,液压操纵仍然是最可靠、最经济的方法。
即使增加了防抱制动(ABS)功能后,传统的“油液制动系统”仍然占有优势地位。
但是就复杂性和经济性而言,增加的牵引力控制、车辆稳定性控制和一些正在考虑用于
“智能汽车”的新技术使基本的制动器显得微不足道。
传统的制动控制系统只做一样事情, 即均匀分配油液压力。
当制动踏板踏下时,主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路, 并通过一个比例阀使前后平衡。
而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压力进行调节。
目前,车辆防抱制动控制系统 (ABS)已发展成为成熟的产品,并在各种车辆上得到了广泛的应用,但是这些产品基本都是基于车轮加、 减速门限及参考滑移率方法设计的。
方法虽然简单实用,但是其调试比较困难,不同的车辆需要不同的匹配技术,在许多不同的道路上加以验证; 从理论上来说,整个控制过程车轮滑移率不是保持在最佳滑移率上,并未达到最佳的制动效果。
滑移率控制的难点在于确定各种路况下的最佳滑移率, 另一个难点是车辆速度的测量问题,它应是低成本可靠的技术, 并最终能发展成为使用的产品。
对以滑移率为目标的 ABS而言,控制精度并不是十分突出的问题,并且达到高精度的控制也比较困难;因为路面及车辆运动状态的变化很大,多种干扰影响较大,
所以重要的问题在于控制的稳定性,即系统鲁棒性,应保持在各种条件下不失控。
防抱系统要求高可靠性,否则会导致人身伤亡及车辆损坏。
因此,发展鲁棒性的 ABS控制系统成为关键。
现在,多种鲁棒控制系统应用到ABS的控制逻辑中来。
除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外,增益调度PID控制、变结构控制和模糊控制是常用的鲁棒控制系统,是目前所采用的
以滑移率为目标的连续控制系统。
模糊控制法是基于经验规则的控制, 与系统的
9
模型无关,具有很好的鲁棒性和控制规则的灵活性,但调整控制参数比较困难,
无理论而言,基本上是靠试凑的方法。
然而对大多数基于目标值的控制而言, 控制规律有一定的规律。
车轮的驱动打滑与制动抱死是很类似的问题。
在汽车起动或加速时,因驱动力过大而使驱动轮高速旋转、 超过摩擦极限而引起打滑。
此时,车轮同样不具有足够的侧向力来保持车辆的稳定, 车轮切向力也减少,影响加速性能。
由此看出,防止车轮打滑与抱死都是要控制汽车的滑移率,所以在 ABS的基础上发展了驱动防滑系统(ASR)。
ABS只有在极端情况下(车轮完全抱死)才会控制制动,在部分制动时,电子制动使可控制单个制动缸压力, 因此反应时间缩短,确保在任一瞬间得到正确的制动压力。
近几年电子技术及计算机控制技术的飞速发展为 EBS的发展带来了机遇。
德国自20世纪80年代以来率先发展了 ABS/ASR系统并投入市场,在EBS的研究与发展过程中走到了世界的前列。
2)制动控制系统的发展
今天,ABS/ASR已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备。
车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展。
一方面是扩大控制范围、增加控制功能;另一方面是采用优化控制理论,实施伺服控制和高精度控制。
经过了一百多年的发展,汽车制动系统的形式已经基本固定下来。
随着电子,特别是大规模、超大规模集成电路的发展,汽车制动系统的形式也将发生变化。
如凯西-海斯(K-H)公司在一辆实验车上安装了一种电 -液(EH)制动系统,该系统彻底改变了制动器的操作机理。
通过采用 4个比例阀和电力电子控制装置, K-H公司的EBM就能考虑到基本制动、 ABS、牵引力控制、巡航控制制动干预等情况,而不需另外增加任何一种附加装置。
EBM系统潜在的优点是比标准制动器能更加有效地分配基本制动力,从而使制动距离缩短 5%。
一种完全无油液、完全的电路制动BBW(Brake-By-Wire)的开发使传统的液压制动装置成为历史。
10
第二章 制动器的结构型式方案分析与选择
2.1汽车制动器形式方案分析
除了辅助制动装置时利用发动机排气或其他缓速措施对长下坡的汽车进行
减缓或稳定车速外,汽车制动器几乎都是机械摩擦式的,即是利用固定元件与旋转元件工作表面间的摩擦而产生制动力矩使汽车减速或停车的。
