机动车盘式制动系统结构设计.doc

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1、/毕毕 业业 设设 计（说明书）计（说明书）届题 目汽车盘式制动系统结构设计专 业机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 14700 完成日期 2011 年 5 月 8 日 汽车盘式制动系统结构设计汽车盘式制动系统结构设计/摘摘 要：要：本设计主要根据汽车（针对一般轿车）盘式制动的特点，对制动系统结构进行进一步的研究和设计。首先通过查阅相关的文献资料，我了解了汽车盘式制动系统的工作原理。根据其工作原理，设计合适的零部件结构或选择已有的零部件，组成一个可循环实现的制动系统，从而提出能实现制动效果的若干可行方案，并且通过比较，选择出最佳的研究方案。本文主要实现盘式制动系统的整

2、体液压传动原理，分别对制动钳的设计，制动管路的分布方式，主油缸的设计进行详细的论述,并且通过计算和校核，验证是否能达到良好的制动效果和强度。关键词：关键词：液压传动；制动钳；制动管路；主油缸Automotive Braking System Design/Abstract: This design is mainly based on the car (to general characteristics of car) for disc brake system structure, further research and design. First, by consulting rele

3、vant literature material, I have understood car disc brake system principle of work. According to the working principle, this paper will design the right parts structure or choose existing components, form a circulating brake system, and then puts forward some braking effect can realize the feasible

4、 scheme, and through comparing, choose the best research plan. This paper mainly realizes disc brake system whole hydraulic transmission principle and detailed discussing the design of brake caliper, brake pipe distribution mode, the design of main oil cylinder and through calculation and checking,

5、whether can achieve good validation braking and. strength.Key words: hydraulic transmission; brake caliper; distribution mode; master cylinder.目录目录/第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 课题研究意义.1 1.3 研究课题的选择.2 1.4 现状及发展趋势.2 1.5 本章小结.3 第 2 章 总体方案的确定.4 2.1 设计内容.4 2.1.1 设计任务.4 2.1.2 设计要求.4 2.2 设计方案.5 2.2.1 制动钳的方案选择

6、.5 2.2.2 制动总泵的方案选择.6 2.2.3 制动管路的方案选择.7 第 3 章 盘式制动器主要部件的设计.9 3.1 制动盘的设计.9 3.1.1 制动盘的直径.9 3.1.2 制动盘的厚度.9 3.1.3 制动盘的材料.9 3.2 制动卡钳的设计.9 3.3 制动块的设计.9 3.4 制动钳活塞回位设计.10 第 4 章 制动系统的设计计算.12 4.1 制动系统的主要技术参数.12 4.2 制动系统的主要计算.12 4.2.1 同步附着系数的确定和制动力分配系数的计算.12 4.2.2 前后轴车轮制动器制动力的计算.12 4.2.3 前后轴制动器制动力矩的计算.14 4.3 制动

7、器因数.15 4.4 制动器液压驱动机构设计计算.15 4.4.1 制动轮缸直径的确定与工作容积的计算.15 4.4.2 制动主缸直径确定和工作容积的计算.16 第 5 章 校核.17 5.1 管路压力校核.17 5.2 制动踏板行程校核.17 5.3 制动踏板力校核.18 5.4 制动距离校核.18 5.5 摩擦衬片的磨损特性计算校核.18 5.6 回位弹簧刚度强度的校核.19 5.6.1 根据工作条件选择材料并确定许用应力.20 5.6.2 根据强度条件计算弹簧钢丝直径.20 5.6.3 根据刚度条件，计算弹簧圈数.20 5.6.4 验算.20 5.7 驱动轴的强度校核.21/5.7.1

8、轴的强度校核.21 5.7.2 花键连接强度计算.22 第 6 章 总结.23 参 考 文 献.24 致 谢.25 附录 图纸列表.26/第第 1 章章 绪论绪论1.1 课题背景课题背景制动器是汽车制动系统中真正使汽车停止下来的部件，现代汽车的制动装置一般有以下要求：1、以较短的距离实现制动；2、具有稳定的制动效果；3、制动装置具备足够的强度，且耐久性良好；4、检测方便，更换起来不复杂；因此制动系统的良好设计有利于提高汽车的整体性能。针对以上要求，一般汽车的制动系统多采用盘式制动器和鼓式制动器相结合，即汽车的前轮上装盘式制动器，后轮装上鼓式制动器，有些汽车四个车轮上都装有盘式制动器，可见盘式制

