盘式制动器课程设计

汽车构造课程设计说明书
设计名称：汽车制动器设计
设计时间 2010年10-12月
系别机电工程系
专业汽车服务工程
班级
姓名
指导教师
2010 年 12月 12 日
目录
一．课程设计的目的 (1)
二．课程设计的任务 (1)
三．制动器的概述及分类 (3)
四．制动器的设计 (12)
1．汽车盘式制动器的工作原理 (12)
2．已知条件 (14)
3．主要参数的确定 (15)
4．零件图 (20)
5. 装配图 (24)
五．本次课程设计的总结 (25)
六．参考资料 (29)
Ⅰ
一课程设计的目的
加强了我们动手、思考和解决问题的能力同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个零件的功能，而且考试内容有限，通过本次课程设计加深对汽车制动系统的了解并能熟练运用构造课的理论知识解决实际问题，增强运用CAD制图能力，规范工程制图。

二课程设计的任务
已知条件：（1）假设地面的附着系数足够大；
（2）蹄、盘正压力的分布状态可由学生自行假设
（3）工作环境：设定为高温状态
（4）制动摩擦系数取值范围：0.25≤f≤0.55
（5）制动器具体结构可参考汽车实验室相关制动器结构，也可由学生自行设计。

（6）车重为1.8吨，前后质量分配为40%和60%，轮胎型号为215/80R16，时速为100千米/小时，紧急刹车距离为15米，
按以上要求设计前轮驱动轮的液压浮钳盘式制动器
设计工作量：（1）制动器设计计算说明书1份（不少于8000汉字，不包括图表）。

（2）制动器装配图1张（A0图纸）；图纸必须涵盖制动器总成及车轮部分，总装图中，液压油路及刹车泵可用虚线绘制示意图。

（3）零件工作图2张（制动盘，制动钳体）。

前后轮重量分配示意图
三制动器的概述及分类
制动器就是刹车。

是使机械中的运动件停止或减速的机械零件。

俗称刹车、闸。

制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。

有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。

为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴上，但对安全性要求较高的大型设备(如矿井提升机、电梯等)则应装在靠近设备工作部分的低速轴上。

有些制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用。

制动器分为行车制动器（脚刹），驻车制动器（手刹）。

在行车过程中，一般都采用行车制动（脚刹），便于在前进的过程中减速停车，不单是使汽车保持不动。

若行车制动失灵时才采用驻车制动。

当车停稳后，就要使用驻车制动（手刹），防止车辆前滑和后溜。

停车后一般除使用驻车制动外，上坡要将档位挂在一档（防止后溜），下坡要将档位挂在倒档（防止前滑）。

使机械运转部件停止或减速所必须施加的阻力矩称为制动力矩。

制动力矩是设计、选用制动器的依据，其大小由机械的型式和工作要求决定。

制动器上所用摩擦材料（制动件）的性能直接影响制动过程，而影响其性能的主要因素为工作温度和温升速度。

摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性。

摩擦材料分金属和非金属两类。

前者常用的有铸铁、钢、青铜和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡胶、木材和石棉等。

汽车制动器按其在汽车上的位置分为车轮制动器和中央制动器，前者是安装在车轮处，后者则安装在传动系的某轴上，例如变速器第二轴后端或传动轴的前端。

摩擦式制动器按其旋转元件的形状可分为盘式和鼓式两大类。

鼓式制动器
鼓式制动器又叫块式制动器是靠制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。

分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器。

内张型鼓式制动器的固定摩擦元件是一对带有摩擦蹄片的制动蹄，后者又安装在制动底板上，而制动底板则又固定于前梁或后桥壳的突缘上（对车轮制动器）或变速器壳或其固定的支架上（对中央制动器）；其旋转摩擦元件为固定在轮毂上的变速器第二轴后端的制动鼓，并利用制动鼓的援助内表面与制动蹄摩擦片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩，故又称为蹄式制动器。

外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带；其旋转摩擦元件为制动鼓，并利用制动鼓外圆柱表面和制动带摩擦片的内圆弧面作为一对摩擦表面，产生摩擦力矩作用于制动鼓，故又称为带式制动器。

