毕业设计（论文）哈飞赛豹轿车制动系统设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要汽车是现代交通工具中用得最多，最普遍，也是最方便的交通运输工具。汽车制动系是汽车底盘上的一个重要系统,它是制约汽车运动的装置。而制动器又是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关健装置，是汽车上最重要的安全件。汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大,人们对安全性、可靠性要求越来越高，为保证人身和车辆的安全,必须为汽车配备十分可靠的制动系统。本说明书主要设计了哈飞赛豹轿车制动系统。首先介绍了汽车制动系统的发展、结构、分类，并通过对鼓式制动器和盘式制动器的结构及优缺点进行分析。最终确定方案采用液压双回路前盘后鼓式制动器。除此之外，它还对前后制动器、制动主缸进行设计计算，主要部件的参数选择及制动管路布置形式等的设计过程。关键字：制动；鼓式制动器；盘式制动器；液压；制动主缸ABSTRACTAutomobile is the modern traffic tools, the most common used most, also be the most convenient traffic transportation. Automobile brake system is automobile chassis to an important system, it is restricted by the car of the movement of the device. And the brake is brake system directly effect the automobile sport in a restricted key device, is the most important safety car parts. The automobile braking performance directly influence the car driving safety. With the rapid development of the industry and highway traffic density increases day by day, the people to the safety and reliability of the demand is higher and higher, to ensure the safety of the person and vehicles, must be equipped with very reliable car brake system.This manual mainly designed saibao hafei car brake system. First this paper reviewed the automobile braking system development, structure, classification, and through to the drum brake disc brake and the structure of the advantages and disadvantages and analyzed. Ultimately determine the scheme adopts hydraulic double circuit qianpan hougu type brake. In addition, its still around to brake and brake main cylinder design, calculation of the main parts of parameter selection and brake pipe, the design process of decorate a form, etc.Key words: Braking; Brake drum; Brake disc; Hydroid pressure；Braking cylinder 46第1章 绪 论1.1汽车制动系的研究的目的和意义汽车制动系是用于使行驶中的汽车减速或停车，使下坡行驶的汽车车速保持稳定以及使已停止的汽车停在原地（包括在斜坡上）驻留不动的机构，汽车制动系直接影响着汽车行驶的安全性和停车的可靠性。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，停车可靠，汽车制动系的工作可靠性显得日益重要。也只有制动性能良好，制动系工作可靠的汽车才能充分发挥其性能。汽车制动系至少应有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装置，重型汽车或经常在山区行驶的汽车要增设应急制动装置及辅助制动装置，牵引汽车还应有自动制动装置。