新桑塔纳前轮盘式制动器的设计

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1、 德州学院 汽车工程学院 2014届 交通运输专业 毕业设计 新桑塔纳前轮盘式制动器的设计 付培昌 （德州学院 汽车工程学院 山东德州）摘 要：为了设计一种较为安全可靠的制动器，以减少汽车因制动问题造成的交通事故，本文首先对汽车制动器原理和制动器类型进行分析，细致地论述了盘式制动器的结构构成与工作原理，再按照新桑塔纳的车型和结构选取适合的方案。经市场调查，选择钳盘式制动器进行研究设计。通过对制动器的制动力，制动力分配系数等参数进行计算，对制动器的主要零件如制动钳、摩擦衬片等进行选定，从而设计出一种新桑塔纳盘式制动器。关键字：制动系； 制动器； 制动盘。1 绪论1.1 研究本课题的背景从汽车被发

2、明出来以后，汽车制动性就一直被认做是体现汽车安全性的重要的因素。汽车制动系制动性是否优秀，直接体现在制动系工作时候是否可以正常运行，这也是汽车安全驾驶的保证。通过研究很多重大的交通事故，我们可以发现这些事故通常伴有距离长、紧急制动的时候发生侧滑等情况，所以说汽车拥有优秀的制动性是汽车行驶安全性的重要保障，汽车设计制造部门致力探寻的就是汽车制动性的改进。1.2 研究本课题的意义所有有关汽车的设计制造中，汽车安全最重视的就是制动性能与操纵性能。随着交通的日益发达和车流量的日益增大，出现了众多的交通事故。跟据相关资料，所有因为汽车自身质量问题而导致的交通事故中，其中44%是由于制动系统故障，其重要性

3、可见一斑。同时，汽车的行驶速度和运输效率也跟制动系统有关，因此汽车制动系统是影响汽车运输经济效益较大的因素。 通过对新桑塔纳制动器的设计，使自己能够结合所学专业知识全面了解制动系统的原理和结构，同时熟悉制动器的设计，锻炼自己的设计技能，为自己今后的汽车设计打下基础。1.3 研究本课题的目标1.具有足够的制动效能；2.工作可靠；3.汽车在任何速度制动时都不该失去方向稳定性和操作性；4.操作轻便，并具有良好随动性。1.4 国内外的发展趋势当前，车辆防抱制动系统（ABS）已经作为成熟的产品成为欧日等发达国家汽车上不可缺少的部分。为了让整个制动系统取得长足的进展，我们应该主要重点研究控制技术。21世纪

4、以来汽车的制动技术越来越倾向于着电子制动。近几年来，我国汽车零配件制造业开始繁荣，同时也从外国引进了许多轿车，但主要引进的仅仅是零部件，并不是引进的相关的技术。单从汽车制动系统的开发领域来看，我们就比发达国家落后很多，高端的技术我们还有很多不了解的，因此，设计制动器的研究，在我国具有非常重要的影响。1.5 本文的主要研究工作本文通过获得所必需的新桑塔纳的汽车参数，查阅了大量的资料，对新桑塔纳前轮进行了盘式制动器的设计及研究，并对其零部件进行了设计，从而设计出一款适合新桑塔纳前轮的盘式制动器。2 汽车制动系统概述汽车的制动性，也就是指汽车在正常行驶时能在比较短的距离内停车，并可以保持行驶时方向的

5、稳定性同时在下长坡的时候可以保持一定车速，这种能力就是汽车制动性。作为汽车制动力的作用力是一个外力，它的方向和汽车行驶的方向正好相反。滚动阻力，坡度阻力，空气阻力，加速阻力都是作用在汽车上的外力，可以被当做汽车的制动力，但这些外力的大小是不可控制的，随机的。所以，我们应该为汽车上设计一种专门保证制动的装置，这样一来，驾驶员就可以在道路和交通不同的情况下，让汽车进行强制的制动。这样的一种外力可以控制的对汽车进行制动，称之为制动力。这样一系列专门的装置也就是我们所说的汽车制动系1。2.1 制动系总成制动系主要有控制装置、供能装置、传动装置、制动器这四部分。分类如下 制动系分类按功用分类行车制动系、

