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第1章 绪论
1.1研究意义
随着社会的不断向前发展，汽车在人们的生活中的作用也日趋明显，人们从事生产活动离不开汽车，日常生活中，汽车尤其是乘用车成为经常使用的交通工具。拥有一辆轿车是人们生活质量水平提高的标志。而制动系统是汽车安全系统当中最重要的一项，其结构和性能的优劣直接影响车辆和人身安全。因此人们对其提出了更严格的要求，现代社会，对制动系统的研究设计以提高其工作性能是十分重要的。
1.2课题背景
国内汽车制动系统行业主要以生产盘式制动器、鼓式制动器、真空助力器、液压制动总泵及液压制动分泵等制动器产品为主。我国ABS产品正处于发展阶段，特别是液压ABS的研究难度较大，因为液压ABS主要针对轿车，而国内的大部分轿车是以合资为主，其技术主要由外方控制。重庆聚能汽车技术有限公司是目前国内唯一能同时生产液压制动ABS和气压制动ABS系列产品的企业，其技术已经接近世界先进水平。
目前，ABS已成为欧、美和日本的成熟产品，形成了完整的评估检测标准，并以ABS为基础，延伸出许多更优越的电子制动系统，如：ASR、EBD、BAS、ESP、EBA、TCS、VDC及ACC等等。目前主要集中在ESP及电子制动领域的研究方面，如凯西—海斯(K—H)公司在1辆实验车上安装了1种电一液(EH)制动系统，该系统彻底改变了制动器的操作机理。通过采用4个比例阀和电力电子控制装置，K—H公司的EBM就能考虑到基本制动、ABS、牵引力控制及巡航控制制动干预等情况，而不需另外增加任何一种附加装置。由于人们对制动安全性的不断重视，许多新兴的设计和电子技术被应用到制动系统当中去，如ABS防抱死系统、BSA制动辅助系统、ESP电子稳定程序等均是为了提高制动系统的安全性；计算机技术和CAD技术在制动系统的设计过程的应用也大大提高了其质量，加快了设计的周期。以前乘用车以“前盘后鼓”式制动器为主的现象现在已逐渐被“前盘后盘”式所代替。科技的日新月异与不同新技术的出现和应用为制动系统的设计发展提供了新的设计思路和发展方向。
1.3制动系统应具有的功能和应满足的要求
汽车制动系统必须具备如下功能：
1） 在汽车行驶过程中能以适当的减速度使车降速到所需值，甚至停车；
2） 使汽车在下坡行驶时保持稳定的速度;
3） 使汽车可靠在原地（包括斜坡）停驻;
制动系应满足的要求:
1） 应能适应有关标准和法规的规定;
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;
3） 工作可靠;
4） 制动效能的热稳定性好;
5） 制动效能的水稳定性好;
6） 制动时汽车操纵稳定性好;
7） 制动踏板和手柄的位置和行程应符合人—机工程学要求;
8） 作用滞后的时间要尽可能短;
9） 制动时不能产生噪声和振动;
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）能全天侯使用;
12）制动系机件的使用寿命长，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人体的石棉纤维。
第2章 制动器方案的选择
2.1方案选择的依据
制动系统方案的选定，依据所参考汽车的主要结构参数、制动系统结构和制动性能来初步的选定。还必须考虑本课题对制动器提出的要求，参考同类型车辆的制动系统机构，再满足制动系统性能要求的前提下，同时还应考虑社会及市场的需求、是否符合生产发展水平和成本的因素。
2.2方案的选定
2.2.1制动器选择
制动器是制动的主要组成部分，目前汽车制动器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。盘式制动器的旋转元件是一个垂向安放且以两侧面为工作面的制动盘，其固定摩擦元件一般是位于制动盘两侧并带有摩擦片的制动块。当制动盘被两侧的制动块夹紧时，摩擦表面便产生作用于制动盘上的摩擦力矩。盘式制动器常用作轿车的车轮制动器，也可用作各种汽车的中央制动器。
与鼓式制动器相比，盘式制动器的优点有：
1)热稳定性较好。其工作表面的面积仅为制动盘面积的12％～6％，故散热性较好。
2)水稳定性较好, 出水后只需经一、二次制动即能恢复正常；而鼓式制动器则需经过多次制动方能恢复正常制动效能。
3)制动稳定性好。
4)制动力矩与汽车前进和后退行驶无关。
5)盘式的摩擦衬块比鼓式的摩擦衬片在磨损后更易更换，结构也较简单，维修保养容易。
6)制动盘与摩擦衬块间的间隙小(0.05～0.15mm)，这就缩短了油缸活塞的操作时间，并使制动驱动机构的力传动比有增大的可能。
7)制动盘的热膨胀不会像制动鼓热膨胀那样引起制动踏板行程损失，这也使间隙自动调整装置的设计可以简化。
8)易于构成多回路制动驱动系统，使系统有较好的可靠性和安全性。
9)能方便地实现制动器磨损报警，以便及时更换摩擦衬块。
盘式制动器的主要缺点是难以完全防止尘污和锈蚀(但封闭的多片全盘式制动器除外)；兼作驻车制动器时，所需附加的驻车制动驱动机构较复杂，因此有的汽车采用前轮为盘式后轮为鼓式的制动系统；
2.2.2前制动器的选择
由于是轻型乘用车，考虑结构上的原因、所要满足的对象为乘用车和现代汽车制动器应用的发展趋势，前制动器采用盘式制动器。按固定元件的结构可分为钳盘式和全盘式两类。
