论文鼓式制动器冷却系统设计.docx

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论文鼓式制动器冷却系统设计

诚信申明

本人声明：

我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。

与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：

年月日

鼓式制动器冷却系统设计

摘要

为解决装备鼓式制动器的汽车制动性能热衰退而引起的制动失效，本文设计了制动系抗热衰退自控冷却装置。

本设计是通过感应器接收制动踏板动作信号，进而使自动控制空调系统工作，制冷气体流经制动器散热器，吸收制动器的热量，从而对制动器起到制冷作用。

本文首先从制动性能热衰退机理出发，分析了制动器生热和散热过程的换热平衡问题，得出导致制动性能热衰退因素，对生热和散热进行了计算，对试验起到了指导作用。

针对主要影响因素进行了试验设计，在试验的基础上，着重对电路系统的设计及电动机的选择，风冷片的设计和自动化控制的设计。

为了提高驾驶的安全性，进行了自动控制设计。

制冷气体由半导体制冷片产生，电流由蓄电池提供，鼓风设备由电动机充当。

本课题还进行了系统设计，主要包括：

冷却控制系统整体设计、硬件设计及选型、电路设计。

试验表明：

该冷却装置可有效地对制动鼓进行及时、迅速地冷却，可防止因制动前车速高或车辆超载引起的制动性能热衰退，并且该冷却装置安装方便灵活、自动化程度高和成本小等优点。

将该冷却装置推广运用，将会获得一定的经济、社会效益。

关键词：

鼓式制动器冷却系统

Drumbrakecoolingsystemdesign

Abstract

Toaddressequipment,drumbrakes,brakethermalperformancebrakefailurecausedtherecession,thepaperdesignofthebrakingsystemcontrolledcoolingheatrecession.Thisdesignisreceivedbythebrakepedalmovementsensorsignal,therebyenablingautomaticcontrolairconditioningsystemwork,placedinthebrakecoolinggasintothepositionoftheradiator,theheatabsorptionofthebrake,andthusplayabrakecooling.

Thisarticlefirstrecessionmechanismofheatfromthebrakingperformance,analyzesthebrakeheatandcoolingprocess,heatbalance,heatfadebrakingperformanceresultobtainedfactors,heatandcoolingiscalculated,thetesthasplayedaguidingrole.Themajorinfluencingfactorsforexperimentaldesign,basedonthetest,focusingoncircuitdesignandmotorselection,air-cooledchipdesignanddesignautomation.Inordertoimprovedrivingsafety,fortheautomaticcontroldesign.Refrigerantgasesgeneratedbythesemiconductorchipcooling,thecurrentprovidedbythebattery,theelectricmotoractsasblastequipment.Theprojectalsocarriedoutsystemdesign,including:

theoverallcoolingcontrolsystemdesign,hardwaredesignandselection,circuitdesign.

Resultsshowthat:

thecoolingdevicecanbeeffectivelycarriedoutintimeforbrakedrumsandquicklycoolingtopreventhighspeedbybrakingorvehiclepriortobrakingperformancethermaloverloadcausedrecession,andeasyinstallationofthecoolingdeviceflexibility,highdegreeofautomationandthecostissmall.Promotetheuseofthecoolingdevice,itwillbesomeeconomicandsocialbenefits.

Keywords:

drumbrakecoolingsystem

前言

鼓式制动器是一种常见的制动器形式。

它造价便宜，而且符合传统设计，在部分轿车和大部分货车中得到广泛应用。

其制动是靠制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。

制动块的制动效能和散热性都要差许多，鼓式制动器的制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控。

而由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。

制动块和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。

在本课题中，通过针对鼓式制动器热衰退而设计的冷却系统，有助制动器摆脱热衰退造成的不良影响。

第一章课题背景

第1.1节鼓式制动器介绍

鼓式制动也叫块式制动，是靠制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。

鼓式制

动是早期设计的制动系统，其刹车鼓的设计1902年就已经使用在马车上了，直到1920年左右才开始在汽车工业广泛应用。

现在鼓式制动器的主流是内张式，它的制动块（刹车蹄）位于制动轮内侧，在刹车的时候制动块向外张开，摩擦制动轮的内侧，达到刹车的目的。

相对于盘式制动器来说，鼓式制动器的制动效能和散热性都要差许多，鼓式制动器的制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控。

