盘式制动器设计

盘式制动器 目录 1 汽车制动系概述与制动器的分类和特点 ......................................... 1 1.1制动系总成 ....................................................................................... 1 1.2设计制动系时应满足主要 ........................................................ 1 1.3制动器作用与特点 ............................................................................ 2 1.4 制动时汽车的方向稳定性 ............................................................... 5 2 滑动钳式制动器的设计计算 ............................................................ 6 2.1滑动钳式制动器参数确定 ................................................................ 6 2.2 滑动钳式制动器的计算 ................................................................... 7 2.3衬块磨损特性计算 .......................................................................... 10 3 制动驱动机构的设计 ...................................................................... 12 4 经济性分析 ..................................................................................... 13 5总结 .................................................................................................... 14 参考文献 ............................................................................................... 15 辽宁工程技术大学课程设计 1汽车制动系概述与制动器的分类和特点 使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车的速度保持稳定，以及使已经停驶的汽车保持不动，这些作用统称为汽车制动。 1.1制动系总成 对汽车起到制动作用的是作用在汽车上，其方向与汽车行驶方向相反的外力。作用在行驶汽车上的滚动阻力，上坡阻力，空气阻力都能对汽车起制动作用，但这外力的大小是随机的，不可控制的。因此，汽车上必须设一系列专门装置，以便驾驶员能根据道路和交通等情况，借以使外界在汽车上某些部分施加一定的力，对汽车进行一定程度的强制制动。这种可控制的对汽车进行制动的外力，统称为制动力。这样的一系列专门装置即成为制动系。 制动系的功用:使汽车以适当的减速度降速行驶直至停车;在下坡行驶时，使汽车保持适当的稳定车速;使汽车可靠的停在原地或停驻在坡道上。 任何制动系都具有以下四个基本组成部分:供能装置、控制装置、传动装置。 制动器较为完善的制动系还具有制动力调节装置以及报警装置、压力保护装置等附加装置。 制动系的类型按制动系的功用分类:行车制动系、驻车制动系、第二制动系、辅助制动系。 按制动系的制动能源分类:人力制动系、动力制动系、伺服制动系。 按照制动能量的传输方式，制动系又可分为机械式、液压式、气压式和电磁等。