行车制动装置用于使行驶中的汽车强制减速或停车，并使汽车在下断坡时保持适当的稳定的车速。其驱动机构常采用双回路或多回路机构，以保证其工作可靠。驻车制动装置用于使汽车可靠而无时间限制地停驻在一定位置甚至在斜坡上，它也有助于汽车在坡路上起步。驻车制动装置应采用机械式驱动机构而不用液压或气压驱动，以免其发生故障。应急制动装置用于当行车制动装置意外发生故障而失效时，则可利用其机械力源（如强力压缩弹簧）实现汽车制动。应急制动装置不必是独立的制动系统，它可利用行车制动装置或驻车制动装置的某些制动器件。应急制动装置也不是每车必备的，因为普通的手力驻车制动器也可以起到应计制动的作用。辅助制动装置用在山区行驶的汽车上，利用发动机排气制动或电涡流制动等的辅助制动装置，可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持稳定车速，并减轻或解除行车制动器的负荷。1.2汽车制动系统的研究现状和发展趋势1）制动控制系统的历史 最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时的车辆的质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着汽车自质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空助力装置。1932年生产的质量为2860kg的凯迪拉克V16车四轮采用直径419.1mm的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1932年推出V12轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。Duesenberg Eight车率先使用了轿车液压制动器。克莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世。通用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。到20世纪50年代，液压助力制动器才成为现实。20世纪80年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱制动系统(ABS)的实用和推广。ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。防抱装置一般包括三部分：传感器、控制器(电子计算机)与压力调节器。传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。2）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。3）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。 4) 全电路制动(BBW)BBW是未来制动控制系统的L发展方向。全电制动不同于传统的制动系统，因为其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。全电制动的结构如图2所示。其主要包含以下部分：(a)电制动器。其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种，作动器是电动机；(b)电制动控制单元(ECU)。接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。由于各种控制系统如卫星定位、导航系统，自动变速系统，无级转向系统，悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成，所以ECU还得兼顾这些系统的控制；(c)轮速传感器。准确、可靠、及时地获得车轮的速度；(d)线束。给系统传递能源和电控制信号；(e)电源。为整个电制动系统提供能源。与其他系统共用。可以是各种电源，也包括再生能源。从结构上可以看出这种全电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比拟的优点：(a)整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置。液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低；(b)制动响应时间短，提高制动性能；(c)无制动液，维护简单；(d)系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构；(e)采用电线连接，系统耐久性能良好；(f)易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。全电制动控制系统是一个全新的系统，给制动控制系统带来了巨大的变革，为将来的车辆智能控制提供条件。但是，要想全面推广，还有不少问题需要解决：电制动控制系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。