而由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。

制动块和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。

另外，鼓式制动器在使用一段时间后，要定期调校刹车蹄的空隙，甚至要把整个刹车鼓拆出清理累积在内的刹车粉。

当然，鼓式制动器也并非一无是处，它造价便宜，而且符合传统设计。

四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%-80%，前轮制动力要比后轮大，后轮起辅助制动作用鼓式制动器，因此轿车生产厂家为了节省成本，就采用前盘后鼓的制动方式。

不过对于重型车来说，由于车速一般不是很高，刹车蹄的耐用程度也比盘式制动器高，因此许多重型车至今仍使用四轮鼓式的设计。

鼓式制动器的旋转元件是制动鼓，固定元件是制动蹄，制动时制动蹄在促动装置作用下向外旋转，外表面的摩擦片压靠到制动鼓的内圆柱面上，对鼓产生制动摩擦力矩。

凡对蹄端加力使蹄转动的装置统称为制动蹄促动装置，制动蹄促动装置有轮缸、凸轮和楔。

以液压制动轮缸作为制动蹄促动装置的制动器称为轮缸式制动器；以凸轮作为促动装置的制动器称为凸轮式制动器；用楔作为促动装置的制动器称为楔式制动器。

在轿车制动鼓上，一般只有一个轮缸，在制动时轮缸受到来自总泵液力后，轮缸两端活塞会同时顶向左右制动蹄的蹄端，作用力相等。

但由于车轮是旋转的，制动鼓作用于制动蹄的压力左右不对称，造成自行增力或自行减力的作用。

因此，业内将自行增力的一侧制动蹄称为领蹄，自行鼓式制动器减力的一侧制动蹄称为从蹄，领蹄的摩擦力矩是从蹄的2～2.5倍，两制动蹄摩擦衬片的磨损程度也就不一样。

为了保持良好的制动效率，制动蹄与制动鼓之间要有一个最佳间隙值。

随着摩擦衬片磨损，制动蹄与制动鼓之间的间隙增大，需要有一个调整间隙的机构。

过去的鼓式制动器间隙需要人工调整，用塞尺调整间隙。

现在轿车鼓式制动器都是采用自动调整方式，摩擦衬片磨损后会自动调整与制动鼓间隙。

当间隙增大时，制动蹄推出量超过一定范围时，调整间隙机构会将调整杆（棘爪）拉到与调整齿下一个齿接合的位置，从而增加连杆的长度，使制动蹄位置位移，恢复正常间隙。

　　轿车鼓式制动器一般用于后轮（前轮用盘式制动器）。

鼓式制动器除了成本比较低之外，还有一个好处，就是便于与驻车（停车）制动组合在一起，凡是后轮为鼓式制动器的轿车，其驻车制动器也组合在后轮制动器上。

这是一个机械系统，它完全与车上制动液压系统是分离的：

利用手操纵杆或驻车踏板（美式车）拉紧钢拉索，操纵鼓式制动器的杠件扩展制动蹄，起到停车制动作用，使得汽车不会溜动；松开钢拉索，回位弹簧使制动蹄恢复原位，制动力消失。

图1.1鼓式制动器的位置

图1.2鼓式制动器的各个元件

当踏下制动踏板1时，通过推杆2推动主缸活塞3后移。

主缸4将产生高压油液经油管5流入轮缸6中，推动两活塞7外移而使两制动蹄饶各自的支承销转动。

制动蹄上的摩擦片9压紧在制动毂的内圆柱面上。

这时不转动的制动蹄对旋转的制动毂作用一个与转动方向相反的摩擦力矩（也叫制动力矩）Mu由于制动力矩Mu的作用，使车轮对地面作用着一个向后的圆周推力Fu，同时地面也对车轮作用着一个向后的反作用推力Fb，这个反作用推力Fb是使汽车制动的外力，称为制动力。