同时采用两种以上传能方式的制动系，可称为组合式制动系。 1.2设计制动系时应满足主要要求 1制动效能，即制动距离与之动减速度。 ? 2制动效能的恒定性，即抗热衰退性。 ? 1 王顺昊:制动器结构设计--滑动钳式制动器 3制动时汽车的方向稳定性，即制动使汽车不发生偏跑、侧滑以及失去? 转向能力的性能。 制动稳定性要求:是指制动过程中机动车的任何部位(不计入车宽的部位除外)不允许超出规定宽度的试验通道的边缘线。 为了保证汽车制动的可靠性，行车制动装置至少有两套独立的驱动制动器的管路，当其中一套管路失效时，另一套完好的管路应保证汽车制动能力不低于没有失效时规定值的30%。行车和驻车制动装置可以有共同的制动器，而驱动机构则各自独立。 为了保证制动系的应用应防止水和泥进入制动器工作面;保证操作轻便，并具有良好的随动性;并且制动时，制动系产生的噪声应尽可能小，同时力求减少散发出对人体有害的石棉纤维等物质，以减少公害;作用滞后性应尽可能好。作用滞后性是指制动反应时间，以制动踏板开始动作至达到给定的制动效能所需的时间来评价;摩擦片应有足够的使用寿命;保证摩擦副磨损后，应有能消除因磨损而产生间隙的机构，且调整间隙工作容易，最好设置自动调整间隙机构;系统中应设有报警装置。 防止制动时车轮被抱死有利于提高汽车在制动过程中的转向操纵性和方向稳定性，缩短制动距离，所以近年来防抱死制动系统(ABS)在汽车上得到了很快的发展和应用。此外，由于含有石棉的摩擦材料在石棉有致癌公害问题已被淘汰，取而代之的各种无石棉型材料相继研制成功。 1.3制动器作用与特点 制动器就是刹车。是使机械中的运动件停止或减速的机械零件。俗称刹车、闸。制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴上，但对安全性要求较高的大型设备(如矿井提升机、电梯等)则应装在靠近设备工作部分的低速轴上。有些制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用。制动器是制动系中心结构。 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，为了汽 2 辽宁工程技术大学课程设计 车行驶的安全性，汽车的制动器的工作可靠性显得越来越重要。也只有制动性能良好、制动器工作可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。 制动器的分类 制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式。电磁式制动器只在一些质量较大的商用车上用作车轮制动器或缓速器;液力式制动器一本只用作缓冲器。现在摩擦式制动器广泛被使用。 摩擦式制动器主要有鼓式、盘式和带式三种。鼓式制动器只用在中央制动器;鼓式和盘式制动器的形式相对比较多。 鼓式制动器主要包括领从蹄式、单向双领从蹄式、双向双领从蹄式，双从蹄式、单向增力式和双向增力式。每种蹄式制动器主要是蹄片固定支点的数量和位置不同;张开装置的形式与数量不同;制动时两块蹄片间有无相互作用。鼓式制动器通常装置在后轮。 图1-1 盘式制动器主要有钳盘式和全盘式两类。钳盘式制动器的制动衬块与制动盘接触面积小，在盘上所占中心角一般为30,50度左右，因此有称为点盘式制动器。钳盘是制动器又有固定钳式图1-1a、滑动滑动钳式图1-1b和摆动钳式制动器图1-1c;全盘式制动器摩擦副的旋转原件均为圆盘形，制动的时候各摩擦面全部接触，作用原理与离合器相同，又称离合器式制动器。 盘式制动器的制动盘有两个主要部分:轮毂和制动表面。轮毂是安装车轮的部位，内装有轴承。制动表面是制动盘两侧的加工表面。它被加工得很仔细，为制动摩擦块提供摩擦接触面。整个制动盘一般由铸铁铸成。铸铁能提供优良的摩擦面。制动盘装车轮的一侧称为外侧，另一侧朝向车轮中心，称为内侧。 3 王顺昊:制动器结构设计--滑动钳式制动器 制动盘制动表面的大小由盘的直径决定。大型车需要较多制动功能，它的制动直径达12in或者更大些。