6、驻车制动系、第二制动系、辅助制动系按制动能源分类动力制动系、人力制动系、伺服制动系按传输方式分类液压式、气压式、机械式和电磁式等2.2 评价制动系的主要方面 1.制动效能，就是汽车制动的距离和制动时的减速度； 2.制动效能的恒定性，就是抗热和抗水的衰退性能； 3.制动时汽车的方向稳定性，就是汽车在制动时不发生侧滑、偏跑和丧失转向能力的性能。在设计时最少要两组相对独立驱动制动器的管路，装配于行车制动的装置中，以此来确保汽车的制动性，当其中一组管路不能工作时，另外的一组相对完整的管路能正常的工作，并且确保汽车制动的能力不低于正常状态下的三分之一。可以允许行车装置和驻车制动装置使用同一套制动器，但是

7、驱动机构不应该相同。制动系的正常工作，制动器的工作表面必须要阻挡水和泥的进入，这样可以使操作更加的轻便，而且具有不错的随动性；同时发出的噪声也应尽量小；而且必须尽力减少散发石棉纤维等对人体不利的物质以减少公害。此外，系统中应设有报警装置,当摩擦衬片过薄时，传感器会产生报警信号；磨擦片作为一个经常产生摩擦的零件，应该拥有较长的使用寿命，同时要设置一个装置，用来保证摩擦片使用较长时间后，可以消除因为长时间磨损产生的间隔，同时调节间隔的工作比较简单容易，最好设置间隙自动调节机构。为了防止制动锁定导致转向失控，缩短制动时滑行的距离，所以近年来，防抱死制动系统（ABS）得到了快速的发展和应用。3 新桑塔

8、纳前轮制动器设计方案制动器是让运动的零件停止或减速的机械装置。制动器的构成有以下几个部分：制动件、制动架和操纵装置。制动器就是汽车制动系的核心结构。当今，交通的越来越发达与车速的大幅度提高以及车流密度的增大，对汽车安全行驶影响越来越大，这样一来，汽车制动器的工作性能就越来越被看重。3.1 制动性评价指标定义制动效能：汽车行驶在平整的路况，以某个初速开始制动直到停车的制动距离或汽车制动时的减速度。抗热衰退性能：汽车以较高的速率行驶或者在下长坡的时候进行连续制动，制动效能保持的程度。制动的过程中，汽车有可能出现制动跑偏，也有的时候前轮丧失了转向能力从而导致汽车无法控制，汽车会偏离原先行驶的方向，更

9、危险的是驶入对方车辆行驶轨道、开下山坡。汽车的跑偏是指汽车在制动时不受控制向两边偏驶。这是因为作用在车轮上的力不同，尤其是前轴两边车轮制动器的制动力不一样；汽车的悬架导向系和汽车的转向系拉杆在制动时没有配合好形成。原因有两个，一是由于制造、调整误差;二是因为设计本身有问题，汽车在制动时一直向一方跑偏。汽车在制动时发生后轴侧滑之类的现象，有几率导致汽车发生回转，可能这种现象最严重的时候，汽车会不受控制的出现掉头的情况。这是因为后轴车轮比前轴车轮要先抱死拖滑。对驾驶员来讲，假如前后轴的车轮在相同时刻一齐抱死或者说前轮抱死的同时后轮没有抱死可以防止这样的情况，可是一旦前轮先抱死了，这会导致汽车丧失转

10、向的能力。3.2 制动器的分类与特点制动器主要分为摩擦式制动器、液力式制动器和电磁式制动器等几种；电磁制动器是仅作为一个车轮制动或减速器用在一些质量大的商用车上；液力式制动器通常被用来作为缓冲器。当今摩擦式制动器被使用的比较多。摩擦式制动器主要分为鼓式、盘式与带式。鼓式制动器的分类有领从蹄式、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2。鼓式制动器一般装配在后轮。 a b c 图3-1制动器分类 a 固定钳式制动器 b滑动钳式制动器 c 摆动钳式制动器盘式制动器一般分为钳盘式与全盘式。对于钳盘式制动器，它的制动衬块与制动盘摩擦面比较小，在制动盘大约占有3050左右的中心角

