9吨军用汽车蹄鼓式制动器零件设计.docx
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9吨军用汽车蹄鼓式制动器零件设计
1前言1
2汽车制动系概论2
3制动器的设计要求4
4制动器工作原理及分类6
5鼓式制动器主要零部件的结构设计7
5.1.制动鼓7
5.2制动蹄8
5.3制动底板9
5.4制动蹄支承轴9
5.5凸轮轴10
5.6轮轴支座10
5.7支架-制动蹄支承轴10
5.8擦衬片11
5.9动器间隙自动调整装置13
6鼓式制动器主要零件的设计计算14
6.1制动系的主要参数14
6.2制动力与制动力分配系数14
6.2.1地面对每个车轮的反向作用力14
6.2.2制动力分配系数15
6.3制动器最大制动力矩16
6.4制动器因数与制动蹄因数17
6.5鼓式制动器的结构参数与摩擦系数17
6.5.1鼓式制动器的结构参数17
6.5.2摩擦片摩擦系数19
6.6制动蹄摩擦面的压力分布规律及径向变形规律20
6.7制动蹄片上的制动力矩21
6.8支承销式领—从蹄制动蹄的制动器因数24
6.9摩擦衬片的磨损特性计算25
6.10制动凸轮轴的计算27
6.11制动蹄支承销剪切应力计算28
6.12紧固摩擦片铆钉的剪切应力验算30
结束语31
参考文献32
致谢33
1前言
制动器是汽车制动系的主要部件，其功用是使汽车以适当的减速度行驶至直停车;在下坡时，使汽车保持稳定车速；使汽车可靠地停在原地或坡道上。
汽车制动系至少应有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装置。
前者用来保证前两项功能，后者用来保证第三项功能。
汽车制动性能主要由三方面面来评价：
制动效能、制动效能的恒定性、制动时汽车的方向稳定性。
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做缓速器。
目前广泛应用的仍为摩擦式制动器。
摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，可分为鼓式和盘式两大类。
前者的摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其工作面为圆柱面；后者的旋转元件则为圆盘状制动盘以端面为工作面。
鼓式制动器有内张型和外束型两种。
根据促动蹄促动装置的不同可分为轮缸式制动器、楔式制动器和凸轮制动器。
轮缸式制动器因采用液压式促动装置使其结构复杂，密封性能要求提高，增加了造成本。
凸轮式制动器结构简单，易加工，刚性好，并且质量轻，操纵力低，有良好的防污染和防潮能力，成本相对低廉，比较经济。
加上我国现有的基本国情，鼓式制动器仍具有很大的应用空间。
尤其是在大中型、需要较大制动力的车辆，使用鼓式制动器较能满足其要求。
2汽车制动系概论
汽车制动系是用于行驶中的汽车减速或停车，使下坡行驶的汽车的车速保持稳定以及使已停驶的汽车在原地驻留不动的机构。
汽车制动系直接影响着汽车行驶的安全性和停车的可靠性。
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，为了保证行车安全，停车可靠，汽车制动系的工作可靠性显得日益重要。
也只有制动性能良好，制动系工作可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。
汽车制动系至少应有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装置；重型汽车或经常在山区行驶的汽车要增设应急制动装置；牵引汽车还应有自动制动装置。
行车制动装置用于行驶中的汽车强制减速或停车，并使汽车在下短坡时保持适当的稳定车速。
其驱动机构采用双回路或多回路结构，以保证其工作可靠。
驻车制动装置用于使汽车可靠而无时间限制地停驻在一定位置甚至在斜坡上，它也有助于汽车在坡路上起步。
驻车制动装置应采用机械式驱动机构而不用液压或气压驱动，以免其产生故障。
应急制动装置用于当行车制动装置意外发生故障而失效时，则可利用其机械力源实现汽车制动。
应急制动装置不必是独立的制动系统，它可利用行车制动装
置或驻车制动装置的某些制动器件。
应急制动装置也不是每车必备的，因为普通的手力驻车制动器也可以起到应急制动的作用。
辅助制动装置用在山区行驶的汽车上，利用发动机排气制动或电涡流制动等辅助制动装置，可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持稳定车速，并减轻或解除行车制动器的负荷。
通常。
在总质量大于5t的客车上和总质量大于12t的载货汽车上装备这种辅助制动-减速装置。
自动制动装置用于当挂车与牵引汽车连接的制动管路渗漏或断开时，能使挂车自动制动。