较小较轻的车用较小的制动盘。通常，制造商在保持有效的制动性能的情况下，尽可能将零件做的小些、轻些。 另一种型式轮毂与盘侧制成两个独立件。轮毂用轴承装到车轴上。车论凸耳螺栓通过轮毂，再通过制动盘毂法兰配装。这种型式制动盘称为无毂制动盘。这种型式的优点是制动盘便宜些。制动面磨损超过加工极限时能很容易更换。 制动盘可能是整体式的或者通风的。通风的制动盘在两个制动表面之间铸有冷却叶片。这种结构使制动盘铸件显著的增加了冷却面积。车轮转动时，盘内扇形叶片的旋转增加了空气循环，有效的冷却制动。 盘式制动器具有散热快，重量轻，构造简单，调整方便等优点。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，盘式制动比鼓式制动更容易在较短的时间内令车停下。虽然盘式制动器的制动盘与空气接触的面积很大，但很多时候其散热效果还是不能让人满意，于是有的制动盘上又被开了许多小孔，加速通风散热以提高制动效率，这就是通风盘式制动器。一般来说，尺寸大的制动盘要比尺寸小的制动盘散热效率高，而通风盘则要比实体盘的散热效率高。四轮轿车在制动过程中，一般前轮的制动力要比后轮大，后轮起辅助制动作用。因此，一般情况下，汽车前轮制动盘的尺寸要比后轮大，且前轮多采用通风盘，后轮多采用实体盘或通风盘。 制动性评价指标定义: 制动效能即在良好的路面上，汽车以一定初速度到停车的制动距离或制动时汽车的减速度。 抗热衰退性能是指汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，因为制动过程中汽车行驶的动能转换为了制动器的热能，制动器温度升高后会使发动机的效能降低，这是设计制动器的一个必须考虑的问题同时在涉水时也存在水衰退的问题。 汽车的方向稳定性，常用制动时汽车按照给定的路线行驶的能力来衡量。如果汽车发生偏跑、侧滑以及失去转向能力的性能，则汽车将偏离原来的路径。 4 辽宁工程技术大学课程设计 1.4 制动时汽车的方向稳定性 制动过程中，有时会出现制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力而使汽车失去转向能力而使汽车失去控制离开原来的行驶方向，甚至发生撞入对方车辆行驶轨道、下沟、滑下山坡的危险情况。 汽车的跑偏是制动时自动向左或向右偏驶的情况。由于左、右车轮，特别是前轴左右车轮制动器的制动力不相等;制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上不协调。第一个是由于制造、调整误差造成的;第二个是由于涉及造成的，制动时汽车总是向左(或向右)一方跑偏。所以制动器起到的作用十分重要。 制动时发生侧滑，特别是后轴侧滑，可能引起汽车的回转运动，严重时可能产生汽车掉头的现象。发生这种现象主要由于后轴车轮比前轴车轮先抱死托滑，这种现象是十分危险的对于驾驶者来说。如果前后轴的车轮同时抱死或前轮抱死后轴不抱死可以防止这种现象，但是前轮先抱死将使汽车失去转向能力，这种现象也是导致交通事故的重要原因之一。 5 王顺昊:制动器结构设计--滑动钳式制动器 2 滑盘式制动器的设计计算 2.1滑动钳式制动器参数确定 选择中级轿车为设计对象，由汽车设计手册得制动盘直径D通常为选择为轮辋直径的70%,79%，本设计选择75%，所以制动盘直径D=286mm 制动盘的厚度h对制动盘质量和工作温度都有影响。为使质量小些，制动盘的厚度不宜取得很大;为了渐少温升，制动盘的厚度有不宜取得太小。制动盘可以做成实心的，或者为了散热通风需要在制动盘间铸出通风孔道。实心通常直径为10,20mm，本设计选择h=15mm。 RRR211由摩擦衬块外半径与内半径的比值不大于1.5。所以取=80mm、R2=104mm。如果比值过大工作时衬块的外缘与内侧圆周速度相差很多，摩擦不均匀，接触面积减小，最后将导致制动力矩变化大。 在确定盘式制动器制动衬块工作面积A时，根据制动衬块单位面积占有的 22汽车的质量，在1.6,3.5kg/cm，所以取A=55cm。车型——中级轿车。