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制动系统设计计算报告编号: -DPJS-011 制动系统设计计算报告项目名称：A级三厢轿车设计开发项目代号： 编制： 日期： 校对： 日期： 审核： 日期：批准： 日期：2011年03月目 录1 系统概述11.1 系统设计说明11.2 系统结构及组成11.3 系统设计原理及规范22 输入条件22.1 整车基本参数22.2 制动器参数32.3 制动踏板及传动装置参数32.4 驻车手柄参数43 系统计算及验证43.1 理想制动力分配与实际制动力分配43.2 附着系数、制动强度及附着系数利用率73.3 管路压强计算93.4 制动效能计算113.5 制动踏板及传动装置校核143.6 驻车制动计算173.7 衬片磨损特性计算194 总结195 制动踏板与地毯距离21参 考 文 献211 系统概述1.1 系统设计说明只有制动性能良好、制动系统工作可靠的汽车才能充分发挥其动力性能。因此，在整车新产品开发设计中制动系统的匹配计算尤为重要。LF7133是在标杆车的基础上设计开发的一款全新车型，其制动系统是在标杆车制动系统为依托的前提下进行设计开发。根据项目要求，需要对制动系统各参数进行计算与校核，以确保制动系统的正常使用，使系统中各零部件之间参数匹配合理，并且确保其满足国家相关法律法规的要求。1.2 系统结构及组成经双方确认的设计依据和要求，LF7133制动系统采用同国内外大量A级三厢轿车一致的液压制动系统。制动系统包含以下装置：行车制动系统：根据车辆配置选择前后盘式或前盘后鼓制动器，制动踏板为吊挂式踏板，带真空助力器，管路布置采用相互独立的X型双管路系统；驻车制动系统：为机械式手动后鼓式制动，采用远距离棘轮拉索操纵机构；应急制动系统：行车制动系统具有应急特性，应保证在行车制动只有一处管路失效的情况下，满足应急制动性能要求。LF7133制动系统主要由如下部件组成。结构简图如图1所示：图1 制动系统结构简图1. 真空助力器带制动主缸总成2.制动踏板 3.车轮4.轮速传感器 5. 制动管路 6. 制动轮缸 7.ABS控制器1.3 系统设计原理及规范本计算报告根据总布置提供的整车参数、制动器与总泵及真空助力器厂家提供的数据、制动踏板、驻车操纵机构选型进行匹配计算，校核前/后制动力、制动效能、制动踏板力、驻车制动手柄力及驻坡极限倾角等，用以验证制动系统设计的合理性。本报告基于ABS不介入制动作用的前提下进行计算。 制动系统设计规范1)基本要求：车辆应具备行车制动、应急制动、驻车制动功能。2)法规要求： 行车制动性能要求表1 行车制动性能要求法规名称车辆类型制动初速度（Km/h）制动距离（m）减速度（m/s2）GB7528乘用车50205.9GB21670乘用车100706.43 应急制动性能要求表2 应急制动性能要求法规名称车辆类型制动初速度（Km/h）制动距离（m）减速度（m/s2）GB7528乘用车50382.9GB21670乘用车1001682.44 驻车制动性能要求GB 21670-2008乘用车制动系统技术要求及试验方法规定能使满载车辆在20%的上下坡道上保持静止。 操纵力要求GB 7258-2004机动车运行安全技术条件的要求，其中的踏板力要求500N，踏板行程不超过120mm，驻车制动操纵手柄力400N。2 输入条件2.1 整车基本参数LF7133整车输入参数见表3：表3 整车输入参数项目空载满载备注代号数值代号数值空载质量，Kgm11210m21475空载：整备质量+110 前轴载荷，Kg730788后轴载荷，Kg480687质心高，mmHg1450Hg2511 质心距前轴距离，mmaf11011.6ar11187.7质心距后轴距离，mmbr11538.4br21362.3轴距，mmL 2550车轮滚动半径，mmR 293185/60 R15 84H2.2 制动器参数 制动器基本参数见表4：表4 制动器参数项目前制动器（盘式）后制动器（鼓式）轮缸直径，mm5419.05摩擦片摩擦系数0.380.38制动器效能因数0.762.24制动半径,mm105.2100摩擦片间隙(两边之和),mm0.412.3 制动踏板及传动装置参数制动时脚操纵制动踏板输入力经踏板臂与真空助力器放大，以便减轻驾驶劳动强度。