制动力经车轮、车桥、悬架传给车架、车身，迫使汽车减速。

制动力越大时，汽车的减速度也越大。

但是，与汽车牵引力类似，汽车制动力的大小不仅取决于制动力矩Mu大小，还受轮胎与地面附着条件限制。

在制动系不工作时，回位弹簧13使制动毂8的圆柱面与制动蹄之间留有一定大小的间隙，车轮及制动毂可以自由转动（图3）。

图1.3鼓式制动器制动原理

第1.2节鼓式制动器热衰退概述

“热衰退"指的是当制动初速度大、压力增大、制动频繁导致摩擦副温度升高时，摩擦因数降低的一种现象。

摩擦因数的稳定性直接影响制动器工作的稳定性和驾车的安全性，其中，热稳定性是一项重要的指标，它是指制动衬片在制动过程中所表现出的摩擦因数随温度而变化的特性，主要反映在制动性能的热衰退上。

随着我国汽车交通运输事业的蓬勃发展，汽车保有量大幅度增长，目前的道路交通事故发生趋势上升。

我国又是个多山的国家，约75％的国土面积为山区或丘陵地形，据2001年统计资料，全国公路总里程为169．8万公里，其中高速公路只有19437公里，二级以上公路仅占总里程的13．4％，低等级公路和等外公路占绝大部分（交通部主页，2002）。

这些低等级公路多分布于山区．车辆在这些道路上行驶，特别是重型货车在山区坡道行驶时，需要频繁使用制动器，甚至需要长时间拖刹持续制动．致使制动器温度上升很快，制动性能热衰退现象突出，严重时会使制动能力完全丧失，以至酿成严重的交通事故，给国家和人民带来巨大的损失。

调查发现，由于机械故障导致的制动失效所占比例极小，而制动性能热衰退引起的事故占绝大部分，且肇事车辆多为大中型装配鼓式制动器的车辆。

山区道路坡大弯急，汽车行驶过程中需要频繁制动，制动器工作时间较长，制动蹄片和制动毂容易发热，导致摩擦片的摩擦系数急剧下降，致使汽车制动效能衰退，严重影响制动的可靠性。

为了保持行车安全，提高汽车运输效率，需要对制动器进行降温处理，减少热负荷。

汽车山区行车制动存在的问题及汽车制动的基本结构原理汽车在山区行驶制动存在的问题制动器工作时，摩擦所产生的热绝大部分传给了制动毂，使其温度升高，制动毂升温后将膨胀而使制动间隙增大。

为了减少温升，应当使制动毂有较大的热容量，因此制动毂应具有足够大的质量，有些汽车的制动毂外表面还铸出若干肋片，以增加散热面积和刚度。

摩擦片的导热性很差，通过它传到制动蹄的热量很少，而且难以向大气散热。

因此，摩擦片工作表面的温升也会很严重。

摩擦片温升过高将导致摩擦系数大幅度下降而严重影响制动效能（这种现象称为制动器的热衰退），以及耐腐蚀变坏而缩短使用寿命，情况严重时还可能烧毁。

摩擦材料属于复合材料，其性能直接受其组分的性能、含量、配比、几何尺寸等因素影响，特别是增强纤维、黏结剂等主要成分与摩擦材料的性能关系最为密切。

当前，我国商用载重汽车制动器衬片仍大量使用石棉制品。

它是以增强材料（石棉、玻璃纤维和复合纤维等）、黏结材料（树脂等）、填料（石墨、硫酸钡、泡石、铜粉、铁粉、铝粉和橡胶粉等），经混合粉碎、模压成型、后处理等一系列生产工艺加工而成。