9、动器的普及相当的迅速。利用盘式制动器能提高汽车主动安全性，并且较好的解决了制动噪音污染、维修频繁、易受粉尘污染等鼓式制动器无法解决的问题1。根据不同的工作方式和使用目的，盘式制动系统又可以分气压式、液压式、和复合式2。目前的轿车一般都采用液压式制动器，一般只有装载质量在 8 千克以上的载货汽车和大客车 才使用气压式制动系统 。盘式制动器由液压控制， 制动力通过真空助力器把力放大，传递到主油缸处，主油缸产生的液压再传递到制动器上，最后实现制动。主要涉及到的零部件有制动盘、制动块、制动钳、 活塞等。为了降低制动盘工作时的温度，现在的制动盘都是有通风设计的，即径向叶片设计，并且在制动卡钳、制动总泵，

10、管路分布设计等方面不断更新，改善。总之， 作为一种新的制动部件，盘式制动器正越来越广泛地应用于轿车、客车、重型载货车上，因此具有广阔的市场前景。1.2 课题研究意义课题研究意义在间断制动状态下，盘式与鼓式制动器的制动能力相差不大。但盘式制动器在制动响应和制动控制方面的表现更好一些。但在连续制动过程中，两种制动器的差别很大。在长距离的坡路上驶下，盘式制动器在固定的制动压力下，完全不失去初始性能，汽车能全程保持一定的速度行驶。相反，装有鼓式制动器的汽车，为保持速度，须逐渐增加制动压力。持续制动后，在同等制动压力下，盘式制动器产生的制动力只是略有下降，而鼓式制动器的制动力下降非常大，这两种制性动器的

11、安全因数有着很大的差别。由于盘式制动器与鼓式制动器相比较有很大的优势，所以现在盘式制动器的应用非常普及3。与鼓式制动器相比，盘式制动器的优点具体如下：（1）稳定性好。制动块作用于制动盘的单位压力高，容易将沾附在制动块上的水挤出，车轮转动时产生的离心力能将沾水甩出，再加上制动块对制动盘的擦拭作用，制动器出水后只需经一两次制动即能恢复正常；而鼓式制动器就比较麻烦，需要经过十几余次制动才能恢复正常的制动效果。另外由于盘式制动器的制动力矩与其制动油缸的活塞推力及摩擦系数成线性关系，同时无自行增势作用，因此在制动过程中制动力矩增长较和缓，与鼓式制动器相比，能保证制动的稳定性。 （2）散热性好。因为摩擦衬

12、块的尺寸不大，其工作表面面积仅为制动盘表面面积的 15%左右，再加上制动盘采用通风设计，故散热性好。（3）盘式制动器的结构尺寸和质量比鼓式制动器的要小。 （4）盘式制动器的摩擦衬块比鼓式制动器的摩擦衬块在磨损后更易更换，结构也较简单，维修、保养也容易。 （5）制动盘与摩擦衬块间的间隙小，缩短了油缸活塞作用制动块的时间。 （6）易于构成多回路制动驱动系统，使系统具有较好的安全性，以保证汽车在任何车速下各车轮都能均匀一致地平稳安全地制动。 （7）制动块/上安装磨损报警装置，提示摩擦衬块磨损至极限，以便能及时地更换摩擦衬块，如图 1-1 所示，当摩擦衬块 3 磨损到极限时，警告片 2 就会和制动盘

