轻型汽车底盘鼓式制动器设计.doc

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轻型汽车底盘鼓式制动器设计

DESIGNOFDRUMBRAKEFOR

LIGHTVEHICLECHASSIS

2009年6月

西南交通大学本科毕业设计第VI页

摘要

汽车作为陆地上的现代重要交通工具，由许多保证其性能的大部件，即所谓“总成”组成，制动系就是其中一个重要的总成，它直接影响汽车的安全性。

随着高速公路的快速发展和车流密度的日益增大，交通事故也不断增加。

据有关资料介绍，在由于车辆本身的问题而造成的交通事故中，制动系统故障引起的事故为总数的45%。

可见，制动系统是保证行车安全的极为重要的一个系统。

此外，制动系统的好坏还直接影响车辆的平均车速和车辆的运输效率，也就是保证运输经济效益的重要因素。

制动系既可以使行驶中的汽车减速，又可保证停车后的汽车能驻留原地不动。

由此可见，汽车制动系对于汽车行驶的安全性，停车的可靠性和运输经济效益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。

只有制动性能良好和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机构分析与设计计算也就显得非常重要了。

论文中采用的是前鼓后鼓的制动系方案并且前轮采用双领蹄式制动器，后轮采用领从蹄式制动器，兼顾了制动器效能因数和制动器效能的稳定性。

它的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，亦即由制动踏板的踏板力通过推杆和主缸活塞，使主缸油液在一定压力下流入轮缸，并通过两轮缸活塞推使制动蹄绕支承销转动，上端向两边分开而以其摩擦片压紧在制动鼓的内圆面上。

不转的制动蹄对旋转制动鼓产生摩擦力矩，从而产生制动力，使车轮减速直至停车。

论文第一章介绍了汽车制动系发展情况和制动系统的意义。

第二章主要讲述了汽车的总体设计。

第三章讲述了鼓式制动系的主要形式及其方案的选取。

第四章分析计算了制动器制动过程中动力学参数的计算。

第五章讲述了鼓式制动器的结构参数和主要零部件的设计。

第六章是关于鼓式制动器的设计计算。

第七章是制动器驱动机构的设计与计算。

第八章是鼓式制动器主要零部件的强度分析。

关键词：

鼓式制动器驱动机构制动参数

Abstract

Asanimportantmodernland-basedtransport,Automotivecomponentsfrommanylargeparts,namely,theso-called"assembly"whichensuretheperformanceofautomotive,andbrakingsystemwhichdirectlyaffectsthesafetyofmotorvehiclesisoneofthemostimportantassembly.Withtherapiddevelopmentofhighwaysandincreasedtrafficdensity,trafficaccidentsarealsoincreasing.Accordingtotheinformationonthevehicleitselfasaresultofproblemscausedbytrafficaccidents,thebrakesystemfailurecausedtheaccidentaccountingforthetotalnumberof45%.Sobrakingsystemisanextremelyimportantsystemtoensuretrafficsafety.Inaddition,thebrakingsystemhasadirectimpactonthequalityoftheaveragevehiclespeedandvehicletransportationefficiency,thatis,animportantfactorensuringcost-effectivetransport.Itnotonlycanslowdownamovingvehicle,butalsotoensurethatthecarcanbefixedinsituafterparking.Thisshowsthatthevehiclebrakingsystemplaysanimportantroleintrafficsafety,thereliabilityofparking,andtransporteconomicefficiency.

Today,withever-expandinghighwaynetwork,theimprovementofvehiclespeedandtrafficdensity,ontheworkofautomotivebrakingsystemreliabilityrequirementsbecomeincreasinglyimportant.Onlyvehicleswhichhavegoodbrakingperformanceandreliablebrakingsystemcangivefullplaytotheirhigh-speeddynamicperformanceandtoensurethesafetyoftraveling.Thisshowsthatthebrakingsystemisaveryimportantcomponentofthevehicle,thusit’sveryimportanttotheanalysisanddesignofbrakesystembodies.

