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盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)
摘 要
汽車制動(dòng)系統(tǒng)是汽車各個(gè)系統(tǒng)中最為重要的。如果制動(dòng)系統(tǒng)失靈，那么結(jié)果將會(huì)是毀滅性的。制動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化裝置，這種轉(zhuǎn)化實(shí)際上是把汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為汽車的熱能揮發(fā)出去，當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序來命令十倍于以往的力來使汽車停止下來。制動(dòng)系統(tǒng)可以發(fā)揮上千磅的壓力來分配給四個(gè)制動(dòng)器。
本次設(shè)計(jì)的盤式制動(dòng)器參考別克君威GS2.0T前輪盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)。
盤式制動(dòng)器又稱為碟式制動(dòng)器，這種制動(dòng)器散熱快、重量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，特別是高負(fù)載時(shí)耐高溫性能好，制動(dòng)效果穩(wěn)定，而且不怕泥水侵襲，在冬季和惡劣路況下行車，盤式制動(dòng)比鼓式制動(dòng)更容易在較短的時(shí)間內(nèi)令車停下。有些盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤上還開了許多小孔，加速通風(fēng)散熱，提高制動(dòng)效率。由制動(dòng)器設(shè)計(jì)的一般原則，綜合考慮制動(dòng)效能、制動(dòng)效能穩(wěn)定性、制動(dòng)間隙調(diào)整簡(jiǎn)便性、制動(dòng)器的尺寸和質(zhì)量及噪聲等諸多因素設(shè)計(jì)本產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)中涉及到同步系數(shù)的選取、制動(dòng)器效能因素的選取、制動(dòng)力矩的計(jì)算，以及制動(dòng)器主要元件選取，最后對(duì)設(shè)計(jì)的制動(dòng)器進(jìn)行校核計(jì)算。
關(guān)鍵詞：制動(dòng)系統(tǒng)，盤式制動(dòng)器，同步系數(shù)
Abstract
The braking system is the most important system in car. If the brakes fail, the result can be disastrous. brakes are actually energy conversion devices, which convert the kinetic energy of the vehicle into thermal energy .when stepping on the brakes, the drivers commands a stopping force ten times as powerful as the force that puts the car in motion. the braking system can exert thousands of pounds of pressure on each of the four brakes.
The disc brake is called the small dish type brake, this kind of brake radiates quickly, the weight light, the structure simple, the adjustment is convenient, specially when high load the performance is good, applies the brake the effect to be stable, moreover did not fear the spate attack, under the winter and the bad state of roads the driving, the disc type applies the brake compared to the drum type to apply the brake to stop easily in the short time the vehicle. On some disc brake disc has also opened many eyelets, accelerates to ventilate the radiation, enhances the brake efficiency. The principle of the design to the brake system. Synthesize the consideration of the effect to the brake system, the stability of the effect to the brake system, the simple and convenient of the brake cleft adjusting, the size and quantity of the brake system, the same of the brake system and so on to design the product. In this design, adhere to synchronously the coefficient selects by examinations, affect factor selects of the brake system. The calculation of the brake moment, and the selects of the important parts of the brake system , check the whole design at last.
Keywords：Brake system , Disc brake , Synchronous coefficient
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1研究意義 1