11、，所以我们又称其点盘式制动器。钳盘式制动器分为固定钳式制动器（图a）、滑动钳式制动器（图b）和摆动钳式制动器（图c）。全盘式制动器磨擦副的旋转原件都是圆盘形状，在进行制动的时候所有摩擦面都会接触在一起，原理上跟离合器的情况类似，因此又称之为离合器式制动器。制动盘主要可以分为两部分。一部分是可以装车轮的轮毂，里面可以装轴承。另外一部分是制动表面，也就是制动盘两边加工的表面，制动面将被处理的很细致，因为它的任务是为摩擦块提供制动时候的摩擦接触面。由于铸铁能提供优异的摩擦面，故制动盘一般是用铸铁铸造的。制动盘朝向车轮中心的是内侧，另一面是外侧。3.3 盘式制动器与鼓式制动器的对比 3.3.1 盘式制

12、动器的优点1. 热稳定性好；2. 制动力矩与汽车行驶方向无关；3. 尺寸小，质量小，散热良好；4. 衬块磨损均匀；5. 更换衬块简单 。 3.3.2 盘式制动器的缺点1. 难以完全防止尘污和锈蚀；2. 制动驱动机构中必须用助力器；3. 需用高材质衬块。3.4 新桑塔纳制动器的选择制动盘的直径可以决定制动面的大小。一般的，汽车制造商为了节省材料，提高零件性能，会在零件保证有效的制动性能的前提下，尽量把零件制造的简单轻巧。盘式制动器具有很多优点，如散热快，重量轻，调整方便等等。和鼓式制动器相比较，在温度比较低的冬季，盘式制动器可以让车辆在更短的制动距离内停下。路况比较差的情况下也是如此。即使盘式制

13、动器的制动盘跟鼓式制动器相比，通透性非常好，与空气接触的面积非常的大，但是由于材料，空气散热性等因素，散热的效果有时候还是无法达到预期的效果，所以一些厂家的制动盘又被加工很多孔，通过加速制动盘的通风进行散热来提升制动的效率。一般情况下，制动盘尺寸越大，它的散热效率就会越高，相对于实体盘，通风的制动盘散热效率要更高一点，因此本次设计的是通风盘式制动器。4 盘式制动器的结构及工作原理4.1 盘式制动器的结构盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，被称为制动盘。其固定元件则有着多种结构型式，大体上可分为两类，一类是工作面积不大的摩擦块与其金属背板组成的制动块。这些制动块及其促动装置都装在

14、横跨制动盘两侧的夹钳形支架中，总称为制动钳。这种由制动盘和制动钳组成的制动器称为钳盘式制动器,如图4-1。另一类固定元件的金属背板和摩擦片也呈圆盘形，制动盘的全部工作面可同时与摩擦片接触，这种制动器称为全盘式制动器。盘式制动器具有很多优点，比如它的散热比较快，同时重量也轻，结构比较的简易、调节起来也很方便，尤其突出的是抗温性能，并且制动效果很稳定。盘式制动器一般有制动盘，制动钳，摩擦衬片等组成。 4.2 盘式制动器的工作原理 新桑塔纳制动钳体2靠导向销6和车桥7连接起来，能够相对于制动盘1进行轴向横向移动。制动钳体的油缸在制动盘的内侧，外侧的制动块连接在钳体上，如下图。制动器工作时，液压油经过