1） 钳盘式制动器
此种制动器的固定元件为制动块，装在与车轴相连接且不能绕车轴旋转的制动钳中。制动衬块与制动盘接触面积小，在盘上所占的中心角一般仅为30—50度，故这种盘式制动器又叫做点盘式制动器。按制动钳的结构不同，有以下几种。1.固定钳式：在制动钳体上有两个液压油缸，其中各装有一个活塞。当压力油液进入两个油缸活塞外腔时，推动两个活塞向内将位于制动盘两侧的制动块总成压紧到制动盘上，从而将车轮制动。当放松制动踏板使油液压力减小时，回位弹簧又将两制动块总成及活塞推离制动盘。这种型式也称为对置活塞式或浮动活塞式。 优点：除活塞和制动钳以外无其他滑动件，易保证制动钳的刚度、结构和制造工艺易于实现鼓式到盘式的改进、适应于分路系统要求。缺点：制动器径向和轴向尺寸受油道布置的影响而较大，增加了汽车布置难度，不适应现代轿车，固定钳易使制动液温度过高而汽化。2.浮动钳式：浮动钳式盘式制动器的制动钳体是浮动的。其浮动方式有两种，一种是制动钳体可作平行滑动；另一种是制动钳体可绕一支承销摆动。因而有滑动钳式盘式制动器和摆动钳式盘式制动器之分。但它们的制动油缸均为单侧的，且与油缸同侧的制动块总成是活动的，而另一侧的制动块总成则固定在钳体上。制动时在油液压力作用下，活塞推动活动制动块总成压靠到制动盘，而反作用力则推动制动钳体连同固定制动块总成压向制动盘的另一侧，直到两制动块总成受力均等为止。
（2）全盘式制动器的固定摩擦元件和旋转元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全部接触。其工作原理如摩擦离合器，故又称为离合器式制动器。但这种制动器的散热性能较差，故多为油冷式，结构较复杂。
最后，根据各种制动器的优缺点，考虑到所适应的车型、现代乘用车制动器应用发展趋势以及经济成本，满足本课题任务要求，该车前制动器采用滑动钳盘式制动器。
2.3行车制动器的标准和法规
行车制动效能是用在一定的制动初速度下或最大踏板力下的制动减速度和制动距离两项指标来评定，它是制动性能最基本的评价指标。表（2—1）给出了中、欧、美等国的有关标准或法规对这两项指标的规定。
表（2—1）制动距离和制动稳定性要求
项目 中国GB7258 EEC 71/732 瑞典 F18 美国联邦105
试验路面 φ≥0.7 附着良好 φ＝0.8 Skid No81
载重 空载（满载） 1人或满载 任何载荷 轻载、满载
制动初速 50km/h 80km/h 80km/h 80km/h
方向稳定性 偏出≤2.5m 不抱死跑偏 不抱死跑偏 不抱死，偏出≤3.7m
距离或减速度 ≤19 (20)m
≥6.2(5.9)m/s2 ≤50.7m,
≥5.8m/s2 ≥5.8m/s2 ≤65.8m
(216ft)
踏板力 ≤500N ≤490N ≤490N ≤66.7~667N
综合国外有关标准和法规，可以认为：进行制动效能试验时的制动减速度j，轿车应为5.8～7m/s2（制动初速度v=80km／h）；载货汽车应为4.4～5.5m／s2 (制动初速度见表2—1)。相应的最大制动距离ST：轿车为ST=0.1v+v2/150；货车为ST=0.15v+ v2/115，式中第一项为反应距离；第二项为制动距离，ST单位为m；v单位为km／h。
我国一般要求制动减速度j不小于0.6g(5.88 m／s2)，其条件如下：轿车制动初速度50～80km/h、踏板力不大于400N；小型客车（9座以下）和轻型货车（总重3.5t以下）制动初速度50～80km/h、踏板力不大于500N;其它汽车制动初速度30～60km/h、踏板力不大于700N。但实际上踏板力值比法规规定小，要考虑操纵轻便性与同类车比较来确定。
第3章 制动器的主要参数及其选择
制动器设计中需要预先给定的哈飞民意车整车参数有：汽车轴距L=2470mm；车轮有效 =280mm；汽车空、满载时的总质量 =1000Kg， =1560Kg；空、满载时的轴荷分配：前轴负荷 =600Kg， =936Kg；后轴负荷 ， ；空、满载时的质心位置：质心高度 =1000mm， =800mm；空、满载质心距前轴距离 =988mm， =1165mm；质心距后轴距离 =1482mm， =1305mm等。
3.1制动力与制动力分配系数
汽车制动时，如果忽略路面对车轮的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性力矩，则任一角速度 >0的车轮，其力矩平衡方程为:
(3—1)
式中 ——制动器对车轮作用的制动力矩，即制动器的摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向相反，N•m；
——地面作用于车轮上的制动力，即地面与轮胎之间的摩擦力，又称地面制动力，其方向与汽车行驶方向相反，N；
——车轮有效半径，m。令 （3—2）
并称之为制动器制动力， 与地面制动力 的方向相反，当车轮角速度 >0时，大小亦相等，且 仅由制动器结构参数所决定。即 取决于制动器的结构型式、尺寸、摩擦副的摩擦系数及车轮有效半径等，并与制动踏板力即制动系的液压或气压成比例。当加大踏板力以加大 ， 和 均随之增大。但地面制动力 受着附着条件的限制，其值不可能大于附着力 ，即 ≤ （3—3）
或 （3—4）
式中 ——轮胎与地面间的附着系数； Z——地面对车轮的法向反力，N。