Paperusedbrakeprogramofthebrakedruminfrontandbehind.Frontwheelusedduo-duplexdrumbrakesandbehindwheelsimplexdrumbrakes,whichtakesintoaccounttheeffectivenessofthebrakesandbrakeperformancefactorofstability.Itsworkingprincipleistousewiththebody（orframe）associatedwithnon-rotatingcomponentsandthewheel（orshaft）connectedtotherotatingcomponentsoffrictionbetweenthewheelstopreventthetrendofturningorrotating,namelybythepedalforceofbrakepedalpassingthroughthepushrodandthemastercylinderpiston,makingmastercylinderoilinflowwheelcylinderunderacertainpressure,andpushingthroughthetwo-cylinderpistonbrakeshoesothatrotatingaroundthebranchmanagers,thetopseparatelytobothsidespressedinitsfrictionplatebrakedrumsurfaceoftheinnercircle.Non-rotatingbrakeshoeproducedfrictiontorquetorotatingdrumbrakeresultinginbrakingforcetoslowdownuntilthewheelsstop.

Thefirstchapterofthispaperdescribesthedevelopmentofautomotivebrakingsystem.ChapterIIfocusesontheoveralldesignofthecar.ChapterIIIisaboutthemainformandprogramselectionofthedrumbrake.ChapterIVisaboutanalysisandcalculationofkineticparametersofthebrakeduringbrakingprocess.ChapterVdescribedthestructureofdrumbrakecomponentsandthedesignofthemainparameters.ChapterVIdescribeddesignandcalculationofdrumbrake.ChapterVIIisabouttheanalysisandcalculationofdrumbrakedrivemechanism.ChapterVIIIisaboutstrengthcheckingonthemaincomponentsofdrumbrake.

Keywords:

DrumbrakeDrivemechanismBrakeParameters

目录

第1章绪论 1

1.1汽车制动系统的发展概况 1

1.1.1汽车制动系统的组成 1

1.1.2电制动的优缺点和存在的问题 3

1.2研究制动系统的意义 4

1.3对汽车制动系的展望 4

第2章汽车总体参数的选择及计算 8

2.1总体设计应满足的基本要求 8

2.2汽车形式的确定 9

2.3汽车质量参数的确定 10

2.4汽车主要尺寸的确定 11

2.5汽车性能参数的确定 13

2.6发动机的选择 14

2.7轮胎的选择 18

第3章鼓式制动器的方案选择 21

3.1鼓式制动器的结构形式 21

3.1.1领从蹄式制动器 22

3.1.2单向双领蹄式制动器 25

3.1.3双向双领蹄式制动器 26

3.1.4双从蹄式制动器 27

3.1.5单向增力式制动器 27

3.16双向增力式制动器 28

3.2鼓式制动器方案的确定 29

3.2.1制动效能因素 29

3.2.2本设计中鼓式制动器方案的优选 30

第4章制动过程的动力学参数的计算 31

4.1制动过程车轮所受的制动力 31

4.2制动距离与制动减速度计算 37

4.3同步附着系数与附着系数利用率计算 38

4.4制动器的最大制动力矩 40

4.5制动器因素与制动蹄因素 42

第5章制动器的结构及主要零部件设计 46

5.1鼓式制动器的结构参数 46

5.2鼓式制动器主要零部件的设计 49

5.2.1制动蹄 49

5.2.2制动鼓 50

5.2.3摩擦衬片 51

5.2.4摩擦材料 51

5.2.5蹄与鼓之间的间隙自动调整装置 52

5.2.6制动支承装置 53

5.2.7制动轮缸 54

5.2.8张开机构 54

第6章鼓式制动器的设计计算 55

6.1驻车制动能力的计算 55

6.2中央制动器的计算 56

6.3压力沿衬片长度方向的分布规律 57

6.4制动蹄片上的制动力矩 59

6.5摩擦衬片磨损特性计算 63

6.6制动因素的计算 64

6.6.1支承销式领—从蹄制动器的制动因数 65

6.6.2支承销式双领蹄制动器的制动因数 66

第7章制动器驱动机构分析与计算 67

7.1驱动机构的方案选择 67

7.2制动管路的选择 69

7.3液压驱动机构的设计计算 70

7.3.1制动轮缸直径的确定 70

7.3.2制动主缸直径的确定 71

7.3.3制动踏板力 72

7.3.4制动踏板工作行程 73

7.3.5真空助力器的设计计算 73

第8章鼓式制动器主要零部件强度分析 76

8.1制动蹄支承销剪切应力计算 76

8.2紧固摩擦片铆钉的剪切应力验算 77

结论 79

致谢 80

参考文献 81

西南交通大学本科毕业设计第80页

第1章绪论

1.1汽车制动系统的发展概况

从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。

近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。

汽车制动系统种类很多，形式多样。

传统的制动系统结构型式主要有机械式、气动式、液压式、气—液混合式。

它们的工作原理基本都一样，都是利用制动装置，用工作时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速，或直至停车的目的。

伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车动力系统发生了很大的改变，出现了很多新的结构型式和功能形式。

新型动力系统的出现也要求制动系统结构型式和功能形式发生相应的改变。

例如电动汽车没有内燃机，无法为真空助力器提供真空源，一种解决方案是利用电动真空泵为真空助力器提供真空。

汽车制动系统的发展是和汽车性能的提高及汽车结构型式的变化密切相关的，制动系统的每个组成部分都发生了很大变化。

1.1.1汽车制动系统的组成

制动系统主要由下面的4个部分组成：

（1）供能装置：

也就是制动能源，包括供给、调节制动所需能量以及各个部件，产生制动能量的部分称为制动能源；

（2）控制装置：

包括产生制动动作和控制制动效果的部件；

（3）传动装置：

包括把制动能量传递到制动器的各个部件；

（4）制动器：

产生阻碍车辆运动或者运动趋势的力的部件，也包括辅助制动系统中的部件。

现代的制动系统还包括制动力调节装置和报警装置，压力保护装置等辅助装置。

供能装置的发展

供能装置主要是指制动能源，制动能源有人力制动、伺服制动、动力制动或者上述任两者的结合使用。

人力制动是开始有制动系统时的制动能源，它有机械式制动、液压式制动两种形式。

机械式制动主要用于驻车制动系统中，驻车制动系统中要求用机械锁止方法保证汽车在原地停止不动，在任何情况下不至于滑动。

液压式制动是通过制动踏板推动制动主缸，进而使制动器进入工作状态。

伺服制动兼用人力和发动机作为制动能源，正常情况下制动能量由动力伺服系统供给，动力伺服系统失效时可由人力供给制动能量，这时伺服制动就变为人力制动。

伺服制动可用气压能、真空能（负气压能）以及液压能作为伺服能量，形成各种形式的助力器。

动力制动系统的制动能源是发动机所驱动的油泵或者气泵，人力仅作为控制来源，可分为气压制动、气顶液制动、液压制动。

其中气压制动是发展最早的一种动力制动系统。

它用空气压缩机提供气压，气顶液制动是用气压推动液压动作，产生制动作用。

液压制动是目前得到广泛应用的一种制动系统，技术已经非常成熟。

目前正在发展的电液复合制动以及电子制动中使用了电机作为制动能源，人力踩制动踏板作为控制来源。

控制装置的发展

最早的人力制动，通过机械的连接产生制动动作。

发展到人力控制制动，通过踩制动踏板启动制动，再由传力装置把制动踏板力传到真空助力器，经过真空助力器的助力扩大后，传递到制动主缸产生液压力，然后通过油路把液压力传递到每个轮缸，开始制动。