有汽车的设计手册得: 汽车车身尺寸的确定与重量的选择 L=2800mm , a=1500mm , b=1300mm , hg=600mm L—汽车的轴距 a—满载时质心距前轴距离 b—满载时质心据后轴距离 hg—满载是质心的高度 车内设为5个座位，由表2-9得中级轿车人均汽车整车整备质量0.21,0.29t，并且每人按65kg计，行李质量:轿车按每人5,10kg计。可得 'aam=1.6t，m=1.25t 'aam--汽车整车整备质量 m--空载时的汽车质量 G=mg=15680N 轮胎与轮辋尺寸确定 ，轮辋尺寸规则为 156jj，则轮辋的名义直径为381mm。 6 辽宁工程技术大学课程设计 轮胎的类型 P195/65R15 91H 轮胎宽度×扁平率=胎壁高度 然后胎壁高度×2(因为胎壁有上下两部分) (轮胎高度+轮辋名义直径)/2=轮胎高度 e车轮的有效半径为R=323mm 2.2 制动器的计算 M,动力矩计算: 假设衬块的摩擦表面与制动盘接触良好，各处的单位压力分布均匀，则制 MfFR,2,0动器制动力矩为 (2-1) 制动器因数定义为在制动鼓或制动盘上的作用半径上所产生的摩擦力与输 入力之比，即 2fPBFf,,2P (2-2) f由汽车设计手册 图17-15 取=0.5。 轮缸直径d及制动管路的压力有设计手册得: 轮缸直径由标准尺寸系列中选取d=25mm 压力管的压力一般不超过10,12MPa，盘式可更高，取p=12MPa。 m摩擦衬块其径向宽度不太大，取R等于平均半径R R+R12R,,92mmm2平均半径 (2-3) 制动盘单侧压紧力的确定，即制动轮缸对制动衬块的压紧力。 2,dpF,=5890.4N则单侧压紧力为 (2-4) 04 MfFRNM,,,2541.9,0制动器的制动力矩为 (2-5) ,选轮胎与地面间的附着系数=0.7。 du,,gdt此时为前后轮都抱死，此时 (2-6) 7 王顺昊:制动器结构设计--滑动钳式制动器 hGdugZbN,，,()96321Ldtg前轴车轮的法向作用力 (2-7) hGdugZaN,,,()60482Ldtg后轮车轮的法向作用力 (2-8) FFFGN,，,,,10976B12汽车总的地面制动力为 (2-9) G,，,()6742.4,,FbhN,1gL前轴车轮的制动力 (2-10) G,,,()4233.6,,FahN,2gL后轴车轮的制动力 当前、后轮制动器制动力之和等于附着力，并且前、后制动器制动力分别 等于各自的附着力，也是前、后同时抱死的条件。 目前，大多数两轴汽车的前、后制动力之比值为一定值，并以前制动器制 动力F与 汽车总制动器F之比来表明分配的比例，称为汽车制动器制动力分配 ,系数: FF,,11,,,,0.6143FFF，12,,, (2-11) 同步附着系数是由汽车结构参数决定的、反映汽车制动性能的一个参数。 bh，,,0g,1,,ah,,0g由 (2-12) Lb,,,,0hg整理，得 (2-13) Lb,,,,0.7,0hg带入数据得 (2-14) 同步系数说明，前、后制动器制动力为固定比值的汽车，只有在同步系数 路面上制动时才能使前、后车轮同时抱死。 合理地确定前、后轮制动器的制动力矩，能保证汽车良好的制动效能和稳 定性。最大制动力是在汽车附着质量完全被利用的条件下获得的，这时制动力 12与地面作用于车轮的法向力Z、Z成正比，也与前后轮制动力矩的比值相同。 8 辽宁工程技术大学课程设计 bh，,MFZ0g,,111=1.593,,,MZFah,,2220g,,得: (2-15) 通常轿车上式的比值约为1.3,1.6之间。 制动器所能产生的制动力矩，受车轮的计算力矩所制约，前后轮的制动力 矩为 TFr,,2178ffe11前轮 N?M (2-16) TFr,=1367ffe22后轮 N?M ,0对于常遇的道路条件较差、车速较低因而选取了较小的同步系数值的汽 ,,0车，为了保证在>的良好路面上能够制动到后轴和前轴先抱死滑移，前后 轮制动器所能产生的最大制动力矩为 G,,，,,,()TTbhrffge1max1L 前轮 (2-17) 1,,TT,ff2max1max, 后轮 (2-18) ,0对于选择取较大值的汽车，则应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确 ,,,0定各轴的最大制动力矩。