按照摩擦副中旋转件的不同,可分为盘式和鼓式制动器两大类。
盘式摩擦副的旋转元件是制动盘, 其工作表面是圆盘的端面。
鼓式摩擦副的旋转元件为制动鼓,其工作表面是圆柱面;旋转元件固装在车轮或半轴上, 即制动力矩直接分别作用于两侧车轮上的制动器称为车轮制动器, 一般用于行车制动器。
旋转元件固装在传动系的传动轴上, 其制动力矩经过驱动桥再分配到两侧车轮上的制动器称为中央制动器,一般用于驻车制动器。
2.1.1盘式制动器
按摩擦副中的固定摩擦元件的结构,盘式制动器分为钳盘式和全盘式制动器两大类。
钳盘式制动器的固定摩擦元件是两块带有摩擦衬块的制动块, 后者装在以螺栓固定于转向节或桥壳上的制动钳体中。
两块制动块之间有作为旋转元件的制动盘,制动盘是用螺栓固定于轮毂上。
制动块的摩擦衬块与制动盘的接触面积很小,在盘上所占的中心角一般仅约 30°~50°,因此这种盘式制动器又称为点盘式制动器。
其结构较简单,质量小,散热性较好,借助于制动盘的离心力作用易于
将泥水、污物等甩掉,维修也方便。
但由于摩擦衬块的面积较小, 单位压力很高,摩擦材料面的温度较高,故对摩擦材料的要求较高。
全盘式制动器的固定摩擦元件和旋转元件均为圆盘形, 制动时各盘摩擦表面全部接触。
其工作原理如摩擦离合器,故又称为离合式制动器。
用得较多的是多片全盘式制动器,以便获得较大的制动力。
但这种制动器的散热性能较差, 故多为油冷式,结构较为复杂。
钳盘式制动器按制动钳的结构型式又可分为固定钳式盘式制动器和浮动钳
11
式盘式制动器。
1)固定钳式盘式制动器
固定钳盘式制动器结构如下图 2.1所示,其制动钳体固定在转向节(或桥壳)上,在制动钳体上有两个液压油缸, 其中各装一个活塞。
跨置在制动盘上的制动钳体固定安装在车桥上,它不能旋转也不能沿制动盘轴线方向移动, 其内的两个活塞分别位于制动盘的两侧。
其结构如下图所示;
制动时,制动油液由制动总泵(制动主缸)经进油口进入钳体中两个相通的液压腔中,将两侧的制动块压向与车轮固定连接的制动盘从而产生制动。
当放松制动踏板使油液压力减少时,回位弹簧则将两制动块总成及活塞推离制动盘。
制动钳体
油路中的制动液受制动盘加热易汽化
进油口
制动块
活塞
缺点:
油缸多、结构复杂、制动钳尺寸大。
车桥
制动盘
图2.1固定钳盘式制动器
固定钳盘式制动器的制动钳刚度好, 除活塞和制动块外无其他滑动件。
但由于需采用两个油缸并分置制动盘的两侧, 因而必须用跨越制动盘的内部油道或外部油管来连通。
这就使得制动器的径向和轴向尺寸都较大, 因而在车轮中,特别是车轮轮距小的微型车的前轮中的布置比较困难;需两组高精度的液压缸和活
塞,成本较高;制动产生的热经制动钳体上的油路传给制动油液, 易使其由于温度过高而产生气泡,影响制动效果。
紧凑型中低端轿车从结构和经济性上考虑都
12
不适用固定钳式盘式制动器,故前轮不采纳固定钳式盘式制动器。
2)浮动钳式盘式制动器
浮动钳盘式制动器的制动钳体是浮动的。
其浮动方式有两种,一种是制动钳体可作平行滑动,另一种的制动钳体可绕一支撑销摆动。
但它们的制动油缸都是单侧的,且与油缸同侧的制动块总成为活动的, 而另一侧的制动总成则固定在钳体上。
浮动钳盘式制动器结构如下图 2.2所示,制动钳体通过导向销与车桥相连,可以相对于制动盘轴向移动。
制动钳体只在制动盘的内侧设置油缸, 而外侧的制动块则附装在钳体上。
制动时,液压油通过进油口进入制动油缸,推动活塞及其上的摩擦块向右移动,并压到制动盘上,并使得油缸连同制动钳体整体沿销钉向左移动, 制动盘右侧的摩擦块也压到制动盘上夹住制动盘并使其制动, 直到两侧的制动块总成的受力均等为止。
活塞 制动钳
进油口
导向销
制动块
车桥
制动盘
图2.2浮动钳盘式制动器
浮动钳盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸, 其结构简单,造价低廉,易于布置,结构尺寸紧凑,可将制动器近一步移近轮毂, 同一组制动块可兼用于行车制动和驻车制动。
由于浮动钳没有跨越制动盘的油道或油管, 减少了油液受热机会,单侧油缸又位于盘的内侧,受车轮遮蔽较小,使冷却条件较好。
另外单侧油
13
缸的活塞比两侧油缸的活塞要长, 也增大了油缸的散热面积,因此制动油液温度
比
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