1.2盤式制動(dòng)器的介紹與特點(diǎn) 1
1.3國內(nèi)外汽車盤式制動(dòng)器應(yīng)用情況 2
1.3.1國內(nèi)應(yīng)用情況 2
1.3.2國外應(yīng)用情況 3
第二章 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)原則 4
2.1 盤式制動(dòng)器的分類 4
2.2 盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及工作原理 5
2.3 制動(dòng)器設(shè)計(jì)的一般原則 6
2.3.1 制動(dòng)效能 7
2.3.2 制動(dòng)效能穩(wěn)定性 7
2.3.3 制動(dòng)間隙調(diào)整簡(jiǎn)便性 7
2.3.4 制動(dòng)器的尺寸及質(zhì)量 7
2.3.5 噪音的減輕 8
2.4行車制動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī) 8
第三章 盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì) 9
3.1設(shè)計(jì)參數(shù)選定 9
3.2主要元件尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.2.1 制動(dòng)盤 9
3.2.2 制動(dòng)塊 11
3.2.3 制動(dòng)鉗 11
3.2.4 襯塊報(bào)警裝置設(shè)計(jì) 11
3.2.5 摩擦材料 11
3.2.6 制動(dòng)器間隙及調(diào)整 12
3.3液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12
3.3.1制動(dòng)輪缸直徑d與工作容積V 12
3.3.2制動(dòng)主缸直徑與工作容積 13
3.3.3制動(dòng)踏板力 14
3.3.4踏板工作行程 14
3.4 制動(dòng)力分配分析 14
3.5 同步附著系數(shù)的選取 17
3.6 制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算 19
3.7 制動(dòng)系統(tǒng)性能要求 20
3.7.1 制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性 20
3.7.2 制動(dòng)減速度j 20
3.7.3 制動(dòng)距離S 21
3.7.4 制動(dòng)力矩 21
3.7.6 對(duì)比摩擦力 21
3.7.7 對(duì)熱流密度 21
3.7.8 對(duì)襯塊吸收功率 21
3.7. 9 對(duì)平均摩擦力 21
3.7.10 緊急制動(dòng)時(shí)踏板力的計(jì)算 21
3.7.11 制動(dòng)踏板行程的計(jì)算 22
3.8 摩擦襯片的磨損特性 22
3.8.1比能量耗散率 22
3.8.2比滑磨功Lf 23
第四章 盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)校核 24
4.1制動(dòng)器的熱容量和溫升的核算 24
4.2制動(dòng)器制動(dòng)性能核算 25
結(jié) 論 26
參考文獻(xiàn) 27
致 謝 28
IV
第一章 緒論
1.1研究意義
隨著社會(huì)的不斷向前發(fā)展，汽車在人們的生活中的作用也日趨明顯，人們從事生產(chǎn)活動(dòng)離不開汽車，日常生活中，汽車尤其是乘用車成為經(jīng)常使用的交通工具。擁有一輛轎車是人們生活質(zhì)量水平提高的標(biāo)志。而制動(dòng)系統(tǒng)是汽車安全系統(tǒng)當(dāng)中最重要的一項(xiàng)，其結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)劣直接影響車輛和人身安全。因此人們對(duì)其提出了更嚴(yán)格的要求，現(xiàn)代社會(huì)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)以提高其工作性能是十分重要的。
1.2盤式制動(dòng)器的介紹與特點(diǎn)
現(xiàn)在，盤式制動(dòng)器在汽車上已經(jīng)越來越多地被采用，特別是在轎車上已被廣泛采用。盤式制動(dòng)器在液力助力下制動(dòng)力大且穩(wěn)定，在各種路面都有良好的制動(dòng)表現(xiàn)，其制動(dòng)效能遠(yuǎn)高于鼓式制動(dòng)器，而且空氣直接通過盤式制動(dòng)盤，故盤式制動(dòng)器的散熱性很好。但是盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)相對(duì)于鼓式制動(dòng)器來說比較復(fù)雜，對(duì)制動(dòng)鉗、管路系統(tǒng)要求也較高，而且造價(jià)高于鼓式制動(dòng)器。
汽車制動(dòng)系可分為行車、駐車、應(yīng)急、輔助內(nèi)部分裝置。任何制動(dòng)裝置都具有供能裝置、控制裝置、傳動(dòng)裝置和制動(dòng)器四個(gè)部分組成。較為完善的制動(dòng)系還具有制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置，以及報(bào)警裝置、壓力保持裝置。
盤式制動(dòng)器多用于汽車的前輪，有不少車輛四個(gè)車輪都用盤式制動(dòng)器。制動(dòng)盤裝在輪級(jí)上、與車輪及輪胎一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)駕駛員進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，主缸的液體壓力傳遞到盤式制動(dòng)器。該壓力推動(dòng)摩擦襯片靠到制動(dòng)盤上，阻止制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。
現(xiàn)在，盤式制動(dòng)器在汽車上已經(jīng)越來越多地被采用，特別是在轎車上已被廣泛采用，在很多中高級(jí)轎車上，前后輪都已經(jīng)采用盤式制動(dòng)器。盤式制動(dòng)器在液力助力下制動(dòng)力大且穩(wěn)定，在各種路面都有良好的制動(dòng)表現(xiàn)，其制動(dòng)效能遠(yuǎn)高于鼓式制動(dòng)器，而且空氣直接通過盤式制動(dòng)盤，故盤式制動(dòng)器的散熱性很好。但是盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)相對(duì)于鼓式制動(dòng)器來說比較復(fù)雜，對(duì)制動(dòng)鉗、管路系統(tǒng)要求也較高，而且造價(jià)高于鼓式制動(dòng)器。