当>时，相应的极限制动强度q<,故需要的后轴 和前轴的最大制动力矩为 G,,(),Taqhrfge2maxL 后轮 (2-19) ,TT,ff1max2max1,, 前轮 (2-20) 应急制动时，后轮一般都将抱死滑移 mgaaFF,,,,,7304NB22Lh，,g故后桥制动力为 (2-21) 此时所需的后桥制动力矩为 mgaaFrr,,,=2359N MBee2Lh，,g (2-22) 9 王顺昊:制动器结构设计--滑动钳式制动器 F2为路面对后桥的法向反力。 后轮制动器为应急制动器，则单个车轮制动器的应急制动力矩为 FrBe2 /2。 ,1汽车可能停驻的极限上坡路倾角，可根据后桥上的附着力与制动力相等的条件求得，即 h,,Lg1,,,,cossinsinmgmg，,,,aa121LL,, (2-23) 得到 ,L01,,arctan23.8 ,1,Lh,g (2-24) ,1是保证汽车上坡行驶时的纵向稳定性的极限坡路倾角。 同理，可推导出汽车可能停驻的极限下坡路倾角为 ,a'01,arctan=18.06 (2-25) ,1Lh，,g 轿车制动器的设计中，在安装制动器的空间、制动驱动力源等条件允许范 ,1围内，应力求后桥上驻车制动力矩接近于由所确定的极限值 mgrsin =6328N,ae1 (2-26) 并保证下坡路上能停驻的坡度不小于法规的规定值。 2.3衬块磨损特性计算 摩擦衬块的磨损受温度、摩擦力、滑磨速度、制动盘的材质及加工情况，以及衬块本身材质等许多因素的影响，因此在理论上计算磨损性能极为困难。试验表明，影响磨损的最重要的因素还是摩擦表面的温度和摩擦力。 在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎承担了汽车的全部动能耗散的任务。此时，由于制动时间很短，实际上热量还来不及逸散到空气中酒杯制动器所吸收，致使制动器温度升高。这就是制动器的能量负荷。能量负荷越大，则衬块的磨损越严重。盘式制动器的衬块，其单位面积伤的能量负荷比鼓 10 辽宁工程技术大学课程设计 式制动器衬片大许多倍，所以制动盘的表面温度比制动鼓的高。 各种汽车的总质量及其制动衬块的摩擦面积各不相同，因而有必要用一种相对的量作为评价能量负荷的指标。目前，各国常用的指标是比能量耗散率， 2即单位时间内衬块单位摩擦面积好散的能量，通常所用的计量单位是W/mm。也称为单位功负荷，或能量负荷。 双轴汽车的单个前轮及后轮制动器的比能量耗散率为 22,mvv(),a12e,,14tA1 22mvv(),,a12e,,1，，,24tA2 vv,12t,j (2-27) vv12,为汽车回转质量换算系数;、为制动初速度和最终速度(m/s);j为制动减 2212速度(m/s);t为制动时间(s);A、A为前后制动衬块的摩擦面积(mm) v2,紧急制动到停车的情况下，=0，并认为=1，在总质量在3.5t一下的商 v1用车=22.2m/s ，取j=0.6g的减速器。 2,mva1,,5.82 W/mm e,14tA1 则 (2-28) 2,mva1,,,(1)3.66 W/mm e,24tA2 (2-29) v1t,=3.78sj (2-30) 2乘用车的比能量耗散率应不大于6.0 W/mm 。比能量耗散率过高不仅会引起摩擦衬块的加速磨损，且有可能使制动鼓或制动盘更早发生龟裂。 另一个磨损特性指标是衬块单位摩擦面积的制动器摩擦力，称为比摩擦力 Mu = 1.09N/mm f,0RA (2-31) 11 王顺昊:制动器结构设计--滑动钳式制动器 3制动驱动机构的设计 制动驱动机构将来自驾驶员或其他力源的力传给制动器，使之产生制动力矩。根据制动力源的不同，制动驱动机构一般可分为简单制动、动力制动和伺服机动三大类。 