当制动器制动力 和地面制动力 达到附着力 值时，车轮即被抱死并在地面上滑移。此后制动力矩 即表现为静摩擦力矩，而 即成为与 相平衡以阻止车轮再旋转的周缘力的极限值。当制动到 =0以后，地面制动力 达到附着力 值后就不再增大，制动器制动力 由于踏板力 的增大使摩擦力矩 增大而继续上升如图(3—1)。
根据汽车制动时的整车受力分析如图3—2，考虑到制动时的轴荷转移，可求得地面对前、后轴车轮的法向反力Z1，Z2为：
（3—5）
汽车总的地面制动力为:
(3—6)
式中 q（ ）——制动强度，亦称比减速度或比制动力；
， ——前后轴车轮的地面制动力，N。
由以上两式可求得前、后轴车轮附着力为:
（3—7）
（3—8）
上式表明：汽车在附着系数 为任意确定值的路面上制动时，各轴附着力即极限制动力并非为常数，而是制动强度q或总制动力 的函数。
由式(3—6)、式(3—7)和式(3—8)求得在任何附着系数 的路面上，前、后车轮同时抱死即前、后轴车轮附着力同时被充分利用的条件是：
(3—9)
由式(3—9)可知，前、后车轮同时抱死时，前、后轮制动器的制动力 ， 是 的函数。由式(3—9)中消去 ，得：
(3—10)
如果汽车前、后制动器的制动力 ， 能按I曲线的规律分配，则能保证汽车在任何附着系数 的路面上制动时，都能使前、后车轮同时抱死。然而，目前大多数两轴汽车尤其是货车的前、后制动器制动力之比值为一定值，并以前制动 与汽车总制动力 之比来表明分配的比例，称为汽车制动器制动力分配系数 ：
（3—11）
又由于在附着条件所限定的范围内，地面制动力在数值上等于相应的制动周缘力，故 又可通称为制动力分配系数。
3.2 同步附着系数计算
式 (3—11) 可表达为： (3—12)
当汽车在不同 值的路面上制动时，可能有以下情况：
(1)当 < ， 线位于I曲线下方，制动时总是前轮先抱死。它虽是一种稳定工况，但丧失转向能力。
(2)当 > ， 线位于I曲线上方，制动时总是后轮先抱死，这时容易发生后轴侧滑使汽车失去方向稳定性。
(3)当 = ，制动时汽车前、后轮同时抱死，是一种稳定工况，但也失去转向能力。
为了防止汽车的前轮失去转向能力和后轮产生侧滑，希望在制动过程中，在即将出现车轮抱死但尚无任何车轮抱死时的制动减速度，为该车可能产生的最高减速度。分析表明，汽车在同步附着系数 的路面上制动(前、后车轮同时抱死)时，其制动减速度为du/dt=qg= g，即q= ，q为制动强度。而在其他附着系数 的路面上制动时，达到前轮或后轮即将抱死时的制动强度q< ，这表明只有在 = 的路面上，地面的附着条件才得到充分利用。附着条件的利用情况可用附着系数利用率 (或附着力利用率)来表达， 可定义为：
(3—13)
式中 ——汽车总的地面制动力，N；
G——汽车所受重力，N；
q——制动强度。
当 = 时， q= ， =1,利用率最高。
如何选择同步附着系数 ，是采用恒定前后制动力分配比的汽车制动系设计中的一个较重要的问题。在汽车总重和质心位置已定的条件下， 的数值就决定了前后制动力的分配比。
根据设计经验，空满载的同步附着系数 和 应在下列范围内：轿车：0.65～0.80；轻型客车、轻型货车：0.55～0.70；大型客车及中重型货车：0.45～0.65。
如何选择同步附着系数 ，是采用恒定前后制动力分配比的汽车制动系设计中的一个较重要的问题。在汽车总重和质心位置已定的条件下， 的数值就决定了前后制动力的分配比。
理想情况下，前后车轮同时抱死，前后制动器的制动力计算根据所给定的技术参数、公式 、 、F .取 分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0时计算空载和满载的制动器制动力，如表(3—1)。
表(3—1) 空载和满载的制动器制动力
空载 满载
F KN
F KN
F / F
F KN
F KN
F / F
0.1 0.54 0.32 1.69 0.64 0.52 1.23
0.2 1.13 1.60 1.88 1.34 0.99 1.35
0.3 1.77 0.82 1.16 2.10 1.40 1.5
0.4 2.37 1.00 2.37 2.90 1.76 1.65
0.5 3.2 1.13 2.83 3.75 2.07 1.81
0.6 3.98 1.21 3.29 4.66 2.32 2.00
0.7 4.82 1.24 3.89 5.63 2.52 2.23
0.8 5.70 1.22 4.67 6.65 2.67 2.50
0.9 6.62 1.16 5.71 7.72 2.60 3.0
1.0 7.60 1.05 7.24 8.84 2.51 3.52
满载时取 F / F ＝2.23，则 ，
同步附着系数 ＝ （3—14）
空载时 ＝0.32，满载时 ＝0.70
根据设计经验，满载的同步附着系数 应在下列范围内：轿车：0.65～0.80；轻型客车、轻型货车：0.55～0.70；大型客车及中重型货车：0.45～0.65。
3.3 制动器最大制动力矩
最大制动力是在满载时汽车附着质量被完全利用的条件下获得的，这时制动力与地面作用于车轮的法向力 , 成正比。由式(3—8)可知，双轴汽车前、后车轮附着力同时被充分利用或前、后轮同时抱死时的制动力之比为：
=2.7