按摩擦副中固定元件結(jié)構(gòu)，盤式制動(dòng)器可分為鉗盤式和全盤式。
固定鉗盤式在汽車上用的最早（50年代就開始使用），優(yōu)點(diǎn)是：除活塞和制動(dòng)塊外無滑動(dòng)件，這易保證鉗的剛度，易實(shí)現(xiàn)從鼓式到盤式的改進(jìn)，也能適用分路系統(tǒng)的要求。
近年來，由于汽車性能要求的提高，固定鉗盤式的缺點(diǎn)，暴露較明顯，因而導(dǎo)致浮動(dòng)鉗（特別是滑動(dòng)鉗）的迅速發(fā)展。首先，固定鉗至少要有兩個(gè)油缸分置于制動(dòng)盤兩側(cè)，所以須有橫跨的內(nèi)部油道或外部油道來連通，這就使制動(dòng)器的徑向和軸向尺寸加大，布置也較難；而浮動(dòng)鉗的外側(cè)無油缸，可將制動(dòng)器進(jìn)一步移進(jìn)輪轂；其次，在嚴(yán)酷的使用條件下，固定鉗容易使制動(dòng)液溫度過高而汽化，浮動(dòng)鉗由于沒有跨越制動(dòng)盤的油道或油管，減少了受熱機(jī)會(huì)。所以制動(dòng)溫度可以比固定鉗低30-50℃，又采用浮動(dòng)鉗可將活塞和油缸等精密件減去一半，造價(jià)大為降低。
1.3國內(nèi)外汽車盤式制動(dòng)器應(yīng)用情況
1.3.1國內(nèi)應(yīng)用情況
隨著我國汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,特別是轎車工業(yè)的發(fā)展,合資企業(yè)的引進(jìn)，國外先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)入，汽車上采應(yīng)用盤式制動(dòng)器配置才逐步在我國形成規(guī)模。特別是在提高整車性能、保障安全、提高乘車者的舒適性，滿足人們不斷提高的生活物質(zhì)需求、改善生活環(huán)境等方面都發(fā)揮了很大的作用。
1）在轎車、微型車、輕卡、SUV及皮卡方面：在從經(jīng)濟(jì)與實(shí)用的角度出發(fā)，一般采用了混合的制動(dòng)形式，即前車輪盤式制動(dòng)，后車輪鼓式制動(dòng)。因轎車在制動(dòng)過程中，由于慣性的作用，前輪的負(fù)荷通常占汽車全部負(fù)荷的70%－80%，所以前輪制動(dòng)力要比后輪大。生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本，就采用了前輪盤式制動(dòng)，后輪鼓式制動(dòng)的混合匹配方式。采用前盤后鼓式混合制動(dòng)器，這主要是出于成本上的考慮，同時(shí)也是因?yàn)槠囋诰o急制動(dòng)時(shí)，軸荷前移，對(duì)前輪制動(dòng)性能的要求比較高，這類前制動(dòng)器主要以液壓盤式制動(dòng)器為主流，采用液壓油作傳輸介質(zhì)，以液壓總泵為動(dòng)力源，后制動(dòng)器以液壓式雙泵雙作用缸制動(dòng)蹄匹配。目前大部分轎車等采用前盤后鼓式混合制動(dòng)器。2004年我國共產(chǎn)此類車計(jì)110萬輛以上。但隨著高速公路等級(jí)的提高，乘車檔次的上升，特別上國家安全法規(guī)的強(qiáng)制實(shí)施，前后輪都用盤式制動(dòng)器是趨勢(shì)。
2）在大型客車方面：氣壓盤式制動(dòng)器產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)性明顯，可靠性總體良好，具有創(chuàng)新性和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的集成性。歐美國家自上世紀(jì)90年代初開始將盤式制動(dòng)器用于大型公交車。至2000年，盤式制動(dòng)器（前后制動(dòng)均為盤式）已經(jīng)成為歐美國家城市公交車的標(biāo)準(zhǔn)配置。我國從1997年開始在大客車和載重車上推廣盤式制動(dòng)器及 ABS防抱死系統(tǒng)，因進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格太高，主要用于高端產(chǎn)品。2004年7月1日交通部強(qiáng)制在7---12米高Ⅱ型客車上 “必須”配備后，國產(chǎn)盤式制動(dòng)器得以大行其道。
3）重型汽車方面：作為重型汽車行業(yè)應(yīng)用型新技術(shù)，氣壓盤式制動(dòng)器的已經(jīng)屬成熟產(chǎn)品，目前具有廣泛應(yīng)用的前景。2004年3月紅巖公司率先在國內(nèi)重卡行業(yè)中完成了對(duì)氣壓盤式制動(dòng)器總成的開發(fā)。2005年元月份中國重汽卡車事業(yè)部在提升和改進(jìn)卡車底盤的過程中，在橋箱事業(yè)部配合下，將22.5英寸氣壓盤式制動(dòng)器成功“嫁接”到了重汽斯太爾重卡車前橋 上。
綜合以上各項(xiàng)，參照所給參數(shù)以現(xiàn)代汽車上實(shí)際采用的型式，確定設(shè)計(jì)的浮動(dòng)鉗盤式制動(dòng)器在市場(chǎng)是有很大的開發(fā)前景的。
1.3.2國外應(yīng)用情況
國外汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)經(jīng)過多年的研究和試驗(yàn)氣壓盤式制動(dòng)器在所有的主要性能方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的鼓式制動(dòng)器并將其廣泛使用在新型的載重汽車上?，F(xiàn)在一些歐洲汽車公司制造的汽車上均已開始大量使用氣壓盤式制動(dòng)器總成（這種氣壓盤式車輪制動(dòng)器裝配組裝在汽車的前后車橋總成上）。