这种混合制动系统是全电制动系统的过渡方案。由于两套制动系统共存，使结构复杂，成本偏高。随着技术的进步，上述的各种问题会逐步得到解决，全电制动控制系统会真正代替传统的以液压为主的制动控制系统。5) 结论综上所述，现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展。全电制动控制因其巨大的优越性，将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统。同时，随着其他汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降。汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个ECU中，并将逐渐代替常规的控制系统，实现车辆控制的智能化。但是，汽车制动控制技术的发展受整个汽车工业发展的制约。有一个巨大的汽车现有及潜在的市场的吸引，各种先进的电子技术、生物技术、信息技术以及各种智能技术才不断应用到汽车制动控制系统中来。同时需要各种国际及国内的相关法规的健全，这样装备新的制动技术的汽车就会真正应用到汽车的批量生产中。1.3 汽车制动系统的设计要求本设计研究的主要内容：设计完成汽车制动系统，包括制动系统的类型选择、总体布置形式，制动系统各零部件的结构设计和性能分析。设计要求：（1）各项性能指标除应满足设计任务书的规定和国家要求、法规制定的有关要求外，也要考虑到我的制动系统应符合现在国内汽车市场的低成本和高性能的要求。（2）具有足够的制动效能，包括行车制动效能和驻车制动效能。行车制动效能是由在一定的制动初速度下及最大踏板力下的制动减速器和制动距离两项指标来评定的。制动距离直接影响着汽车的行驶安全性。（3）工作可靠。为此，设计两套系统：行车制动系统和驻车制动系统，且它们的驱动机构是独立的，而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）制动效能热稳定性好。汽车的高速制动、短时间的频繁重复制动，尤其使下长坡时的连续制动，均会引起制动器的温升过快，温度过高。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。（5）制动效能的水稳定性好。制动器摩擦表面浸水后，会因水的润滑作用而使摩擦副的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515次，即应恢复其制动效能。良好的摩擦材料的吸水率低，其摩擦性能恢复迅速。另外也应防止泥沙等进入制动器摩擦副工作表面，否则会使制动效能降低并加速磨损。（6）制动时的汽车操纵稳定性好。即以任何速度制动，汽车均不应失去操纵性和方向稳定性。通过ABS来调节前后轮的制动油压来实现。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；同一车轴上的左、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；当后轮抱死而侧滑甩尾时，会失去方向稳定性；当左、右轮的制动力矩差值超过15%时，会在制动时发生汽车跑偏。（7）制动踏板和手柄的位置和行程符合人机工程学要求，即操作仪方便性好，操纵轻便、舒适，减少疲劳。（8）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，应力求减小制动时飞散到大气中的有害于人体的石棉纤维。（9）制动时不应产生振动和噪声。（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；制动系中应有必要的安全装置，在行驶中挂车一旦脱挂，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现象。（13）作用滞后的时间要尽可能短，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和从放开踏板至完全解除制动的时间。第2章 制动系统总体方案的确定2.1 制动系统的分类及作用制动系统按功用分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系统和辅助制动系统。汽车制动系至少应有前两套制动系统，而重型汽车或者经常在山区行驶的汽车要增设应急制动系统及辅助制动系统。行车制动系统用于使行驶中的汽车强制减速或停车，并使汽车在下短坡时保持适当的稳定车速。其驱动机构常采用双回路或多回路结构，以保证其工作可靠。驻车制动系统使已停驶的汽车驻留在原地不动的一套装置。应采用机械式驱动机构而不用液压或气压驱动，以免其产生故障。应急制动系统也叫第二制动系统，是在用于行车制动系统发生意外故障而失效时，保证汽车仍能实现减速或停车的一套装置。应急系统也不是每车必备的，因为普通的手力驻车装置也可起到应急制动的作用。辅助制动系统通常安装在常行驶于山区的汽车上，利用发动机排气或者电涡流制动等的辅助制动装置，可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持车速，并减轻或解除行车制动器的负荷。 