气压盘式制动器文献综述.doc

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气压盘式制动器文献综述

专业：

J车辆工程班级：

0801班作者：

倪磊指导老师：

商高高

摘要：

气压盘式制动器的制动动力源为气压泵提供的压缩空气,基本工作原理是由空气驱动活塞将与活塞同一侧的摩擦片压向制动盘,同时,活塞的反向力推动滑钳将另一侧的摩擦片拉向制动盘,实现制动。

关键词：

气压盘式制动器；摩擦片；制动盘

一：

气压盘式制动器的发展

1.1气压盘式制动器的历史

盘式制动器在汽车上的应用已经有很长一段时间的历史了。

从上世纪七十年代开始，盘式制动器开始在客车和重型卡车上小批量使用。

从上世纪八十年代末，在大雾天气卡车经常发生严重的交通事故，因而在恶劣天气条件下禁止驾驶卡车的争论一直在进行之中。

因此商用车制造商开启了减少制动距离的研发项目，项目研发的结果是从上世纪九十年代中期开始在客车卡车等所有重型车上安装气压盘式制动器。

目前，欧洲几乎所有的新车都安装气压盘式制动器，但一些专用车和半挂车仍在使用S凸轮轴鼓式制动器，其它类型鼓式制动器，如单楔和双楔型鼓式制动器，已不再使用。

气压盘式制动器能增加制动舒适性和车辆安全，自1996年欧洲商用车上批量应用盘式制动器开始，在短短的十几年间，年装车量已接近300万套。

相对鼓式制动器而言，气压盘式制动器在欧洲已被广泛使用

1.2国外气压盘式制动器的发展

在国外，首先被广泛使用的是液压盘式制动器。

但是由于液压盘式制动器的结构特点，使其应用的范围仅仅局限轿车和轻型载货汽车上。

从上世纪80年代开始气压盘式制动器的研究进入实质性阶段，80年代初，WABCO公司开始研制了第一代气压盘式制动器并随后进入实用阶段，80年代中后期，Meritor公司研制并开始小批量生产气压盘式制动器。

欧美国家自上世纪90年代初就开始将盘式制动器应用于大型公交上。

经过几十年的发展，生产气压盘式制动器的技术已经比较成熟，逐步形成了系列产品，根据适用的轮毂尺寸要求，产品包括“16”“17.5”“19.5”到“22.5”多种规格。

可以满足不同车型的制动需求。

目前在欧、美、日等发达国家，应经把气压盘式制动器作为标准件装备在多级别的轿车、客车、中型、重型汽车上。

1.3国内气压盘式制动器的发展

我国从1997年开始在大客车和载重车上推广盘式制动器及ABS防抱死系统,因口产品价格太高,主要用于高端产品。

国内对气压盘式制动器的研究开始于本世纪初。

2001年武汉元丰公司开始对该产品进行研究,并率先推出了自己的系列产品并将其应用于国内城市公交和公路旅游客车上,随后国内其他厂家迅速跟进进行研发,如武汉万向、浙江亚太等,但形成工业化产品和市场规模的厂家还很少。

2004年7月1日交通部强制在7—12米高Ê型客车上“必须”配备后,国产盘式制动器得以发展。

北京公交电车公司、上海公交、武汉公交、长沙公交、深圳公交、广州公交等公司,都在使用为大客车匹配的气压盘式制动器。

宇通公2004年生产两万多辆客车,其中使用盘式制动器的客车已占一半多;二汽东风车桥用EQ153前后桥改型匹配气压盘式制动器的前后桥总成约占6000套以上,一汽客车底盘2004年供给宇通公司2000多台中,其中带盘式制动器占一半以上。

如一汽客底采用4E前转向系统配置气压盘式制动器前桥、11吨420后桥装在6100（10米）豪华客车上;7吨盘式前桥与13吨435后桥配装在6120（12米）豪华客车上等。

2004年江苏金龙客车的7-9米高Ê型客车配置气压盘式制动器有5500台左右。

厦门金龙客车10-12米高Ê型客车以上客车、丹东黄海客车10-12米高Ê型客车、安凯等等国内知名的大型厂家均已在批量生产带盘式制动器的高档客车。

在重型汽车方面:

