汽车设计课程设计-制动盘改装设计说明书

目 录1.改装课题22.改装课题分析23.改装设计的设计过程33.1.盘式制动器主要参数的确定33.2.摩擦衬片磨损特性计算53.3.制动器主要零部件的结构设计84.设计小结155.参考文献16181. 改装课题（1）通过增大制动盘半径使制动管路压力减小以减轻制动器摩擦衬块的磨损;（2）通过将光盘刹车盘改装成通风盘以增强其散热性。2. 改装课题分析据有关资料介绍，在由于车辆本身的问题而造成的交通事故中，制动系统故障引起的事故为总数的45%。可见，制动系统是保证行车安全的极为重要的一个系统。此外，制动系统的好坏还直接影响车辆的平均车速和车辆的运输效率，也就是保证运输经济效益的重要因素。制动系既可以使行驶中的汽车减速，又可保证停车后的汽车能驻留原地不动。由此可见，汽车制动系对于汽车行驶的安全性，停车的可靠性和运输经济效益起着重要的保证作用。本组对制动器的改装主要从两方面来分析：第一个方面是通过增大制动盘半径使制动管路压力减小以减轻制动器摩擦衬块的磨损，第二个方面是通过将光盘刹车盘改装成通风盘以增强其散热性。制动盘半径的增大带来摩擦衬块作用半径的增大，当汽车制动力矩一定时，更大的作用半径所需的力就越小，故摩擦衬块所受的压力也将更小，那么，制动管路所需的压力更小，摩擦衬块的磨损也将更小。径向通风制动盘，即具有径向通风道的制动盘，是为了提高盘式制动器散热性能而设计的一种新型制动盘。它结构简单，效果良好，因而得到了迅速发展。国外现在已在径向通风的基础上，又发展了具有径向+轴向通风道的制动盘。通过试验证明：如在连续制动持续时间较短或无数次刹车中制动循环周期大于86秒时，径向通风制动盘优于径向+轴向通风的制动盘。试验又指出：径向通风制动盘如采用曲线通风道，又比直线通风道更加优越。采用曲线通风道，能使散热表面积增加30%，产生的稳定制动功率高出直线型12%。在其它条件不变时，以循环周期20秒进行重复刹车，径向曲线型制动盘的温度不仅低于径向直线型，而且也低于径向+轴向型。在15次刹车时，径向曲线型比直线型制动盘温度低90摄氏度。因此，径向曲线型通风道，是我组改装盘式制动器制动盘时首先考虑的型式。下列过程即阐述了我们在改装设计过程中对比亚迪G3前轮制动器的制动盘及其附属零件进行的参数计算和结构设计。3. 改装设计的设计过程3.1. 盘式制动器主要参数的确定3.1.1制动盘直径D本次改装设计的内容是通过增大制动盘半径使制动管路压力减小以减轻制动器摩擦衬块的磨损，但由于整个制动器总成是完全安装在轮辋里面的，所以轮辋的尺寸就对增大制动盘造成限制。原车采用15吋（约为381mm）轮辋，而其制动盘直径为256mm，其与轮辋直径的比值为67.2%。根据相关设计资料介绍，制动盘直径的值一般可取轮辋直径的70%79%，据此，可初步算得制动盘的直径范围： D=273mm综合考虑轮辋结构尺寸、制动钳体外廓尺寸及其在转向节上的安装位置等约束因素，在制动盘直径的取值范围内选取D=273m。 3.1.2制动盘厚度h制动盘厚度h直接影响着制动盘质量和工作时的温升。为使质量不致太大，制动盘厚度又不宜过小。制动盘可以制成实心的，而为了通风散热，又可在制动盘的两工作面之间铸出通风孔道。通常，实心制动盘厚度可取10mm-20mm；具有通风孔道的制动盘的两工作面之间的尺寸，即制动盘的厚度取为20mm-50mm,但多采用20mm-30mm。h=21mm 原车前轮制动器使用的是实心式制动盘（光盘），其厚度为14mm。为了改善该车前轮制动器在制动过程中的散热能力，我们将原有实心式制动盘改为具有中空流道结构的通风盘，根据相关设计资料，选取新制动盘的厚度为21mm。3.1.3摩擦衬块内半径与外半径=90mm=135mm原车前轮制动器使用的是实心式制动盘（光盘），其外半径为125mm，内半径为90mm。为了增大制动盘半径，我们将原有实心式制动盘摩擦衬片的外半径扩大为135mm。3.1.4摩擦衬快工作面积A 一般摩擦衬快单位面积占有汽车质量在1.6kg/-3.5kg/范围内选取，考虑到现今摩擦材料的不断升级，此范围可适当扩大些。