按制动系统的制动能源分类（1） 人力制动系统以驾驶员的肌体作为惟一制动能源的制动系统。（2） 动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制动系统。（3） 伺服制动系统兼用人力和发动机进行制动的制动系统。 人力目前仍是国内中低档车最为适合的制动能源，它符合了降低成本同时又有可靠的性能保证。所以我选择人力为我的制动系统的能源。按照能量的传输方式，制动系统又可分为机械式、液压式、气压式和电磁式。在行车制动系统上我选用液压式，反应迅速，性能好。而在驻车制动系统上我选用机械式，性能稳定，故障少。通过以上的分析，本次设计主要围绕行车制动系统和驻车制动系统来设计，而应急系统为了节省成本就利用现有的驻车系统来代替。本次设计的汽车使用范围是在城市内行驶，所以不设计辅助制动系统（如图2.1所示）。图2.1 总体布置图2.2 制动系统的主要参数的确定及计算在制动器设计中需预先给定的整车参数有：表2.1 制动系统整车参数整车质量空载满载1420kg1850kg质心位置ab1.35m1.25m 质心高度空载满载轴 距0.95m0.85m2.6m 其 他最高车速车轮工作半径轮 胎同步附着系数180km/h370mm185/65R14=0.6而对汽车制动性能有重要影响的制动系参数有：制动力及其分配系数、同步附着系数、制动器最大制动力矩与制动器因数等。2.2.1 制动力与制动力分配系数 根据公式： （2.1）得：2.2.2 同步附着系数同步附着系数是汽车制动性能的一个重要参数，由汽车结构参数所决定的。它是制动器动力分配系数为b的汽车的实际前、后制动器制动力分配线，简称b线，与汽车理想的前、后制动器动力分配曲线I线的交点。对于前、后制动器制动力为固定比值的汽车，只有在附着系数等于同步附着系数的路面上，汽车前、后车轮才会同时抱死，当汽车在不同w植的路面上制动时，可能出现以下3种情况。（1）当时：制动时总是前轮先抱死，这是一种稳定工况，单失去转向能力。（2）当时：制动时总是后轮先抱死，这时容易发生后轴侧滑而使汽车失去方向稳定性。（3）当时：制动时前、后轮同时抱死，是一种稳定工况，但也失去转向能力。现代的道路条件大为改善，汽车行驶速度也大为提高，因此汽车因制动时后轮先抱死的后果十分严重。由于车速高，它不仅会引起侧滑甩尾甚至会发生调头而丧失操纵稳定性，因此后轮先抱死的情况十分严重，所以现在各类汽车的值都均有增大趋势。轿车0.6；货车0.5。 （2.2）故取=0.62.2.3 制动器最大制动力矩由轮胎与路面附着系数所决定的前后轴最大附着力矩： （2.3）式中：该车所能遇到的最大附着系数；q制动强度；车轮有效半径；后轴最大制动力矩；G汽车满载质量；L汽车轴距；q=0.66故后轴=1.57Nmm后轮的制动力矩为=0.785Nmm前轴= T=0.67/(1-0.67)1.57=3.2Nmm前轮的制动力矩为3.2/2=1.6Nmm2.2.4 制动器因数制动器因数定义为在制动鼓或制动盘的作用半径上所产生的摩擦力与输入力之比，即 （2.4） 式中：制动器的摩擦力矩； 制动盘或制动鼓的作用半径； 输入力，一般取加于两制动蹄的张开力的平均值输入力。对于钳盘式制动器，设两侧制动块对制动盘的压紧力均为P，即制动盘在其两侧的作用半径上所受的摩擦力为2,此处为盘与制动衬块饿摩擦系数，于钳盘式制动器的制动器因数为 （2.5）f取0.5得BF=20.5=1对于鼓式制动器，当时，则有 如图2.2 ，假设在张力P的作用下，制动蹄的摩擦衬片与鼓之间作用力的合力N的B点上。这一法向力引起作用于制动蹄衬片上的摩擦力为，为摩擦系数。a,b,c,h,R及a为结构尺寸。 图2.2 受力图对领题绕支点A的力矩平衡方程，即 （2.6）由上式得到领蹄的制动蹄因数为 （2.7）代入参数得：=0.79当制动鼓逆转时，上述制动蹄则又成为从蹄，这时摩擦力的方向相反，用上述分析方法，同样可得出从蹄绕支点A的力矩平衡方程，即 （2.8）由上式得从蹄的制动蹄因数为 （2.9）代入参数得：=0.48 2.3 本章小结 本章先选定了要设计的制动系统的类型。然后确定了本设计的汽车的技术参数，通过这些参数，计算出了要设计的制动系统的制动力、制动力分配系数、同步附着系数、制动器最大制动力矩、制动器因数等重要参数。这些参数是保证该制动系统正常工作的前提。第3章 制动驱动机构的设计3.1 制动驱动机构的结构型式选择简单制动系即人力制动系，是靠司机作用于制动踏板上或手柄上的力作为制动力源而力的传递方式，又有机械式和液压式。我的驻车制动系统为机械式，行车制动系统为液压式。驻车制动系统的机械式为杆系传力，其机构简单，造价低廉，而且性能稳定。由驾驶员拉动手柄，通过钢丝绳传递力到后驻车制动器，产生驻车效果。行车制动系统为液压式，作用滞后时间0.2s，工作压力10MPa。工作原理可用如图3-1所示的一种简单的液压制动系统工作原理示意图来说明。一个以内圆柱面为工作表面的金属制动鼓8固定在车轮轮毂上，随车轮一同旋转。在固定不动的制动底板11上有两个支承销12，支承着两个弧形制动蹄10的下端。