557 大学生方程式赛车设计（制动与行走系统设计36张CAD图）

557 大学生方程式赛车设计（制动与行走系统设计36张CAD图）,557,大学生方程式赛车设计（制动与行走系统设计36张CAD图）,大学生,方程式赛车,设计,制动,行走,系统,36,cad 毕 业 设 计（论 文） 题目大学生方程式赛车设计（制动与行走系统设计）2013年5月30日大学生方程式赛车制动与行走系统设计摘 要Formula SAE自1978年在美国第一次举办以来，现已成为一项顶尖的国际赛事。按比赛规定，赛车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。其中，为保障车辆和驾驶人员的安全，赛车的制动与行走系统设计显得尤为重要。本文主要阐述了Formula SAE赛车的制动与行走系统设计过程。本次设计参照上代及其他参赛团体的赛车，进行了整体优化。本文在分析大赛规则及往届成型赛车的基础上，通过计算分析设计出制动与行走系统的总体方案。其中，制动系统以制动器为核心，设计出制动操纵机构（踏板装置）及制动操纵驱动机构（II型液压双回路）。行走系统以轮胎为核心，依次进行轮辋、轮毂、立柱的设计。本次设计在分析研究国外经典赛车基础上，参照实物及经典模型，利用UG对各零件进行三维建模和装配，利用CAD、CAXA等软件建立模型进行运动干涉分析，保证设计的合理性及优良性。最后，本次设计运用UG等软件，对制动系统中的连接件、紧固件、制动盘、制动踏板、制动油路等和行走系统中的立柱、轮毂、轮辋进行了仿真及有限元分析，并制造出样件，对样件装车试验，取得良好效果。最终本设计的结果，确保了本赛车具有出色的制动性和在极限工况下的安全性。关键词：赛车，制动及行走系统，优化，仿真，有限元分析IICOLLEGE STUDENTSFORMULA RACINGBRAKE AND WALKING SYSTEM DESIGNABSTRACTFormula SAE held in the United States for the first time since 1978, has now become a top international event. The cars design must be in acceleration, braking and handling performance. Among them, in order to guarantee the safety of the vehicle and driver, braking and walking system design is especially important.This article mainly elaborated the Formula SAE racing car brake and walking system design process. Design with reference to the parent group and other participants of the car, on the whole optimization. Based on the analysis of the competition rules and past molding car, on the basis of analysis by calculation braking and walking system overall scheme are given. Among them, the braking system to brake as the core, designed the brake operating mechanism and brake control driving mechanism. Walking system to tire as the core, in turn to carry on the rim, hub, pillar design. Refer to physical objects and the classic case in design process, the parts to make use of UG three-dimensional modeling and assembly, optimize the braking control drive mechanism, using CAD, CAXA, such as motion interference analysis, to ensure the rationality of the design and the optimal benign.Using software such as UG, the design of the braking system of the fittings, fasteners, brake pedal, brake disc and walking system such as columns, in the hub, rim has carried on the simulation and finite element analysis, to ensure that this car has good brake and safety under limit