13、4 摩擦到而发出巨响，提醒车主该更换制动块了。1警告片 2背板 3摩擦衬块 4制动盘图 11 盘式制动器的报警装置但是盘式制动器还是存在一些缺陷的，比如难于完全防止尘污和锈蚀，挤压制动片的作用力必须较大，制动片磨损快等，所以进一步研究并完善盘式制动是非常有必要的，研究这个项目，是为了了解汽车盘式制动器的结构，从中得到相关知识，掌握机械设计的过程和原理，并把自身所学应用到实际的设计中，也是一次对大学四年所学知识的回顾。1.3 研究课题的选择研究课题的选择汽车制动系统是汽车底盘上的一个重要系统,它是制约汽车运动的装置。而制动器又是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关健装置，是汽车上最重要的安全件。

14、汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大,人们对安全性、可靠性要求越来越高，为保证人身和车辆的安全,必须为汽车配备十分可靠的制动系统。所以对制动系统的研究和改进是当务之急。因此，我选择盘式制动器的结构设计作为研究对象，通过自己的研究体会设计的过程，同时增强对专业知识的掌握。1.4 现状及发展趋势现状及发展趋势21 世纪的盘式制动器的制动盘与以往有所不同，盘上 开了许多小孔， 不仅起到加 速通风散热和提高制动效率 的作用，而且也减轻了制动盘的质量4。制动盘上联接着制动钳，其构造又可分为定钳盘式和浮钳盘式。制动主油缸是将制动踏板的踩踏力转换为液压的装置，其种

15、类还包括利用一个活塞的单制动总泵和利用串联两个活塞串联的式制动主油缸。另外在制动盘制动块方面，许多汽车公司进行了设计和改进，比如SAB Wabco 公司设计的脉状通风设计盘5和 VOLVO 汽车公司设计的目测磨损指示器6。从理论上来说，用制动盘和卡钳作为制动器的重要部分已经有是很成熟的技术了，要想开发新型制动系统，就要在制造工艺和材料上下手7。由于交变应力及热应力的作用, 制动盘表面也容易产生表面疲劳磨损8，所以提高制动盘的硬度，才能获得了较好的效果。保时捷公司率先把陶瓷制动盘工艺引用到了实际产车中，而奥迪公司研发的新型陶瓷制动盘已成为奥迪部分车型的选配装置9。陶瓷制动盘,准确地说是用碳纤维材

16、料制造的制动盘。然后在其表面用热处理工艺渗入进去一些陶瓷分子，这一系列的工艺都是在高温下进行的，因此它的耐热性非常好，而其表面又渗有一层高科技陶瓷，所以表面的耐热程度也比普通金属制动盘更高，这样使用寿命也就更长了。配合钻孔、划线，让整套制动系统的性能更加优越。所以陶瓷材料会是将来制动盘的主打材/料10。再如电子制动系统如 ABS 的需求作用日益明显131415。原来 ABS 只用于高级轿车上，现在已经普及到中级轿车，今后几年，在国内也将成为普通轿车的标准配置。对传统汽车制动系统产品来说， “低端轿车高配置”将是现在市场需求的一种新特点。1.5 本章小结本章小结盘式制动器不仅重量轻，构造简单，调

17、整方便，更适应汽车在连续运转、高温、高负载的情况下对制动性能要求，而且降低了材料、能量的消耗，提高了汽车的操作性和舒适性，并且针对一些不足之处，正在努力改进，努力研发，以达到延长制动器使用寿命的功效。可以说未来几年盘式制动器将会越来越完善，在国内也将会得到快速的推广和应用14。结合上述对盘式制动系统的研究和分析，我需要做的工作是对盘式制动的结构进行完整的设计，从传递制动力开始直到完成制动作用，再到解除制动。主要研究的方案集中在制动钳的设计，主油缸的设计，管路的分布设计及部分零件的设计，如制动盘，制动块，活塞等。通过多种方案的探讨，确定一套最好的研究方案，根据其发展趋势试图设计出能使其提高制动效