制动踏板及传动装置参数见表5：表5 制动踏板及传动装置参数项目数值备注制动踏板杠杆比2.77全行程，mm87效率因数0.85真空助力器结构型式单膜片式膜片直径9英寸真空助力比7.4拐点38.18daN 62.61bar待供应商确认真空度，Kpa66.7制动主缸结构型式中心阀式待供应商确认主缸直径，mm20.64总行程，mm、43活塞空行程，mm1.5推杆与活塞间隙，mm1.52.4 驻车手柄参数制动手柄及机械效率因素参数见表6：表6 驻车手柄参数项目数值杠杆比7.2效率因数0.93 系统计算及验证3.1 理想制动力分配与实际制动力分配3.1.1 制动力理论分析地面作用于前、后车轮的法向反作用力如图2所示：图2 制动工况受力简图由图2，对后轮接地点取力矩得:式中：地面对前轮的法向反作用力，N； 汽车重力，N； 汽车质心至后轴中心线的水平距离，m； 汽车质量，kg； 汽车质心高度，m； 轴距，m； 汽车减速度，m/s。对前轮接地点取力矩，得: 式中： 地面对后轮的法向反作用力，N； 汽车质心至前轴中心线的距离，m。3.1.2 理想制动力与力矩在不同附着系数的路面上，前、后车轮同步抱死的条件是：前、后轮制动器制动力之和等于汽车的地面附着力；并且前、后轮制动器制动力分别等于各自的附着力，即为理想的前后制动力与力矩。汽车附着力与力矩计算公式：前轮（一个） 后轮（一个） 可得出不同附着系数时理想制动力与力矩，见下表7：表7 理想制动力与力矩附着系数空载附着力 N(一个)空载附着力矩 N.M(一个)满载附着力 N(一个)满载附着力矩 N.M(一个)前轮后轮前轮后轮前轮后轮前轮后轮0000000000.1368.1629224.7371107.871765.84796400.6033322.1467117.376894.388970.2757.2518428.5482221.8748125.5646830.1734615.3266243.2408180.29070.31167.266611.4335342.0091179.151288.71879.5399377.5921257.70520.41598.207773.3929468.2747226.60411776.2131114.787520.4306326.63240.52050.074914.4265600.6715267.9272292.6841321.066671.7563387.07250.62522.8661034.534739.1997303.11852838.121498.38831.5693439.02520.73016.5841133.716883.8591332.17883412.5241646.726999.8695482.49080.83531.2281211.9721034.65355.10774015.8941766.1061176.657517.46910.94066.7981269.3021191.572371.90544648.2311856.5191361.932543.960114623.2941305.7061354.625382.57185309.5341917.9661555.694561.96393.1.3 实际制动力分配比制动力分配系数 由汽车设计（吉林工大，张洪欣主编，第2版）制动器效能因数定义： 得而由制动器制动力矩产生的车轮周缘力故 =p为液压系统中的压力d为轮缸活塞的直径BF为制动器效能因数r为制动器的作用半径R为车轮的滚动半径M为制动器摩擦副间的制动力矩F0制动器轮缸的输出力F由制动器制动力矩产生的车轮周缘力，即制动器制动力联立以上可得 经过计算可得：见表8表8 分配比相关参数前轮缸径,mm54前制动器有效半径,mm105.2前制动器效能因数0.76后轮缸径,mm19.05后制动器有效半径,mm100后制动器效能因数2.24分配比0.7413.1.4 I曲线与b曲线根据以上计算，可绘出空满载状态理想前后制动力分配曲线（I曲线）和实际前后制动力分配曲线（曲线），如图3。图3 前后轴制动力分配曲线 曲线位于I曲线下方时，制动时前轮先抱死。由上图可知：满载I曲线与曲线交点处附着系数大于1，制动时总是前轮先抱死。3.2 附着系数、制动强度及附着系数利用率 3.2.1 同步附着系数I曲线与b曲线交点处的附着系数为同步附着系数，其为制动性能的一个重要参数，由汽车结构参数所决定。同步附着系数： 由以上计算公式，可计算出空、满载同步附着系数，计算结果见下表9：表9 同步附着系数相关参数参数代号数值(空载)数值(满载)同步附着系数0.7831.034由上可知，实际空载同步附着系数为0.783，实际满载同步附着系数为1.034。