conditions.KEY WORDS:car, brake and walking system, optimization, simulation, finite element analysisIII符 号 说 明 轮缸活塞直径,mm 主缸活塞直径,mm 地面制动力,N 制动踏板力,N 车轮与地面的附着力,N 汽车前轴静负荷,N 汽车后轴静负荷,N 质心高度,mm 轴距,mm 汽车质心离前轴的水平距离,mm 汽车质心离后轴的水平距离,mm 汽车总质量,kg 车轮有效半径,mm 车轮滚动半径,mm 制动器对车轮的制动力矩,Nm 管路液压,MPa 主缸工作容积,mm3 单个轮缸工作容积,mm3 汽车行驶速度m/s 制动踏板行程,mm 地面对前轴的法向反力,N 地面对后轴的法向反力,N 制动力分配系数 同步附着系数 制动轮缸的活塞行程,mm 踏板机构及制动主缸的机械效率IV目 录第一章 概述11.1 大学生方程式赛车简介11.2 制动系统的重要性11.3 行走系统的功用1第二章 制动系设计32.1 制动系应满足的主要要求32.2 制动器的结构型式及选择32.2.1 鼓式制动器42.2.2 盘式制动器52.3 制动系的主要参数及其选择72.3.1 制动力与制动力分配系数72.3.2 同步附着系数102.3.3 制动器最大制动力矩102.3.4 制动器因数112.3.5 制动器的机构参数与摩擦系数11第三章 制动器的设计计算133.1 摩擦衬块磨损特性的计算133.2 制动器的热容量和温升的核算143.3 盘式制动器制动力矩的计算163.4 驻车制动计算17第四章 制动器主要零件的结构设计194.1 制动盘194.2 制动钳194.3 制动块204.4 摩擦材料214.5 制动轮缸214.6 制动器间隙的调整方法及相应机构21第五章 制动驱动机构的结构型式选择及设计计算23V5.1 制动驱动机构的结构型式选择235.2 制动管路的分路系统255.3 液压制动驱动机构的设计计算265.3.1 制动轮缸直径与工作容积265.3.2 制动主缸直径与工作容积275.3.3 制动踏板力与踏板行程285.3.4 制动主缸的形式29第六章 行走系统的设计306.1 汽车行驶系统概述306.1.1 轮胎316.1.2 轮辋316.1.3 轮毂326.1.4 立柱336.2 强度校核346.2.1 制动盘紧固螺栓的校核346.2.2 轮毂螺栓的校核35第七章 结 论37参考文献38致 谢40附 录41VI第一章 概述1.1 大学生方程式赛车简介目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。大学生方程式赛车活动是以院系的形式组织学生参与赛事，重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；同时通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升。大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。1.2 制动系统的重要性汽车作为陆地上的现代重要交通工具，有许多保证其使用性能的大部件，即所谓“总成”组成，制动系就是其中一个重要的总成。它既可以使行驶中的汽车减速，又可以保证停车后的汽车驻留原地不动。由此可见汽车制动系对于汽车行驶的安全性和停车的可靠性起着重要的保证作用。当今，随着高速公路网的不断扩展、汽车车速的提高以及车流密度的增大，对汽车制动系的工作可靠性要求显得日益重要。因为只有制动性能良好、制动系工作可靠的汽车才能充分发挥出其高速行驶的动力性能并保证行驶的安全性。由此可见，制动系是汽车非常重要的组成部分，从而对汽车制动系的结构分析与设计计算也就显得非常重要了。1.3 行走系统的功用汽车行走系统的功用是：1、将发动机传到驱动轮上的驱动转矩变为推动汽车行驶的驱动力，并使驱动轮的转动变成汽车在地面上的移动。2、传递并承受路面作用于车轮上的各向反力及其所形成的力矩。3、尽可能缓和不平路面对车身造成的冲击和振动，保证汽车行驶平顺性，且与汽车转向系很好地配合工作，实现汽车行驶方向的正确控制，以保证汽车操纵稳定性。4、支承汽车的全部重量。42第二章 制动系设计2.1 制动系应满足的主要要求设计制动系时应满足的主要要求：1、具有足够的制动效能；2、作可靠；3、在任何速度下制动时，汽车都不应丧失操纵性和方向稳定性 ；4、防止水和污泥进入制动器工作表面； 5、制动能力的热稳定性良好 ；6、操纵轻便，并具有良好的随动性；7、制动时，制动系产生的噪声尽可能小，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；8、作用滞后性应尽可能短；9、摩擦衬块应有足够的使用寿命；10、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；11、当制动驱动装置的任何元件发生故障并使其基本功能遭到破坏时，汽车制动系应有音响或光信号等报警提示。2.2 制动器的结构型式及选择制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式。电磁式制动器虽有作用滞后性好、易于连接而且接头可靠等优点，但因成本高，只在一部分总质量较大的商用车上用作车轮制动器或缓速器；液力式制动器一般只用作缓速器。