制动蹄的外圆柱面上装有摩擦片9。制动底板上还还装有液压制动轮缸6，用油管5与装在车驾上的液压制动主缸4相连通。主缸活塞3可由驾驶员通过制动踏板机构来操纵。 制动踏板；推杆；制动活塞；制动主缸；油管；制动轮缸；轮缸活塞；制动鼓；摩擦片；制动蹄；制动底板；支承销；制动蹄回位弹簧图3-1制动装置原理图工作原理为：驾驶员踩下踏板时，作用力由活塞推杆2传给活塞3，活塞就移动，克服主缸内部的作用力，油液由主缸流出经油管5到达制动器的轮缸，使制动轮缸活塞推动制动蹄产生制动。钳盘式制动器原理一样。为防止空气进入制动系油液系统，当放松制动踏板时，制动系的油液系统应保持一定的剩余压力（0.5kg/cm）。3.2 液压制动驱动机构的设计计算3.2.1 制动轮缸直径与工作容积前轮制动轮缸直径与工作容积的设计计算 （3.1）式中：p考虑到制动力调节装置作用下的轮缸或灌录液压，p=8Mp12Mp.取p=10Mp根据轿车使用与维护手册得P=19625N得=50mm根据GB7524-87标准规定的尺寸中选取,因此轮缸直径为50mm。一个轮缸的工作容积 （3.2）式中：一个轮缸活塞的直径；n 轮缸活塞的数目；一个轮缸完全制动时的行程： （3.3）取=2mm消除制动蹄与制动鼓间的间隙所需的轮缸活塞行程。由于摩擦衬片变形而引起的轮缸活塞。，分别为鼓式制动器的变形与制动鼓的变形而引起的轮缸活塞行程。得一个轮缸的工作容积=3925mm全部轮缸的工作容积 （3.4）式中：m轮缸的数目；V=2V+2V=22826+23925=13502mm3.2.2 制动主缸直径与工作容积制动主缸应有的工作容积 （3.5）式中：V全部轮缸的总的工作容积；制动软管在掖压下变形而引起的容积增量；V=13502mm轿车的制动主缸的工作容积可取为=1.1V=1.113502=14852.2 mm主缸直径和活塞行程S （3.6）一般S=(0.8-1.2)d取S= d得=26.65mm根据GB7524-87标准规定的尺寸中选取,因此主缸直径为28mm。=28mm3.2.3 制动踏板力与踏板的行程制动踏板力可用下式验算： （3.7）式中：制动主缸活塞直径； 制动管路的液压； 制动踏板机构传动比，=4； h制动踏板机构及制动主缸的机械效率，可取h=0.9。求得：=1710N500N-700N所以需要加装真空助力器。 （3.8）式中：真空助力比，取4。=1710/4=427.5N500N-700N所以符合要求 （3.9）式中：主缸中推杆与活塞的间隙，取2mm ； 主缸活塞空行程，即主缸活塞由不工作的极限位置到使其皮碗完全封堵主缸上的旁通孔的行程，取2mm 。求得：=128mm150mm，符合设计要求。3.3 本章小结 这一章进行了液压驱动机构的设计，通过对不同的制动能源的利弊分析，选用了液压式作为这套制动系统的行车制动的能源，又选用了机械式作为驻车制动的能源。然后开始了对液压制动驱动结构的计算包括制动轮缸、制动主缸、真空助力器、踏板的行程与制动踏板力、油管和油管接头等一些重要元件。第4章 制动器设计和计算汽车制动器几乎均为机械摩擦式，通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的旋转角速度降低，同时依靠车轮与路面的附着作用，产生路面对车轮的制动力，以使汽车减速或停车。汽车制动器按其在汽车上的位置分为车轮制动器和中央制动器。前者安装在车轮处，并用脚踩制动踏板进行操纵，故又称为脚制动；后者安装在传动系的某轴上，并用手拉操纵杆进行操纵，故又成为手制动。车轮制动器一般应用于行车制动，也有兼用第二制动和驻车制动。中央制动器一般只用于驻车制动和缓速制动。4.1 制动器方案确定4.1.1鼓式制动器鼓式制动器是最早形式的汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛用干各类汽车上。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构型式。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，后者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半袖套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮鼓上。制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦路片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩，故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带，其旋转摩擦元件为制动鼓，并利用制动鼓的外因柱表面与制动带摩擦片的内圆弧面作为一对摩擦表面，产生摩擦力矩作用于制动鼓，故又称为带式制动器。在汽车制动系中，带式制动器曾仅用作一些汽车的中央制动器，但现代汽车已很少采用。所以内张型鼓式制动器通常简称为鼓式制动器，通常所说的鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构。