式中 , ——汽车质心离前、后轴距离，mm;
——同步附着系数；
——汽车质心高度，mm。
制动器所能产生的制动力矩，受车轮的计算力矩所制约，即：
式中 ——前轴制动器的制动力，N ;
——后轴制动器的制动力，N ;
——作用于前轴车轮上的地面法向反力，N；
——作用于后轴车轮上的地面法向反力，N；
——车轮有效半径，mm。
对于常遇到的道路条件较差、车速较低因而选取了较小的同步附着系数 值的汽车，为了保证在 的良好的路面上（例如 =0.7）能够制动到后轴和前轴先后抱死滑移（此时制动强度 ），前、后轴的车轮制动器所能产生的最大制动力力矩为：
（3—15）
（3—16）
对于选取较大 值的各类汽车，则应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定各轴的最大制动力矩。为了保证在 的良好路面上能制动到后轴车轮和前、后车轮先后抱死滑移，相应的极限制动强度 ，故所需的后轴和前轴的最大制动力矩为：
(3—17)
(3—18)
式中 ——该车所能遇到的最大附着系数；
q——制动强度;
——车轮有效半径，m。
因为所选取的车型为哈飞民意乘用车，所遇道路路面较好，同步附着系数也较高。所以采取公式（3—17）和（3—18）计算制动器在路面附着系数为0.8时的后轴和前轴最大制动力矩：
后轴： =
= =753(Nm)
前轴： = 1676(Nm)
式中 ——该车所能遇到的最大附着系数， =0.8；
q——制动强度；
——车轮有效半径， =0.28m。
一个车轮制动器应有的最大制动力矩为按上公式计算所得结果的半值。
3.4 利用附着系数和制动效率
为了防止前轴失去转向能力和后轴侧滑，汽车在制动过程中最好不要出现前轮先抱死的危险情况，也不要出现后轮先抱死或前、后轮都抱死的情况，所以应当在即将出现车轮抱死但还没有任何车轮抱死时的制动减速度作为汽车能产生的最高制动减速度。若在同步制动附着系数的路面上制动，则汽车的前、后车轮同时达到抱死状态，此时的制动强度q= ， 为同步附着系数。而在其他附着系数的路面制动时到达前轮或后轮抱死的制动强度小于路面附着系数，表明只有在 = 的路面上，地面的附着力才能充分被利用。所谓利用附着系数是：在某一制动强度q下,不发生任何车轮抱死所需要的最小路面附着系数 。显然，利用附着系数 愈接近制动强度q，即 值愈小，或q/ (附着效率)愈大，则路面附着条件就发挥得愈充分，汽车制动力的分配的合理程度就愈高。
3.4.1利用附着系数
前轴的利用附着系数
设汽车的前轮刚要抱死或前后轮刚要同时抱死时产生的制动减速度为 ，则：
； ;
(3—19)
后轴利用附着系数 ：
根据前轴附着系数求法同理可得：
；F =
= (3—20)
分别取ｑ＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0，把所给的技术参数代入，在 时求 、 在不同路面附着系数下的值。
3.4.2制动效率E 、E
前轴制动效率E = （3—21）
后轴制动效率E = （3—22）
分别取 ＝0.1、0.2、0.3、0.1、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0，把所给的技术参数代入公式3—21和公式3—22，在 时求E 、E 在不同路面附着系数下的值。
3.5制动器制动性能核算
根据GB7258轿车制动器制动性要求取制动初速度V=50Km/h,路面附着系数为 =0.8。
满载：制动距离S= （3—23）
式中： —轿车制动系统协调时间
—减速度增长时间
—最大制动减速度 = E ×g×0.8=7.73m
将上述值代入公式（3—23）得：
S=14.42m<[S]=19m
所以满足要求。
第4章 制动器主要零件的设计计算
4.1制动盘主要参数的确定
4.1.1制动盘
制动盘一般由珠光体灰铸铁制成，制动盘在工作时不仅承受着制动块的作用的法向力和切向力，而且承受着热负荷。
制动盘的工作表面应光滑平整，制造时应严格控制端面的跳动量，两侧表面的平行度不应大于0.008mm，盘的表面粗糙度不应大于0.1mm，制动盘表面粗糙度不应大于0.06mm。
表4—1 一些轿车制动盘技术要求
车型 表面跳动量/mm
两侧表面的不平行度/mm
静不平衡量/N
奥迪 0.03
0.01
0.5
云雀 0.05
0.03
1.5
奥拓 0.015
1.0
4.1.2制动盘直径D
该车选用的轮胎规格为165/70 R13.查标准得轮辋直径Dr为330mm。
制动盘直径D应尽可能取大些，这时制动盘的有效半径得到增加，可以降低制动钳的夹紧力，减少衬块的单位压力和工作温度。受轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为轮辋直径的70%—79%。选取制动盘直径：因为主要设计前制动器所以只选择前制动盘D =75%Dr=0.75×330=248mm
4.1.3制动盘厚度h
制动盘厚h对制动盘质量和工作时的温升有影响。为使质量小，制动盘的厚度不宜取得很打；为了降低温度，制动盘的厚度又不宜取得过小。制动盘可以做成实心的，或者为了散热通风的需要在制动盘中间铸出通风孔。一般实心制动盘厚度可取为10—20mm，通风制动盘厚度可取20—50mm，采用较多的是20mm—30mm.选取前实心制动盘厚度为h =12mm.