目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。摩擦式制动器是利用固定元件与旋转元件工作表面间的摩擦而产生制动力矩使汽车减速或停车。其按摩擦副结构形式不同，可分为鼓式、盘式和带式三种。带式制动器只用作中央制动器；鼓式和盘式制动器的结构形式有多种，如下所示：图2-1 制动器类型42.2.1 鼓式制动器鼓式制动器是最早形式汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛应用于各类汽车上。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轴套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件作为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮毂上。制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦蹄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，并利用制动鼓的外圆柱表面与制动带摩擦片的内圆弧作为一对摩擦表面，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，通常所说的鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构。各式鼓式制动器结构简图如下所示：图2-2 鼓式制动器简图4(a)领从蹄式(用凸轮张开)；(b)领从蹄式(用制动轮缸张开)；(c)双领从蹄式(非双向，平衡式)；(d)双向双领从蹄式；(e)单向增力式；(f)双向增力式2.2.2 盘式制动器按摩擦副中固定元件的结构不同，盘式制动器分为钳盘式和全盘式制动器两大类。一、钳盘式钳盘式制动器的固定摩擦原件是制动块，装在与车轴连接且不能绕车轴轴线旋转的制动钳中。按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等。 (1) (2) (3)图2-3 钳盘式制动器的示意图4(1)固定钳式 (2)滑动钳式 (3)摆动钳式1、固定钳式制动钳固定不动，制动盘两侧均有液压缸。制动时仅两侧液压缸中的制动块向盘面移动。具有以下优点：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。2、浮动钳式滑动钳式：制动钳可以相对制动盘作轴向滑动，其中只在制动盘的内侧置有液压缸，外侧的制动块固装在钳体上。具有以下优点：仅在盘的内侧具有液压缸，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，液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；成本低；浮动盘的制动块可兼用驻车制动。制动钳的安装位置可以在车轴之前或之后。由图2-4可见，制动钳位于车轴后，能使制动时轮毂轴承的合成载荷F减小；制动钳位于车轴前，则可避免轮胎向钳内甩溅污泥。(a) (b)图2-4 制动钳的位置对轮毂轴承载荷的影响4(a)制动钳位于车轴之前;(b)制动钳位于车轴之后1车轮；2制动盘；3轮毂；路面法向反力；制动力；，与的合力及相应的支承反力，制动衬块对制动盘的摩擦力及相应的支承反力；轮毂轴承的径向合力二、全盘式全盘式制动器中摩擦副的旋转原件及固定原件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全部接触，作用原理如同离合器，故又称离合器式制动器。由于这种制动器散热条件较差，其应用远远没有钳盘式制动器广泛。与鼓式制动器比较，盘式制动器有如下优点：1、热稳定性好；2、水稳定性好；3、易于构成双回路制动系统，使系统有较高的可靠性和安全性；4、尺寸小、质量小、散热好；5、压力在制动衬块上分布均匀，故衬块磨损也均匀；6、更换衬块简单容易；7、衬块与制动盘之间的间隙小（0.050.15mm），从而缩短了制动协调时间；8、易于实现间隙自动调整。在本次设计中，我们选择滑动浮钳盘式。2.3 制动系的主要参数及其选择整车参数：汽车轴距：=1680mm车轮滚动半径：=247mm汽车总质量:=302kg 取=10N/kg满载时前轴负荷：N满载时后轴负荷：N满载时质心高度：=300mm质心距前轴的距离：=840mm质心距后轴的距离：=840mm对汽车制动性能有着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、制动强度、附着系数利用率、最大制动力矩与制动器因数等。2.3.1 制动力与制动力分配系数汽车制动时，如果忽略路面对车轮的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性力矩，则任一角速度的车轮，器力矩平衡方程式为 （2-1）式中，-制动器对车轮作用的制动力矩，即制动器的摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向相反，N/m。-地面作用于车轮上的制动力，即地面与轮胎之间的摩擦力，又称为地面制动力，其方向与汽车行驶方向相反，N。-车轮有效半径，m。