在汽车制动系中，带式制动器曾仅用作某些汽车的中央制动器，现在汽车已很少采用。

由于外束型鼓式制动器通常简称为带式制动器，而且在汽车上已经很少采用，所以内张型鼓式制动器通常简称为鼓式制动器，且通常所说的鼓式制动器即是指这种内张型鼓式制动式结构
鼓式制动器按蹄的属性分为：(1)领从蹄式制动器，(2)双领蹄式制动器，(3)双向双领蹄式制动器，(4)双从蹄式制动器，(5)单向增力式制动器，(7)双向增力式制动器
盘式制动器
盘式制动器又称为碟式制动器，顾名思义是取其形状而得名。

它由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。

制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。

分泵固定在制动器的底板上固定不动，制‘动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧，分泵的活塞受油管输送来的液压作用，推动摩擦片压向制动盘发生摩擦制动，动作起来就好像用钳子钳住旋转中的盘子，迫使它停下来一样。

盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。

特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，盘式制动比鼓式制动更容易在较短的时间内令车停下。

有些盘式制动器的制动盘上还开了许多小孔，以加速通风散热和提高制动效率。

盘式制动器按摩擦副中的固定摩擦元件的结构，盘式制动器分为钳盘式和全盘式制动器两大类。

钳盘式制动器的固定摩擦元件是两块带有摩擦衬片的制动块，后者装在以螺栓固定于转向节或桥壳上的制动钳体中。

两块制动块之间有作为旋转元件的制动盘，制动盘是用螺栓固定于轮毂上。

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。

全盘式制动器摩擦副的固定元件和旋转元件都是圆盘形的，分别称为固定盘和旋转盘，其工作原理与摩擦离合器相似。

盘式制动器结构图
全盘式制动器
钳盘式制动器按制动钳的结构形式又可分为几种：固定盘式制动器，浮动钳式盘式制动器。

(1)定钳盘式制动器
定钳盘式制动器示意图
1.制动盘
2.活塞
3.摩擦块
4.进油口
5.制动钳体
6.车桥部
跨置在制动盘1上的制动钳体5固定安装在车桥6上，它不能旋转也不能沿制动盘轴线方向移动，其内的两个活塞2分别位于制动盘1的两侧。

制动时，制动油液由制动总泵(制动主缸)经进油口4进入钳体中两个相通的液压腔中，将两侧的制动块3压向与车轮固定连接的制动盘1上，从而产生制动。

钳盘式制动器的活塞密封圈除了起密封作用外，还兼起活塞回位作用和调整间隙的作用。

正常制动时，密封圈发生弹性变形，解除制动时，密封圈恢复变形，带动活塞一起回位。

当制动器间隙过大时，活塞相对密封圈移动，回位时移动部分不可能恢复，移动量即为所调整的间隙量。

还有一些轿车和货车采用专门的摩擦限位一次调准式间隙自调装置。

定钳盘式制动器存在着以下缺点：
①油缸较多，使制动钳结构复杂；
②油缸分置于制动盘两侧，必须用跨越制动盘的钳内油道或外部油管来连通。

这必然使得制动钳的尺寸过大，难以安装在现代化轿车的轮辋内；
③热负荷大时，油缸（特别是外侧油缸）和跨越制动盘的油管或油道中的制动液容易受热汽化；
④若要兼用于驻车制动，则必须加装一个机械促动的驻车制动钳。

由于上述缺点，定钳盘式制动器目前使用较少。

(2)浮钳盘式制动器
浮钳盘式制动器示意图
1.制动盘
2.制动钳体
3.摩擦块
4.活塞
5.进油口
6.导向销
7.车桥
制动钳体2通过导向销6与车桥7相连，可以相对于制动盘1轴向移动。

制动钳体只在制动盘的内侧设置油缸，而外侧的制动块则附装在钳体上。

制动时，液压油通过进油口5进入制动油缸，推动活塞4及其上的摩擦块向右移动，并压到制动盘上，并使得油缸连同制动钳体整体沿销钉向左移动，直到制动盘右侧的摩擦块也压到制动盘上夹住制动盘并使其制动。

与定钳盘式制动器相反，浮钳盘式制动器轴向和径向尺寸较小，而且制动液受热汽化的机会较少。

此外，浮钳盘式制动器在兼充行车和驻车制动器的情况下，只须在行车制动钳油缸附近加装一些用以推动油缸活塞的驻车制动机械传动零件即可。

故自70年代以来，浮钳盘式制动器逐渐取代了定钳盘式制动器。

盘式制动器与鼓式制动器相比，有以下优点：
1）一般无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦系数的影响较小，即效能较稳定；
2）浸水后效能降低较少，而且只须经一两次制动即可恢复正常；
3）在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量一般较小；
4）制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会象制动鼓的热膨胀那样使制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大；
5）较容易实现间隙自动调整，其他保养修理作业也较简便。

