基于SUV制动器结构设计的制动性能分析

基于SUV制动器结构设计的制动性能分析摘 要：如今人们更加注重汽车的行驶安全性，所以一套可靠、安全性强的系统更能提高其人身安全。对于SUV，在较差路况行驶的概率要比正常轿车高得多，所以更需要制动效能更强的制动器。文章通过多种对比，并将其各自的优缺点以及实用性罗列出来，最终决定使用浮动钳式更符合SUV的使用。并对其制动效能以及制动极限做出计算以及验算。最终通过CAD绘制了其零件图以及装配图。关键词：制动器；结构设计；CAD制图；制动性能分析1 概述在汽车一出现的时候制动系统就是必须具备的，并且有着必不可少的作用。随着人类生活水平的提高以及科技的进步，制动系统在车上显得越来越重要。所以制动系统也有很多种类型可供选择，机械式、气动式、液压式、气-液混合式都是比较传统的结构形式。这几种结构形式的制动器都是利用摩擦片与运动件的摩擦来降低车辆的行驶速度，使汽车得以减速以及平稳地停车。近年来，很多新的结构形式的制动系统被发明出来，因为传统的结构形式的制动原理已经达不到人类对制动器性能的使用标准。并且传统结构形式的制动原理与如今即将盛行的新能源汽车已经无法相对匹配了。例如电动汽车无法使用真空助力器，因为没有发动机提供的真空源。所以更多形式的制动系统将被发明并且运用于车辆上。1.1 制动系统的概述汽车制动系统是能让汽车在正常的行驶中能平稳地使汽车停止，使汽车平稳的停在坡道或平地上；在下坡行驶时刻控制车辆的车速以保证行驶安全。在这个科技飞快进步的社会，人类汽车的制动系统也都做了很大的改进，因为制动系统的好坏直接影响了驾驶与乘坐者的安全性。所以对制动系统的设计也更加的严谨先进。现在汽车上搭载的不是鼓式就是盘式制动器。其中热稳定性较高的是盘式制动器，被普遍的用于汽车上。文章以SUV制动器的结构设计作为中心，基本能代表大部分SUV的制动器的设计。1.2 设计的意义制动器在汽车上面是必不可少的。所以制动器的设计在汽车上来说绝对是最被重视的，由于科技的发展，车速也变得越来越高，所以制动器的工作效果也得到人们的重视，这直接关系到车辆的驾驶以及驾驶乘坐者的安全。所以汽车制动器的设计在汽车上是非常重要的。（1）通过对SUV以及其他车型的刹车要求的对比，以及对制动系统的对比，使用更加符合SUV行驶的制动器结构。（2）通过设计方法提出SUV汽车制动系统的设计方法，对制动系统进行设计计算及分析，把缺陷消除在萌芽当中。2 制动器主要零部件结构设计2.1 制动盘制动盘是通过添加Cr，Ni等合金的铸铁制造而成。全盘式制动盘为平整的圆形，钳盘式制动盘为类似于帽子的形状。制动盘除了受制动块的作用力之外还承受着热负荷。在工作时为了降低其温度，可增加其散热能力，可用中间通风的形式来增加其散热性，在紧急或者长距离制动中可以起到良好的散热作用，从而降低制动器的热衰退，增强制动器的制动较能。通风盘由于中间通风槽的存在厚度会较大，所以质量较大、制造用料也会较多。制动盘的工作平面应制造平整、打磨光亮，在制造过程中应注意制动盘工作面的跳动量以及注意制动盘内外两面是否平行。2.2 制动钳制动钳的可用制造材料较多，只要刚度达到要求均可以使用，例如用铝合金压铸。制动钳可以是成式的，也可以是分段式的，两种形式都应该考虑更换制动块时不影响制动钳。制动钳体必须具有很高的刚强度硬度。而油缸的加工也可分为嵌入式和直接加工式。活塞与制动钳钳体都应该具备一定的刚性，所以都做了特殊的处理加强其刚度，当制动钳采用铝合金时，要解决制动液的能量吸收问题。所以活塞与摩擦衬快的接触面积不宜过大。2.3 制动块制动块的背板和摩擦材料块应该紧紧地牢固地连接。制动块形状为不规则。制动块背板的材料是刚。通常情况下背板后会有减震棉用来减小制动时产生的震动以及尖叫声。摩擦衬块应具有一定的厚度，因为刹车作用时的摩擦力与高温使得其磨损得很快。一般情况下，各类汽车之间的摩擦块都有一定的要求，文章中的SUV汽车的摩擦衬块的厚度保持在7.5mm16mm之间即可。一般摩擦衬块的摩擦皮达到一定的厚度不能保证其工作性能时，会通过指示灯提醒车主注意刹车片厚度。3 制动器的热容量和温升的核算3.1 制动器的热容量与温升式中：md各制动盘的总质量，取md=12kg；mh与制动盘连接金属件的总质量，取mh=24kg；Cd与制动盘材料的比热容，对铸铁c=482J；Ch制动器中金属元件比热容，取ch=482J；t制动盘的温升，取t=14；Q汽车的制动能全部转换为汽车个刹车盘的热能的总和。其中：ma汽车总质量ma=1545kg；Va制动前一刻汽车行驶的速度Va=20m/s；？茁汽车制动器制动力分配系数。？茁=0.69；所以3.2 强度校核由上式得出的结果后，可算出？子式中：f支架所受的力；n螺栓的数量，此处n=2；d螺栓的直径。因为？子？