4.2摩擦衬块主要参数的确定
4.2.1摩擦衬块内半径R1和外半径 R2
推荐摩擦衬块外半径R2与内半径R1的比值不大于1.5.若比值偏大，工作时衬块的外圆与内侧圆周速度相差较多，磨损不均匀，接触面积减小，最终导致制动力矩变化较大。
取前制动器摩擦衬块外半径R2 =120mm，内半径R1 =80m；
对于常见的扇形摩擦衬块，如果其径向尺寸不大，取R为平均半径 或有效半径 已足够精确。如图4—2所示：
前制动器摩擦衬块平均半径： =100mm；
4.2.2摩擦衬块有效半径
盘式制动器的计算用简图如图4—3所示，今假设衬块的摩擦表面与制动盘接触良好，且各处的单位压力分布均匀，则盘式制动器的制动力矩为：
（4—1）
根据图4—2，在任一单元面积只RdR 上的摩擦力对制动盘中心的力矩为 ，式中p为衬块与制动盘之间的单位面积上的压力，则单侧制动块作用于制动盘上的制动力矩为：
（4—2）
单侧衬块给予制动盘的总摩擦力为：
（4—3）
f—摩擦系数 f=0.36
—摩擦衬块扇行弧度角一半 =
得有效半径为：
（4—4）
令 ，则有：
前制动器制动衬块有效半径： =101.3mm
4.2.3 摩擦衬块的面积和磨损特性计算
摩擦衬块的磨损，与摩擦副的材质、表面加工情况、温度、压力以及相对滑磨速度等多种因素有关，因此在理论上要精确计算磨损性能是困难的。但试验表明，摩擦表面的温度、压力、摩擦系数和表面状态等是影响磨损的重要因素。
汽车的制动过程是将其机械能(动能、势能)的一部分转变为热量而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎承担了耗散汽车全部动力的任务。此时由于在短时间内热量来不及逸散到大气中，致使制动器温度升高。此即所谓制动器的能量负荷。能量负荷愈大，则衬片衬块的磨损愈严重。
表4—2制动器摩擦衬块摩擦面积
汽车类别 汽车总质量
m /t
单个制动器总的衬块摩擦面积
轿车 0.9—1.5 100—200
1.5—2.5 200—300
客车与货车 1.0—1.5 120—200
1.5—2.5 150—250
2.5—3.5 250—400
3.5—7.0 300—650
7.0—12.0 550—1000
12.0—17.0 600—1200
制动器的能量负荷常以其比能量耗散率作为评价指标。比能量耗散率又称为单位功负荷或能量负荷，它表示单位摩擦面积在单位时间内耗散的能量，其单位为W／mm2。双轴汽车的单个前轮制动器的比能量耗散率分别为：
（4—5）
= =4.73（s） （4—6）
式中 ——汽车回转质量换算系数；
——汽车总质量， =1560Kg；
， ——汽车紧急制动初速度与终速度，m／s；计算时取 km/h(27.8m/s)， =0；
j——制动减速度，m／s2，计算时取j=0.6g；
t——制动时间，s；
——单个前、后制动器总的衬块摩擦面积，cm ；
——制动力分配系数， =0.69。
推荐根据制动摩擦衬块单位面积占有的汽车质量在1.6Kg/cm —3.5Kg/cm ，
则：单个前制动器总的衬块摩擦面积:
得到：44 cm < cm ；
最后取 =130(（cm )； 。
在紧急制动到 时，并可近似地认为 ， 将所有参数代入公式4—5和4—6得到： = (w/mm )
乘用车盘式制动器的比能量耗散率应不大于6.0W／mm2。比能量耗散率过高，不仅会加速制动衬块的磨损，而且可能引起制动盘的龟裂。设计符合要求。
4.2.4摩擦衬块参数设计核算
根据前面3.3所求汽车最大制动器制动力矩所得，汽车所遇路面最大附着系数为 且此时所需前轴 =1676Nm ；对以上参数的设计做核算。
前轮实际制动力矩=4×
式中：f—摩擦系数 ， f=0.36；
—摩擦衬块扇行弧度角一半， = ；
P —前制动器衬块与制动盘之间的单位面积压力，P =3N/mm ；
前制动器摩擦衬块外半径R2 =120mm，内半径R1 =80mm；
求得：
前轮实际制动力矩=4×
=1823Nm > Nm
故设计符合要求。
4.3液压制动驱动机构的设计计算
制动轮缸为液压制动系统采用的活塞式制动衬块张开机构，结构简单在车轮制动器中布置简单方便。轮缸的缸体由灰铸铁HT250制成。其缸筒为通孔，需镗磨。活塞由铝合金制造。轮缸的工作腔由装在活塞上的密封橡胶圈密封。滑动钳盘制动只有单侧有油缸。
4.3.1制动轮缸直径d与工作容积V
制动轮缸对制动块的作用力P与轮缸直径 及制动轮缸中的液压P有如下关系：
(4—7)
式中 ——考虑制动力调节装置作用下的轮缸或管路液压， = 10MPa。
制动管路液压在制动时一般不超过10～12MPa，对盘式制动器可再高些。压力愈高轮缸直径就愈小，但对管路特别是制动软管及管接头则提出了更高的要求，对软管的耐压性、强度及接头的密封性的要求就更加严格。 取前制动器轮缸直径 =24mm，后制动器轮缸直径d =16mm。单个轮缸的工作容积：
（mm ） （4—8）
式中 ——一个轮缸活塞的直径， =24mm ；d =16mm；
n——轮缸的活塞数目，n=1；
——一个轮缸活塞在完全制动时的行程： 。盘式制动器 可取1mm；
——消除制动块与制动盘间的间隙所需的轮缸活塞行程，mm；
——因摩擦衬块变形而引起的轮缸活塞行程，mm。
将上述值代入公式（4—9）得到：
前制动器单个轮缸工作容积 =452 mm ；后制动器单个轮缸工作容积 =200 mm
全部轮缸的总工作容积：
=2×（452+200）=1304mm （4—9）
式中 m——轮缸数目。
4.3.2制动主缸直径与工作容积
（4—10）
式中 ——制动软管在液压下变形而引起的容积增量。
在初步设计时，考虑到软管变形，轿车制动主缸的工作容积可取为 ，式中V为全部轮缸的总工作容积。
主缸活塞直径 和活塞行程 可由下式确定：
=1.1×1304=1435 mm (4—11)
一般活塞行程 =（0.8～1.2） ；取 =
根据上述公式和参数计算所得 = =12.2mm.