6）对于钳盘式制动器而言，因为制动盘外露，还有散热良好的优点。

盘式制动器不足之处是效能较低，故用于液压制动系统时所需制动促动管路压力较高，一般要用伺服装置。

汽车制动系是用以强制行驶中的汽车减速或停车、使下坡行驶的汽车车速保持稳定以及使已停驶的汽车在原地(包括在斜坡上)驻留不动的机构。

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，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及辅助制动装置;牵引汽车应有自动制动装置。

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。

制动器有鼓式与盘式之分。

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，且具有专门的中央制动器或利用车轮制动器进行制动。

中央制动器位于变速器之后的传动系中，用于制动变速器第二轴或传动轴。

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。

行车制动装置的驱动机构，分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和制动轮缸以及管路；用气压操纵时还应有空气压缩机、气路管道、贮气筒、控制阀和制动气室等。

过去，大多数汽车的驻车制动和应急制动都使用中央制动器，其优点是制动位于主减速器之前的变速器第二轴或传动轴的制动力矩较小，容易满足操纵手力小的要求。

但在用作应急制动时，往往使传动轴超载。

现代汽车由于车速提高，对应急制动的可靠性要求更严，因此，在中、高级轿车和部分总质量在1.5t以下的载货汽车上，多在后轮制动器上附加手操纵的机械式驱动机构，使之兼起驻车制动和应急制动的作用，从而取消了中央制动器。

汽车制动系设计的程序
1. 设计的前提条件
（1）汽车的参数
汽车的满载质量、自重以及满载和空载时的前、后轴负荷及重心高度，还有轴和轮胎尺寸。

（2）法规适合性
决定制动系统、构造和参数的最低要求是适合指定的法规。

根据上述两项最基本的前提条件，再加上市场的需求、使用条件、竞争性及本司现生产情况确定设计方向。

2. 制动操纵方式和制动系统的确定
（1）研究、确定制动控制采用气压方式还是液压（真空助力、真空增压或油气混合）方式
（2）研究、确定制动系统的构成
①行车制动系统所采用双回路或多回路，应由那些部件构成，这些部件是现有的还是需要选购或新设计，设计制动系统示意图。

②驻车制动采用中央制动器还是作用后轮（机械操纵还是弹簧制动缸）。

③应急制动的操纵是与行车制动或驻车制动结合，还是独立操纵。

④是否需要有辅助制动，采用排气制动、液力缓速器或电涡流缓速器
（3）汽车必需制动力及其前后分配的确定
前提条件一经确定，与前项的系统的研究、确定的同时，研究汽车必需的制动力并把它们适当地分配到前后轴上，确定每个车轮制动器必需的制动力。

此外，还应研究、确定汽车必需的驻车制动力和应急制动力。

（4）确定制动器制动力、摩擦片寿命及构造、参数
制动器必需制动力求出后，考虑摩擦片寿命和由轮胎尺寸等所限制的空间，选定制动器的型式、构造和参数，绘制布置图，进行制动力制动力矩计算、摩擦磨损计算。

（5）制动器零件设计
零件设计、材料、强度、耐久性及装配性等的研究确定，进行工作图设计。

四制动器的设计
1．汽车盘式制动器的工作原理
盘式制动器与自行车上的制动器很相似。

自行车制动器上装有一个用于将制动衬块挤压到车轮上的卡钳。

在盘式制动器中，制动衬块挤压的是转子而不是车轮，并且压力是液压传送而不是线缆传送的。

衬块和盘片之间的摩擦会降低盘片的速度。

行驶中的汽车具有一定的动能，为了让汽车停止下来，制动器必须将此能量从汽车中消除。

制动器如何做到这一点呢？每当您停车时，制动器都会将动能转化为由衬块与盘片之间的摩擦产生的热能。

大多数汽车的盘式制动器都带有通风孔，如下图所示。

带有通风孔的盘式制动器的盘片两侧之间具有一组叶片，可通过盘片抽取空气以进行冷却。

单活塞浮动卡钳式盘式制动器具有自动确定中心和自动调节功能。

由于卡钳可以从一端滑动到另一端，因此每次使用制动器时，卡钳将移动到中心位置。

同样，由于没有弹簧将衬块拖离盘片，因此衬块总是会与转子有轻微接触（橡胶活塞密封圈和转子中的任何摇摆实际上会拖动衬块，使其与转子保持一小段距离）。

这一点很重要，因为制动器中的活塞的直径比主缸中的活塞的直径要大得多。

如果制动活塞缩回到气缸中，则可能需要多次踩下制动踏板才能将足够的油液抽取到制动气缸中，从而接合制动衬块。

旧式汽车具有双活塞或四活塞固定卡钳设计。

位于转子每一侧的一个（或两个）活塞会推动该侧的衬块。

由于单活塞设计更加便宜和可靠，因此现在基本上已抛弃了这两种设计。

浮钳盘是制动器简介
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，如图2-35所示，一种是制动钳体可做平行滑动，另一种是制动钳体可绕一根承销摆动。