气压盘式制动器已经属成熟产品,目前具有广泛应用的前景。

2004年3月红岩公司率先在国内重卡行业中完成了对气压盘式制动器总成的开发。

2005年元月份中国重汽卡车事业部在提升和改进卡车底盘的过程中,将22.5"气压盘式制动器成功应用到了重汽斯太尔重型卡车前桥上。

气压盘式制动器在重汽斯太尔卡车前桥上的成功应用,解决了令整车厂及用户困扰已久的传统鼓式制动器制动啸叫、频繁制动时制动蹄片易磨损、雨天制动效能降低等一系列问题。

气压盘式制动器首次在斯太尔卡车前桥上的应用,也为今后开发重汽高速卡车提供了经验和技术储备。

与此同时陕西重汽、北汽福田、一汽解放、东风公司、江淮汽车等国内大型汽车厂均完成了盘式制动器在重型汽车方面的前期型试试验及技术贮备工作,气压盘式制动器在某些方面将成为未来重卡制动

系统匹配发展的新趋势。

二：

压盘式制动器的基本结构特点

2.1气压盘式制动器的基本结构

盘式制动器的一般结构主要是由带轮毂的制动盘和制动钳总成。

目前使用的基本上都是浮动钳盘式制动器。

制动钳总成由座体、可浮动钳、双活塞组件、摩擦片及底板、减震板及防噪片等组成。

气压盘式制动器的制动动力源为气压泵提供的压缩空气,基本工作原理是由空气驱动活塞将与活塞同一侧的摩擦片压向制动盘,同时,活塞的反向力推动滑钳将另一侧的摩擦片拉向制动盘,实现制动。

2.2气压盘式制动器的特点

我们知道,与鼓式制动器相比,传统的液压盘式制动器具有很多优点:

制动效能稳定,无增势作用,不会产生自锁现象;具有良好的抗热衰退和水衰退性能;制动间隙稳定,制动反应时间短;输出制动力矩相同的情况下,盘式制动器的尺寸可以做得更小;制动间隙自动调节更容易实现。

其缺点是:

效能较低,致使其要求促动压力高,而且难以满足较大的制动力矩要求;当过热时液压管路中的制动液可能气化而形成气阻现象;驻车制动装置较为复杂。

气压盘式制动器的出现既保留了传统的液压盘式制动器的各种优点,又克服了其原有的缺点,其性能和可靠性相对于鼓式制动器来说具有无可比拟的优势。

第一,由于自身的结构特点鼓式制动器在工作时产生的热量难以散发,其摩擦对制动鼓热变形较大,受热后制动间隙也随之增大,因而引起气室推杆行程的增加,延长反应时间甚至引起气室推力下降从而降低制动能力;此外由于鼓式制动器受热后压力分布变化较大,还会带来制动效能下降,磨损加快的一系列

的问题。

而气压盘式制动器由于制动盘大部分都暴露于空气中,热交换容易,工作时温升较低;且制动盘受热时变形不会引起压力分布变化,对制动间隙的影响是负向的,因而盘式制动器的制动效能非常稳定,制动可靠性高;且制动反应时间较短,这一点对于匹配ABS、ASR、EBS等电子控制装置具有较大的意义。

第二,由于气压盘式制动器的促动力来源于压缩空气,通过杠杆作用的转换,相对于液压盘式制动器能够产生较大的制动—270—科技信息工程技术输入力,驻车制动的形式也可以做得和鼓式制动器一样简单;由于不存在气阻现象,因而克服了传统的液压盘式制动器的缺陷;同时由于制动间隙较小（0.05-0.15mm）且传动效率较高,再加上制动间隙自动调节机构的作用,使盘式制动器所消耗的空气量比鼓式制动器小得多,制动反应时间也相应缩短,制动气室也

可以始终工作在最佳推杆行程内。

第三,使用气压盘式制动器在所需制动力矩相同的情况下,其外形尺寸比鼓式制动器小得多,因此给整车布置带来了方便;而且由于其质量特别是旋转部分的质量小得多,失衡量也小得多,使非簧载质量大为减轻,加上失衡量减小,可以明显改善汽车的舒适性、平顺性和操纵稳定性。