简单制动单靠驾驶员施加的踏板力或手柄力作为制动力源，称为人力制动。其中有机械式和液压式两种。机械式完全靠杆系传力，由于其机械效率低，传动比小，润滑点多，且难以保证前、后轴制动力的正确比例和左、右轮制动力的均衡，所以在汽车的行车制动装置中已被淘汰。但因结构简单，成本低工作可靠，还广泛地应用于中、小型汽车的驻车制动装置中。 液压式简单制动用于行车制动装置。液压制动的优点是:作用之后时间短工作压力高，因而轮缸尺寸小;可以安装在制动器内部，直接作用于制动块的压紧机构(制动蹄的张开机构)，而不需要制动臂等传动件，使之结构简单，质量小;机械效率较高。液压制动的主要缺点是:过度受热后，部分制动液汽化，在管路形成气泡，严重影响液压传输，使制动系统的效能降低，甚至完全失效。液压制动曾广泛应用在乘用车和总质量不大的商务车上。 动力自动即利用由发动机的动力转化而成，并表现为气压或液压形式的势能作为汽车制动的全部力源。驾驶员施加于踏板或手柄上的力，仅用于回路中控制元件的操作。 气压制动是应用最多的动力制动之一。主要优点:操纵轻便，工作可靠，不易出故障，维护保养方便;其气源除供制动用外，还可以供其他装置使用。缺点:必须有空气压缩机、贮气筒、制动阀等装置，使结构复杂、笨重、成本高;管路中压力的建立和测撤除都较慢;管路工作压力低;制动气室排气时有很大的噪音。气压制动在总质量8t以上的商用车上得到广泛的使用。所以汽车列车也多用气压制动。 伺服制动的制动能源是人力和发动机并用。正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生;在伺服系统失效时，还可以全靠人力驱动液压系统，也产生一定程度的制动力。排量1.6L以上的乘用车到各种商用车，都广泛采用伺服制动。伺服制动有真空伺服制动、空气伺服制动和液体伺服制动三类。 12 辽宁工程技术大学课程设计 4经济性分析 制动盘一般由珠光体灰铸铁制成。其结构形状有平板形和礼帽形两种后一种的圆柱部分长度取决于布置尺寸，平板形的制动盘加工工序简单，因此在费用上也大大降低。为了改善冷却，有的钳盘式制动器的制动盘铸成中间有径向通风糟的双层盘，可大大增加散热面积，但盘的整体厚度较大。 制动钳由可锻铸铁 KTH370-12或球墨铸铁QT400-18制造，也由用轻合金制造的，可做成整体的，也可做成两半并由螺栓连接。 本次设计考虑到经济的成本，既要兼得考虑制动器的综合性能，选用礼貌形的结构，选用没有中间通风的制动盘;制动钳选用球墨铸铁制造，并且做成整体式;轮毂的制造材料选用灰铸铁。 相对来评价，这种形式的制动器的成本处于中上等的水平，同时成本也得考虑工厂加工上的效率。 13 王顺昊:制动器结构设计--滑动钳式制动器 5总结 随着科技的不断进步，汽车迅速发展已经成为了一个必然的趋势，随之给人类带来的方便也是不可置疑的。但是，随之带来的负面影响也是显而易见的，汽车排放的尾气污染、噪声污染、使交通的拥堵这些也都给人类带来不变。尤其重要的是交通事故频频发生也是给无数的家庭带来了痛心打击。中国每年交通事故50万起，因交通事故死亡人数均超过10万人。当然造成交通事故的原因很多，但是制动系统的良好效能将决定交通事故发生主要原因之一。 本文设计的是滑动钳式制动器，主要用于前轮的制动。对其制动效能、制动效能的恒定性、制动时汽车的方向稳定性进行评估，以满足制动的各项参数的需求。首先是先对盘式制动器的各部分尺寸的选定，例如制动盘的直径、厚度、制动块的内外半径、制动衬块有效工作面积等。在不同条件下对前后车轮的制动力、附着力和地面制动力进行计算，以此来观察他们之间的变化关系，从而得出最理想的制动状态，在制动时也发挥最大的制动效能。 在此也非常感谢指导教师的认真指导，以及同学给予的帮助。由于本人知识面有限，在设计上不可避免将会有错误存在，希望老师能给指出自己的不足，再加以完善。 14 辽宁工程技术大学课程设计 参考文献 [1]王望予.汽车设计[M].第四版.北京:机械工业出版社，2004.8. 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