而我国目前的道路路面状况有较大改善，一般可达0.8左右，在高速路上可更高。空载时=0.783满足一般路面要求，满载时因路面附着系数1在任何路面下均满足前轮先抱死。由于本车采用ABS调节前后制动器的制动力，故在任意附着系数路面时，实际前、后制动器制动力分配是近似符合I曲线的，同时也减轻了ABS系统工作压力。说明前后制动器选型合理。3.2.2 制动强度和附着系数利用率由公式 ： 式中：前轴利用附着系数；后轴利用附着系数；a 前轴到质心水平距，m； b 后轴到质心水平距，m；z 制动强度。可绘出前后轴利用附着系数与制动强度的关系曲线，如图4。图4 利用附着系数与制动强度的关系曲线为了防止后轴抱死发生危险的侧滑并提高制动效率，前轴附着系数曲线应总在45度对角线上方，同时还应靠近图中的对角线（=Z）。由上图可知，设计满足要求。GB21670制动法规要求：（1）利用附着系数在0.20.8 之间，前后轴曲线应都在直线=（z+0.04）/0.7 下方，从上图可知，制动系统设计满足该要求。（2）车辆处于各种载荷状态时，当制动强度Z处于0.150.8之间时，后轴的附着系数利用曲线不应位于前轴的附着系数利用曲线之上，从上图可知，制动系统设计满足该要求。（3）当制动强度Z处于0.150.8之间时, 后轴曲线应位于直线Z=0.9下方。从上图可知，制动系统设计满足该要求。因此，LF7133 车型制动系统满足法规关于制动力在前后轴之间分配的协调性要求。由于LF7133车型制动系统采用ABS 系统，前后轴制动力分配会更加合理。3.3 管路压强计算3.3.1 管路工作极限压强1）、制动器产生极限制动力时所需管路压强管路的极限压强在不考虑管路压强损失时即为制动器产生极限制动力时的轮缸压强。理论上在不考虑ABS系统的作用应该是在地面的附着系数达到同步附着系数时管路中的压强。但满载同步附着系数1.034大于1，实际附着系数最大为1，即附着系数为1路面上满载时制动器产生的制动力为极限制动力。根据制动器制动力公式：= 式中：P为液压系统中的压强d为轮缸活塞的直径BF为制动器效能因数r为制动器的作用半径R为车轮的滚动半径Fz由制动器制动力矩产生的车轮周缘力，即制动器制动力经过计算，管路压强：=8.81；2）、制动系统所能施加的极限压强当制动踏板力施加到500N时，主缸产生的压强为制动系统能达到的极限压强。 制动踏板力制动踏板杠杆比制动踏板机械效率图5真空助力器与总泵曲线特性通过查图5。输入力对应1178N时主缸输出的压强约为9.4经过以上计算，可知制动过程中经过驾驶员操纵制动踏板，制动系统所能提供的极限压强大于理论制动所需要的极限压强。说明设计符合要求。而且液压制动系统管路的极限工作压强小于10，因此本系统管路压强符合要求。3.3.2 管路一般工作压强车辆一般行驶路面附着系数取0.8，在这样的路面上制动过程分析：在附着系数为0.8（0.8）的路面上制动时，前轮的压力首先达到抱死拖滑状态，当管路中压力继续升高时，后轮制动力却随压力的升高继续增大，直到后轮也抱死拖滑。那么，后轮抱死拖滑时，管路中的压强已经足够大，此时管路压强为一般常见工作状态压强（简称：一般工作压强）。同3.3.1计算方法得：管路压力：=8.11； 液压制动系统管路的一般工作压强小于10，因此本系统管路压强符合要求。3.4 制动效能计算3.4.1 行车制动效能由法规要求，制动效能在满载状态下计算。为此，以车辆在良好路面（附着系数）上满载行驶状态进行计算。1）、ABS系统不参与制动作用时的制动效能满载同步附着系数为1.034，那么在附着系数的路面上前轮先抱死托滑。此时前轮制动力由表3-1查得： 总制动力： 减速度：制动距离公式为： V 制动初速度， km/h 最大制动减速度，m/s2 制动器的作用时间，取0.20.9s取0.5s当时， 当V=100 km/h计算得 S66.4m制动距离S70m，符合GB 21670-2008的规定；当V=50 km/h计算得 S19.9m制动距离S20m，恰好符合GB 7258-2004的规定2）、ABS系统参与制动作用时的制动效能因为ABS参与作用，前后车轮受ABS调节而同时停止运转，同步附着系数即为附着系数。