經(jīng)過幾十年來的發(fā)展生產(chǎn)氣（液）壓盤式制動(dòng)器的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟形成了系列產(chǎn)品。例如：博世(Bosch)公司、Wabco制動(dòng)器制造公司、阿文美馳公司等每年的產(chǎn)量都在20—50萬臺(tái)以上；在歐、美、日等發(fā)達(dá)國家已把盤式制動(dòng)器作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在多級(jí)別的轎車、客車、中型、重型汽車上。我國在此項(xiàng)目上起步較晚大部分是隨著歐系、日系轎車的引進(jìn)而上馬的轎車、微型車用液壓盤式制動(dòng)器各廠家產(chǎn)品單一配套市場(chǎng)狹窄。氣壓盤式制動(dòng)器則大部分是在1999—2002年間汽車熱中上馬的生產(chǎn)廠家國內(nèi)目前真正形成規(guī)?；a(chǎn)企業(yè)寥寥無幾如武漢元豐、淅江萬向、一汽四環(huán)等。但開發(fā)氣壓盤式制動(dòng)器的熱火朝天的局面大有愈演愈烈的趨勢(shì)。
第二章 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)原則
2.1 盤式制動(dòng)器的分類
按摩擦副中固定元件結(jié)構(gòu)盤式制動(dòng)器可分為鉗盤式和全盤式。按制動(dòng)鉗結(jié)構(gòu)形式分鉗盤式制動(dòng)器可分為固定鉗盤式和浮鉗盤式。固定鉗盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，浮鉗盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。
圖2.1 固定鉗盤式制動(dòng)器
圖2.2 浮鉗盤式制動(dòng)器
固定鉗盤式在汽車上用的最早（50年代就開始使用）優(yōu)點(diǎn)是：除活塞和制動(dòng)塊外無滑動(dòng)件這易保證鉗的剛度易實(shí)現(xiàn)從鼓式到盤式的改進(jìn)也能適用分路系統(tǒng)的要求。
近年來由于汽車性能要求的提高固定鉗盤式的缺點(diǎn)暴露較明顯因而導(dǎo)致浮動(dòng)鉗（特別是滑動(dòng)鉗）的迅速發(fā)展。首先固定鉗至少要有兩個(gè)油缸分置于制動(dòng)盤兩側(cè)所以須有橫跨的內(nèi)部油道或外部油道來連通這就使制動(dòng)器的徑向和軸向尺寸加大布置也較難；而浮動(dòng)鉗的外側(cè)無油缸可將制動(dòng)器進(jìn)一步移進(jìn)輪轂；其次在嚴(yán)酷的使用條件下固定鉗容易使制動(dòng)液溫度過高而汽化浮動(dòng)鉗由于沒有跨越制動(dòng)盤的油道或油管減少了受熱機(jī)會(huì)。所以制動(dòng)溫度可以比固定鉗低30～50度又采用浮動(dòng)鉗可將活塞和油缸等精密件減去一半造價(jià)大為降低[21]。
全盤式制動(dòng)器的固定摩擦元件和旋轉(zhuǎn)元件均為圓盤形制動(dòng)時(shí)各盤摩擦表面全部接觸。其工作原理如摩擦離合器故又稱為離合器式制動(dòng)器。用得較多的是多片全盤式制動(dòng)器以便獲得較大的制動(dòng)力。但這種制動(dòng)器的散熱性能較差故多為油冷式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
浮鉗盤式制動(dòng)器只在制動(dòng)盤的一側(cè)裝油缸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低廉，易于布置結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，可以將制動(dòng)器進(jìn)一步移近輪轂，同一組制動(dòng)塊可兼用于行車和駐車制動(dòng)，在兼用于行車和駐車制動(dòng)的情況下不需要加設(shè)駐車制動(dòng)鉗，只需要在行車制動(dòng)鉗液壓缸的附近加裝一些用于推動(dòng)液壓缸活塞的駐車制動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)零件即可。浮動(dòng)鉗由于沒有跨越制動(dòng)盤的油道或油管減少了受熱機(jī)會(huì)單側(cè)油缸又位于盤的內(nèi)側(cè)受車輪遮蔽較少使冷卻條件較好另外單側(cè)油缸的活塞比兩側(cè)油缸的活塞要長也增大了油缸的散熱面積因此制動(dòng)液溫度比用固定鉗時(shí)低30℃～50℃氣化的可能性較小。但由于制動(dòng)鉗體是浮動(dòng)的必須設(shè)法減少滑動(dòng)處或擺動(dòng)中心處的摩擦、磨損和噪聲[22]。
2.2 盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及工作原理
本次設(shè)計(jì)的轎車參考別克君威GS2.0T前輪盤式制動(dòng)器它采用單缸浮動(dòng)鉗式結(jié)構(gòu)(圖2.4)制動(dòng)器由制動(dòng)盤、制動(dòng)鉗、車輪軸承及制動(dòng)摩擦罩盤組成。浮鉗盤式制動(dòng)鉗的工作原理：如圖2.4和2.5所示：制動(dòng)鉗殼體2用螺栓5與支架1相連接,螺栓5兼作導(dǎo)向銷。支架1固定在前懸架焊接總成(亦稱車輪軸承殼體)，法蘭板上殼體2可沿導(dǎo)向銷與支架作軸向相對(duì)移動(dòng)。支架固定在車軸上，摩擦塊11和12布置在制動(dòng)盤13的兩側(cè)。制動(dòng)分泵設(shè)在制動(dòng)鉗內(nèi)。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鉗內(nèi)油缸活塞8在液壓力作用下推動(dòng)內(nèi)摩擦塊12壓靠到制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)表面作用于分泵底部的液壓力使制動(dòng)鉗殼體在導(dǎo)向銷上移動(dòng)推動(dòng)外摩擦塊11壓向制動(dòng)盤的外側(cè)表面。內(nèi)、外摩擦塊在液壓作用下將制動(dòng)盤的兩側(cè)面緊緊夾住。由于制動(dòng)盤是緊固在前輪轂上的因此實(shí)現(xiàn)了前輪的制動(dòng)。
前制動(dòng)器的制動(dòng)間隙是自動(dòng)調(diào)節(jié)的。它是利用分泵活塞密封圈4的彈性變形來實(shí)現(xiàn)的。制動(dòng)時(shí)橡膠密封圈變形制動(dòng)一結(jié)束，密封圈恢復(fù)原狀，活塞在彈性作用下回到原位。在制動(dòng)盤和內(nèi)、外摩擦塊磨損后引起制動(dòng)間隙變大超過活塞8的設(shè)定行程時(shí)，活塞在制動(dòng)液壓力作用下，克服密封圈的摩擦阻力繼續(xù)向前移，直到完全制動(dòng)為止?；钊兔芊馊χg的相對(duì)位移補(bǔ)償了過量的間隙制動(dòng)間隙，一般單邊為0.05-0.15 mm。內(nèi)、外摩擦塊的材料采用非石棉半金屬材料與鋼板牢牢粘在一起制成的[23]。