令 （2-2）并称之为制动器制动力，它是在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力。与地面制动力的方向相反，当车轮角速度时，大小亦相等，且仅由制动器结构参数所决定。即取决于制动器的结构形式、尺寸、摩擦副的摩擦系数及车轮有效半径等，并与制动踏板力即制动系的液压成正比。当加大踏板力以加大时，和均随之增大。但地面制动力受着附着条件的限制，其值不可能大于附着力即 （2-3）或 （2-4）当制动器制动力和地面制动力达到附着力值时，车轮即被抱死并在地面上滑移。此后制动力矩即表现为静摩擦力矩，而即成为与相平衡以阻止车轮再旋转的周缘力的极限值。当制动到以后，地面制动力达到附着力值后就不再增大，而制动器制动力由踏板力的增大使摩擦力矩增大而继续上升（见图2-4）。根据汽车制动时的整车受力分析，考虑到制动时的轴荷移动，可求得地面对前、后轴车轮的法向反力，为： （2-5）汽车总的地面制动力为 （2-6）由以上两式可求得前、后轴车轮附着力为 （2-7）上式表明：汽车在附着系数为任意确定值的路面上制动时，各轴附着力即极限制动力并非为常数，而是制动强度或总制动力的函数。当汽车各车轮制动器的制动力足够时，根据汽车前、后轴的轴荷分配，前、后车轮制动器制动力的分配、道路附着系数和坡度情况等，制动过程可能出现的情况有三种，即：1、前轮先抱死拖滑，然后后轮再抱死拖滑；2、后轮先抱死拖滑，然后前轮再抱死拖滑；3、前、后轮同时抱死拖滑。在以上三种情况中，显然是最后一种情况的附着条件利用的最好。赛事也规定必须前、后轮同时抱死。由式（2-6）（2-7）不难求得在任何附着系数的路面上，前、后车轮同时抱死即前、后轴车轮附着力同时被充分利用的条件是： （2-8）由式（2-8）可知，前、后车轮同时抱死时，前、后轮制动器制动力，是的函数。由式（2-8）中消去，得 （2-9）将上式绘成以，为坐标的曲线，即为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线，简称曲线，如图2-5所示。如果汽车前、后制动器的制动力，能按曲线的规律分配，则能保证汽车在任何附着系数的路面上制动时，都能使前、后车轮同时。图2-5 制动力与踏板力的关系4 图2-6 某载货汽车的曲线与线4同步附着系数：线与曲线交点处所对应的路面附着系数。汽车满载时的同步附着系数=1。同步附着系数下，前后轮同时抱死时的制动器制动力： N N制动器制动力分配系数：2.3.2 同步附着系数附着条件的利用情况可用附着系数利用率来表示： （2-10）式中，汽车总的地面制动力；汽车所受重力；制动强度。当时，利用率最高。2.3.3 制动器最大制动力矩应合理地确定前、后轮制动器的制动力矩，以保证汽车良好的制动效能和稳定性。最大的制动力是在汽车附着质量被完全利用的条件下获得的。对于选取较大值得各类汽车，应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定各轴的最大制动力矩。当时，相应的极限制动强度，故所需的前轴和后轴的最大制动力矩为： Nm Nm单个前轮和后轮所需的最大制动力制动力矩为： Nm Nm制动器所能产生的最大制动力矩： Nm 由此可知，该设计能够满足汽车安全制动的要求。2.3.4 制动器因数 （2-11）式中，制动器的摩擦力矩；制动盘的总用半径；输入力，一般取加于两制动块的压紧力的平均值为输入力。对于钳盘式制动器，设两侧制动块对制动盘的压紧力均为，则制动盘在其两侧工作面的作用半径上所受的摩擦力为，此处为盘与制动衬块间的摩擦系数，于是钳盘式制动器的制动器因数为：2.3.5 制动器的机构参数与摩擦系数1、 制动盘的直径当输入力一定时，制动盘的直径越大，则制动力矩亦愈大，散热性能愈好。但直径的尺寸受轮辋内径的限制，而且的增大也使制动盘的质量增大，使汽车非悬挂质量增大，而不利于汽车的行驶平顺性。制动盘与轮辋之间应有相当的间隙，此间隙一般不应小于2030，本次设计根据具体情选 ，以利于散热通风，也可避免轮辋过热而损坏轮胎。一般制动盘直径是轮辋直径的70%79%。二、摩擦片的摩擦系数选择摩擦片时不仅希望其摩擦系数高些，更要求其热稳定性好，受温度和压力的影响小。各种摩擦材料的摩擦系数稳定值约为0.30.5，少数可达0.7。设计计算制动器时一般取0.30.35。一般说来，摩擦系数愈高的材料其耐磨性愈差。本设计选取。三、摩擦衬块的面积由摩擦衬块外半径与内半径的比值不大于1.5。所以取mm、mm。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。在确定摩擦衬块工作面积时，根据制动衬块单位面积占有的汽车的质量，在1.63.5kg/cm2，取cm2。第三章 制动器的设计计算3.1 摩擦衬块磨损特性的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。但试验表明，影响磨损的最重要的因素还是摩擦表面的温度和摩擦力。从能量的观点来说，汽车制动过程即是汽车的机械能的一部分转变为而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎承担了汽车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大气中就被制动器所吸收，致使制动盘温度升高。这就是所谓制动器的能量负荷。