鼓式制动器按蹄的类型分为：（1）领从蹄式制动器汽车倒车时制动鼓的旋转方向变为反向旋转，则相应地使领蹄与从蹄也就相互对调了。这种当制动鼓正、反方向旋转时总具有一个领蹄和一个从蹄的内张型鼓式制动器称为领从蹄式制动器。领蹄所受的摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有“增势”作用，故又称为增势蹄；而从蹄所受的摩擦力使蹄有离开制动鼓的趋势，即摩擦力矩具有“减势”作用，故又称为减势蹄。“增势”作用使领蹄所受的法向反力增大，而“减势”作用使从蹄所受的法向反力减小。领从蹄式制动器的效能及稳定性均处于中等水平，但由于其在汽车前进与倒车时的制动性能不变，且结构简单，造价较低，也便于附装驻车制动机构，故这种结构仍广泛用于中、重型载货汽车的前、后轮制动器及轿车的后轮制动器。（2）双领蹄式制动器若在汽车前进时两制动蹄均为领蹄的制动器，则称为双领蹄式制动器。显然，当汽车倒车时这种制动器的两制动蹄又都变为从蹄故它又可称为单向双领蹄式制动器。两制动蹄各用一个单活塞制动轮缸推动，两套制动蹄、制动轮缸等机件在制动底板上是以制动底板中心作对称布置的，因此，两蹄对制动鼓作用的合力恰好相互平衡，故属于平衡式制动器。双领蹄式制动器有高的正向制动效能，但倒车时则变为双从蹄式，使制动效能大降。这种结构常用于中级轿车的前轮制动器，这是因为这类汽车前进制动时，前轴的动轴荷及 附着力大于后轴，而倒车时则相反。（3）双向双领蹄式制动器当制动鼓正向和反向旋转时，两制动助均为领蹄的制动器则称为双向双领蹄式制动器。它也属于平衡式制动器。由于双向双领蹄式制动器在汽车前进及倒车时的制动性能不变，因此广泛用于中、轻型载货汽车和部分轿车的前、后车轮，但用作后轮制动器时，则需另设中央制动器用于驻车制动。（4）单向增力式制动器单向增力式制动器如图所示两蹄下端以顶杆相连接，第二制动蹄支承在其上端制动底板上的支承销上。由于制动时两蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居于一种非平衡式制动器。单向增力式制动器在汽车前进制动时的制动效能很高，且高于前述的各种制动器，但在倒车制动时，其制动效能却是最低的。因此，它仅用于少数轻、中型货车和轿车上作为前轮制动器。（5）双向增力式制动器将单向增力式制动器的单活塞式制动轮缸换用双活塞式制动轮缸，其上端的支承销也作为两蹄共用的，则成为双向增力式制动器。对双向增力式制动器来说，不论汽车前进制动或倒退制动，该制动器均为增力式制动器。双向增力式制动器在大型高速轿车上用的较多，而且常常将其作为行车制动与驻车制动共用的制动器，但行车制动是由液压经制动轮缸产生制动蹄的张开力进行制动，而驻车制动则是用制动操纵手柄通过钢索拉绳及杠杆等机械操纵系统进行操纵。双向增力式制动器也广泛用作汽车的中央制动器，因为驻车制动要求制动器正向、反向的制动效能都很高，而且驻车制动若不用于应急制动时也不会产生高温，故其热衰退问题并不突出。但由于结构问题使它在制动过程中散热和排水性能差，容易导致制动效率下降。因此，在轿车领域上己经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本比较低，仍然在一些经济型车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。所以本次设计最终采用的是双向曾力式制动器。4.1.2盘式制动器盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两大类。（1）钳盘式钳盘式制动器按制动钳的结构型式又可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等。定钳盘式制动器：这种制动器中的制动钳固定不动，制动盘与车轮相联并在制动钳体开口槽中旋转。具有下列优点：除活塞和制动块外无其他滑动件，易于保证制动钳的刚度；结构及制造工艺与一般鼓式制动器相差不多，容易实现从鼓式制动器到盘式制动器的改革；能很好地适应多回路制动系的要求。浮动盘式制动器：这种制动器具有以下优点：仅在盘的内侧有液压缸，故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近轮毂；没有跨越制动盘的油道或油管加之液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；成本低；浮动钳的制动块可兼用于驻车制动。（2）全盘式在全盘式制动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆形盘，制动时各盘摩擦表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。由于这种制动器散热条件较差，其应用远没有浮钳盘式制动器广泛。通过对盘式、鼓式制动器的分析比较可以得出盘式制动器与鼓式制动器比较有如下均一些突出优点:（1）制动稳定性好.