第四,由于气压盘式制动器的摩擦衬片可磨损厚度达20mm,而鼓式制动器的可磨损厚度摩擦片不到10mm,因此在同等使用条件下,盘式制动器摩擦衬片的更换周期较鼓式制动器长得多;如果考虑到两种制动器散热能力的差别,它们的更换周期差别能达到3倍以上;此外,盘式制动器更换摩擦衬片时只需要扒掉轮胎即可,而鼓式制动器更换摩擦片则复杂得多,工时及材料消耗也大大超过盘式制动器;并且盘式制动器的制动间隙不需要通过手工调整,摩擦片磨损到规定厚度时,还会自动报警;这些优点可以使用户节约日常维护的时间;制动器散热能力的提高也可以降低轮毂及轮辋的温升,从而大大延长轮胎的使用寿命。

所以对用户来说,使用气压盘式制动器所带来的效益要大于增加的成本。

第五,结构紧凑、体积小、重量轻。

以一辆总重量为18t的重型汽车为例,若用鼓式制动器,前桥质量为89.5kg,后桥为118kg;若用盘式制动器,前桥为84.5kg,后桥为94kg。

这意味着对于两轴车辆,盘式制动器的总质量比鼓式制动器轻58kg,即14%。

三：

盘式制动器类型

盘式制动器分为固定式和浮动式，固定式的盘式制动器（钳）在商用车上已基本消失了，浮动式制动钳按调节方式又可分为：

滚珠螺旋式（Ballscrew）、楔型、斜道（Ramp）和链轮式，克诺尔公司专利设计的链轮式调整机构因摩擦力小，因而效率高且间隙调整稳定。

制动钳按尺寸（（轮辋的安装空间）通常可分为：

22.5、19.5和17.5”。

按制动分泵的安装角度，制动钳又可分为轴向和径向两种，其中径向制动钳仅应用在少量的超低地板公交车后桥上。

按制动操纵和实施机构（推盘）的数目，又可分为单推和双推两种，双推式的制动钳的制动片的盘式制动器分为固定式和浮动式，固定式的盘式制动器（钳）在商用车上已基本消失了，浮动式制动钳按调节方式又可分为：

滚珠螺旋式（Ballscrew）、楔型、斜道（Ramp）和链轮式，克诺尔公司专利设计的链轮式调整机构因摩擦力小，因而效率高且间隙调整稳定。

制动钳按尺寸（（轮辋的安装空间）通常可分为：

22.5、19.5和17.5。

按制动分泵的安装角度，制动钳又可分为轴向和径向两种，其中径向制动钳仅应用在少量的超低地板公交车后桥上。

按制动操纵和实施机构（推盘）的数目，又可分为单推和双推两种，双推式的制动钳的制动片的受力和磨损更均匀，通常19.5和22.5的制动钳均应是双推的。

按钳体的铸造结构，制动钳可分为整体式和分体式，整体式的制动钳由于整体铸造技术和不再使用连接螺钉，承受制动力反作用力的能力更好，重量也相对更轻。

同样的制动钳可应用在客车、卡车和挂车上；而且某一车辆的所有车轴也可使用相同的制动钳；此外，工业上或军用车辆上应用的是全盘（面积）式的制动器。

商用车上的制动盘主要是通风式的盘，制动盘直径对应于三种不同的制动钳有:

430mm、377mm和335mm。

为方便维修更换制动盘，克诺尔公司还推出了一种两片式制动盘。

制动分泵又两种：

单腔的制动气室和双腔的弹簧制动气室；弹簧气室应用在后桥上以实现驻车制动。

四：

结束语

气压盘式制动器在国内外客车及重型载货车上的应用将会越来越多。

随着我国汽车的环保、安全、节能法规进一步向国际最新标准靠拢。

气压盘式制动器作为一种高科技产品满足了未来汽车运输方式向高速、重载、舒适化程度和安全性高的方向发展。

未来几年气压盘式制动器在国内将会得到快速的推广和应

用。

五：

制动器的设计与计算

5.1制动器设计中的分析

在制动器的设计中，和是根据制动力矩的大小，允许的表面单位压力和制动器结构的合理布置等决定的，一般不考虑对加力效果的影响，当摩擦材料选定后，系数μ也是一个既定的数值。