“热衰退”一般是指制动器衬片组成材料中的黏结材料在高温状态下炭化，而造成的摩擦系数下降。

制动器衬片适宜的工作温度为100℃-350℃，但一些劣质的制动器衬片，在频繁使用摩擦产生的温度超过270℃时，其摩擦系数就会急剧下降，导致制动失灵。

现在欧美等发达国家已用无石棉低金属衬片取代石棉制品。

无石棉低金属衬片，通过采用多种纤维混合体系，使用多孔性颗粒性填料及无机黏结剂等原料，减少树脂和金属含量，热稳定性好，耐磨性优越，导热性好，克服了石棉摩擦材料表现的“热衰退’，克服摩擦表面易开裂等缺点，达到减轻“热衰退”，稳定摩擦系数的目的。

目前，我国在乘用车领域已经基本不使用石棉刹车片，但在重型车中还占据相当比例。

近年来，我国针对石棉刹车片的研究力度不断加大，引进国外先进技术，开发无石棉低金属刹车片，积极采用国际标准和国外先进标准，提高我国摩擦材料技术水平。

随着半金属、少金属配方的不断成熟和技术进步，我国的重型车刹车片也在逐渐被无石棉刹车片取代。

鼓式制动器连续工作会造成制动性能热衰退和制动鼓烧蚀，表现为：

1、制动鼓升温快，热应力高，制动鼓强度下降，刹车时容易破裂；接触表面温度分布不均匀，应力增加，易磨损；

2、制动鼓不能及时被冷却，联接部件温度升高，联接螺栓易失效；

3、制动期间摩擦材料表层的温度变化对摩擦因数有很大的影响，摩擦片温度过高，石棉材料（粘合剂）热分解，摩擦因数降低，并且刹车时摩擦片易碎裂，致使制动性能热衰退；

第1.3节制动器冷却系统的现状

针对制动负荷大的问题，人们设计了排气制动辅助装置，在一定程度上缓解了制动热负荷的问题，但该系统相对复杂，价格较高，使用范围受一定的限制，对一些低价位的货车加装该系统显然是不经济的。

目前，一些载货汽车进行了制动器淋水冷却，虽然具有一定的效果，但由于淋水时机难以掌握，经常产生制动毂变形开裂，导致车辆不能正常制动和行驶。

制动器冷却系统的研究兴于上世纪80年代。

传统的冷却系统主要存在自动化程度低和冷却效果难以控制的缺点。

传统冷却方式主要有两种：

风冷和水冷。

风冷形式主要为强制风冷式，是在现有制动器结构的基础上，在制动鼓的外壁上均布径向展开的翅片：

但是冷却效果差，主要应用于小型车。

水冷方式有开式和闭式。

开式冷却：

由人员进行控制，如果制动时未及时冷却制动鼓，会引起制动鼓淬火，冷却液流到路面会潮湿路面。

闭式冷却：

冷却水在系统中强制循环，如机动车制动鼓冷却器，制造复杂，要求精度高，成本高，适用于小型车。

为防止制动性能热衰退，主要有以下四种方案：

（1）改进制动器结构和摩擦材料

制动器热容量和抗热衰退性能的好坏是影响其使用寿命的重要因素。

制动器以摩擦的方式将汽车的动能转化为热能，热量则由制动器吸收并散失。

但若其热容量小，抗热衰退性能差，会使其温度升高，不仅摩擦力矩显著下降，制动效能明显降低，而且会把车辆的轮毂轴承润滑脂烤化，制动鼓退火变色，车轮内胎爆破等。

提高制动器的热容量和散热性，可改善其制动性能。

采取的改进方案为：

制动器制动蹄衬片加宽，制动鼓直径加大，制动摩擦力增长快，吸收能量多，制动效能提高；制动鼓凸缘有散热降温作用，可以适当地增加壁厚。

摩擦材料的热分解温度是影响制动器使用寿命的重要因素。

不同组分的摩擦材料都有其对应的热分解温度。

热分解温度愈高，摩擦副的热稳定性愈好志刚。

（2）气压

气压淋水冷却系统主要借助贮气筒内的高压空气压迫高位水箱内的水，通过电磁阀来控制喷水，淋水箱顶部装有调压阀和气压阀。

根据调压阀设定的气压，压缩空气从淋水箱的顶部给水加压，驾驶员通过踩下刹车踏板或者控制驾驶室内的开关来控制淋水，喷淋制动鼓外沿，以降低制动器的温度，保证汽车有足够的制动效能。