取主缸直径为 =14.5mm
4.3.3制动踏板力
F （4—12）
取踏板机构传动比 =5；踏板机构及液压主缸的机械效率 0.9.
求得F 。
4.3.4踏板工作行程
= ( + )=5×（14.5+2+1.5）=90mm （4—13）
—主缸中推杆与活塞间的间隙一般取1.5mm—2mm，取 =2mm；
—主缸活塞空行程一般取1.5mm。求得 =90mm，小于150mm，符合要求。
第5章 制动器主要零件的结构设计
5.1制动钳
制动钳图5—1，由可锻铸铁KTH370—12或球墨铸铁QT400—18制造，也有用轻合金制造的，可做成整体的，也可做成两半并由螺栓连接。其外缘留有开口，以便不必拆下制动钳便可检查或更换制动块。制动钳体应有高的强度和刚度。一般多在钳体中加工出制动油缸，也有将单独制造的油缸装嵌入钳体中的。为了减少传给制动液的热量，多将杯形活塞的开口端顶靠制动块的背板有的活塞的开口端部切成阶梯状，形成两个相对在同一平面内的小半圆环形端面。活塞由铝合金制造。为了提高耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。当制动钳体用铝合金制造时，减少传给制动液的热量成为必须解决的问题。为此，应减小活塞与制动块背板的接触面积，有时也可采用非金属活塞。本次设计中制动钳体采用球墨铸铁，做成整体式，活塞做成圆桶式以减小接触面积。
5.2制动块
制动块由背板和摩擦衬块构成，两者直接压嵌在一起。衬块多为扇形，也有矩形、正方形或长圆形的。活塞应能压住尽量多的制动块面积，以免衬块发生卷角而引起尖叫声。制动块背板由钢板制成。剧统计，日本轿车和轻型汽车摩擦块的厚度在7.5mm—16mm之间。许多盘式制动器装有衬块磨损达极限时的警报装置，以便及时更换摩擦衬块，我们可以选取厚度为16mm的扇形摩擦衬块。
5.3摩擦材料
制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数，抗热衰退性能，不能在温度升到某一数值后摩擦系数突然急剧下降：材料的耐磨性好，吸水率低，有较高的耐挤压和耐冲击性能；制动时不应产生噪声和不良气味，应尽量采用少污染相对人体无害的摩擦材料。
各种摩擦材料摩擦系数的稳定值约为0.3～0.5，少数可达0.7。设计计算制动器时一般取0.3～0.5。选用摩擦材料时应注意,一般说来，摩擦系数越高的材料其耐磨性越差。
综合分析各种材料的优劣取模压材料作为摩擦块的摩擦材料。
5.4盘式制动器工作间隙的调整
钳盘式制动器不仅制动间隙小(单侧0.05～0.15mm),在此设计间隙为0.15mm,而且制动盘受热膨胀后对轴向间隙几乎没有影响，所以一般都采用一次调准式间隙自调装置,最简单且最常用的结构是在缸体和活塞之间装一个兼起复位和间隙调节作用的带有斜角的橡胶密封圈,制动时密封圈的刃边是在活塞给予的摩擦力的作用下产生弹性变形,与极限摩擦力对应的密封圈变形量几等于设定的制动间隙.当衬块磨损而导致所需要的活塞行程增大时,在密封圈达到极限变形之后，活塞可在液压作用下克服密封圈的摩擦力密继续前移到实现完全制动为止,活塞与密封圈之间这一不可恢复的相对位移边补偿了这一过量间隙.接触制动后活塞在弹力作用下退回，直到密封圈的变形完全消失为止,这时摩擦块与制动盘之间重新恢复到设定间隙。
致谢
本论文是在尊敬的导师老师的悉心指导下完成，在本文选题、课题研究以及论文撰写过程中，老师都倾注了大量心血。导师严谨的治学态度、渊博的学识、博大的胸怀和正直的为人风范，都令我收益匪浅。老师不仅在学术上给予我极大的支持，在生活上也给我许多关心和帮助，在此，谨向老师致以衷心的感谢。同时感谢在设计过程期间学校汽修站的师傅们给予的帮助和指点，感谢朱宝全老师、席阵鹏老师等在学习工作上的耐心指导和无私的帮助。
感谢吴智勇、贵宾、梅全仁等同学在课题上给我的意见和帮助。同时也要感谢我所有的同学，他们诚挚的帮助给予我奋斗的力量，朝气蓬勃的精神给予我生活的快乐，对他们致以我内心的谢意。大学期间，我的父母和亲人给予了我许多鼓励和支持，任何语言都难以表达我对他们的感情，真心祝愿他们幸福安康!
参考文献
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[16] 汽车用制动器衬片.JISD441—1993
附录1
汽车盘式制动器发展浅析
近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，车辆制动器在车辆的安全方面表现得越来越明显鼓式制动器是最早形式的汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛用于各类汽车上。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。然而随着汽车速度的提高和对制动性能的要求越来越高，现代乘用车的车轮除了使用铝合金车圈来降低运行温度外，还倾向于采用综合性能较好的盘式制动器。盘式制动器逐渐开始取代了鼓式制动器在汽车上应用.