本次设计使用半金属摩擦材料，其摩擦系数优于石棉材料。经计算得，改装后的衬片摩擦面积为。 一些国产汽车前盘式的制动器的主要参数车牌车型制动盘外径/mm工作半径/mm制动盘厚度/mm摩擦衬块厚度/mm摩擦面积/cm云雀GHK70602128610965.4奥拓SC7080215911015.560桑塔纳2000256106201476奥迪1002561042214A=963.2摩擦衬片磨损特性计算摩擦衬片(衬块)的磨损，与摩擦副的材质、表面加工情况、温度、压力以及相对滑磨速度等多种因素有关，因此在理论上要精确计算磨损性能是困难的。但试验表明，摩擦表面的温度、压力、摩擦系数和表面状态等是影响磨损的重要因素。汽车的制动过程是将其机械能(动能、势能)的一部分转变为热量而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎承担了耗散汽车全部动力的任务。此时由于在短时间内热量来不及逸散到大气中，致使制动器温度升高。此即所谓制动器的能量负荷。能量负荷愈大，则衬片(衬块)的磨损愈严重。3.2.1比能量耗散率制动器的能量负荷常以其比能量耗散率作为评价指标。比能量耗散率又称为单位功负荷或能量负荷，它表示单位摩擦面积在单位时间内耗散的能量，其单位为。双轴汽车的单个前轮制动器的比能量耗散率为 式中：汽车回转质量换算系数；汽车总质量；，汽车制动初速度与终速度，；计算时取=；制动减速度，ms2，计算时取j=087g；制动时间，；前制动器衬片(衬块)的摩擦面积；制动力分配系数 计算得0.59在紧急制动到时，并可近似地认为，则有把个参数值代入上式得符合要求比能量耗散率过高会引起衬片（衬块）的急剧磨损，还可能引起制动盘产生龟裂。取同样的和j时，轿车的盘式制动器的比能量耗散率以不大于6.0为宜。式中t为100Km/h时的制动时间，其值为3.26s。为前制动器摩擦衬片面积。，求得，符合要求。3.2.2比滑磨功 磨损和热的性能指标也可用衬块在制动过程中由最高制动初速度至停车所完成的单位衬块面积的滑磨功，即比滑磨功来衡量：式中：汽车总质量，kg； 汽车最高制动车速，m/s车轮制动器各衬块的总摩擦面积， 许用比滑磨功，对轿车取可求得：，结果偏大，反思后发觉衬块的摩擦面积取得过小。3.2.3制动器的热容量和温升核算应核算制动器的热容量和温升是否满足如下条件： 式中：各制动盘的总质量，为已知4Kg 与各制动盘相连的金属（如轮毂、轮辐、制动钳体等）总质量为5kg 制动盘材料的比容热，对铸铁C=482J/(kgK)；对于铝合金C=880 J/(kgK) 与制动盘相连的受热金属件的比容热； 制动盘的温升（一次由到完全停车的强烈制动，温升不应超过15 ）； 满载汽车制动时由动能转变的热能，因制动过程迅速，可以认为制动产生的热能全部为前、后制动器所吸收，并按前、后制动力的分配比率分配给前后、制动器，即 求得：所以：式中 汽车满载总质量，为1210Kg 汽车制动时的初速度 汽车制动器制动力分配系数，为0.59核算：满足条件 故，满足以下条件：3.3制动器主要零部件的结构设计3.3.1 制动盘3.1.1.1制动盘基本结构形式的选择根据相关资料：制动盘一般采用珠光体灰铸铁制成，或用添加等的合金铸铁制成。其结构形状有平板形和礼帽形。制动盘在工作时不仅承受着制动块作用的法向力和切向力，而且承受着热负荷。为了改善冷却效果，钳盘式制动器的制动盘有的铸成中间有径向通风槽的双层盘，这样可大大地增加散热面积，降低温升约20%-30%，但盘的整体厚度较厚。采用礼帽形结构，径向通风盘由于本次设计是改装设计，故考虑尽量不改变原制动盘结构。所以，新设计的制动盘结构形状仍为礼帽形,并将原有实心光盘结构改为径向通风盘结构。3.1.1.2制动盘通风孔道的详细设计采用曲线型通风道径向通风制动盘结构简单，效果良好，因而得到了迅速发展。试验指出：径向通风制动盘如采用曲线通风道，又比直线通风道更加优越。采用曲线通风道，能使散热表面积增加30%，产生的稳定制动功率高出直线型12%。在其它条件不变时，以循环周期20秒进行重复刹车，径向曲线型制动盘的温度不仅低于径向直线型，而且也低于径向+轴向型。