任何一套制动装置均由制动器和制动驱动机构两部分组成。
制动器由鼓式与盘式之分。
行车制动是用脚踩下制动踏板操纵车轮制动器来制动全部车轮；而驻车制动则多采用手制动杆操纵，且利用专设的中央制动器或利用车轮制动器进行制动。
利用车轮制动器时，绝大部分驻车制动器用来制动两个后轮，有些前轮驱动的车辆装有前轮驻车制动器。
中央制动器位于变速器之后的传动系中，用于制动变速器的第二轴或传动轴。
行车制动和驻车制动这两套制动装置，必须具有独立的制动驱动机构，而且每车必备。
行车制动装置的驱动机构液压和气压两种型式。
用液压传递操纵力时还应有制动主缸，制动轮缸以及管路；用气压操纵时还应有空气压缩机，气路管道，储气筒，控制阀和制动气室等。
蹄鼓式制动器不工作时制动鼓的内圆面与制动蹄摩擦片的外圆之间保持有一定的间隙，使车轮和制动鼓可以自由旋转。
制动底板通过螺栓与半轴套管连接，制动鼓则通过螺栓与轮毂相连。
当汽车制动时，驾驶员踩下制动踏板经传动装置带动凸轮轴旋转；凸轮轴旋转推动制动蹄绕其支承转动，制动蹄上端向两边分开而使其摩擦片紧压在制动鼓的内表面上。
这样，不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用一个摩擦力矩Mμ,其方向与车轮旋转方向相反。
制动鼓将该力矩传到车轮后，由于车轮与地面间的附着作用，车轮对地面作用一个向前的周缘力Fμ，同时地面也对车轮作用一个向后的反作用力，即制动力FB。
制动力由车轮经车桥和悬架传给车架及车身使整个汽车产生一定的减速度。
当驾驶员放开制动踏板时，复位弹簧将制动蹄拉回复位，摩擦力矩Mμ和制动力FB消失，制动作用即行终止。
3制动器的设计要求
汽车制动器在设计过程中应满足如下要求。
（1）应能适应有关标准和法规的规定。
各项性能指标除应满足设计任务书的规定和国家标准，法规制定的
有关要求外，也应考虑销售对象所在国家和地区的法规和用户要求。
（2）具有足够的制动效能，包括行车制动效能和驻车制动效能。
行车制动效能是由在一定的制动初速度下及最大踏板力下的制动减速度和制动距离两项指标来评定的。
（3）工作可靠。
为此，汽车至少应有行车制动和驻车制动两套制动装置，且它们的制动驱动机构时各自独立的，而行车制动装置的制动驱动机构至少应有两套独立的管路，当其中一套失效时，另一套应保证汽车制动效能不低于正常值的30%；驻车制动装置应采用工作可靠的机械式制动驱动机构。
（4）制动效能的热稳定性好。
汽车的高速制动、短时间的频繁重复制动，尤其是下长坡时的连续制动，均会引起制动器的温升过快，温度过高。
特别是下长坡时的频繁制动，可使制动器摩擦副的温度达300℃～400℃，有时甚至高达700℃。
此时，制动摩擦副的摩擦系数会急剧减小，使制动效能迅速下降而发生所谓的热衰退现象。
制动器发生热衰退后，经过散热、降温和一定次数的和缓使用，使摩擦表面得到磨合，其制动效能可重新恢复，这称为热恢复。
提高摩擦材料的高温摩擦稳定性，增大制动鼓、盘的热容量，改善其散热性或采用强制冷却装置，都是提高抗热衰退的措施。
（5）制动效能的水稳定性好。
制动器摩擦表面浸水后，会因水的润滑作用而使摩擦副的摩擦系数急剧减小而发生所谓的“水衰退”现象。
一般规定在出水后反复制动5～15次，即应恢复其制动效能。
良好的摩擦材料的吸水率低，其摩擦性能恢复迅速。
另外也应防止泥沙、污物等进入制动器摩擦副工作表面，否则会使制动效能降低并加速磨损。
某些越野汽车为了防止水和泥沙进入而采用封闭制动器的措施。
（6）制动时的汽车操纵稳定性好。
即以任何速度制动，汽车均不应失去操纵性和方向稳定性。
为此，汽车前、后轮制动器的制动力矩应相同。
否则当前轮抱死而侧滑时，将失去操纵性；当后轮抱死而侧滑甩尾时，会失去方向稳定性；当左、右轮的制动力矩差值超过15%时，会在制动时发生汽车跑偏。
（7）制动踏板和手柄的位置和行程符合人-机工程学要求，即操作方便性好，操纵轻便、舒适，能减少疲劳。
踏板行程：
对轿车应不大于150㎜；对货车应不大于170㎜，其中考虑了摩擦衬片或衬块的容许磨损量。
制动手柄行程应不大于160㎜～200㎜。
各国法规规定，制动的最大踏板力一般为500N（轿车）～700N（货车）。
设计时，紧急制动（约占制动总次数的5%～10%）踏板力的选取范围：
轿车为200N～300N；货车为350N～550N，采用伺服制动或动力制动装置时取其小值。
应急制动时的手柄拉力以不大于400N～500N为宜；驻车制动的手柄拉力应不大于500N（轿车）～700N（货车）。
（8）作用滞后的时间要尽可能短，包括从制动踏板开始动作至达到给定制动效能水平所需的时间（制动滞后时间）和从放开踏板至完全解除制动的时间（解除制动滞后时间）。
（9）制动时不应产生振动和噪声。
（10）与悬架、转向装置不产生运动干涉，在车轮跳动或汽车转向时不会引起自行制动。