它的效能因素与摩擦系数关系的K-p曲线变化平衡，所以对摩擦系数的要求可以放宽，因而对制动时摩擦面间为温度、水的影响敏感度就低。所以在汽车高速行驶时均能保证制动的稳定性和可靠性。（2）盘式制动器制动时，汽车减速度与制动管路压力是线性关系，而鼓式制动器却是非线性关系。（3）输出力矩平衡.而鼓式则平衡性差。（4）制动盘的通风冷却较好，带通风孔的制动盘的散热效果尤佳，故热稳定性好，制动时所需踏板力也较小。（5）车速对踏板力的影响较小。综合以上优缺点最终确定本次设计采用前盘后鼓式。前盘选用浮动盘式制动器，后鼓采用双向曾力式制动器。4.2 鼓、盘式制动器的主要参数的确定4.2.1 鼓式制动器的结构参数和摩擦系数1结构参数(1)制动鼓直径D或半径R当输入力P一定时，制动鼓的直径越大，则制动力矩就越大，且使制动器的散热性能越好。但直径D的尺寸受到轮辋直径的限制，而且D的增大也使制动鼓的质量增加，使汽车的非悬挂质量增加，不利于汽车的平顺性。制动鼓与轮辋之间应有一定的间隙，此间隙一般不应小于20mm30mm，以利于散热通风，也可避免由于轮辋过热而损坏轮胎。由此间隙要求及轮辋的尺寸即可求得制动鼓D的尺寸。另外，制动鼓直径D与轮辋直径之比的一般范围为；轿车 =0.640.74货车 =0.700.83轿车制动鼓内径一般比轮辋外径小125mm150mm 。综上取得制动鼓内径D=220mm ，轮辋直径=350mm 。制动鼓外径269mm。（2）制动蹄摩擦衬片的包角b及宽度b如图41所示，包角b通常在b=范围内选取，试验表明，摩擦衬片包角b=时磨损最小，制动鼓的温度也最低，而制动效能则最高。再减小b虽有利于散热，但由于单位压力过高将加速磨损。包角b也不宜大于，因为过大不仅不利于散热，而且易使制动作用不平顺，甚至可能发生自锁。选取b=。摩擦衬片宽度b较大可以降低单位压力、减少磨损，但b的尺寸过大则不易保证与制动鼓全面接触。通常是根据在紧急制动时使其单位压力不超过2.5MPa的条件来选择衬片宽度b的。选取b=45mm 。（3）摩擦衬片起始角摩擦衬片起始角通常为了适应单位压力的分布情况，将衬片相对于最大压力点对称布置，以改善制动效能和磨损的均匀性。取图4.1 制动蹄摩擦衬片参数（4）张开力的作用线至制动器中线的距离a 在满足制动轮缸或凸轮能布置在制动鼓内的条件下，应使距离a尽可能地大，以提高其制动效能。a=0.8R左右，求得a=99.6mm 。（5）制动蹄支削中心的坐标位置k与c制动蹄支销中心的坐标尺寸k应尽可能地小，以使尺寸c尽可能地大，初步设计可取c=0.8R左右，取c=99.6mm 。2摩擦片摩擦系数选择摩擦片时，不仅要希望其摩擦系数要高些，而且还要求其稳定性好。受温度和压力的影响小。不宜单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数，应提高对摩擦系数的稳定性和降低制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的要求。后者对蹄式制动器是非常重要的。各种制动器用摩擦材料的摩擦系数的稳定值约为0.30.5，少数可达到0.7。一般来说，摩擦系数愈高的材料，起耐磨性愈差。所以在制动器设计时，并非一定要追求高摩擦系数的材料。选取f=0.3。4.2.2 盘式制动器主要参数的确定1.制动盘直径D制动盘直径D希望尽量大些，这时制动盘的有效半径得以增大，就可以降低制动钳的夹紧力，降低摩擦衬快的单位压力和工作温度。但制动盘直径D受轮辋直径的限制。通常，制动盘的直径D选择为轮辋直径的70%79%。所以求得制动盘直径D=256mm 。2.制动盘厚度h制动盘厚度直接影响制动盘质量和工作时的温升。为使质量不致太大，制动盘厚度应取小些；为了降低制动时的温升，制动盘厚度不宜过小。通常，实心制动盘厚度可取为10 mm20 mm；只有通风孔道的制动盘的两丁作面之间的尺寸，即制动盘的厚度取为20 mm50 mm，但多采用20 mm30 mm。 取h=20mm 。3.摩擦衬块内半径与外半径推荐摩擦衬块的外半径与内半径的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作时摩擦衬块外缘与内缘的圆周速度相差较大，则其磨损就会不均匀，接触面积将减小，最终会导致制动力矩变化大。4.摩擦衬块厚度与摩擦面积摩擦衬块厚度取14mm,推荐根据制动摩擦衬块单位面积占有的汽车质量在1.6kg/3.5 kg/内选取。摩擦面积取76cm。4.3 制动器的设计与计算4.3.1 制动蹄摩擦面的压力分布规律及径向变形规律由前面的分析可知，制动器摩擦材料的摩擦系数及所产生的摩擦力对制动蹄因数BF有很大影响。掌握制动蹄摩擦面上的压力分布规律，有助于正确分析制动器因数。但用分析方法精确计算沿蹄片长度方向上的压力分布规律比较困难，因为除了摩擦衬片有弹性变形外，制动蹄、制动鼓以及支承也会有弹性变形，但与摩擦衬片的变形量相比，则相对很小。故在通常的近似计算中只考虑衬片径向变形的影响，其他零件变形的影响较小，可忽略不计。即通常作以下一些假定。（1） 制动鼓、制动蹄为绝对刚性体；（2） 在外力作用下，变形仅发生在摩擦衬片上；（3） 压力与变形符合虎克定律。