在15次刹车时，径向曲线型比直线型制动盘温度低90摄氏度。因此，径向曲线型通风道，是我组改装盘式制动器制动盘时首先考虑的型式。据流体力学指出：离心通风机曲线叶片分前向、径向、后向三种，如下图所示为曲线型通风道示意图，其中、分别为通风道入口角、通风道出口角，分别为通风道高度采用后向冷却片和冷却片厚度。从冷却片形状来分析，向后通风道（90）的流道更平滑，气流在其中流动时阻力较小，能量损失小，因此选择后向的冷却片。曲线型通风道示意图采用圆弧曲线根据流体力学相关理论：单位体积或单位重量的理想流体自叶轮中获得的能量多少，仅与通风道入口、出口处的参数有关，而与通风道内部的形状无关。因此，为了设计与工艺简单，采用圆弧做通风道曲线较好。通风道基本形状确定后，计算合理的通风道入口角、出口角和叶片数B。为满足双向散热性能的要求，一般取=90，通风道进风口的截面积应大于出风口的截面积，其中制动盘外径为273mm,摩擦环内径为170mm，经计算，得出。=90=38叶片厚度5mm30个通过计算和画图，最终确定=90，=38，叶片厚度5mm,30个，如下图。制动盘通风道3.1.1.3制动盘的装配设计改装后的制动盘与相邻零件的装配关系保持不变，采用两颗M820开槽沉头螺钉实现其与轮毂的定位，并采用四颗M10螺柱将轮毂、制动盘、轮辋三者固定在一起，装配关系如下图所示。制动盘的装配3.1.1.4尺寸公差、形位公差、表面粗糙度的设计与标注制动盘的工作表面应光洁平整，制造时应严格控制表面的跳动量，两侧表面的平行度（厚度差）及制动盘的不平衡量。参考表5.1表5.1 一些轿车制动盘的表面跳动量、两侧表面的平行度及不平衡量车型表面跳动量/mm两侧表面的不平行度/mm静不平衡量/N.cm奥迪、红旗0.030.010.5云雀0.050.031.5奥拓1.0根据有关文献规定：制动盘两侧表面不平行度不应大于0.008mm,盘的表面摆差不应大于0.1mm；制动盘表面粗糙度不应大于0.06mm。详细标注见于制动盘零件图。3.3.2制动钳制动钳由可锻铸铁KTH370-12或球墨铸铁QT400-18制造，也有用轻合金制造的。例如用铝合金压铸。可做成整体的，也可做成两半并由螺栓连接。其外缘留有开口，以便不必拆下制动钳便可检查或更换制动块。制动钳体应有高的强度和刚度。在钳体中加工出制动油缸。为了减少传给制动液的热量，将活塞的开口端顶靠制动块的背板。活塞由铸铝合金制造，为了提高耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。为了解决因制动钳体由铝合金制造而减少传给制动液的热量的问题，减小了活塞与制动块背板的接触面积。制动钳在汽车上的安装位置可在车轴的前方或后方。制动钳位于车轴前可避免轮胎甩出来的泥，水进入制动钳，位于车轴后则可减小制动时轮毂轴承的合成载荷。因此本次设计采用可锻铸铁，整体式、镀铬处理，前制动钳位于车轴后。3.3.3制动块制动块由背板和摩擦衬块构成，两者直接牢固地压嵌或铆接或粘接在一起。衬块多为扇形，也有矩形，正方形或圆形的。活塞应能压住尽量多的制动块面积，以免衬块发生卷角而引起尖叫声。制动块背板由钢板制成。为了避免制动时产生的热量传给制动钳而引起制动液汽化和减小制动噪声，可在摩擦衬块与背板之间或在背板后粘（或喷涂）一层隔热减震垫（胶）。由于单位压力大和工作温度高等原因，摩擦衬块的磨损较快，因此其厚度较大。许多盘式制动器装有衬块磨损达极限时的警报装置，以便及时更换摩擦衬片。制动衬块厚10mm制动块衬板厚5mm 本次设计取衬块厚度10mm，制动块衬板厚5mm,制动块衬板外侧贴有消音片，有报警装置，如下图所示。制动块总成3.3.4摩擦材料制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数，抗热衰退性能好，不能在温度升到某一数值后摩擦系数突然急剧下降；材料的耐磨性好，吸水率低，有较高的耐挤压和耐冲击性能；制动时不产生噪声和不良气味，应尽量采用少污染和对人体无害的摩擦材料。