（11）制动系中应有音响或光信号等警报装置，以便能及时发现制动驱动机件的故障和功能失效；制动系中也应有必要的安全装置，例如一旦主、挂车之间的连接制动管路损坏，应有防止压缩空气继续漏失的装置；在行驶的过程中挂车一旦脱挂，亦应有安全装置驱使驻车制动将其停驻。
（12）能全天候使用。
气温高时液压制动管路不应有气阻现象；气温低时，气制动管路不应出现结冰现象。
（13）制动系的机件应使用寿命长，制造成本低；对摩擦材料的选择也应考虑到环保要求，应力求减小制动时飞散到大气中的有害于人体的石棉纤维。
4制动器工作原理及分类
制动系统的一般工作原理是，利用与车身（或车架）相连的非旋转元件和与车轮（或传动轴）相连的旋转元件之间的相互摩擦来阻止车轮的转动或转动的趋势。
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做缓速器。
目前广泛应用的仍为摩擦式制动器。
5鼓式制动器主要零部件的结构设计
9吨军用汽车蹄鼓式制动器的总体设计所确定的制动器类型为领从蹄式凸轮制动器。
该制动器主要有制动鼓、制动蹄、制动底板、制动蹄支承轴、凸轮轴、摩擦衬片、凸轮轴支座等零件组成。
5.1.制动鼓
制动鼓应具有非常好的刚性和大的热容量，制动时其温升不应超过极限值。
制动鼓的材料应与摩擦衬片的材料相匹配，以保证具有高的摩擦系数并使工作表面磨损均匀。
中型、重型载货汽车和中型、大型客车多采用灰铸铁HT200或合金铸铁制造的抽去鼓；轻型货车和一些轿车则采用由钢板冲压成形的辐板与铸铁鼓筒部分铸成一体的组合式制动鼓；带有灰铸铁内鼓筒的铸铝合金制动鼓本体也是铸到一起的，这种内镶一层珠光体组织的灰铸铁作为工作表面，其耐磨性和散热性都很好，而且减小了质量。
在工作载荷作用下制动鼓会变形，导致蹄与鼓间的单位压力不均匀，且会损失少许踏板行程。
鼓筒变形后的不圆柱度过大时也易引起制动器的自锁或踏板振动。
为防止这些现象发生，应提高制动鼓的刚度。
为此，沿鼓口的外缘铸有整圈的加强肋条，也常加铸一些轴向肋条以提高其散热性能。
也有在钢板冲压的制动鼓内侧离心浇铸上合金铸铁内鼓筒，组合构成制动鼓。
制动鼓相对于轮毂的对中如图3.1所示，是以直径为dc的圆柱表面的配合来定位，并在两者装配紧固后精加工制动鼓内工作表面，以保证两者的轴线重合。
两者装配后还要进行动平衡。
其许用不平衡度对贷车为30N·cm~40N·cm。
制动鼓壁厚的选取主要是从其刚度方面考虑。
壁厚取大些也有利于增大其热容量，但试验表明，壁厚由11mm增至20mm时，摩擦表面的平均最高温度变化并不大。
一般铸造制动鼓的壁厚：
轿车为7mm~12mm；中、重型载货汽车为13mm~18mm。
制动鼓在闭口一侧外缘可开小孔，用于检查制动器间隙。
鼓式制动器主要零件的设计计算
6.1制动系的主要参数
汽车轴距L=4050mm
重力加速度g=9.81m/s2
制动初速v=30m/s
制动距离s=8m
空载时汽车总质量ma´=4100kg
满载时汽车总质量ma=9310kg
空载时前轴负荷m1´=1950kg
空载时后轴负荷m2´=2150kg
满载时前轴负荷m1=2450kg
满载时后轴负荷m2=6860kg
质心距地面高度hg=1253mm
车宽B=2476mm
车轮有效半径r=487mm
轮胎与地面间的附着系数
=0.8（干路面，新轮胎）
6.2制动力与制动力分配系数
6.2.1地面对每个车轮的反向作用力
根据制动力
（6.1）
式中：
－轮胎与地面间的附着系数；
－地面对车轮的法向反力；
根据式3.1可计算各轴的制动力。
汽车空载时：
F
´=F
´=m
´g
=1950×9.81×0.8
=15303.6N
F
´=F
´=m
´g
=2150×9.81×0.8
=16873.2N
汽车满载时：
F
=F
=m
g
=2450×9.81×0.8
=19227.6N
F
=F
=m
´g
=6860×9.81×0.8
=53837.28N
6.12紧固摩擦片铆钉的剪切应力验算
已知：
铆钉的数目ｎ＝8；
铆钉的直径ｄ＝8.5ｍｍ
当汽车满载时后轮的制动力矩最大，若此时铆钉的强度满足要求，则前后轮制动器的铆钉均满足要求。
=25433.53N
m
许用剪切应力
＝129MPa
=
＝
满足强度要求。
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结束语
至此，9吨军用汽车蹄鼓式制动器零件设计完毕，各零件的选材、强度、制造工艺均满足该车型的制动要求。
通过一学期的设计工作，我对汽车制动器有了全面的认识，深入了解了各零件的用途及加工方法。
在设计过程中我们采用理论与实物相结合的设计方法，计算的同时对实物模型进行测绘，这样既提高了我们的工作效率有保证了设计的准确性。
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