18、能、防止生锈和粘污、减轻重量、简化结构、降低成本、实用性更强与寿命更长的结构。/第第 2 章章 总体方案的确定总体方案的确定2.1 设计设计内容内容2.1.1 设计任务设计任务本次设计的主要目标是进一步研究盘式制动系统的传动原理，并在此基础上得到相关的可行的改进方案，通过比较筛选，挑选最佳的方案进行研究，以获得最理想的制动效果。总体说来必须符合以下内容：1、实现循环的制动操作；2、制动效能稳定；3、设计的机构简单；4、符合实际。 主要的研究内容是整个盘式制动系统的传动原理，即借助零部件，机构等完成制动全过程的方法。制动器的设计，主油缸的设计，制动管路的分布方式。制动器的设计直接影响制动效果的发

19、挥，主油缸的设计也关乎制动性能，更涉及人们的生命安全，不同制动管路的分布起到不同的制动效果，我们需要设计出一种保护乘用人的生命安全的最佳的分布方式。盘式制动的工作原理1516（如图 2-1 所示）：制动盘 6 固定在轮毂轴承装置上，随着轮毂轴承一起转动；制动卡钳 4 固定在制动器的底板上；制动卡钳 4 上的两个制动块 5 分别装在制动盘6 的两侧。刹车时，将施加到制动踏板 1 的力通过真空助力器 2 传递给制动主油缸 3，在制动总泵 3 内产生液压，该液压通过制动液管再传递给各个车轮的制动分泵（即制动卡钳 4），通过挤压各个车轮分泵的活塞将制动块 4 压向制动盘 6，利用摩擦力获得制动力，当松

20、开制动踏板 1 后，制动主油缸 3 内的活塞在回位弹簧的作用下回复到原来的位置，油管和主油缸里的压力消失，制动块 5 和制动钳 4 也回位，摩擦力消失，制动解除。1-制动踏板 2-真空助力器 3-制动主油缸 4-制动钳 5-制动块 6-制动盘，7-制动鼓 8-制动衬片 9-制动蹄图 2-1 盘式制动系统结构工作原理图2.1.2 设计要求设计要求在设计过程中必须要求：1、设计尺寸必须符合实际；2、必须在保证乘车人员生命安全的条件下进行改善；3、运用恰当的方法进行设计。/2.2 设计方案设计方案设计方案的确定是依照已经存在的盘式制动形式，进行进一步的设计和材料的选用更新，以达到更好的制动效果。整个

21、盘式制动系统主要由制动主缸和制动器构成，制动器上又有活塞和制动片，通过它们和制动盘之间的相互作用来起到循环的制动和解除制动作用。2.2.1 制动钳的方案选择制动钳的方案选择制动钳存在于盘式制动器上，汽车在行驶过程中，制动盘随着车轮转动，制动钳是固定不动的，当制动时，制动钳夹住制动盘完成制动作用。按摩擦副中的固定摩擦元件的结构来分，盘式制动器分为钳盘式和全盘式两类。（1）钳盘式制动器的固定摩擦元件是两块带有摩擦衬块的制动块，制动块装在卡钳支架内，旋转的制动盘夹在两块制动块之间，制动盘是用螺栓固定在轮毂上。这种制动器结构简单，质量小，散热性好，借助制动盘的离心力作用可以将泥水污物等甩掉，维修也方便

22、。但因摩擦衬块的面积较小。制动时其单位压力很高，摩擦面的温度较高，因此，对摩擦材料的要求也较高。按制动钳的结构型式，钳盘式制动器可分为定钳式和浮钳式，他们有各自的优缺点。定钳式制动器（如图 22 所示）：这种制动器在制动钳体上有两个液压油缸，各装有一个或两个活塞，利用活塞直接挤压制动片，获得的力较均衡，使用可靠性较强。一般用在跑车和大型车辆上。不过这种制动器的结构尺寸较大也比较复杂，布置也较困难，需两组高精度的液压缸和活塞，成本较高，制动产生的热经制动钳体上的油路传给制动油液，易使其由于温度过高而产生气泡，影响制动效果，也容易使盘两侧刹车片磨损不一致。1回位弹簧 2制动钳体 3导向支撑销 4活