能量负荷越大，则衬片的磨损越严重。制动器的能量负荷常以比能量耗散率作为评价指标。比能量耗散率又称单位功负荷，它表示单位时间内衬片单位摩擦面积耗散的能量，通常所用的计量单位为W/。双轴汽车的单个前轮制动器及单个后轮制动器的比能量耗散率分别为 （3-1）式中，汽车回转质量换算系数； 汽车总质量；,汽车制动初速度和终速度，m/s；计算时轿车取km/h（27.8m/s）；制动时间，s；制动减速度，m/s2 ,计算时取；，前、后制动衬块的摩擦面积；制动力分配系数。在紧急制动到时，并可近似地认为，则有 （3-2）根据上述数据计算得到 s W/mm2 W/mm2乘用车的盘式制动器在km/h和的条件下，比能量耗散率应不大于6.0W/mm2 。因此满足要求。磨损特性指标也可以用衬块的比摩擦力即单位摩擦面积的摩擦力来衡量。单个车轮制动器的比摩擦力为 （3-3）式中，单个制动器的制动力矩；制动盘有效半径；单个制动器的衬块的摩擦面积，cm2。则盘式制动器的比摩擦力为 N/mm2因此满足要求。3.2 制动器的热容量和温升的核算应核算制动器的热容量和温升是否满足如下条件 （3-4）式中，各制动盘的总质量；与各制动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；制动盘材料的比热容，对铸铁=482J/（kgK）,对铝合金=880J/（kgK）；与制动盘相连的受热金属件的比热容；制动盘的温升；（一次由km/h到完全停车的强烈制动，温升不应超过15）；满载汽车制动时由动能转变的热能，因制动过程迅速，可以认为制动产生的热能全部为前、后制动盘所吸收，并按前、后轴制动力的分配比率分配给前、后制动器，即 （3-5）式中，汽车制动时的初速度，可取= =144/h=40m/s汽车制动器制动力分配系数，=0.6875求得， J J已知，=0.5kg;=7kgt=15C=15k则每个制动器的热容量： J对于前轴的单个车轮： J对于后轴的单个车轮： 因此，此制动器满足热容量和温升的要求。3.3 盘式制动器制动力矩的计算盘式制动器的计算用简图如图 所示，今假设衬块的摩擦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 （3-6）式中，摩擦系数；单侧制动块对制动盘的压紧力(见图3-1)作用半径。图3-1 盘式制动器的计算用图4 图3-2 钳盘制动器的作用半径计算用4对于常见的扇形摩擦衬块，如果其径向尺寸不大，则取为平均半径或有效半径已足够精确。如图3-2所示，平均半径为 （3-7） mm式中：,扇形摩擦衬块的内半径和外半径。根据图3-2所示，在任一单元面积上的摩擦力对制动盘中心的力矩为，式中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 （3-8）单侧衬块给制动盘的总摩擦力为 （3-9）得有效半径为 （3-10）令，则有 （3-11）由上述给出的参数可求出将,代入式(3-11)得 mm由上述知: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。则单侧压紧力为 （3-12）式中,考虑制动力调节装置作用下的轮缸或管路液压，取MPa制动轮缸的截面积 m2 （3-13）则 N摩擦衬块的摩擦系数:制动器的最大制动力矩为： Nm3.4 驻车制动计算汽车在上坡路上停驻时的受力简图如下图所示：图3-3 汽车在上坡路上停驻时的受力简图4由上图可得出汽车在上坡停驻时的后轴车轮的附着力为 （3-14）同样可求出汽车下坡时的后轴车轮的附着力为 （3-15）根据后轴车轮附着力与后轴车轮驻车制动的制动力相等的条件可求的汽车在上坡路和下坡路上停驻时的坡度极限倾角，即由 （3-16）求得汽车在上坡时可能停驻的极限上坡倾角为汽车在下坡时可能停驻的极限下坡倾角为一般要求各类汽车的最大停驻坡度不应小于1620。驻车制动器的设计中，在安装制动器的空间、制动驱动力源等条件允许的范围内，应力求后桥上驻车制动力矩接近于所确定的极限值，并保证小坡路上能停驻的坡度不小于法规的规定值。第四章 制动器主要零件的结构设计4.1 制动盘制动盘的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不支持村。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槽的双层盘，可大大增加散热面积，但盘的整体厚度较大。制动盘工作表面的加工精度应达到下述要求：平面度公差为0.012mm，表面粗糙度值为0.71.3m，两摩擦表面的平行度公差不应大于0.05mm，制动盘的端面圆跳动公差不应大于0.03mm。通常制动盘采用摩擦性能良好的珠光体灰铸铁制造。为保证足够的强度和耐磨性能，其牌号不应低于HT250。本设计采用的为摩托车制动盘，参照材料选用40Cr。一、制动盘直径本次设计，所选轮辋直径为13英寸，由汽车设计手册得制动盘直径通常为选择轮辋直径的7079，即231.14mm260.858mm,根据实际情况，本设计选择制动盘直径mm。二、制动盘厚度对制动盘质量和工作温度有影响，为使质量小些，制动盘厚度不宜过大；为了减少温升，制动盘厚度不宜过小，本设计选择mm。4.2 制动钳制动钳由可锻灰铸铁KTH370-12或球墨铸铁QT400-18制造，也有用轻合金制造的，可做成整体的（图4-1），也可做成两半并由螺栓连接。