以往车轮制动器采用广泛应用的模压材料，它是以石棉纤维为主并与树脂粘结剂、调整摩擦性能的填充剂(由无机粉粒及橡胶、聚合树脂等配成)与噪声消除剂(主要成分为石墨)等混合后，在高温下模压成型的。模压材料的挠性较差，故应按衬片或衬块规格模压，其优点是可以选用各种不同的聚合树脂配料，使衬片或衬块具有不同的摩擦性能和其他性能。表5.2 摩擦材料性能对比材料性能有 机 类无 机 类制法编制物石棉模压半金属模压金属烧结金属陶瓷烧结硬度软硬硬极硬极硬密度小小中大大承受负荷轻中中-重中-重重摩擦系数中-高低-高低-高低-中低-高摩擦系数稳定性差良良良-优优常温下的耐磨性良良良中中高温下的耐磨性差良良良-优优机械强度中-高低-中低-中高高热传导率低-中低中高高抗振鸣优良中-良差差抗颤振-中-良中-对偶性优良中-良差差价格中-高低-中中-良高高采用半金属摩擦材料此次设计综合考虑各种材料，采用性能更好、环保效果更好的半金属材料。摩擦系数为f=0.43.3.5 制动轮缸制动轮缸的缸体与制动钳体采用可锻铸铁一体制造，缸壁需镗磨。3.3.6制动器间隙的调整方法及相应机构制动盘与摩擦衬块之间在未制动的状态下应有工作间隙，以保证制动盘能自由转动。一般来说盘式制动器的制动间隙为0.1mm-0.3mm（单侧0.05mm-0.15mm）。此间隙的存在会导致踏板或手柄的行程损失，因而间隙应尽量的小。考虑到制动过程中摩擦副可能产生热变形和机械变形，因此制动器在冷态下的间隙应有试验确定。本次改装设计保持原有制动间隙不变，为0.1mm。制动器间隙的调整另外，制动器在工作过程中会由于摩擦衬块的磨损而使间隙加大，因此制动器必须设有间隙调整机构。当前，盘式制动器的调整机构已自动化。一般都采用一次调准式间隙自调装置。最简单且常用的结构是在缸体和活塞之间装一个兼起复位和间隙自调作用的带有斜角的橡胶密封圈，制动时密封圈的刃边是在活塞给予的摩擦力的作用下产生弹性变形，与极限摩擦力对应的密封圈变形量即等于设定的制动间隙。当衬块磨损而导致所需的活塞行程增大时，在密封圈达到极限变形之后，活塞可在液压作用下克服密封圈的摩擦力，继续前移到实现完全制动为止。活塞与密封圈之间这一不可恢复的相对位移便补偿了这一过量间隙。解除制动后活塞在弹力作用下退回，直到密封圈的变形完全消失为止，这时摩擦快与制动盘之间重新回复到设定间隙。4.设计小结总体来说，我在完成这次课程设计的过程中还是收获颇丰的。这次课程设计看似简单，但在完成它的过程中也遇到了很多棘手的新问题，在努力解绝这些问题的同时，我也收获了很多新知识、新技能。在这次设计中，我不仅对汽车盘式制动器的结构有了更深刻的了解，同时也了解了几种不同形式的转向驱动桥的结构和特点。通过查阅相关资料，更加细致地研究了汽车车桥所使用的各种轴承及其结构形式和相应的防尘、密封方法。另外，在课程设计的图纸绘制过程中,我还学到了很多企业用绘图规范和汽车零件的生产制造技术。当然，在这过程中我们也付出了巨大的努力，由于原始资料不够完整的缘故，我们不得不使用手头仅有的几个数据通过计算反推出设计所需要用到的参数，这个过程着实花费了我们很多的时间和精力。由于我们的设计目标是改善原车前轮制动器在制动过程中的散热能力，所以就必须在设计计算完成之后，运用传热学的知识计算新设计的制动盘的散热能力，并与原装制动盘比较，以验证设计是否可行，由于对传热学知识的生疏，我们在制动盘散热能力的计算过程中也查阅了大量相关资料。5.参考文献1 王望予主编.汽车设计.北京：机械工业出版社.20072 余志生.汽车理论.第4版. 北京：机械工业出版社.2006.53 濮良贵，纪名刚主编.机械设计（第八版）.北京:高等教育出版社,20114 杨立民.径向通风制动盘的设计及散热.太原重型机械学院学报.1983第二期5 任晓景.通风道制动盘的优化设计.底盘技术.2012年第12期6 严振英.工程车辆盘式制动器的设计.A.E.1974年第12期7 孙蛟.钳盘式和片式制动器设计计算.筑路机械与施工机械化.2004年第12期8 李育锡.机械设计课程设计.北京:高等教育出版社,20089 刘惟信.汽车制动系的结构分析与设计计算.北京：清华大学出版社,200410 杨裕根.现代工程图学.北京:北京邮电大学出版社,2008