23、塞 5制动块 6-制动盘图 22 固定钳盘式制动器浮钳式制动器（如图 23 所示）：制动时在主油缸产生的油液压力通过油管传递到了制动钳处的轮缸处，推动里面的活塞，再使活塞推动该侧活动的制动块，制动块压向制动盘，而反作用力则推动制动钳体连同固定于其上的制动块压向制动盘的另一侧，直到两侧的制动块的受力均等为止，制动钳和导向销和卡钳支架连接在一起，可以在其上移动。这种制动器仅需在盘的一侧装油缸，结构简单，造价便宜，易于布置。一般轿车都选用这种结构。/图 23 浮动钳盘式制动器（2）全盘式制动器的固定摩擦元件和旋转元件均为圆盘形，制动时各盘的摩擦表面全部接触。这种制动器的散热性能极差，结构也复杂，现在

24、的轿车基本都不采用这种制动方式，可以说这种制动器已经被淘汰，其结构如图 24 所示。图 24 多片全盘式制动器通过比较，本设计确定浮钳盘式制动器为设计对象，通过设计进一步了解其内部结构。制动钳的布置可以在车轴之前或之后，制动钳位于轴前可避免轮胎向钳内甩溅泥水污物，位于轴后则可减小制动时轮毂轴承的径向合力。2.2.2 制动总泵的方案选择制动总泵的方案选择制动总泵也叫作制动主油缸，它是将制动踏板的踩踏力转换为液压的装置，其种类包括利用一个活塞的单制动总泵和利用串联两个活塞的串联式制动总泵。一般地，串联制动总泵将液压系统分成前轮与后轮，或右前轮与左后轮和左前轮与右后轮两个系统独立工作。现在的小轿车中

25、几乎都采用这样的配置。（1）单制动总泵（如图 2-5 所示）：现在已经几乎不被采用，因为如果液压系统中一个地方系统液泄漏，那么整个车轮的制动将会失效，因此在前轮与后轮的制动液管之间，分别设置一个安全缸，这样，即使其中一个发生泄漏，马上切断该系统的油路，另一套液压系统也能正常工作，那么制动总泵就能确保它的安全性。图 25 单制动总泵(2)串联式制动总泵：该主缸相当于两个单腔制动主缸串联在一起而构成。储油罐中的油流入主缸的前、后腔，在主缸前、后工作腔内产生的油压，分别经各自得出油阀和各自的管路传到15/前、后制动器的轮缸。主缸不制动时，前、后两工作腔内的活塞头部与活塞皮碗正好位于前、后腔内各自得旁

26、通孔和补偿孔之间。当踩下制动踏板时，先是制动踏板传动机构通过制动推杆推动后腔活塞前移，到皮碗掩盖住旁通孔后，此空间内油压升高。然后在液压和后腔弹簧力的作用下，推动前腔活塞前移，前腔压力也随之升高。接着当继续踩下制动踏板时，前、后腔的液压继续提高，最后使前、后制动器制动。这种类型的制动总泵通过两个活塞具备两套液压系统，即使一套液压系统发生故障，另一套系统也会正常工作，因而可以确保车辆的实现制动。撤出踏板力后，制动踏板机构、主缸前、后腔活塞和轮缸活塞在各自的回位弹簧作用下回位，管路中的制动液在压力作用下推开回油阀流回主缸，于是解除制动。若与前腔连接的制动管路损坏漏油时，则踩下制动踏板时，只有后腔中

27、能建立液压，前腔中无压力。此时在液压差作用下，前腔活塞迅速前移到活塞前端顶到主缸缸体上。此后，后缸工作腔中的液压方能升高到制动所需的值。若与后腔连接的制动管路损坏漏油时，则踩下制动踏板时，起先只有后缸活塞前移，而不能推动前缸活塞，因后缸工作腔中不能建立液压。但在后腔活塞直接顶触前缸活塞时，前缸活塞前移，使前缸工作腔建立必要的液压而制动。由此可见，采用这种主缸的双回路液压制动系，当制动系统中任一回路失效时，串联双腔制动主缸的另一腔仍能工作，只是所需踏板行程加大，导致汽车制动距离增长，制动力效能降低。通过比较，在确保乘车人员生命安全的前提下，本设计确定串联式制动总泵为设计对象。2.2.3 制动管路