圖2.4 別克君威GS2.0T型轎車浮鉗盤式制動(dòng)器
1-支架 2-制動(dòng)鉗殼體 3-活塞防塵罩 4-活塞密封圈 5-螺栓
6-導(dǎo)套 7-導(dǎo)向防塵罩 8-活塞 9-止動(dòng)彈簧 10-放氣螺栓
11-外摩擦塊 12-內(nèi)摩擦塊 13-制動(dòng)盤
圖2.5 浮鉗盤式制動(dòng)器的作用原理
2.3 制動(dòng)器設(shè)計(jì)的一般原則
汽車的制動(dòng)性是指汽車在行駛中能利用外力強(qiáng)制地降低車速至停車或下長坡時(shí)能維持一定車速的能力。任何一套制動(dòng)裝置都是由制動(dòng)器和制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成[24]。
為了使汽車制動(dòng)性能更好的符合使用要求設(shè)計(jì)制動(dòng)器時(shí)應(yīng)全面考慮以下問題。
2.3.1 制動(dòng)效能
制動(dòng)器在單位輸入壓力或力作用下所輸出的力或力矩稱為制動(dòng)器效能。常用一種稱為制動(dòng)器效能因素的無因次指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。制動(dòng)器效能因素定義為在制動(dòng)鼓或盤的作用半徑上所得到的摩擦力與輸入力之比。
就鉗盤式制動(dòng)器而言如圖2.6所示兩側(cè)制動(dòng)塊尺寸對(duì)制動(dòng)盤壓緊力F0制動(dòng)盤之間兩個(gè)作用半徑上所受摩擦力為此外f為制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤之間的摩擦系數(shù)。所以鉗盤式制動(dòng)器效能因素為：
(2.1)
式中k----制動(dòng)器效能因素
Mu---制動(dòng)力矩，F(xiàn)0----輸入力
顯然有n個(gè)旋轉(zhuǎn)制動(dòng)盤的多片全盤效能因數(shù)為
2.3.2 制動(dòng)效能穩(wěn)定性
制動(dòng)效能穩(wěn)定性取決于其效能因數(shù)k對(duì)摩擦系數(shù)f的敏感性（dk/df）。而f是一個(gè)不穩(wěn)定因數(shù)。影響摩擦系數(shù)的因數(shù)除摩擦副材料外主要是摩擦副表面溫度和水濕程度其中經(jīng)常起作用的是溫度因而制動(dòng)器熱穩(wěn)定性尤為重要。從上面分析可知盤式制動(dòng)器效能穩(wěn)定。
所以應(yīng)效能因數(shù)k對(duì)f敏感性低的制動(dòng)型式還要摩擦材料有好的抗衰退性和恢復(fù)性還應(yīng)使制動(dòng)盤（鼓）有足夠的熱容量及散熱能力。
2.3.3 制動(dòng)間隙調(diào)整簡(jiǎn)便性
制動(dòng)間隙調(diào)整是汽車保養(yǎng)中較頻繁的作業(yè)之一所以選擇調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)形式和安裝位置須簡(jiǎn)便所以最好用自動(dòng)調(diào)整裝置。
2.3.4 制動(dòng)器的尺寸及質(zhì)量
隨著車速的提高行車穩(wěn)定性就很重要這就導(dǎo)致了輪胎尺寸要小為保證足夠制動(dòng)力矩往往制動(dòng)器難以以在輪轂內(nèi)安裝這就要求設(shè)計(jì)若在小型化輕量化的前提下通過精心設(shè)計(jì)達(dá)到所需制動(dòng)力矩。
F0
F0
Ff
圖2.6制動(dòng)塊受力分析
2.3.5 噪音的減輕
制動(dòng)噪聲大致分為兩種低頻（1 Hz以下）和高頻（1-11 kHz）。低頻主要是制動(dòng)盤或鼓共振所導(dǎo)致[25]。
摩擦材料的摩擦特征性是主要影響因素輸入壓力溫度也有影響。在制動(dòng)器設(shè)計(jì)中可用某些結(jié)構(gòu)消除特別是低頻噪聲不過應(yīng)注意到這些措施有可能導(dǎo)致制動(dòng)力矩下降和踏板行程損失加大等副作用[26]。
2.4行車制動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)
行車制動(dòng)效能是用在一定的制動(dòng)初速度下或最大踏板力下的制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離兩項(xiàng)指標(biāo)來評(píng)定，它是制動(dòng)性能最基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)。下表給出了中、歐、美等國的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)的規(guī)定。
表2—1制動(dòng)距離和制動(dòng)穩(wěn)定性要求
綜合國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，可以認(rèn)為：進(jìn)行制動(dòng)效能試驗(yàn)時(shí)的制動(dòng)減速度j，轎車應(yīng)為5.8～7m/s2（制動(dòng)初速度v=80km／h）；載貨汽車應(yīng)為4.4～5.5m／s2 (制動(dòng)初速度見表1)。相應(yīng)的最大制動(dòng)距離ST：轎車為ST=0.1v+v2/150；貨車為ST=0.15v+ v2/115，式中第一項(xiàng)為反應(yīng)距離；第二項(xiàng)為制動(dòng)距離，ST單位為m；v單位為km／h。
我國一般要求制動(dòng)減速度j不小于0.6g(5.88 m／s2)，其條件如下：轎車制動(dòng)初速度50～80km/h、踏板力不大于400N；小型客車（9座以下）和輕型貨車（總重3.5t以下）制動(dòng)初速度50～80km/h、踏板力不大于500N;其它汽車制動(dòng)初速度30～60km/h、踏板力不大于700N。但實(shí)際上踏板力值比法規(guī)規(guī)定小，要考慮操縱輕便性與同類車比較來確定。
第三章 盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)參數(shù)選定
本次設(shè)計(jì)的原始參數(shù)參考于別克君威GS2.0T型轎車，參數(shù)如下：
整車質(zhì)量： 空載：1650 kg
滿載：2025 kg
質(zhì)心位置： 空載：a=L1=1094.8 mm b=L2=1642.2 mm