因此要使制动器满足一定的加力效果，关键在于合理的确定球槽斜角α。

可以看出，当球槽斜角α减少时，加力系数变大，操纵省力。

但是，α的减少受到自刹的限制。

如果α较小，则只要压盘与摩擦片开始接触后，不需要驾驶员的操纵力，制动器就会自行制动，这是我们不希望的。

因此，不自刹的条件为：

>μ（/）（2-1）

式中μ-摩擦系数

-擦力合力的作用半径；

-钢球至中心的距离。

加力系数愈大，表示操纵力减少愈多。

但必须指出，加力系数并不代表操纵力实际减少的比例。

因为实际操纵力取决于主拉杆的拉力，即与的合力，而不是与的代数和。

其中为斜拉杆对压盘1的拉力；为斜拉杆对压盘2的拉力。

从以上分析看出，盘式制动器之所以结构紧凑，在于它在同样体积下可获得较多的摩擦面积。

它的加力效果显著，使操纵力很小。

并与被制动轴的转动方向无关。

由于摩擦面上的压力分布比较均匀，因此磨损均匀，延长了摩擦片的寿命，减少了调整次数。

压力分布均匀对于减少结构尺寸也很有利（因为摩擦片的磨损取决于最大的单位压力及单位摩滑功）。

此外，在盘式制动器中各径向力相互平衡，减少了轴和轴承上的载荷。

5.2制动器的基本参数

5.2.1先确定制动力矩

一、车辆在行驶中制动

=

式中—车辆整机使用质量,=kg；

—车辆驱动附着系数,=；

—车辆驱动轮胎动力半径,=m

L—车辆轴距,L=mm；

a—车辆质心纵坐标,a=mm；

h—车辆质心高度坐标,h=mm；

—制动器至驱动轮的传动比,=。

二、车辆在坡道上停车

==（2-3）

式中—坡道停车时坡度角,=；

—车辆滚动阻力系数,=；

取大值=作为制动器计算力矩。

5.2.2确定摩擦盘尺寸

摩擦盘的外径和内径的数值主要取决于单位压力和单位摩滑功。

计算时假设单位压力是均匀的，摩擦面上的单位压力可用下式计算：

==[]=0.30.5（2-4）

在实际设计中，摩擦力的合力半径，近似地可以按内外径的平均值进行计算，即

=（2-5）

若令=0.55即代入式（2-4）后，可得：

=（2-6）

根据上述关系，便可按下式求得：

（2-7）

国内的一般运输车辆<300000～500000，这里=300000，系数的数值一般在0.5～0.6范围内选择，这里选为=0.55所以，有

=

式中：

μ—摩擦片的干摩擦系数,μ=；

—摩擦面对数,=4。

==

按上述方法求得的和还应根据结构安排情况加以修整，查阅国内运输车辆盘式制动器的有关参数，现对和做一些修整，取=mm，=mm

5.2.3制动器的磨损验算

由（2-4）式可得出：

压紧力===

单位压力==

单位滑磨功=

式中-线速度

==（2-10）

式中—发动机标定转速,=r/min；

—变速箱最高档的传动比,=；

—中央传动比,=。

所以，有==

单位压力是制动器工作寿命的重要参数，取得过大，制动器易磨损，但值过小将增大制动器的尺寸，对于一般的国内运输车辆要求<300000～500000，上述中验算的=满足要求，故合适。