燮，所以螺栓的强度符合要求。本次采用组成为灰铸铁制成的制动盘、铸铁制成的制动钳、以石棉为主要材料的摩擦衬块并且摩擦衬块与制动器背板紧密牢固地连接在一起。该制动器的热容量和温升也达到设计要求。4 制动器的设计计算4.1 制动盘直径D当制动盘的直径增大的时候，就可以降低制动钳对制动块施加的力，减少制动块的磨损以及制动器温度的升高。但制动盘直径D受轮辋直径的限制。通过对设计资料查阅与轮毂尺寸之间的关系。所以轮毂为18英寸所以轮毂直径18x25.4=457.2mm，取轮毂直径为457mm。由于轮毂直径为457mm，还应考虑制动盘不影响车轮的正常运转，使车轮能平稳的转动。所以根据轮毂尺寸可得直径d=320mm4.2 制动盘厚度h制动盘的h受两个因素的制约：质量。现在汽车都流行轻量化，节能、省油又能达到预想的工作状态，所以制动盘的厚度不应过厚。温度。由于温度的升高会使制动效能衰退，所以制动盘厚度又不应过薄。综合上面两个影响因素，决定使用通风式制动盘，与普通实心盘不同的是通风盘中间留出了通风道，由于通风道的存在，所以厚度也应偏厚。大部分车型采用厚度为20mm30mm的制动盘。所以此设计中选用通风盘式制动器且其厚度为25mm。5 制动器制动力分配曲线分析5.1 制动力分配曲线对于很多车辆来说，在不同的路面状况、不同的外力因素、坡度等原因而产生的汽车前后轮的制动器制动力不均，当刹车系统具备把轮胎抱死的条件时，汽车各轮之间可能存在以下关系：（1）前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑。（2）后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑。（3）前、后轮同时抱死拖滑。所以，前后轮的运动状态影响着汽车的行驶稳定性，各制动力之间也存在着影响。所以设计制动系统时也应多考虑制动力的分配问题。由上述计算可绘出此曲线：由曲线可得，在I与β的交点处，表示车辆四个轮胎在同一刻全部抱死拖滑。当β处于I上面时，表示前轴连接的轮胎优先于后轴连接的轮胎抱死。当β处于I下面时，表示后轴连接的轮胎优先于前轴连接的轮胎抱死。从图1可验证出各尺寸与其分配符合设计。当一辆汽车拥有优秀的刹车系统时，其刹车所用时间肯定短，刹车所用距离也将较小。5.2 制动减速度计算假设汽车在理想路面上行驶，并且假设在真空无摩擦时，此时汽车刹车使用的力都由制动系统提供。所以j=M总/rrxm式中M总：汽车前、后轮制动力矩的总合M总=M？滋1+M？滋2=2581.2+1438.6=4019.8Nmr滚动半径r=325mm；Ga汽车总重Ga=2050kg代入数据得j=4019.8/（0.325x2050）=6.03m/s=6.03m/s2符合相关文件对减速度的要求。5.3 制动距离计算制动距离S=1/3.6（t12+t112/2）Va+Va2/254？鬃其中，t12：活塞被回位弹簧作用时间，取0.1s；t112：制动力增长过程所需时间取0.2s故S=1/3.6（0.1+0.2/2）30+302/254x0.6=7.2m所以可得汽车理论上从开始刹车到汽车停止的最长距离是：ST=0.1V+V2/150所以取速度为30公里/小时，ST=0.1+302/150=9m，S本次设计采用了浮动钳盘式制动器，通过计算以及验算，其制动力、制动效能、驻车制动符合国家对汽车制动的评价指标。所以本次设计基本达到预期要求。参考文献【1】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，2004：1-2.【2】王望予.汽车设计.北京：机械工业出版社，2007：257-258.【3】孙蛟，黄宗益.钳盘式和片式制动器设计计算.养护机械与施工技术，2005：115-120.【4】清华大学汽车工程系编写组.汽车构造.北京：人民邮电出版社，2000：124-128.【5】李兵，黄方平.液压与气压传动.武汉：华中科技大学出版社，2004：166.【6】余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2012，5：46-51.【7】JamesD. Halderman，ChaseD. Mitchell，Jr. Automotive Chassis Systems.Second Edition Upper Saddle River，New Jersty；Columbus，Ohio，U.S.A. ：Prentice Hall，2010：201-202.Rudolf Limpert.Brake Design and Safety（Second Edition）. Warrendale，PA，USA：SAE，Inc.，2009：56-58.