滿載：a=L1=1231.65 mm b=L2=1505.35 mm
質(zhì)心高度： 空載：hg=600 mm
滿載：hg=550 mm
軸 距： L=2737 mm
輪 距： 輪 距 1585/1587 mm（前/后）
最高車速： 180 km/h
車輪工作半徑：390 mm
輪轂尺寸： R17 97V
輪轂直徑： 431.8 mm
輪缸直徑： 54 mm
輪 胎： 225/55
3.2主要元件尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 制動(dòng)盤
盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤有兩個(gè)主要部分：輪轂和制動(dòng)表面。輪轂是安裝車輪的部位內(nèi)裝有軸承。制動(dòng)表面是制動(dòng)盤兩側(cè)的加工表面。它被加工得很仔細(xì)為制動(dòng)摩擦塊提供摩擦接觸面。整個(gè)制動(dòng)盤一般由鑄鐵鑄成。鑄鐵能提供優(yōu)良的摩擦面。制動(dòng)盤裝車輪的一側(cè)稱為外側(cè)另一側(cè)朝向車輪中心稱為內(nèi)側(cè)。
按輪轂結(jié)構(gòu)分類制動(dòng)盤有兩種常用型式。帶轂的制動(dòng)盤有個(gè)整體式轂。在這種結(jié)構(gòu)中輪轂與制動(dòng)盤的其余部分鑄成單體件。
另一種型式輪轂與盤側(cè)制成兩個(gè)獨(dú)立件。輪轂用軸承裝到車軸上。車輪凸耳螺栓通過輪轂再通過制動(dòng)盤轂法蘭配裝。這種型式制動(dòng)盤稱為無轂制動(dòng)盤。這種型式的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)盤便宜些。制動(dòng)面磨損超過加工極限時(shí)能很容易更換。本設(shè)計(jì)采用的是第二種型式。
制動(dòng)盤一般用珠光體灰鑄鐵制成，鉗盤式制動(dòng)器用禮帽形結(jié)構(gòu)其圓柱部分長度取決與布置尺寸為了改善冷卻有的鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤可大大增加散熱面積但盤的整體厚度較大由于此次設(shè)計(jì)的車型屬于中級(jí)轎車所以設(shè)計(jì)時(shí)選擇帶有通風(fēng)口制動(dòng)盤式設(shè)計(jì)方案。
制動(dòng)盤用添加CrNi等的合金鑄鐵制成。制動(dòng)盤在工作時(shí)不僅承受著制動(dòng)塊作用的法向力和切向力而且承受著熱負(fù)荷[27]。為了改善冷卻效果鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤有的鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤這樣可大大地增加散熱面積降低溫升約20％～30％但盤的整體厚度較厚。而一般不帶通風(fēng)槽的轎車制動(dòng)盤其厚度約在l0 mm～13 mm之間。本次設(shè)計(jì)采用的材料為HT250。
制動(dòng)盤的工作表面應(yīng)光潔平整制造時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制表面的跳動(dòng)量?jī)蓚?cè)表面的平行度（厚度差）及制動(dòng)盤的不平衡量。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)規(guī)定：制動(dòng)盤兩側(cè)表面不平行度不應(yīng)大于0.08 mm，盤的表面擺差不應(yīng)大于0.1 mm；制動(dòng)盤表面粗糙度不應(yīng)大于0.06 mm。
(1) 制動(dòng)盤直徑D
制動(dòng)盤直徑D希望盡量大些這時(shí)制動(dòng)盤的有效半徑得以增大就可以降低制動(dòng)鉗的夾緊力降低摩擦襯塊的單位壓力和工作溫度。但制動(dòng)盤直徑D受輪毅直徑的限制通常制動(dòng)盤的直徑D選擇為輪毅直徑的70%～79%，總質(zhì)量大于2 t的車輛應(yīng)取其上限。通常制造商在保持有效的制動(dòng)性能的情況下盡可能將零件做的小些輕些。輪輞直徑為17英寸又因?yàn)镸=2025 kg。
在本設(shè)計(jì)中，制動(dòng)盤直徑為：
D =70%～79%Dr=0.791725.4=301～341.122 mm，取D=340 mm
(2) 制動(dòng)盤厚度h
制動(dòng)盤厚度h直接影響著制動(dòng)盤質(zhì)量和工作時(shí)的溫升。為使質(zhì)量不致太大制動(dòng)盤厚度應(yīng)取得適當(dāng)小些;為了降低制動(dòng)工作時(shí)的溫升制動(dòng)盤厚度又不宜過小。制動(dòng)盤可以制成實(shí)心的而為了通風(fēng)散熱可以在制動(dòng)盤的兩工作面之間鑄出通風(fēng)孔道。通風(fēng)的制動(dòng)盤在兩個(gè)制動(dòng)表面之間鑄有冷卻葉片[28]。這種結(jié)構(gòu)使制動(dòng)盤鑄件顯著的增加了冷卻面積。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)盤內(nèi)扇形葉片的選擇了空氣循環(huán)有效的冷卻制動(dòng)。通常實(shí)心制動(dòng)盤厚度為l0 mm～ 20 mm具有通風(fēng)孔道的制動(dòng)盤厚度取為20 mm～50 mm但多采用20mm～30mm。
在本設(shè)計(jì)中選用通風(fēng)制動(dòng)盤式制動(dòng)盤h取22 mm。
(3) 摩擦襯塊外半徑R2與內(nèi)半徑R1
推薦摩擦襯塊外半徑R2與內(nèi)半徑R1的比值不大于1.5。若比值偏大工作時(shí)襯塊的外緣與內(nèi)側(cè)圓周速度相差較多磨損不均勻接觸面積減少最終將導(dǎo)致制動(dòng)力矩變化大。
在本設(shè)計(jì)中取外半徑為R2=165 mm ，則內(nèi)半徑R1=110 mm。
(4) 內(nèi)通軸直徑
初選為65 mm
(5) 摩擦襯塊工作面積A
摩擦襯塊單位面積占有的車輛質(zhì)量在1.6 kg/～3.5 kg/范圍內(nèi)選取故摩擦襯塊的工作面積為72.32
0的車輪，其力矩平衡方程為:
(3—1)
式中 ——制動(dòng)器對(duì)車輪作用的制動(dòng)力矩，即制動(dòng)器的摩擦力矩，其方向與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反，N·m；