其外缘留有开口，以便不必拆下制动钳便可检查或更换制动块。制动钳体应有高的强度和刚度。一般多在钳体中加工出制动油缸，也有将单独制造的油缸装嵌入钳体中的。为了减少传给制动液的热量，多将杯形活塞的开口端顶靠制动块的背板（图4-1、图4-2）。有的活塞的开口端部切成阶梯状，形成两个相对且在同一个平面内的小半圆环形端面。活塞由铸铝合金或钢制造。为了提高耐磨损性能，活塞的工作表面金星镀铬处理。当制动钳体由铝合金制造时，减少传给制动液的热量成为必须解决的问题。为此，应减小活塞与制动块背板的接触面积，有时也可采用非金属活塞。图4-1 固定钳式盘式制动器的结构图41盘；2制动钳体；3油缸及活塞；4摩擦衬块；5制动块定位销图4-2 浮动钳式盘式制动器的结构总图41制动块；2制动盘；3活塞；4制动钳体4.3 制动块制动块由背板和摩擦衬块构成，两者直接压嵌在一起。衬块多为扇面形，也有矩形、正方形和长圆形的。活塞应能压住尽可能多的制动块面积，以免衬块发生卷角而引起尖叫声。制动块背板由钢板制成。赛车中不需要安装报警装置。4.4 摩擦材料摩擦衬块的材料应满足如下要求：1、具有一定的稳定的摩擦因数；2、具有良好的耐磨性；3、要有尽可能小的压缩率和膨胀率；4、制动时不易产生噪声，对环境无污染；5、应采用对人体无害的摩擦材料；6、有较高的耐挤压强度和冲击强度，以及足够的抗剪切能力；7、应将摩擦衬块的热传导率应控制在一定范围。由金属纤维、粘结剂和摩擦性能调节剂组成的半金属摩阻材料，具有较高的耐热性和耐磨性，特别是因为没有石棉粉尘的公害，近来得到广泛的应用。粉末冶金无机质金属摩阻材料是以铜粉或铁粉为主要成分（占质量的60%80%），加上石墨、陶瓷粉等非金属粉末作为摩擦系数调整剂，用粉末冶金法制成。其抗热衰退性和抗水衰退性能好，但造价高，适用于高性能轿车和行驶条件恶劣的货车等制动器负荷重的汽车。本设计采用半金属摩阻材料。4.5 制动轮缸是液压制动系采用的活塞式制动蹄张开机构，其结构简单，在车轮制动器中布置方便。轮缸的缸体由灰铸铁HT250制造。其缸筒为通孔，需镗磨。活塞由铝合金制造。多数制动轮缸有两个等直径活塞。4.6 制动器间隙的调整方法及相应机构为了保证制动盘在不制动时能自由转动，制动盘与制动衬块之间，必须保持一定的间隙。此间隙量应尽可能小，因为制动系的许多工作性能受次间隙影响而变化。使用中因磨损会增大此间隙，过分大的间隙会带来许多不良的后果：制动器产生制动作用的时间增长；各制动器因磨损不同，间隙不一样大，结果导致各制动器产生制动作用的时间不同，即同步制动性能变坏；增加了压缩空气或制动液的消耗量，并使制动踏板或手柄行程增大。为保证制动盘和制动衬块之间在使用期间始终有初设定的间隙量，要求采用间隙自动调整装置。图4-3 盘式制动器的活塞密封圈4a)制动状态 b）不制动状态1-活塞 2-制动钳 3-密封圈盘式制动器使用最简单的间隙自调方式，是利用制动钳中的橡胶密封圈的极限弹性变形量，来保持制动时为消除设定间隙所需的活塞设定行程（图4-3）。当衬块磨损而导致所需的活塞行程大于时，活塞可在液压作用下克服密封圈的摩擦力，继续前移到实现完全制动为止。活塞与密封圈之间这一不可恢复的相对位移便补偿了过量间隙。若盘式制动器的设定间隙较大，用密封圈便不可靠，而应采用专门的间隙调整装置。图4-4所示为波舍尔（Porshe）乘用车的制动器间隙自调装置。图4-4 盘式制动器的间隙自调装置41-活塞2-制动盘3-挡圈 4-弹簧罩5-摩擦环片6-摩擦销7-隔环8-压缩弹簧9-隔套第五章 制动驱动机构的结构型式选择及设计计算5.1 制动驱动机构的结构型式选择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、动力制动和伺服制动三大类。一、简单制动系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，亦称人力制动。其中，又有机械式和液压式两种。机械式完全靠杆系传力，由于机械效率低，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。但因其结构简单，成本低，工作可靠（故障少），还广泛地应用于中、小型汽车的行车制动装置中。液压式简单制动（通常简称为液压制动系）用于行车制动装置。液压制动的优点是：作用滞后时间短(0.10.3s)，工作压力高(可达1012MPa)，因轮缸尺寸小，可以安装在制动器内部，直接作为制动蹄张开机构（或制动块压紧机构），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（液压系统有自润滑作用）。液压制动的主要缺点是：过度受热后，部分制动液汽化，在管路中形成气泡，即产生所谓“气阻”，严重影响液压传输，使制动效能降低，甚至完全失效，液压制动曾被广泛应用在乘用车和总质量不大的商用车上。二、动力制动系动力制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，仅用回路中控制元件的操纵。因此，简单制动中的踏板力和踏板行程之间的反比例关系，在动力制动中便不复存在，从而可使踏板力较小，同时又有适当的踏板行程。气压制动是应用最多的动力制动之一。其主要优点是：操纵轻便，工作可靠，不易出故障，维修保养方便；此外，其气源除供制动外，还可用于其他装置使用。