15、进油口5流入制动油缸，促使活塞4和附着在上面的摩擦块往右边移动，从而接触到制动盘，这样油缸就会连同制动钳体整体沿着销钉进行左方向的移动，持续到制动盘右边的摩擦块也压迫到制动盘上，这样制动盘被夹住，达到制动目的。浮钳盘式制动器与定钳盘式制动器相反，它的轴向的径向尺寸比较小，并且制动液受热进行汽化的情况也较少。另外，在浮钳盘式制动器同时充当行车和驻车制动器时，仅仅需要添加一些用来推动油缸活塞的驻车制动机械传动零件在行车制动钳油缸周围就可以了2。 图4-1 盘式制动器1 图4-2 浮钳盘式制动器 1.制动盘 2.制动钳体 3.摩擦块 4.活塞 5.进油口 6.导向销 7.车桥5 盘式制动器的设计计算

16、5.1 盘式制动器参数确定 新桑塔纳制动盘的厚度h对工作温度和制动盘质量都有较大影响。为了要防止制动盘温度过高，制动盘的厚度最好不要选得过小。为了让质量小一点，制动盘的厚度又不适合选得很过大。能做成实心的制动盘，也可以为了符合散热通风的要求，作出通风孔道在里面。本设计选h=25mm。因为摩擦衬块内半径与外半径的比小于1.5，固取=80mm，=104mm。假如比值过于大，工作中制动衬块的外缘跟内侧圆周速率就会产生太大差距，产生摩擦不均匀的现象，最后的结果是接触面积的减小，直接导致了制动力矩变化变大。为了确定制动衬块工作面积 ，根据制动衬块的单位面积上占的质量，在1.63.5kg/cm2，所以取盘

17、式制动器制动衬块工作面积A取55cm2。轮胎的类型185/60 R15 车轮的有效半径为re=295mm。 新桑塔纳2013款1.4L手动版汽车参数表汽车轴距L2603mm满载时质心距前轴距离a1290mm满载时质心据后轴距离b1313mm满载时质心的高度hg212mm汽车满载质量G14000N轮胎的类型185/60 R15车轮的有效半径re295mm制动衬块工作面积A55cm25.2 盘式制动器的计算5.2.1 新桑塔纳动力矩M的计算 选择轮胎跟路面中间的附着系数为=0.7 假如新桑塔纳前后轮都同时抱死，du /dt=g (5-1) 前轴车轮的法向作用力 （5-2） 后轮的法向作用力为 （5

18、-3） 汽车总的地面制动力为FB=F1+F2=G=140000.7=9800N （5-4） 前轴车轮的制动力 （5-5） 后轴车轮的制动力 （5-6） 前轮与后轮制动器制动力相加跟附着力一样时，同时前后两个制动器产生的制动力跟各自的附着力相同时，前车轮与后车轮会一齐抱死。当前，大部分的两轴汽车的制动力的前轮与后轮的比是一个定值，分配比例用前制动力F1与汽车总制动器F之比来表示，也就是表示汽车的制动器制动力分配系数： （5-7） 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。由 整理，得 （5-8） 得 （5-9） 同步附着系数可以表明一种情况，如果汽车的前制动力与后制动力比值

19、固定，当行驶在在同步附着系数路面上进行制动时，前后车轮会同时抱死。 前、后轮制动器的制动力矩设置的适当，汽车就会有良好的的制动效能与稳定性。汽车附着质量完全被利用时可以得出最大制动力，此时制动力和前后轮制动力矩的比一样，都是跟地面作用于车轮的法向力Z1、Z2成正比。这样可以得出 （5-10） 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前轮Tf1= =5503.60.295=1623.6 NM （5-11） 后轮Tf2= =4299.30.295=1268.3 NM （5-12） 5.2.2 新桑塔纳应急制动与驻车制动 应急制动时，后轮一般抱死滑移，后轴制动力为 此时所

20、需要的后桥制动力矩为FB2re=4594.8295=1355.5NM后轮制动器采用的是应急制动器，一个车轮制动器的制动力矩是FB2re/2=677.8NM。新桑塔纳汽车载上坡路况上停车时，后桥的附着力为： （5-13）汽车在下坡的路况停车时，后桥的附着力为： （5-14）汽车可能停车的上坡路的最大倾斜角是，由后桥上的附着力与制动力相同可以得出，由得： （5-15） 是确保开车在上坡路况的纵向稳定性的最大的坡度倾角。同种方法可以得出汽车可能停驻的最大下坡角为 （5-16）5.3 新桑塔纳衬块磨损特性计算许多因素比如温度、衬块本身材质、滑磨速度、摩擦力、制动盘的材质及加工情况，这些因素对摩擦衬块的