在求得和后，还应验算单位滑磨功A。

单位摩滑功按摩擦片外圆来计算，因为该处圆周速度最高。

对于一般的国内运输车辆要求<0.5～0.8，上述中验算满足要求，故合适。

5.2.4踏板操纵力

钢球对压盘的作用力通过球槽的法线方向，该力可分为轴向力和圆周力，其关系为：

（图.5-1）表示受力：

图.5-1钢球受力分析图

=　（2-11）

式中—钢球的圆周力

在轴向压力的作用下，摩擦表面之间将产生摩擦力矩即制动力矩，其数值为：

=（2-12）

式中—摩擦因数；

—摩擦力合力的作用半径。

由于每个压盘只具有一个摩擦面，故所受的摩擦力矩为，这就可以求得每个压盘的力矩平衡关系。

对于压盘1，（图.5-2）所示：

图.5-2压盘1受力分析图

=－μQ（2-13）

式中－斜拉杆对压盘1的拉力；

－斜拉杆的拉力至中心的距离。

对于压盘2，（图.5-3）所示：

图.5-3压盘2受力分析图

=＋－（2-14）

式中－斜拉杆对压盘2的拉力，单位；

—壳体凸肩对压盘2的反力，单位；

—作用力F至中心O的距离，单位。

在摩擦片未磨损时，压盘从初始位置只转过极小的角度就靠住了壳体的凸肩，可近似地认为拉力P2和P1的合力P通过中（图.2-4）所示。

根据压盘总成的力矩平衡关系，可以得出：

=（2-15）

图.2-4压盘总成的受力分析图

将此式代入式（2-14）后看出，这时=，由于

因此：

斜拉杆的拉力==（2-16）

图.2-5盘式制动器杆件运动关系图

如图：

根据正弦定理得

斜拉杆长度L=

则

====

新车时主拉杆的拉力

=2··（2-17）

两踏板上的操纵力

2=2/=（2-18）

式中—球槽斜角,=′；

—钢球至制动器中心的距离,=；

—初始中心角，=；

—斜拉杆的倾角=°；

—压盘上与斜拉杆连接的销孔中心至轴线的距离,=；

—操纵机构传动比,=。

5.2.5踏板操纵行程Sc计算

踏板自由行程取决于主拉杆的位移A0A及操纵机构传动比，即：

=A0A·（2-19）

由于A0A=OA-OA0，而且OA0=·λ+· OA=·λ0+·

综上可得：

有关系式

OA0=·λ+·

A=·λ0+·

A0A=OA－OA0=

=A0A·=

5.3制动器操纵机构设计

操纵机构的设计主要是决定斜拉杆的位置和尺寸，进行操纵力和制动行程（即自由行程）的计算并确定操纵机构的传动比。

斜拉杆的位置和尺寸主要是取决于、L和等参数的大小。

这些参数对操纵力和制动行程有直接的影响。

愈大操纵力愈小，但结构不紧凑，因此不宜增大的方法来减小操纵力。

根据对国产拖拉机的统计，当、L、ΔL不变时，所取初始中心角愈大，则制动后斜拉杆的倾角β也较大，故操纵省力。

但随着增加，若、不变，则要求斜拉杆长度L愈长，使结构不紧凑，因此要求选择适当，一般在39°～40°左右选取，现选取为=39°。

必须指出，当摩擦面磨损后，自由行程增加，就要进行调整。

在调整之后，初始中心角减少，这说明盘式制动器的操纵力将随着摩擦面的磨损而愈来愈大。

操纵机构的设计必须避免运动的干涉，因此要求与压盘的运动相应的主拉杆必须有摆动的可能性；斜拉杆不应防碍压盘的轴向位移。

为此，主拉杆上一般具有球面运动副，两个斜拉杆相铰接处应有足够的端面间隙来适应轴向移动的要求。

六：

盘式制动器摩擦盘的设计

6.1摩擦盘结构

本次设计采用的是石棉纤维类摩擦材料，用胶合的方法将摩擦衬片胶在2～3毫米的摩擦盘上。

这种结构摩擦材料可得充分利用（衬片磨损不受铆钉头的限制），也不易产生裂缝，但更换衬片较为困难，摩擦盘轮毂的结构采用点焊式，结构和制造都较简单，但轮毂宽度不大，因而花键受力较大。