——地面作用于車輪上的制動(dòng)力，即地面與輪胎之間的摩擦力，又稱地面制動(dòng)力，其方向與汽車行駛方向相反，N；
——車輪有效半徑，m。
令 (3—2)
并稱之為制動(dòng)器制動(dòng)力，與地面制動(dòng)力的方向相反，當(dāng)車輪角速度>0時(shí)，大小亦相等，且僅由制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。即取決于制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)型式、尺寸、摩擦副的摩擦系數(shù)及車輪有效半徑等，并與制動(dòng)踏板力即制動(dòng)系的液壓或氣壓成比例。當(dāng)加大踏板力以加大，和均隨之增大。但地面制動(dòng)力受著附著條件的限制，其值不可能大于附著力，即
≤ （3—3）
或 （3—4）
式中 ——輪胎與地面間的附著系數(shù)；
Z——地面對(duì)車輪的法向反力，N。
當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力和地面制動(dòng)力達(dá)到附著力值時(shí)，車輪即被抱死并在地面上滑移。此后制動(dòng)力矩即表現(xiàn)為靜摩擦力矩，而即成為與相平衡以阻止車輪再旋轉(zhuǎn)的周緣力的極限值。當(dāng)制動(dòng)到=0以后，地面制動(dòng)力達(dá)到附著力值后就不再增大，而制動(dòng)器制動(dòng)力由于踏板力的增大使摩擦力矩增大而繼續(xù)上升如圖(3—1)。
根據(jù)汽車制動(dòng)時(shí)的整車受力分析如圖3—2，考慮到制動(dòng)時(shí)的軸荷轉(zhuǎn)移，可求得地面對(duì)前、后軸車輪的法向反力Z1，Z2為：
(3—5)
式中 G——汽車所受重力，N；
L——汽車軸距,mm；
——汽車質(zhì)心離前軸距離，mm；——汽車質(zhì)心離后軸的距離，mm；
——汽車質(zhì)心高度，mm；
g——重力加速度，m/s；
-——汽車制動(dòng)減速度, m/s。
汽車總的地面制動(dòng)力為:
(3—6)
式中 q（）——制動(dòng)強(qiáng)度，亦稱比減速度或比制動(dòng)力；
，——前后軸車輪的地面制動(dòng)力，N。
由以上兩式可求得前、后軸車輪附著力為:
（3—7）
（3—8）
上式表明：汽車在附著系數(shù)為任意確定值的路面上制動(dòng)時(shí)，各軸附著力即極限制動(dòng)力并非為常數(shù)，而是制動(dòng)強(qiáng)度q或總制動(dòng)力的函數(shù)。當(dāng)汽車各車輪制動(dòng)器的制動(dòng)力足夠時(shí)，根據(jù)汽車前、后軸的軸荷分配，前、后車輪制動(dòng)器制動(dòng)力的分配、道路附著系數(shù)和坡度情況等，制動(dòng)過程可能出現(xiàn)的情況有三種，即
(1)前輪先抱死拖滑，然后后輪再抱死拖滑；
(2)后輪先抱死拖滑，然后前輪再抱死拖滑；
(3)前、后輪同時(shí)抱死拖滑。
在以上三種情況中，顯然是最后一種情況的附著條件利用得最好。
由式(3—6)、式(3—7)和式(3—8)求得在任何附著系數(shù)的路面上，前、后車輪同時(shí)抱死即前、后軸車輪附著力同時(shí)被充分利用的條件是：
(3—9)
式中 ——前軸車輪的制動(dòng)器制動(dòng)力，N，；
——后軸車輪的制動(dòng)器制動(dòng)力，N，；
——前軸車輪的地面制動(dòng)力，N；
——后軸車輪的地面制動(dòng)力，N；
，——地面對(duì)前、后軸車輪的法向反力，N；
G——汽車重力，N；
，——汽車質(zhì)心離前、后軸距離,mm；
——汽車質(zhì)心高度，mm。
由式(3—9)可知，前、后車輪同時(shí)抱死時(shí)，前、后輪制動(dòng)器的制動(dòng)力，是的函數(shù)。由式(3—9)中消去，得：
(3—10)
將上式繪成以，為坐標(biāo)的曲線，即為理想的前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線，簡(jiǎn)稱I曲線，如圖3—3所示。如果汽車前、后制動(dòng)器的制動(dòng)力，能按I曲線的規(guī)律分配，則能保證汽車在任何附著系數(shù)的路面上制動(dòng)時(shí)，都能使前、后車輪同時(shí)抱死。然而，目前大多數(shù)兩軸汽車尤其是貨車的前、后制動(dòng)器制動(dòng)力之比值為一定值，并以前制動(dòng)與汽車總制動(dòng)力之比來表明分配的比例，稱為汽車制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)：
（3—11）
又由于在附著條件所限定的范圍內(nèi)，地面制動(dòng)力在數(shù)值上等于相應(yīng)的制動(dòng)周緣力，故又可通稱為制動(dòng)力分配系數(shù)。
3.5 同步附著系數(shù)的選取
通過對(duì)汽車的受力分析可知制動(dòng)時(shí)前后輪同時(shí)抱死對(duì)附著條件的利用制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性等均有利此時(shí)的前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力Fu1和Fu2的關(guān)系曲線稱為理想的前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線。
在任何附著系數(shù)的路面上前后輪同時(shí)抱死的條件是：前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力之和等于附著力；并且前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分別等于各自的附著力即：
Fu1+Fu2= (3.1)
Fu1=＃Fz1 (3.2)
Fu2= Fz2 (3.3)
圖3.6 受力分析圖
查表得空載時(shí)前軸載荷占車重的60%后軸占40%滿載時(shí)前軸載荷占車重的55%后軸占45%
由力矩平衡知 (3.4)
其中：——重力
Fu1，F(xiàn)u2——前后制動(dòng)力
Fz1，F(xiàn)z2——地面對(duì)前后輪法向反作用力
前后制動(dòng)器的理想制動(dòng)力的分配關(guān)系式為
(3.5)
其中L——軸距；
a——汽車質(zhì)心距前軸距離；
b——汽車質(zhì)心距后軸距離
——附著系數(shù)