固有滑动钳式盘式制动器和摆动钳式盘式制动器之分。

但它们的制动油缸都是单侧的，且与油缸同侧的制动块总称为活动的，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，活塞推动该侧活动的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于其上的制动块总成压向制动盘的另一侧，直到两侧的制动块总成的受力均等为止。

对摆动钳式盘式制动器来说，钳体不是滑动而是在与制动盘垂直的平面内摆动。

这就要求制动摩擦衬块为楔形的，摩擦表面对其背面的倾斜角为︒
6左右，如图2-35（b ）所示。

在使用过程中，摩擦衬块逐渐磨损到各处残存厚度均匀（一般约为1mm ）后即应更换。

浮动钳式盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸，其结构简单，造价低廉，易于布置，结构尺寸紧凑，可将制动器进一步接近轮毂，同一组制动块可兼用与行车制动和驻车制动。

由于浮动钳没有跨越制动盘的油道或油路，减少了油液受热的机会，单侧油缸又位于盘的内侧，受车轮遮蔽较少，使冷却条件较好。

另外，单侧油缸的活塞比两侧油缸的活塞要长，也增大了油缸的散热面积，因此制动油液温度比固定钳式的低C ︒
30～C ︒
50，汽化的可能性较小。

但由于制动钳体为浮动的，必须设法减少滑动处或摆动中心处的摩擦、磨损和噪声。

2.已知条件
制动器类型：浮钳盘车重：1.8吨
前后重量分配：40%、60% 轮胎型号：215/80R16
时速：100 Km/h 紧急刹车距离：15 m
已知条件：（1）假设地面的附着系数足够大；
（2）蹄、盘正压力的分布状态可由学生自行假设
（3）工作环境：设定为高温状态
（4）制动摩擦系数取值范围：0.25≤f≤0.55
（5）制动器具体结构可参考汽车实验室相关制动器结构，也可由学生自行设计。

215/80R16：215：轮胎名义直径（in）
80 ：轮胎名义高宽比
16 ：子母线结构代号
215R的参数为：
查表GB9743-1997的轮胎型号为16
364
轮胎滚动半径为mm
3.主要参数的确定
1、制动盘直径D
制动盘直径D希望尽量大些，可以降低制动钳的夹紧力，降低摩擦衬块的单位压力和工作温度。

但制动盘直径D受轮辋直径的限制。

通常情况，制动盘的直径D选择为轮辋直径的70%～79%。

这里取制动盘直径D为16吋轮辋直径的79%，D=365*79%=321mm.
2、制动盘厚度h
制动盘厚度h直接影响着制动盘质量和工作时的温升。

为使质量不致太大，制动盘厚度应取得适当小些；为了降低制动工作时的温升，制动盘厚度又不宜过小。

制动盘可以制成实心的，而为了通风散热，又可在制动盘的两工作面之间铸出通风孔道（见下图）。

通常，实心制动盘厚度可取为10mm～20mm；具有通风孔道的制动盘的两工作面之间的尺寸，即制动盘的厚度取为20mm～50mm，但多采用20mm～30mm。

制动器采用实心制动盘设计，厚度h为10mm。

3、摩擦衬块内半径1R与外半径2R
推荐摩擦衬块的外半径2R 与内半径1R （见下图）的比值不大于1.5.若此比值偏大，工作时摩擦衬块外缘与内缘的圆周速度相差较大，则其磨损就会不均匀，接触面积将减小，最终会导致制动力矩变大。