减速度： 当时， 当V=100 km/h计算得 S63m制动距离S70m，符合GB 21670-2008的规定；当V=50 km/h计算得 S19.25m制动距离S20m，符合GB 7258-2004的规定3.4.2 失效制动效能1）、一条制动回路失效时制动效能由于制动管路采用双回路X 型布置，其最大优点是任一回路失效时，仍能保持对角线两个车轮制动器的工作。由于同轴左、右制动器的对称性，任一回路失效时，仍能剩余50的制动力。为此，以车辆在良好路面（附着系数）上满载行驶状态计算。 ABS系统不参与制动作用时的制动效能减速度为行车制动的50 制动距离公式为： V 制动初速度， km/h 最大制动减速度，m/s2 制动器的作用时间，取0.20.9s取0.5s当V=100 km/h计算得 S119m制动距离S168m，符合GB 21670-2008的规定；当V=50 km/h计算得 S33.2m制动距离S38m，符合GB 7258-2004的规定 ABS系统参与制动作用时的制动效能减速度为行车制动的50 制动距离公式为： V 制动初速度， km/h 最大制动减速度，m/s2 制动器的作用时间，取0.20.9s取0.5s当V=100 km/h计算得 S112.3m制动距离S168m，符合GB 21670-2008的规定；当V=50 km/h计算得 S31.5m制动距离S38m，符合GB 7258-2004的规定2）、真空助力器失效时制动效能真空助力器失效时，制动效能计算如下： 制动压力， 制动踏板力， 根据法规要求，最大输入力为500N。 制动杠杆比 制动主缸直径，制动力计算公式：=前轴制动力（单侧）：后轴制动力（单侧）：总制动力： 减速度：制动距离公式为： V 制动初速度， km/h 最大制动减速度，m/s2 制动器的作用时间，取0.20.9s取0.5s当V=100 km/h计算得 S95.5m制动距离S168m，符合GB 21670-2008的规定；当V=50 km/h计算得 S27.3m制动距离S38m，符合GB 7258-2004的规定3.5 制动踏板及传动装置校核3.5.1 主缸工作行程根据（一次完全制动过程中轮缸的行程）得： （制动间隙，摩擦块变形量，制动盘（鼓）变形量 试验确定）前轮缸工作容积3.145420.84=1832mm3 （盘式：=0.4，=0.2，=0.2）后轮缸工作容积3.1419.0522.54=712.5 mm3（鼓式：=2.5）考虑软管变形，L左前=0.328 m；L右前=0.328 m；L左后=0.182 m； L右后=0.182 m； 软管变形量1.1（L左前+L右前+L左后+L右后）1.12 mL（系数1.1表示单位长度的变形量，单位：mL/m）主缸容积为2（+）+6210.4mm3活塞空行程:1.5mm 活塞与推杆间隙:1.5mm 真空助力器反馈盘变形量：3mm 主缸工作行程S0+1.5+1.5+324.56mm 小于主缸总行程43mm，满足设计要求。 3.5.2 制动踏板力及行程1）制动踏板工作行程ip：制动踏板杠杆比，2.77：主缸行程，24.56mm Sp=2.7724.5=68 mm 工作行程与总行程比68/87=0.78制动踏板全行程约为87mm，满足GB7258-2004的规定：液压型车制动在达到规定的制动效能时，制动工作行程不得超过踏板全行程的4/5。同时全行程小于乘用车法规要求120mm。可见制动踏板行程满足设计要求。2）制动踏板力校核：由3.3计算可知，制动系统管路一般工作压力（以满载状态在路面附着系数为0.8的路面制动）为8.11MPa（81.1bar）真空助力器和总泵特性曲线（供应商BOSCH提供），见图6：图6 S08真空助力器和总泵特性曲线从真空助力器和总泵特性曲线中可以查出：需要输出液压为8.11时，所对应的真空助力器输入端施加力应为590N。由可得 制动踏板力制动踏板杠杆比制动踏板机械效率由以上计算可知，制动踏板力F500N，符合GB 12676-1999的规定，根据设计经验。制动踏板力200300是比较适宜驾驶员操纵的力。所以在采用配套真空助力器与总泵的情况下，制动踏板力能够满足法规要求。 3.6 驻车制动计算3.6.1 停驻极限倾角根据汽车后轴车轮附着力Ff与制动力相等的条件，汽车在角度为的上坡路和下坡路上停驻时的制动力、分别为： 式中 坡度角质心高度汽车满载质量汽车轴距汽车质心至前轴中心线的距离可得汽车在上、下坡路上停驻时的坡度倾角、分别为： 因此经过计算，满载时汽车可能停驻的极限上、下坡倾角见下表。