21、磨损影响很大，所以，想要从理论上计算汽车磨损性能是不太现实的。但是根据经验，对磨损影响最大的因素依然是摩擦面的温度和摩擦力的大小。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任务。此外，因为制动的耗时比较短，制动器会吸收来不及散发的热能，因此，制动器温度上升的很快。这被称为制动器的能量负荷4。衬块的磨损跟能量负荷密不可分，磨损越严重表明负荷越大。汽车的种类很多，车辆的总质量跟其制动衬块的摩擦表面积也都不一样，所以有必要用一个相对的量当作评估能量负荷的指标。目前的状况是，东西方国家经常使用的是比能量耗散率，也就是指在单位时间内摩擦衬块的单位摩擦面积耗散的能量，一般使用的单位

22、是W/mm2也叫做单位功负荷，或着说是能量负荷。双轴汽车的一个前轮和后轮制动器的比能量耗散率为：， ， （5-17） 为汽车回转质量换算系数；是制动的初速度和最终的速度(m/s)；A1、A2为前后制动衬块的摩擦面积mm2)；j是制动时的减速度(m/s2)；t为制动所用的时间s)；车辆紧急制动直到停车时，v2=0，可以当作，质量在1.5t上下的轿车v1=22.2m/s时，取j=0.6g的减速器。则 （5-18） （5-19） （5-20） 乘用车的比能量耗散率应该小于或者等于6.0 w/mm2。如果比能量耗散率过高，不但能加速磨损摩擦衬块，同时有使制动鼓或制动盘更快产生裂痕的隐患5。另外一个关于

23、磨损特性的指标是比摩擦力，也就是衬块单位面积上的摩擦力。5.4 新桑塔纳制动轮缸直径d的确定制动轮缸对于制动蹄施加的张开力F0制动轮缸的直径d和制动管路的压力p三者的关系为 （5-21） 制动管路中的压力通常不会超过1012Mpa，对盘式制动器的要求更高6。压力越高，对管路（尤其是制动软管及管接头）的密封性要求越严格，驱动机构是结构也越紧密。轮缸直径d应在标准规定的尺寸系列中选取（HG28651997），具体为19mm、22mm、24mm、25mm、28mm、30mm、32mm、35mm、38mm、40mm、45mm、50mm、55mm。本设计取d=50mm。在制动鼓或制动盘上的作用半径上所产

24、生的摩擦力跟输入力的比也就是制动器因子BF=2FP/P=2f (5-22) 取f=0.5。假如衬块的磨擦表面跟制动盘的接触比较好，各个地方的压力分布比较的均匀，则制动器的制动力矩M=2fF0R。 (5-23) 压力管的压力通常不大于1012MPa，盘式制动器可能要更高，取值10MPa，磨擦衬块其径向宽度不太大，取R等于平均半径R=(+)/2=92mm (5-24) 制动轮缸对于制动衬块的压紧力，也就是指制动盘单侧的压紧力，则单侧压紧力为 F0=d2p/4=19625N ，此时，M=2*0.5*19625*0.092=1805.5Nm。则制动器的制动力矩为1805.5N*M1623.6 N*M。

25、满足实际使用要求7。 图5-1 盘式制动器的计算用图 图5-2 钳盘式制动器作用半径计算用图 如图5-2所示，取作用半径为平均半径 ：mm （5-25）式中：R1、R2为扇形磨擦制动块的内半径和外半径。在任意的一个单元面积上摩擦力跟制动盘质心的力矩是，为制动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： （5-26） 单侧的制动块与制动盘之间的总摩擦力为： 有效半径为： （5-27） 令，6 新桑塔纳制动驱动机构的设计汽车制动器可以接收制动驱动机构的力，这些力来自于驾驶员或者其他的外力，由此产生制动力矩。根据力源的性质，制动驱动机构可以被分成为三种：伺服制动、动力制