其主要缺点是：必须有空气压缩机、储气筒、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撤出都较慢，即作用滞后时间较长（0.30.9s），因而增加了空驶距离和停车距离，为此，在制动阀到制动气室和储气筒的距离过远的的情况下，有必要加设启动的第二级元件继动阀以及快放阀；管路工作压力低，一般为0.50.7MPa，因而制动气室的直径必须设计的大些。由于主、挂车的摘和挂都很方便，所以汽车列车也多用气压制动。用气压系统作为普通的液压制动系统主缸的驱动力源而构成的气顶液制动，也是动力制动。它兼有液压制动和气压制动的主要优点；因气压系统的管路短，作用滞后时间也较短。但因结构复杂，质量大，成本高，所以主要用在总质量较大的商用车上。全液压动力制动，用发动机驱动油泵产生的液压作为制动力源，有闭式（常压式）与开式（常流式）两种。开式（常流式）系统在不制动时，制动液在无负荷状况下由油泵经制动阀到储液罐不断地循环流动；而在制动时，则借助于阀的节流而产生所需的液压进入轮缸。闭式（常压式）回路因平时保持着高液压，故又称常压式。它对制动操纵的反应比开式的快，但对回路的密封要求较高。当油泵出故障时，开式的将立即补气之动作用，而闭式的还有可能利用回路中的蓄能器的液压继续进行若干次制动。故目前汽车用的全液压动力制动系多用闭式（常压式）的。全液压动力制动系除具有一般液压制动系统的有点外，还具有操纵轻便，制动反应快，制动能力强，受气阻影响较小，易于采用制动力调节装置和防滑移装置，及可与动力转向，液压悬架，举升机构及其他辅助设备共用液压泵和储油罐等优点。但其机构复杂，精密件多，对系统的封闭性要求也较高，故并未得到广泛应用。各种形式的动力制动在动力系统失效时，制动作用即全部丧失。三、伺服制动系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；在动力伺服系统失效时，还可以全靠人力驱动液压系统，以产生一定程度的制动力。因此，从排量1.6L以上的乘用车到各种商用车，都广泛采用伺服制动。按伺服力源的不同，伺服制动有真空伺服制动、空气伺服制动和液压伺服制动三类。真空伺服制动系是利用发动机进气管中节气门后的真空度(负压，一般可达0.050.07MPa)作动力源，一般的柴油车若采用真空伺服制动系时，则需有专门的真空源由发动机驱动的真空泵或喷吸器构成。气压伺服制动系是由发动机驱动的空气压缩机提供压缩空气作为动力源，伺服气压一般可达0.60.7MPa。故在输出力相等时，气压伺服气室直径比真空伺服气室直径小得多。且在双回路制动系中，如果伺服系统也是分立式的，则气压伺服比真空伺服更适宜，因此后者难于使各回路真空度均衡。但气压伺服系统的其他组成部分却较真空伺服系统复杂得多。真空私服制动多用于总质量在1.1t1.35t以上的乘用车和载质量在6t以下的商用车，空气伺服制动则广泛用于载质量为612t的商用车，以及少数几种排量在4.0L以上的乘用车上。本设计中采用液压式的动力制动系统来作为制动驱动机构的方案。5.2 制动管路的分路系统根据赛事要求，赛车制动系统采用液压制动。为了提高制动驱动机构的工作可靠性，保证行车安全，驱动机构采用了两套独立的系统，即应是双回路系统。双轴汽车的液压式制动驱动机构的双回路系统有多种形式，其中常见的有五种，分别是II、X、HI、LL、HH型。图5-1 液压回路系统的形式41、一轴对一轴（II）型，如图a所示，前轴制动器与后桥制动器各用一个回路（“II型”是其形象的简称，下同）。2、交叉（X）型，如图b所示，前轴的一侧车轮制动器与后桥的对侧车轮制动器同属一个回路。3、一轴对半半轴（HI）型，如图c所示，两侧前轴制动器的半数轮缸和全部后制动器的轮缸属于一个回路，其余的前轮缸则属于另一个回路。4、半轴一轮对半轴一轮（LL）型，如图d所示，两个回路分别对两侧前轮制动器的半数轮缸和一个后轮制动器起作用。5、双半轴对双半轴（HH）型，如图e所示，每个回路均只对每个前、后制动器的半数轮缸起作用。II型管路的布置较为简单，可与传统的单轮缸盘式制动器配合使用，成本较低，目前在各类汽车特别是商用车上用得最广泛对于这种形式，若后制动回路失效，则一旦前轮抱死即极易丧失转弯制动能力。X型的结构也很简单，一回路失效时仍能保持50%的制动效能，并且制动力的分配系数和同步附着系数没有变化，保证了制动时与整车负荷的适应性。此时前，后各有一侧车轮有制动作用，使制动力不对称，导致前轮将朝制动起作用车轮的一侧绕主销转动，使汽车失去方向稳定性。因此，采用这种分路方案的汽车，其主销偏移距应取负值（至20mm），这样，不平衡的制动力使车轮反向转动，改善了汽车的方向稳定性，多用于中、小型轿车。HI、LL、HH型的结构均较II型、X型复杂。LL型和HH型在任意回路失效时，前、后制动力比值均与正常情况相同，剩余总制动力可达正常值的50%左右。HI型单用一轴半回路时剩余制动力较大，但此时与LL型一样，紧急制动情况下后轮很容易先抱死。综合上述情况，本设计中选用II型回路系统。5.3 液压制动驱动机构的设计计算5.3.1 制动轮缸直径与工作容积制动轮缸对制动块的作用力P与轮缸直径及制动轮缸中的液压之间有如下关系式： （5-1）式中,考虑制动力调节装置作用下的轮缸或管路液压，一般=8MPa12MPa,但根据赛车具体情况取=6MPa。轮缸直径应在GB 752487标准规定的尺寸系列里选取，轮缸直径的尺寸系列为14.5，16，17.5，19，20.5，22，22.22，23.81，24，25.40，26，28，28.58，30，32，35，38，42，46，50，56mm经过查取取mm。