現(xiàn)在不少汽車的前后制動(dòng)器制動(dòng)力之比為一固定值常用前制動(dòng)力與總制動(dòng)力之比來表明分配比例稱為制動(dòng)器動(dòng)力分配系數(shù)用β表示即：
(3.6)
式中Fu——汽車制動(dòng)器總制動(dòng)力所以
Fu1/Fu2=（1-β）/β (3.7)
若用Fu2=β（Fu1）為一直線通過坐標(biāo)原點(diǎn)且其斜率為：
(3.8)
將(3-4)代入(3-6得)
因?yàn)樗O(shè)計(jì)的轎車制動(dòng)器為輕型轎車的盤式制動(dòng)器而現(xiàn)代轎車的行使?fàn)顩r較好特別是高級(jí)公路的高速要求同步附著系數(shù)可選大些在此選取=0.7由于已經(jīng)確定同步附著系數(shù)
代入數(shù)據(jù)得分配系數(shù) β=0.691所以：
β=Fu1/Fu=0.691 (3.9)
Fu=Fu1+Fu2 (3.10)
Fu1+Fu2= G Fu1+Fu2=0.7 2025 9.8=13891.5 N (3.11)
由(3.7、9、10、11)得：Fu1=4486.3 N Fu2=9405.2 N
3.6 制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算
由輪胎與路面附著系數(shù)所決定的前后軸最大附著力矩：
(3.12)
式中：：該車所能遇到的最大附著系數(shù)；
q：制動(dòng)強(qiáng)度；
：車輪有效半徑；
：后軸最大制動(dòng)力矩；
G：汽車滿載質(zhì)量；
L：汽車軸距；
其中q===0.73 (3.13)
故后軸==994.5 N·m
后輪的制動(dòng)力矩為994.5/2=497.2 N·m
前軸= T==0.732/(1-0.732)994.5=2716.3 N·m (3.14)
前輪的制動(dòng)力矩為2716.3/2=1358.15 N·m
3.7 制動(dòng)系統(tǒng)性能要求
對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求有：足夠的制動(dòng)能力包括行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)；行車制動(dòng)至少有兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器的管路；用任意制動(dòng)速度制動(dòng)汽車都不應(yīng)喪失操縱穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性；防止水和污泥進(jìn)入制動(dòng)器工作表面；要求制動(dòng)能力的熱穩(wěn)定性好；操縱輕便。
3.7.1 制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性
制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性常用制動(dòng)時(shí)汽車給定路徑行駛的能力來評(píng)價(jià)。若制動(dòng)時(shí)發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力。則汽車將偏離原來的路徑。
制動(dòng)過程中汽車維持直線行駛或按預(yù)定彎道行駛的能力稱為方向穩(wěn)定性。影響方向穩(wěn)定性的包括制動(dòng)跑偏、后軸側(cè)滑或前輪失去轉(zhuǎn)向能力三種情況[32]。制動(dòng)時(shí)發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力時(shí)汽車將偏離給定的行駛路徑。因此常用制動(dòng)時(shí)汽車按給定路徑行駛的能力來評(píng)價(jià)汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性對(duì)制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度兩指標(biāo)測(cè)試時(shí)都要求了其試驗(yàn)通道的寬度。方向穩(wěn)定性是從制動(dòng)跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力等方面考驗(yàn)。
制動(dòng)跑偏的原因有兩個(gè)：
(1) 汽車左右車輪特別是轉(zhuǎn)向軸左右車輪制動(dòng)器制動(dòng)力不相等。
(2) 制動(dòng)時(shí)懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的不協(xié)調(diào)（互相干涉）
前者是由于制動(dòng)調(diào)整誤差造成的是非系統(tǒng)的。而后者是屬于系統(tǒng)性誤差。
側(cè)滑是指汽車制動(dòng)時(shí)某一軸的車輪或兩軸的車輪發(fā)生橫向滑動(dòng)的現(xiàn)象[33]。最危險(xiǎn)的情況是在高速制動(dòng)時(shí)后軸發(fā)生側(cè)滑。防止后軸發(fā)生側(cè)滑應(yīng)使前后軸同時(shí)抱死或前軸先抱死后軸始終不抱死[34]。
3.7.2 制動(dòng)減速度j
制動(dòng)系的作用效果可以用最大制動(dòng)減速度及最小制動(dòng)距離來評(píng)價(jià)。
假設(shè)汽車是在水平的堅(jiān)硬的道路上行駛并且不考慮路面附著條件因此制動(dòng)力是由制動(dòng)器產(chǎn)生。此時(shí) (3.15)
式中 ——汽車前、后輪制動(dòng)力矩的總合。
==2716.3+994.5=3710.8 N·m
=431.8 mm=0.432 m
m——汽車總重 m=2025 kg
代入數(shù)據(jù)得j=7.6 m/s
轎車制動(dòng)減速度應(yīng)在大于5 m/s，所以符合要求。
3.7.3 制動(dòng)距離S
在勻減速度制動(dòng)時(shí)制動(dòng)距離S為
S=1/3.6（t1+ t2/2）V+ V2/(25.92j) (3.16)
式中t1——消除制動(dòng)盤與襯塊間隙時(shí)間，取0.1 s
t2——制動(dòng)力增長過程所需時(shí)間，取0.2 s
V=30 km/h
故S=1/3.6（0.1+ 0.2/2）30+ 30/(25.92×7.6)=5.82 m
轎車的最大制動(dòng)距離為：ST=0.1V+V/150
ST=0.130+30/150=9m S
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