因为制动盘直径D=321mm ，则摩擦块mm R 1602=。

又因为2R /1R =1.5，则mm R 1071=。

4、摩擦衬块工作面积A
推荐根据制动摩擦衬块单位面积占有的汽车质量在2/5.1cm kg ～2
/5.3cm kg 范围内选取。

衬片摩擦面积参考表
这里制动摩擦衬块单位面积占有的汽车质量为2/5.3cm kg ，则
22
.4515
.3.505.0%401800cm cm A =⨯⨯⨯=
前
5、摩擦衬块圆心角θ的计算 根据公式
(
)πθππ22
2内
外R R A -=
其中θ为摩擦片相对轮辋中心包角 代入数据解得θ=0.722rad=420
6、摩擦衬块摩擦系数f
选择摩擦片时不仅希望其摩擦系数要高些，更要求其热稳定性要好，受温度和压力的影响要小。

不能单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数，应提高对摩擦系数的稳定性和降低制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的要求，后者对蹄式制动器是非常重要的。

各种制动器用擦材料的摩擦系数的稳定值约为 0.3～0.5，少数可达0.7。

一般说来，摩擦系数愈高的材料，其耐磨性愈差。

所以在制动器设计时并非一定要追求高摩擦系数的材料。

当前国产的制动摩擦片材料在温度低于 250℃时，保持摩擦系数f =0.35～0.40 已无大问题。

因此，在假设的理想条件下计算制动器的制动力矩。

另外，在选择摩擦材料时应尽量采用减少污染和对人体无害的材料。

7、制动力矩
f
T 的计算
盘式制动器的计算用简图如下图所示，若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
fNR
T f 2=
式中：f —摩擦系数；
N —单侧制动块对制动盘的压紧力，见下图； R —作用半径。

对于常见的扇形摩擦衬块，如果其径向尺寸不大，则取R 为平均半径m R 或有效半径e R 已
足够精确。

平均半径为
22
1R R R m +=
式中：1R ，2R —扇形摩擦衬块的内半径和外半径。

能量守恒得：FS
mv =221
;
已知：1800kg m =; 15m s =;
则1518005.02
⨯=⨯⨯F v ;且
s m
h km v 8.227100==
得：N 7.46303F =
对于常见的具有扇形摩擦表面的衬块，若其径向宽度不很大，取R 等于平均半径m R ，或有效半径e R ，在实际上已经足够精确。

平均半径m R 为Rm=（R1+R2）/2=133.5mm 式中，1R 和2R 为摩擦衬块扇形表面的内半径和外半径。

有效半径e R 即是扇形表面的面积中心至制动盘中心的距离。

Re ＝2×(R2 ³－R1 ³)/3×(R2 ²－R1 ²)
＝4×[1－m ／(1+m) ²]×Rm ／3
≈135mm 式中，21R R m = 因为
,41)1(,12<+<m m m 故m e R R >，且m 越小则两者差值越大。

应当指出，若m 过小，即扇形的径向宽度过大，衬块摩擦面上各不同半径处的滑磨速度相差太远，磨损将不均匀，因而单位压力分布均匀这一假设条件不能成立，则上述计算方法也就不适用。

m 值一般不应小于0.65。

由前后重量分配：40%，60%；
则有单个前车轮受重为F1=40%×F ×0.5=9260.7N 。

由力矩相等，即F1×R 滚=F2×Re 且F2=2fN
即9260.7×364=2fN ×135
有fN=12484.8N ···①
据资料取液压缸活塞内径Da=56mm ，Pa=12Mpa
∴N=3.14×Da ²×Pa ／4≈29541N ···②
∴由①②式可得f=12484.8/29541≈0.42
.M N .M -3.4N 334994910135295412.4022=⨯⨯⨯⨯==fNR T f
8、制动力矩的验算
按照设计要求，制动器需要的制动力矩为
)(m N jr g
G M k ⋅= 式中：G —车重（N ）
g —重力加速度（2/10s m ）
j —制动减速度 )/()6
.3(21220s m v s j = 0v —制动初速度（km/h ） k r —车轮转动半径（m ）
r K 为车轮动力半径。

轮胎型号为215/80R16，其最大使用外径为750mm 。

m mm r K 350.03502750==÷=∴
则 m N M ⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
4.73240350.0)6.3100(152110
5.0%401018002前
因为制动器所能提供的制动力矩
f T >车辆制动所需要的制动力矩M ，所以上述设计符合
设计要求。

4．零件图
制动钳体
制动钳由可锻铸铁HT300—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，也可做成两牛并由螺栓连接。

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(如图1)。

有的活塞的开口端部切成阶梯状，形成两个相对且在同一平面内的小半圆环形端面。

活塞由铸铝合金或钢制造。

为了提高耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。

当制动钳体由铝合金制造时，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。

图1
制动钳体零件图。