可根据图4-2来分析计算具有一个自由度的增势蹄摩擦衬片的径向变形规律和压力分布规律。此时摩擦衬片在张开力和摩擦力的作用下，绕支承销中心转动dg角。摩擦衬片表面任意点沿制动蹄转动的切线方向饿变形即为线段，其径向变形分量是线段在半径延长线上的投影，即线段。由于dg角很小，可以认为=90则所求的摩擦衬片的径向变形为 （4.1）图4.2摩擦衬片的径向变形规律和压力分布考虑到，则由等腰三角形可知 （4.2）代入上式，得摩擦衬片的径向变形和压力分别为 （4.3）通过上式可看出摩擦片的径向变形和压力都是关于张开角a的正弦函数。4.3.2 制动蹄片上的制动力矩在计算鼓式制动器时，必须建立制动蹄对制动鼓的压紧力与所产生的制动力矩之间的关系。增势蹄产生的制动力矩可表达如下： （4.4）式中：摩擦系数（前面以选择0.3）； 单元法向力的合力；摩擦力的作用半径。如图4-3求得力与张开力的关系式，写出制动蹄上力的平衡力方程式： （4.5）图4.3 制动蹄对制动鼓的压紧力关系式中：支承反力在轴上的投影； 轴与力的作用线之间的夹角。-对式（4.5）求解，得 （4.6）将式（4.6）代入（4.4），得增势蹄的制动力矩为 = （4.7）所以增势蹄的力矩是关于的直线函数。对于减势蹄同上。4.3.3 摩擦衬块的磨损特性计算摩擦衬片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制动摩擦产生的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，则摩擦衬片（衬块）的磨损亦愈严重。1）比能量耗散率双轴汽车的单个前轮制动器和单个后轮制动器的比能量耗散率分别为 （4.8） （4.9）式中：汽车回转质量换算系数，紧急制动时，； ：汽车总质量； ，：汽车制动初速度与终速度，/；计算时轿车取27.8/； ：制动时间，；按下式计算 t=27.8/6=4.6 ：制动减速度， 0.6106； ，：前、后制动器衬片的摩擦面积；=7600mm,质量在1.52.5/t的轿车摩擦衬片面积在200-300cm,故取=30000mm ：制动力分配系数。则 =5.7轿车盘式制动器的比能量耗散率应不大于6.0，故符合要求。=0.7轿车鼓式制动器的比能量耗散率应不大于1.8，故符合要求。2）比滑磨功磨损和热的性能指标可用衬片在制动过程中由最高制动初速度至停车所完成的单位衬片面积的滑磨功，即比滑磨功来衡量： （4.10）式中：汽车总质量 ：车轮制动器各制动衬片的总摩擦面积，=752cm； : ：许用比滑磨功，轿车取1000J/1500J/。 L =1497J/1000J/1500J/故符合要求。4.3.4 制动器热容量和温升的核算制动器热容量和温升是否满足下列条件： （4.11）式中：各制动鼓（盘）的总质量； 与各制动鼓（盘）相连的受热金属件（如轮毂、轮辐、轮辋、制动钳体等）的总质量； 制动鼓（盘）材料的比热容，对铸铁c=482，对铝合金c=880； 与制动鼓（盘）相连的受热金属件的比热容； 制动鼓（盘）的温升（一次=30km/h到完全停车的强烈制动，温升不应超过15）； L满载汽车制动时由动能转变的热能，由于制动过程迅速，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给前、后制动器，即 （4.12）式中：满载汽车总质量； 汽车制动时的初速度，可取=； b汽车制动器制动力分配系数。式中的=5kg, =20kg.将其他已知的参数代入式（4-8）得：前轮钳盘式制动器和后鼓式制动器的热容量和温升都满足。4.3.5 盘式制动器制动力矩的计算盘式制动器的计算用简图4-4若衬块表面与制动盘接触良好，且各处的单位压力分布均匀，则盘式制动器的制动力矩为 图4.4 盘式制动器的计算用简图式中：摩擦系数； 单侧制动块对制动盘的压紧力； 作用半径。对于常见的扇形摩擦衬块，其径向尺寸不大了，R为平均半径或有效半径已足够精确。平均半径为 （4.13）式中；扇形摩擦衬块的内半径和外半径。所以盘式制动器的力矩方程为：，是关于活塞给予制动块对制动盘的压紧力的一个直线函数。根据图4.4，在任一单元面积上的摩擦力对盘中心的力矩为，式中q为衬块与制动盘之间的单位面积上的压力，则单侧制动块作用于制动盘上的制动力矩为 （4.14）单侧衬块给予制动盘的总摩擦力为 （4.15）得有效半径为 （4.16）令，则有 （4.17）因，故当。但当m过小即扇形的径向宽度过大时，衬块摩擦表面在不同半径处的滑磨速度相差太大，磨损将不均匀，因而单位压力分布将不均匀，则上述计算方法失效。4.3.6驻车制动计算汽车在上坡路上停驻时的受力简图如图4-5由该图得出汽车上坡停驻时的后轴附着力为 （4.18）同样求出汽车下颇停驻的后轴车轮的附着力为 （4.19）根据后轴车轮附着力与后轮驻车制动的制动力相等的条件可求得汽车在上坡路和下坡路上停驻的坡度极限倾角，即由 （4.20）求得汽车在上坡时可能停驻的极限上坡路倾角为 （4.21）代入汽车参数，求得23.22汽车在下坡时可能停驻的极限下坡路倾角为 （4.22）代入汽车参数，求得16.83 一般要求各类汽车的最大停驻坡度不应小于16%20%。