26、动、简单制动8。简单制动也就是人力制动，即把制动踏板力或手柄驱动应用力作为制动力。分为液压式和机械式。机械式靠的是杆系传力，因为多润滑点、机械效率低、传动比较小。不能确保前、后轴制动力的正确比例;左右两边轮制动力的平衡问题，所以已被淘汰。可同时由于成本比较低、构造单一、工作比较可靠还广泛地装配于中、小型汽车中。液压式简单制动用于行车制动装置9。液压制动有很多长处，比如工作的时候压力高、费时短，所以轮缸形状比较的小，能安装于制动器内部，直接影响制动块压紧机构，用不到制动臂一类的传动件，所以机械效率高，结构比较简单。液压制动也有几个不可忽略的弊端，如，当过多的吸收热量时，其中一些制动液会汽化，在管

27、道中会形成泡沫，在液压传输中有很大影响，从而使制动性能下降，更有可能失效。发动机产生的动力部分可以被转化成另外形态，具体表现是气压或液压形式的势能，可以作为汽车制动力源，这种形式的制动也就是动力制动11。汽车的制动踏板或者手柄上受到的力，仅仅是可以在回路中控制元件。伺服制动可以人力与发动机作为制动力的提供源。大多情况下，它的输出的工作压力是由伺服系统产生的；当伺服系统不能正常工作时，能根据人力来驱动液压系统产生一些制动力。7 新桑塔纳制动器材料选取新桑塔纳的制动盘的材料大多是珠光体灰铸铁。形状有平板形和帽子形。帽子型制动盘的圆柱形的部件长度是根据设定的尺寸的大小决定的，平板形制动盘制造工序比较

28、简单，制造所用的成本也比较少。因为要加大冷却力度，有部分钳盘式制动器的制动盘做成两层的，中间是通风糟，这样可以加大散热地面积，但这样一来整体厚度也比较大。制动钳可以用可锻铸铁KTH3 70-12或球墨铸铁Q400制造，也可以用轻合金，形式上可以是整体的，也可以是两半并由螺栓连接的。设计时须考虑经济成本，同时兼顾综合性能，采取帽子形状的选择，通风盘式制动器，制动钳为一体式，用球墨铸铁制造，轮毂的材料可以采用灰铸铁。总体来讲，这种类型的制动器的成本基于中等价位，但也得具体结合工厂的加工效率。8 总结与展望本设计主要是用于前轮制动的盘式制动器。首先对制动器的制动效率、制动性能常数以及车辆制动稳定性的

29、评价，接着又根据前轮和后轮在不同情况的时候对粘着制动力、地面制动力计算，从而对盘式制动器的各部分进行设定，使其在制动时达到最理想的制动状态。但盘式制动器对制动管路要求较严格，同时摩擦衬片成本较高，所以希望在以后的工作实践中，对该设计进行完善改进，从而适应现代汽车的设计理念。参考文献 1.陈家瑞.汽车构造M.北京：人民交通出版社.2005.9：303. 2.迷凸.关于汽车盘式制动器的两三事J.当代汽车.2008：254-255. 4.陈志成.电动汽车再动摩生制擦制动器轻量化设计J.上海汽车.2008：156. 5.王望予.汽车设计M北京：清华大学出版社，2004.8：231-234. 6.L.埃克霍恩. D.克林思乔克（等）.汽车制动系M.北京：机械工业出版社，1998.8：53-54. 7.周明衡.离合器、制动器M.北京：化工工业出版社，2003.5：89-91. 8.沈荣华.汽车盘式制动器优化J. 机械研究与应用. 1999(01)：102. 9.李风平.张士庆（等）.机械制图M.沈阳：东北大学出版社，2003.9：97. 11.张展（等）.联轴器、离合器与制动器设计选用手册M.北京：中国劳动社会保障出版社，1999：39.