采用延时控制喷水，该装置较简单，易改装，这是目前解决制动性能热衰退常用的方法。

但是，该装置也存在一定的问题：

水箱内无水时不易发现，无水后贮气筒内的压缩空气通过水箱由淋水管直接泄漏到大气中，而贮气筒内的气压不能正常上升，致使贮气筒内气压不足，造成制动系统供给气压不足，导致车辆制动效能下降甚至失效，出现严重的交通事故。

（3）压缩风冷却

强制风冷式车轮制动器冷却系统。

它是在现有的制动器基础上，在制动鼓的外壁上均布径向展开的翅片，制动器底板上装有环形喷气嘴，环形喷气嘴正对着制动鼓上的外壁及翅片，环形喷气嘴通过风管连接压风装置，压风装置与汽车变速器上的取力器驱动连接。

一方面通过展开的翅片向周围环境散发热量；另一方面用压风装置强制向制动器吹风冷却。

该装置结构简单，易安装及制造，可避免喷淋冷却所致的管道阻塞的问题，在小型车方面得到很大应用。

但是该装置存在的问题是：

汽车在行驶过程中，一直驱动空气压缩机，造成不必要的发动机功率损失。

由于在刹车时制动鼓才会产生大量的热，而此时，传动轴的转速会下降，导致驱风时断时续，冷却效果受到影响，并且空气的散热能力有限。

（4）直流电动水泵淋水装置

汽车制动系统的直流电动水泵淋水装置，其特征是将冷却水箱装的水经过水箱出水口接的管道至过滤器，再由直流电动水泵对过滤后的水产生衡压扬程。

由球阀组控制压力水的流向，分别按驾驶员的意愿输送到需冷却部位，降低它们的温度。

当冷却水箱内的水位低于警戒水位时报警器就会发出音响报警，提醒驾驶员及时加水，确保行车安全。

此装置存在自动化程度低和淋水量不能调节的缺陷。

第二章鼓式制动器强制风冷却系统设计概述

第2.1节课题的提出及意义

虽然鼓式制动器在工作时会产生大量的热，石棉和无石棉的摩擦片其抗热衰退能力差，但是因其能提供较大的制动力矩，所以目前仍然具有很大的应用空间。

大中型客货车需要较大制动力，目前必须使用鼓式制动器才能满足要求。

但是摩擦片温度升高后，会导致摩擦片与制动鼓之间的摩擦因数降低，致使制动器的制动力矩下降，引起制动失效。

针对与此，要有效防止制动性能热衰退，降低交通事故率，一方面要从制动器的结构和摩擦材料改进上着手，改善其抗热衰退的性能；另一方面，通过降低摩擦片的工作温度以改善其抗热衰退的性能。

降低摩擦片的温度是防止制动性能热衰退简单而有效的方法。

装备鼓式制动器的汽车，一旦出现制动性能热衰退，将给驾驶员、乘客以及国家带来人身财产的巨大损失。

截止到2002年底，在八达岭高速公路返京线有100多辆货车因超载引起制动失效冲进紧急避险车道。

在186起事故中，因制动失效造成的事故167起，占89．8％（袁泉，2003）。

另312国道陕西省蓝小公路路段全长48km，为典型的山区公路，沿线地势险要，坡大沟深，从1999年到2001年，共发生交通事故560起，死亡81人，伤363人，直接经济损失881．384万元（袁伟，2003）。