随着清洁能源汽车和电动汽车的研究应用，以及电子技术在汽车上面的广泛应用，制动系统的控制装置也出现了电子化的趋势，其中电制动完全改变了制动系统的控制和管理，会使汽车制动系统发生革命性的变化，它采用电子控制，可以更加准确、更高效率地实现制动。

传动装置的发展

人力制动时代是采用机械式的传动装置，气（液）压制动是利用气（液）压力和连接管路把制动力传递到制动器。

电子制动则是利用制动电机产生制动力直接作用到制动器，它的控制信号来自控制单元（ECU），用信号线传递制动信号和制动力信息。

制动器的发展

制动器是制动的主要组成部分，目前汽车制动器基本都是摩擦式制动器，按照摩擦副中旋转元件的不同，分为鼓式和盘式两大类制动器。

鼓式制动器又有领从蹄式、双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向自增力式、双向自增力式制动器等结构型式。

盘式制动器有固定钳式、浮动钳式、浮动钳式包括滑动钳式和摆动钳盘式两种型式。

滑动钳式是目前使用广泛的一种盘式制动器。

由于盘式制动器热和水稳定性以及抗衰减性能较鼓式制动器好，可靠性和安全性也好，而得到广泛应用。

但是盘式制动器效能低，无法完全防止尘污和锈蚀，兼做驻车制动时需要较为复杂的手驱动机构，因而在后轮上的应用受到限制，很多车是采用前盘后鼓的制动系统组成。

电动汽车和混合动力汽车上具有再生制动能力的电机，在回收制动能量时起制动作用，它引入了新型的制动器。

作为一种新的制动器型式，势必引起制动器型式的变革。

电制动系统制动器是基于传统的制动器，也分为盘式电制动器和鼓式电制动器，鼓式电制动器由于制动热衰减性大等缺点，将来汽车上会以盘式电制动器为主。

1.1.2电制动的优缺点和存在的问题

电子制动首先应用到飞机上，目前处于向汽车领域应用的研究和改进阶段，随着技术进步，各种问题会逐步得到解决，电制动系统最终会取代传统的以液压为主的制动控制系统以及电液复合制动系统。

电制动或者线控制动（BBW）是未来制动系统发展的方向。

电制动器和电制动控制单元、制动力模拟器是其重要组成部分，反馈制动力给制动踏板产生制动感觉。

从结构上，电制动具有其它传统制动无法比拟的优点：

（1）结构简单，系统质量较传统制动系统降低很多，从而减少了整车质量；

（2）制动响应时间短，提高制动性能，缩短制动距离；

（3）系统中不存在制动液，维护容易、简单，采用电线连接，系统的耐久性能良好；

（4）系统总成的制造、装配、调试、标定更快，易于采用模块化结构；

（5）已经开发出具有容错功能的适用于汽车的网络通讯协议如TTP/C，FlexRay等通讯协议可以应用到电制动系统中。

（6）易于进行改进和功能的增加，可以并入汽车CAN通讯网络进行集中管理和共享信息。

对于大部分人来说，电制动系统是全新的制动系统，它为将来的智能化车辆提供了条件。

基于现在的技术条件，要全面应用电制动，还有很多问题需要面对：

（1）驱动能源问题，采用电子制动需要较多的电能，一个盘式制动器峰值需要lkW的驱动能量，目前12V的车辆电力系统无法提供这么大的能量，未来的车辆动力系统需要采用高压电，加大能源供应，以满足各系统能量的需求，同时解决好高压电的安全问题；

（2）没计制动系统时必须要考虑的是制动系统的失效问题，电制动不存在主动的备用制动系统，不论是ECU、传感器、还是制动器本身、线束失效，都能使制动系统保证制动的基本性能，除了ECU可以采用冗余设计外，实现电制动的一个关键技术是相同失效时的信息交流协议如TTP/C等的研究应用；