国内汽车盘式制动器的发展
随着我国汽车工业技术的发展,特别是轿车工业的发展,合资企业的引进，国外先进技术的进入，汽车上采应用盘式制动器配置才逐步在我国形成规模。特别是在提高整车性能、保障安全、提高乘车者的舒适性，满足人们不断提高的生活物质需求、改善生活环境等方面都发挥了很大的作用。 在轿车、微型车、轻卡、SUV及皮卡方面：在从经济与实用的角度出发，一般采用了混合的制动形式，即前车轮盘式制动，后车轮鼓式制动。因轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%－80%，所以前轮制动力要比后轮大。生产厂家为了节省成本，就采用了前轮盘式制动，后轮鼓式制动的混合制动方式。采用前盘后鼓式混合制动器，这主要是出于成本上的考虑，同时也是因为汽车在紧急制动时，轴荷前移，对前轮制动性能的要求比较高，这类前制动器主要以液压盘式制动器为主流，采用液压油作传输介质，以液压总泵为动力源，后制动器以液压式双泵双作用缸制动蹄匹配。目前大部分轿车(中档类如夏利、吉利、神龙富康、上海华普、捷达)、微型车（长安之星、昌河、丰田海狮、天津华利、江铃全顺）、高端轻卡（东风小霸王、江铃、瑞风、南京依维柯）、SUV及皮卡（湖南长丰、江铃皮卡）等采用前盘后鼓式混合制动器。但随着高速公路等级的提高，乘车档次的上升，特别上国家安全法规的强制实施，前后轮都用盘式制动器是趋势。在大型客车方面：盘式制动器产品技术先进性明显。可靠性总体良好，具有创新性和技术标准的集成性。欧美国家自上世纪90年代初开始将盘式制动器用于大型公交车。至2000年，盘式制动器(前后制动均为盘式)已经成为欧美国家城市公交车的标准配置。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，因进口产品价格太高，主要用于高端产品。北京、上海、广州、深圳、武汉等公交公司，都在使用为大客车匹配的气压盘式制动器。目前，宇通公司、厦门金龙客车、丹东黄海客车、安徽凯斯鲍尔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。
国外汽车盘式制动器的发展
国外汽车研发机构经过多年的研究和试验，气压盘式制动器在所有的主要性能方面都优于传统的鼓式制动器，并将其广泛使用在新型的载重汽车上。现在一些欧洲汽车公司制造的汽车上，均已开始大量使用气压盘式制动器总成（这种气压盘式车轮制动器装配组装在汽车的前后车桥总成上）。目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面，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。而且为了降低自重和经营成本，盘式制动器不仅用于主车的前后桥上，也装配于挂车车桥。BPW还与Knorr公司合作，研制出一种新的盘式制动器，在这种盘式制动器上，固定制动钳是从侧面用螺栓连接，改变了一贯轴向用螺栓连接的方式。固定制动钳螺栓采用全长螺纹。该盘式制动器重量减轻8～10kg。另外电子技术也进入了车桥总成。在装有盘式制动器的车桥上，为了防止货车因盘式制动器磨损引发制动失灵，德国BPW公司还开发了称为“E—Base—轴(桥)”的一种电子报警系统。该小盒子它收集如轮胎气压，摩擦片磨损、制动温度等一些参数，然后传送给驾驶员或运输公司，可监视制动摩擦片的磨损情况。一旦发现制动摩擦片需要送维修站处理时，它可立即告知。该装置可在无电源时工作，可安装在挂车以外的任何地方，并与监视制动摩擦片的传感器连线，以黄、红报警灯显示制动摩擦片损坏程度。“E—Base—轴(桥)”还可与牵引车的CAN-Bus系统通过一个简单的接口对接。
汽车盘式制动器发展的趋势
现代汽车盘式制动器的研究和开发应注重的问题主要是．提高制动器的制动效能、防止尘污和锈蚀，减轻重量、简化结构、降低成本，更多的是电子报警和智能化系统的发展．实用性更强与寿命更长。当前制动器的研究与差距主要是体现在驱动机构的电子化程度。2000年，国外装配盘式制功器的车桥已占到了所有车桥总成的一半以上。盘式制动器经过这几年的不断开发和改进，发展非常迅猛。各大公司除在原有轿车用液压盘式制动器有较大的发展外，更注重在中、重汽车领域开发气压盘式制动器。电子技术进入了车桥总成后，在装有盘式制动器的车桥上．为了防止货车因盘式制动器磨损引发制动失灵，德国BPW公司还开发了一种电子报警系统。它收集如轮胎气压、摩擦片磨损、制动温度等一些参数，然后传送给驾驶员或运输公司，可监视制动摩擦片的磨损情况。一旦发现制动摩擦片需要送维修站处理时，它可立即告知，并以黄、红报警灯显示制动摩擦片损坏程度。此外目前，ABS已成为这些国家生产轿车的标准装备，成为欧、美和日本的成熟产品，并以ABS为基础，延伸出许多更优越的电子制动系统，如：ASR、EBD、BAS、ESP、EBA、TCS、VDC及ACC等等。在车辆模块化、集成化、电子化、车供能源的高压化的趋势驱动下，车辆制动系统也朝着电子化方向发展，很多汽车和零部件厂商都进行了电制动系统的研究和推广，博世、西门子、特维斯等公司已经研制出一些试验成果，电制动系统必将取代传统制动系统，汽车底盘进一步一体化、集成化，制动系统性能也会发生质的飞跃。
附录2
Development of automotive disc brake
In recent years, with vehicle technology and vehicle speed, brake at the vehicle's safety performance of vehicles are becoming more and more apparent brake drum was one of the earliest forms of the brakes, when the disc brake has not yet appeared, it has Widely used in various types of vehicles. Its brake drum design in 1902 had been used in the carriage on until 1920 or so before the beginning of the automobile industry in the widely used. However, with the vehicle speed and braking performance on the increasingly high demand for modern passenger cars in addition to the use of aluminum alloy wheels of cars circle to reduce operating temperature, but also tend to adopt a better performance disc brake . Disc brake gradually begun to replace a brake drum in the automotive application.