28、的方案选择制动管路的方案选择制动液管的主要作用是将来自主油缸的液压传递给制动分泵。管路的分配方式有很多种。最常见的是前后轮制动管路各成独立的回路系统和前后轮制动管路呈对角连接的两个独立的回路系统。其余还有 HI 型、LL 型、HH 型。为了提高制动驱动机构的工作可靠性，保证行车安全，制动驱动机构至少应有两套独立的系统，即双回路系统，也就是说应将汽车的全部行车制动器的液压管路分成两个或更多个相互独立的回路，以便当一个回路发生故障失效时，其他回路仍能可靠地工作，实现制动效果。（1）前、后轮制动管路各成独立的回路系统，即一轴对一轴的分路型式，简称 II 型，如图 2-6（a）所示。这种管路布置方案在

29、各类汽车上均有采用，但在货车上用得最广泛。当后轮制动管路失效由前轮制动时，前轮制动抱死就会失去转弯制动能力。当前轮管路失效而仅由后轮制动时，制动效能将明显降低并小于正常情况下的一半。另外，由于后桥负荷小于前轴，则过大的踏板力会使后轮抱死而导致汽车甩尾。（2）前、后轮制动管路呈对角连接的两个独立的回路系统，即前轴的一侧车轮制动器与后桥的对侧车轮制动器同属于一个回路，称交叉型，简称 X 型，如图 2-6（b）所示。其特点是结构也很简单，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。（3） 左、右前轮制动器的半数轮缸与全部后轮制动器

30、轮缸构成一个独立的回路，即 HI 型。如图 2-6（c）所示。（4）两个独立的回路分别为两侧前轮制动器的半数轮缸和一个后轮制动器所组成，即 LL 型。如/图 2-6（d）所示。（5）两个独立的回路均由每个前、后制动器的半数缸所组成，即前、后半个轴对前、后半个轴的分路型式，即 HH 型。如图 2-6（e）所示。这种型式的双回路系统的制动效果最好。通过比较，HI,LL,HH 型的结构都较为复杂，所以本设计采用前、后轮制动管路呈对角连接的两个独立的回路系统为设计研究对象。（a） （b）（c） （d） （e）1-双腔制动主缸 2-双回路系统的一个分路 3-双回路系统的另一个分路图 2-6 双回路系统的

31、 5 种分路/第第 3 章章 盘式制动器主要部件的设计盘式制动器主要部件的设计3.1 制动盘的设计制动盘的设计3.1.1 制动盘的直径制动盘的直径制动盘的直径应尽量大些，这时制动盘的有效半径得以增大，就可以降低制动钳的夹紧力，降低摩擦衬块的单位压力和工作温度。但制动盘直径受到轮辋直径的限制。通常。制动盘直径为轮辋直径的 70%79%。本设计中选用汽车的轮胎规格为 205/55R16，可知轮辋的直径为1625.4=406.4mm，406.4(70%79%)=284.48mm321.056mm,根据参考文献17查得，在此范围内，制动盘的直径选取为 315mm。3.1.2 制动盘的厚度制动盘的厚度制

32、动盘的厚度直接影响着制动盘的质量和工作时的温升。为使质量不致太大，制动盘的厚度应取得尽量小，但也不能太小。为了达到良好的通风效果，具备优良的散热性能，本设计采用通风式的制动盘，即制动盘的内部是空心的并允许空气可以通过，由此可以获得优良的散热效果。制动盘的厚度宜在 20mm50mm，一般取 20mm30mm。本设计取其厚度为 28mm。3.1.3 制动盘的材料制动盘的材料根据参考文献18,考虑到灰铸铁强度高，耐热和耐磨性好，减振性，铸造性良好，能承受较大的载荷，所以制动盘的材料选取 HT250。3.2 制动卡钳的设计制动卡钳的设计制动钳体应有高的强度和刚度。所以本设计中制动钳的材料选取球墨铸铁 QT400-18。在第二章的制动钳设计