以上调查显示，事故主要是由制动性能热衰退引起的，因此有效防止制动性能热衰退，对社会来说是有一定价值和意义的。

本课题中将通过对鼓式制动器的结构及热衰退原理进行分析，并结合前人对制动系冷却设计的结晶，设计了自动控制强制风冷却系统。

本冷却系统通过感应制动踏板工况，控制半导体制冷片产生制冷效应，并通过驱动鼓风电动机产生制冷气流，气流流经加装在制动鼓外壁的风冷翅片，产生制冷效应。

根据制动器温度的不同，通过传感技术及电路设计，控制半导体制冷片及变频电机的功率，从而对制冷量进行调控。

第2.2节研究的内容及技术要求

本课题用小型空调为系统提供冷却气体，冷却量的调节是通过半导体制冷片电流量及电动机转速来实现。

空调系统工作是由制动踏板制动信号自动控制的。

（1）系统总体方案的确定；

（2）电路铺设；

（3）电动机的选型；

（4）自动控制设计

（5）保养与维修检测

对汽车鼓式制动器智能冷却系统的要求有以下几个要求：

（1）工作稳定可靠，可适时适量冷却调节，使用寿命长：

（2）保证冷却系统冷却效果的同时，不影响制动鼓材料的应力分布；

（3）系统的抗干扰能力强；

第2.3节系统具体技术路线及实现的功能

图2.1冷却系统原理图

鼓风电机带动风扇，产生气流，气流经过通电后的半导体制冷片，温度下降，最后流经鼓式制动器制动鼓风冷翅片，产生冷却效果。

第2.4节空气冷却的优缺点

在本冷却系统中，冷却方式采用强制风冷却。

风冷却是指利用流动冷空气对热源进行冷却。

被冷却的空气流经待冷却的部件外围的风冷翅片，可以很大程度地带走热量，起到冷却作用。

空气冷却的优点有以下几条：

1.不需要水直接用作冷却介质，因此用在水上的费用高，如生水、补充水及水处理用化学药品的费用都没有。

冷却器的设置以工厂本身均毋需靠近水源（如河流或湖泊），故水源的热损失和化学污染得以预防。

维护费用也减少，因为不在需要频繁清洗冷却器水侧的水垢、微生物结垢及沉积物等所花费的费用。

且还去掉了相应的管线，安装也更加简单；

2.可以连续操作，即使在动力失效时也可以通过自然风在降低了换热能力的条件下来运转；

3.空气冷却不会对制动器造成损坏，没有应力。

空气冷却也有其缺点，这些缺点应该在设计中尽量减小或避免。

1.与水相比，空气的热导率和比热要低的多，故使空冷器的初始费用要比水冷器多得多；

2.空气的比热很低，需要有大量的空气强制流经风冷翅片。

这可以通过使用大直径高速旋转的叶片来完成，但会产生很大的躁声。

第三章冷却系统的设计原理及整体方案

第3.1节制动性能热衰退机理分析

制动器工作时，摩擦副间产生大量的热且热量来不及散失，摩擦副表面温度急剧升高，当摩擦片温度升高到一定值时其表面材料开始热分解和烧蚀，致使其摩擦因数发生变化。

另外，由于不同刹车片的制造工艺方法不同，其摩擦因数也不同；但对同一块刹车片来说，摩擦因数主要是随温度的变化而变化。

以石棉摩擦材料为实验研究对象，导致热衰退的直接原因就是摩擦副的温升，故应从摩擦副的升温机理入手研究。

制动器工作时，摩擦片与制动鼓剧烈摩擦，汽车的行驶动能主要通过摩擦转化成热能，被制动器摩擦副吸收，其表征为摩擦片和制动鼓的温度升高。

以热的形势耗散掉摩擦能，在接触表面上形成局部热源，在短时间内使其表面温度迅速升高。

这些热量将通过表层分别向两摩擦副的内外层扩散，在两摩擦副中形成一个不稳定的温度场。

在同一热源作用下，热物性不同的物体内部所形成的温度场分布情况有很大差别。

金属摩擦副，热扩散率大，热量在介质中传播快，受热影响的区域大。

而有机材料或聚合物组成的摩擦副，其热物性较差，容易在表面形成热量的积聚。

鼓式制动器工作时温度变化依赖于制动鼓内的热平衡关系，热量的产生来源于摩擦片同制动鼓内表面的摩擦过程，主要的热量散失方式是对流散热和辐射散热，其中对流