Domestic car disc brake development
China's automobile industry as the technology development, especially in the car industry, the introduction of the joint venture, the entry of foreign advanced technology, mining, automotive disc brake application to configure it step by step in our scale. In particular, to improve vehicle performance, safety and improve the ride comfort, people rising to meet the material needs of life to improve the living environment has played a big role. In the car, mini-car, light truck, SUV and pickup areas: the economy and from the practical point of view, generally in the form of a mixture of the brake, that is, pre-wheel disc brakes, wheels after the brake drum. As a result of braking in cars, due to the inertia effect of the front load is usually full load of motor vehicles accounted for 70% -80%, the rear than the front wheel braking force large. In order to save manufacturing costs, using a front-wheel disc brakes, rear drum brakes the brake mixed mode. Qianpanhougu mixed-use brakes, mainly because of cost considerations, but also because the car in an emergency braking, forward and axle-load, front-wheel brake on the requirements of higher performance, this type of brake before the main Hydraulic disc brake to the mainstream, using hydraulic fluid medium for transmission to hydraulic power source for the master cylinder, brake later to double-pump hydraulic cylinder dual role of the brake shoe to match. At present, most of the car (mid-range category, such as Xiali, Geely, Dongfeng Peugeot Citroen Fukang, Shanghai Maple, Jetta), the micro-car (Changan Star, Changhe, sea lions, Toyota, Tianjin, Beverly, Jiangling Transit), high-end light Card (Cassidy and the Sundance Kid Dongfeng, Jiangling, Refine, Nanjing Iveco), SUV and pickup (Hunan Changfeng, pickup JMC), and other mixed-used Qianpanhougu brake. However, with the level of highway improvements, the level of increase in travel, especially on national security and law enforcement, Qian Houlun are disc brake is the trend. In the large-scale passenger car: disc brake significantly advanced technology products. The reliability of the overall good, innovative and technical standards of integrity. Europe and the United States since the early 1990s to the beginning of disc brake for large buses. To 2000, disc brake (both before and after the brake disc) Europe and the United States has become a city bus standard. From the beginning of our country in 1997 in the heavy-duty vehicles and buses to promote anti-lock disc brakes and ABS systems, as a result of high prices of imported products, mainly for high-end products. Beijing, Shanghai, Guangzhou, Shenzhen, Wuhan, and other public transport companies, are using buses to match the disc brake pressure. At present, the company Yutong, Xiamen Golden Dragon Bus, Bus Yellow Dandong, Kaisibaoer Anhui, and other well-known large-scale domestic manufacturers have been in mass production with high-grade passenger car disc brake.
Foreign car disc brake development
Automobile R & D institutions abroad after years of research and testing, disc brake pressure on all the main aspects of performance are superior to conventional drum brakes, and widely used in the new truck on. Now some European auto companies manufacturing cars, have started large-scale use of air disc brake assembly (such pressure wheel disc brake assembly in the assembly of motor vehicles on the assembly before and after the train-bridge). At present, automobile brake on the research focused on the braking control, today, ABS / ASR has become Europe and the United States and Japan and other developed countries, the standard automotive equipment. In order to reduce operating costs and self-respect, not only for the disc brake of the car before and after the main bridge, also in the assembly Axle trailer. BPW also Knorr companies developed a new disc brake, in which disc brake, brake fixed from the side of the clamp bolt used to connect, has changed the axial bolts used to connect. Fixed brake clamp bolt used a total length of thread. The disc brake to reduce the weight of 8 ~ 10kg. Other electronic technology into the train-bridge assembly. In the disc brake with the vehicle-bridge, in order to prevent the truck as a result of brake wear and tear caused Zhidongshiling, Germany BPW also known as the development of the "E-Base-axis (bridge)," an electronic alarm system. The small box to collect it, such as tire pressure, friction and wear and tear film, brake temperature and other parameters, and then transmitted to the driver or transport company can monitor Brake wear. Once a need to send Brake repair stations to deal with, it can be immediately informed. The device may not work when the power supply can be installed in any place other than the trailer and watch Brake sensors connect to yellow and red warning lights show the extent of damage to the Brake. "E-Base-axis (Bridge)" and also the tractor CAN-Bus system through a simple interface and docking.
Automotive disc brake development trend
Hyundai Motor disc brake of the research and development should focus on the major issues yes. Improve the braking performance of the brakes to prevent corrosion and dust pollution, to reduce weight, simplify the structure, reduce costs, more intelligent and electronic alarm systems. More practical and longer life expectancy. At present, the gap between research and the brake is reflected in the drive mechanism of the electronic degree. In 2000, foreign-disc assembly of Power Axle has accounted for all the assembly of more than half of the Axle. Disc brake after several years of continuous development and improvement of rapid development. In addition to the major companies in the original car with hydraulic disc brakes have a greater development, but also pay attention to in the re-development in the field of automotive disc brake pressure. Electronic technology into the train-bridge assembly, with the disc brake of the train-bridge. In order to prevent the truck as a result of brake wear and tear caused Zhidongshiling, Germany BPW also developed an electronic alarm system. If it is to collect tire pressure, friction and wear and tear film, brake temperature and other parameters, and then transmitted to the driver or transport company can monitor Brake wear. Once a need to send Brake repair stations to deal with, it can be immediately informed, and yellow and red warning lights show the extent of damage to the Brake. Also present, ABS production in these countries have become standard equipment in cars, into Europe, the United States and Japan are mature products, and ABS-based, an extension of a number of better electronic braking systems, such as: ASR, EBD, BAS, ESP, EBA, TCS, VDC and the ACC, and so on. In the vehicle modular, integrated, electronic, high-energy vehicles for trend-driven, the vehicle braking system is also moving in the direction of the development of electronic, automobile and parts manufacturers, many have had electric braking system and Promotion, Bosch, Siemens, such as Carlos Tevez has developed a number of test results, the electric braking system is bound to replace the traditional brake systems, chassis integration, integration, braking system will be a qualitative leap forward. |
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