一个轮缸的工作容积 （5-2）式中，一个轮缸活塞的直径；轮缸的活塞数目；轮缸活塞在完全制动时的行程： （5-3）其中，是消除制动块与制动盘间的间隙所需的轮缸活塞行程，取。由于摩擦衬块变形而引起的轮缸活塞行程，取。，是对于鼓式制动器而言的，这里不予考虑。则 mm则单个轮缸的工作容积，n=1 mm3全部轮缸的工作容积，其中：轮缸的数目，则 mm35.3.2 制动主缸直径与工作容积制动主缸的直径应符合GB 752487标准规定的尺寸系列，主缸直径的尺寸系列为14.5，16，17.5，19，20.5，22，22.22，23.81，24，25.40，26，28，28.58，30，32，35，38，42，46mm。制动主缸应有的工作容积 （5-4）式中，制动软管在液压下变形而引起的容积增量。在设计中考虑软管变形，轿车制动主缸的工作容积可取为。则 mm3主缸活塞直径和活塞行程可由下式确定： （5-5）一般；取主缸活塞行程:则 mm3得 mm取 mm所以 mm5.3.3 制动踏板力与踏板行程制动踏板力可用下式验算： （5-6）式中，制动主缸活塞直径；制动管路液压；制动踏板机构传动比，；,见下图5-1；图5-1 液压制动驱动机构计算用简图式中，制动踏板机构及制动主缸的机械效率，可取-；在本设计中取。将踏板的传动比定在6.5，这样从人机工程学的角度可以实现最优化的设计，车手对制动器的操控性最佳，取mm。则 mm制动踏板力为 N制动踏板的工作行程为 （5-7）式中，主缸中推杆与活塞间的间隙；主缸活塞空行程。由于本设计是设计赛车，赛车本身要求制动要灵敏，所以，均不宜过大。取；则 mm5.3.4 制动主缸的形式图5-2 串联双腔制动主缸内部结构6现代汽车制动主缸的形式有单腔和串联双腔制动主缸，根据大赛要求，每个液压回路必须有其专属的储油罐，因此初步确定采用串联双腔形式的制动主缸，但考虑赛车的总体布局和空间问题，不排除采用并联单腔制动主缸的可能。制动主缸由灰铸铁制造，也可以采用低碳钢冷挤成形；活塞可由灰铸铁、铝合金或中碳钢制造。第六章 行走系统的设计6.1 汽车行驶系统概述汽车作为一种地面交通工具，其行驶系统的基本组成和结构形式，在很大程度上取决于汽车经常行驶路面的性质。绝大多数汽车还是经常行驶在比较坚实的路面上的，其行使系统中直接与路面接触的路面是车轮，因而称为轮式汽车行驶系统，这样的汽车便是轮式汽车17。轮式汽车行驶系统一般由车架、车桥、车轮和悬架组成，如下图所示就是汽车行驶系总成布置。图6-1 汽车行驶系的组成41-前悬架 2-车架 3-后悬架 4-驱动桥 5-后轮 6-前轮 7-从动桥本文对赛车行驶系统的研究主要是轮胎及其配套部分，即轮毂、立柱和制动部分。图6-2 赛车行驶系统的组成6.1.1 轮胎鉴于Formula SAE 的赛道特性，赛车在比赛中的速度相对较低，行使时间也比较短。而且参赛赛车的车重也比较轻。由于以上这些原因，希望轮胎能够在尽量短的时间内达到其工作温度，以尽快实现最大抓地力。一般来说只有专业的赛车用热融胎符合这方面的要求。本次设计采用美国Hoosier公司的44150赛道用竞赛级雨胎。6.1.2 轮辋参赛赛车的轮辋选择了铝合金三片式轮毂。三片式轮辋由三个部分组成，外侧轮圈、内侧轮圈和辐板。其结构如图6-3所示。图6-3 三片式轮辋结构选择三片式轮辋的好处在于可以根据需要选择轮辋的偏置值。这里的偏置值的定义为轮辋的安装面到轮胎中心截面的距离，向内为正，向外为副。为了充分利用轮辋内的空间，参赛赛车选择了-46mm 的轮辋偏置。轮辋的外侧轮圈、内侧轮圈为自行设计制造的，材料为T6061-T6铝合金，直径为13英寸，宽度为7英寸，符合Hoosier44150轮胎对轮辋的需要。辐板也是自行设计制造的，材料为T6061-T6铝合金。轮辋为辐板式，采用铸造工艺加工而成，目的是减轻车轮的重量和利于制动毂的散热。中心连接孔的数量为4个，连接孔边缘倒出和轮辋固定螺帽帽檐相同的锥度，外侧的16个安装孔攻有M6内螺纹。装配后的轮辋如图6-4所示。 图6-4 轮辋6.1.3 轮毂赛车的轮毂通常是指固定轮辋和制动系统相关组建的轮胎中心的心轴。图6-5 赛车后轮轮毂赛车对操纵灵活性、行驶安全性的要求要比一般的汽车高很多，因此轮毂的设计原则就是在保证安全的基础上，尽可能的使结构简单，节省整车整备质量。由于本赛车采用的是发动机后置后轮驱动的方式，后轮毂设计时必须要考虑与传动轴的配合，为此，本设计将轮毂中心掏空，并按照传动轴的外花键类型与尺寸，设计出相配套的内花键，同时，传动轴与轮毂配合的末端设计一个特制的螺母进行防松固定。根据第二代赛车的参赛经历，前轮轮毂轴承内圈卡不住，转向晃动问题严重，这代赛车设计时，前轮轮毂轴承的设计采用了开口螺母压紧轴承内圈的方法。另外，考虑到轮胎的快拆，之前赛车的轮辋用四个圆柱销定位一个大螺母锁紧，但这种方式结构设计繁琐，益处不大，本次设计将4个轮辋螺栓的一端均匀固定在轮毂上，使的轮毂结构简单，质量减轻，轮辋安装方便。图6-6 赛车前轮轮毂6.1.4 立柱赛车上的立柱指的是与赛车悬架相连接，承载汽车主要重量的模块。立柱上有两个用来连接球头轴承的定位孔，这两个定位孔的连接线就是主销，是赛车上转向轮转向时的回转中心 。主销通常意义上有两个重要的角度，分为主销内倾角和主销外倾角。主销内倾角，是将主销（即转向轴线）的上端向内倾斜的角度。从汽车的前面看去，主销轴线