（3）实现和汽车底盘其他控制系统的集成，仍有待研究；

（4）采用电制动后整车质量有所减少，但是非簧载质量可能会有所增加，这是要注意的；

（5）制动器在持续制动或高强度制动过程会产生高温，这对电机和传动装置的性能和散热提出了高的要求。

（6）成本比原有液压制动系统高，提高电制动系统的性价比是需要解决的问题。

随着技术的进步，上述的各种问题会逐步得到解决。

戴姆勒-克莱斯勒汽车公司已经把一种电制动系统——测控一体化制动系统——安装在奔驰乘用车上，它是一种功能强大的机电一体化的系统，在汽车运行中，系统感知制动踏板的动作，并把相关信息传递给控制单元，控制单元发出指令给执行器进行各车轮的制动，它可以根据制动踏板的加速度来识别驾驶员是否正在进行紧急制动并做出迅速反应，缩短制动距离，这种系统会增加驾驶者的安全感和舒适感，使停车过程平顺。

可以预见不久的将来会有更多的电制动系统得到装车应用。

1.2研究制动系统的意义

汽车的“行驶”、“转弯”、“停车”3个最基本的机能之一的停车机能，是由制动装置来完成的。

我们希望轻轻的踩下制动踏板时，汽车就能很平稳的停在所需要停车的地方。

为了达到这一目的，必须充分考虑制动系统的控制机构和制动执行机构的各种性能。

制动系统是汽车的一个重要组成部分，它直接影响汽车的安全性。

随着高速公路的快速发展和车流密度的日益增大，交通事故也不断增加。

据有关资料介绍，在由于车辆本身的问题而造成的交通事故中，制动系统故障引起的事故为总数的45%。

可见，制动系统是保证行车安全的极为重要的一个系统。

此外，制动系统的好坏还直接影响车辆的平均车速和车辆的运输效率，也就是保证运输经济效益的重要因素。

虽然近几年从德国大众、法国雷诺、美国通用等国外汽车公司引进了轿车，不少零配件的国产率也比较高，但引进的主要是总成和零配件，没有引进开发技术，至于轻型货车的开发技术引进就更少了，所以我国自行开发轻型货车及其轿车的能力，跟汽车发达国家相比差距还很大。

近年来，我国出版过一些汽车制动方面的专著，但从数量上和深度上都远远不能满足汽车工业运输业发展的要求。

特别是在汽车制动系统的开发设计方面与汽车发达国家相比水平差距甚远，许多尖端技术问题对我们来说迄今还不太了解。

所以对于研究设计制动器来说，在我国有着非常重要的影响。

1.3对汽车制动系的展望

今天，ABS/ASR已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备。

车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展。

一方面是扩大控制范围、增加控制功能；另一方面是采用优化控制理论，实施伺服控制和高精度控制。

在第一方面，ABS功能的扩充除ASR外，同时把悬架和转向控制扩展进来，使ABS不仅仅是防抱死系统，而成为更综合的车辆控制系统。

制动器开发厂商还提出了未来将ABS/TCS和VDC与智能化运输系统一体化运用的构想。

随着电子控制传动、悬架系统及转向装置的发展，将产生电子控制系统之间的联系网络，从而产生一些新的功能，如：

采用电子控制的离合器可大大提高汽车静止启动的效率；在制动过程中，通过输入一个驱动命令给电子悬架系统，能防止车辆的俯仰。

在第二个方面，一些智能控制技术如神经网络控制技术是现在比较新的控制技术，已经有人将其应用在汽车的制动控制系统中。

ABS/ASR并不能解决汽车制动中的所有问题。

因此由ABS/ASR进一步发展演变成电子控制制动系统（EBS），这将是控制系统发展的一个重要的方向。

但是EBS要想在实际中应用开来，并不是一个简单的问题。

除技术外，系统的成本和相关的法规是其投入应用的关键。

经过了一百多年的发展，汽车制动系统的形式已经基本固定下来。

随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将发生