查阅盘式制动器摩擦盘的一些数据（长度单位：

mm）

摩擦衬片：

材料石棉离合器片外径180　

厚度5.8±0.1

摩擦盘总成：

厚度13±0.15两侧面平面度允差0.03

侧面跳动允差0.20

如图3-1所示制动器摩擦盘结构图

图3-1制动器摩擦盘结构图

6.2摩擦材料类型

制动器中的一个回转零件一般为钢铁制造的，而与回转零件相接触，使起制动作用的零件，其材料一般为摩擦材料所造的。

这摩擦元件是制动器的主要组成部分，它性能直接影响到制动和结合过程。

对摩擦材料性能的基本要求是：

一、摩擦系数高而稳定，尤其是在一定温度范围内，具有稳定的摩擦系数，具有良好的恢复和保持原有摩擦值的能力。

制动摩擦片的摩擦系数过高或过低都会影响汽车的制动性能。

尤其是汽车在高速行驶中需紧急制动时，摩擦系数过低就会出现制动不灵敏，而摩擦系数过高就会出现轮胎抱死现象，进而造成车辆甩尾和打滑，对行车安全构成严重威胁。

按照国家标准，制动摩擦片的适宜工作温度为100～350℃。

但许多劣质制动摩擦片在温度达到250℃时，其摩擦系数就会急剧下降，而此时制动就会完全失灵。

一般来说，按照SAE标准，制动摩擦片生产厂商都会选用FF级额定系数，即摩擦额定系数为0.35～0.45。

二、耐摩性好。

为了减轻磨损，除提高材料和粘结剂的耐热性、耐摩性外，还应使摩擦表面光滑。

三、有一定的表面硬度和良好的加工工艺性。

制动摩擦片的寿命与表面硬度并没有一定的关系。

但如果表面硬度高时，制动摩擦片与制动盘的实际接触面积小，往往会影响使用寿命。

而影响制动摩擦片寿命的主要因素包括硬度、强度、摩擦材料的磨损性等。

一般情况下，前制动摩擦片的寿命为3万km，后制动摩擦片的使用寿命为12万km。

四、有一定的耐油、耐湿、抗腐蚀和抗胶合性能。

摩擦材料有金属摩擦材料和非金属摩擦材料两大类。

1.金属摩擦材料

金属摩擦材料有：

粉末冶金材料、铸铁、钢和青铜，其中粉末冶金有较高的摩擦系数，导热性好，工作温度可达680℃，许多强度可达2.8～4.0MPa,耐磨，有良好的热稳定性和磨合性，广泛用于重载机器。

金属摩擦材料强度高，对水的浸入不敏感，温度升高时摩擦系数下降快，胶合趋势大，因而制动不稳定。

2.非金属摩擦材料

这类材料有：

石棉摩擦材料，它的应用最广，有机摩擦材料，如橡胶、皮革和木材主要用于小功率低速机器制动；纸基摩擦材料，主要用在油介质中工作的制动器，它有摩擦系数稳定，磨损小，静和动

摩擦系数很接近的特点；碳基摩擦材料，是较晚出现的一种材料，耐高温性能好，可在800～1000℃，摩擦系数稳定，耐磨性好。

制动器上用的摩擦材料，绝大多数是石棉制品，其基本成分是石棉、粘结剂和用以调节摩擦性能的各种有机或无机填料。

石棉摩擦材料又分为纺织类和纤维类：

（1）纺织类石棉制品有石棉橡胶制动器片、石棉浸油或耐油制动器片、石棉铜丝和石棉树脂制动器片等，这类制品抗冲击强度好，在常温下有较高而稳定的摩擦系数，但耐高温性能较差，磨损较快。

（2）纤维类是将短纤维石棉、粘结剂和各种添加剂等混合后，再经热压而成，有时根据需要也加入少量有色金属，统称石棉制品，应用较广。

由于含有石棉的摩擦材料存在石棉有致癌公害问题已被逐渐淘汰，取而代之的各种无石棉型材料相继进行研制，这也是近年来的发展方向。

摩擦材料尚在不断发展，由于材料的组成及制造工艺不同，其摩擦性能往往差别很大，在使用各种摩擦材料时，应注意从制造厂取得相应的数据再进行设计和计算。

七：

盘式制动器压盘的设计

7.1压盘的结构

压盘是盘式制动器中比较复杂的零件，加工精度也较高，国产拖拉机上大部分用球墨铸铁制造，也有用可锻铸铁或灰铸铁的。

压盘厚度15～17毫米，其摩擦表面有较低的粗糙度和较