表10 停驻极限上、下坡倾角()()0.514.5187711.958420.617.6322914.015290.720.7795215.965590.823.9418317.813220.9 27.10004 19.562533.6.2 手柄操纵力根据汽车停驻在（20%）上坡的坡度上计算:地面对后轮附着力：=mg() =5750.2N 对调隙杆端点取矩：F领20=F拉101根据杆受力平衡：F领+ F拉=F从 F领=5 F拉 F从=6 F拉根据力矩平衡：R= F领r2+ F从r2F拉=765.1N此时制动鼔内受力简图如下图7所示：图7：驻车制动鼓受力简图驻车制动装置采用领从蹄式，其制动效能因数BF为2.24，根据公式由公式： =2/=2765.1/7.2/0.9得= 236.4(N)按照GB 12676-1999规定，驻车制动必须使满载车辆在20%（）的坡道上停驻, M1类车制动手柄力不超过400N，设计方案合理。3.6.3 驻车制动效能采用GB21670法规要求计算驻车制动效能。以满载状态进行计算。根据M1类车制动手柄力不超过400N，取手操控力最大为400N,此时作用于车辆的制动力：(51.74400+60.5400) 0.91002/293=2875.1N减速度：减速度大于满足CB21670法规要求。说明驻车系统方案合理3.7 衬片磨损特性计算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。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：公式： 式中： 满载质量； 制动初速度；轿车取制动减速度；取制动时间 ，前后制动器衬片的摩擦面积经过计算得： 轿车盘式制动器的比能量耗散率应不大于，鼓式制动器的比能量耗散率应不大于，说明前后制动摩擦块选择符合要求。4 总结通过以上计算分析可知制动系统零件选型合理，制动性能满足要求，但是其中很多数据为经验值，尚待装车做进一步优化。具体可得出如下结论：1）、制动系统中前后制动器选型合理，前后轴制动力分配合理；2）、制动系统设计，满足行车制动，应急制动效能（减速度与制动距离）法规要求；3）、BOSCH提供的真空助力器带总泵选型可满足制动系统要求；4）、驻车制动满足停驻坡度角要求，满足驻车效能（减速度）法规要求；5）、制动踏板力，驻车手柄操纵力，主缸行程，制动踏板行程满足相应要求；6）、前后制动摩擦衬片（块）比能量耗散率符合要求，摩擦衬片设计合理。制动系统的计算结果参数见表11：表11 制动系统参数项目单位数值备注制动力分配比，0.741同步附着系数，0.783(空载)1.034(满载)管路极限压强9.4踏板力输入500N管路一般工作压强8.11以满载0.8系数路面制动计算行车制动效能减速度7.84以满载0.8系数路面制动计算制动距离19.25GB7258 以50 km/h初速计算时20制动距离63GB21670 以100 km/h初速计算时70失效制动效能（一条回路）减速度3.92以满载0.8系数路面制动计算制动距离31.5GB7258 以50 km/h初速计算时38制动距离112.3GB21670 以100 km/h初速计算时168失效制动效能（真空助力器失效时）减速度4.73踏板力输入500N，以满载0.8系数路面制动计算制动距离27.3GB7258 以50 km/h初速计算时38制动距离95.4GB21670 以100 km/h初速计算时168主缸工作行程24.24制动踏板工作行程67.15制动踏板力250.6满载0.8系数路面制动驻车停驻极限倾角（上坡）度23.9满载0.8系数路面停驻驻车停驻极限倾角（下坡）度17.8满载0.8系数路面停驻驻车制动手柄力236.4停驻在12度上坡时计算驻车制动减速度1.95驻车手柄输入力400N，前/后制动器比能量耗散率5.59/1.335 制动踏板与地毯距离制动踏板上极限状态（未踩制动）时：制动踏板面到地毯的Z向最小距离为制动踏板下极限状态（制动踩到底）时：制动踏板面到地毯的Z向最小距离为见图8：70.737.5图8 制动踏板与地毯间距 参 考 文 献1. 刘惟信 主编.汽车设计.北京：清华大学出版社，20012. 余志生 主编.汽车理论（第3版）.北京：机械工业出版社，20023. 王望予 主编.汽车设计（第3版）.北京：机械工业出版社，20034. 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册（设计篇）. 北京：人民交通出版社，2001121- 22 -