CA1041轻型车制动系统设计解析

参数1．制动系统的主要参数及其选择同步附着系数对于前后制动器制动力为固定比值的汽车，只有在附着系数ϕ等于同步附着系数0ϕ的路面上，前、后车轮制动器才会同时抱死，当汽车在不同ϕ值的路面上制动时，可能有以下三种情况[4]。

1、当0ϕϕ<时2、当0ϕϕ>时3、当0ϕϕ=时附着条件的利用情况可以用附着系数利用率ε（或称附着力利用率）来表示，ε可定义为ϕϕεqG F B ==制动强度和附着系数利用率根据选定的同步附着系数0ϕ，已知：Lh L g02ϕβ+=制动器最大的制动力矩为保证汽车有良好的制动效能和稳定性，应合理地确定前、后轮制动器的制动力矩。

最大制动力是在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21Z Z 、 成正比。

所以，双轴汽车前、后车轮附着力同时被充分利用或前、后轮同时抱死的制动力之比为：ggf f h L h L Z Z F F 01022121ϕϕ-+== 制动器所能产生的制动力矩，受车轮的计算力矩所制约，即e f f r F T 11=e f f r F T 22=对于选取较大0ϕ值的各类汽车，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。

当0ϕϕ>时，相应的极限制动强度ϕ<q ，故所需的后轴和前轴制动力矩为e gf r qh L LGT ϕ)(1max 2-=max 2max 11f f T T ββ-=制动器因数和制动蹄因数制动器因数又称为制动器效能因数。

其实质是制动器在单位输入压力或力的作用下所能输出的力或力矩，用于评比不同结构型式的制动器的效能。

制动器因数可定义为在制动鼓或制动盘的作用半径上所产生的摩擦力与输入力之比，即PR T BF f=对于鼓式制动器，设作用于两蹄的张开力分别为1P 、2P ，制动鼓内圆柱面半径即 制动鼓工作半径为R ，两蹄给予制动鼓的摩擦力矩分别为1Tf T 和2Tf T ，则两蹄的效能因 数即制动蹄因数分别为：R P T BF Tf T 111=RP T BF Tf T 222=整个鼓式制动器的制动因数则为RP P T T RP P T T PRT BF Tf Tf Tf Tf f )()(2)(5.021212121++=++==当P P P ==21时，则2121T T Tf Tf BF BF PRT T BF +=+=蹄与鼓间作用力的分布，其合力的大小、方向及作用点，需要较精确地分析、计算才能确定。

今假设在张力P 的作用下制动蹄摩擦衬片与鼓之间作用力的合力N 如图3.2所示作用于衬片的B 点上。

这一法向力引起作用于制动蹄衬片上的摩擦力为f N f ,为摩擦系数。

a ，b ，c ，h ，R 及α为结构尺寸，如图3.2所示。

图3.2 鼓式制动器的简化受力图对领蹄取绕支点A 的力矩平衡方程，即0=-+Nb nFC Ph由上式得领蹄的制动蹄因数为⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-==b c f f b h P Nf BF T 11 当制动鼓逆转时，上述制动蹄便又成为从蹄，这时摩擦力f N 的方向与图3.2所 示相反，用上述分析方法，同样可得到从蹄绕支点A 的力矩平衡方程，即0=--Nb nFC Ph⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+==b c f f b h P Nf BF T 122.鼓式车轮制动器的结构参数与摩擦系数制动鼓直径D当输入力P 一定时，制动鼓的直径越大，则制动力矩越大，且使制动器的散热性能越好。

但直径D 的尺寸受到轮辋内径的限制，而且D 的增大也使制动鼓的质量增加，使汽车的非悬挂质量增加，不利于汽车的行驶的平顺性。

制动鼓与轮辋之间应有一定的间隙，以利于散热通风，也可避免由于轮辋过热而损坏轮胎。

由此间隙要求及轮辋的尺寸即可求得制动鼓直径D 的尺寸。

由于CA1041采用16in 的轮辋所以取76.0/=r D D ，制动鼓直径D 与轮辋直径Dr 之比的一般范围为：货车 83.0~64.0/=r D D 。

制动蹄摩擦片宽度b 、制动蹄摩擦片的包角β和单个制动器摩擦面积∑A 综上所述选取领蹄 1101=β，从蹄 1001=β 单个制动器摩擦面积∑A ：360/)(21ββπ+=∑Db A摩擦衬片起始角0β摩擦衬片起始角0β如图3.4所示。

通常是将摩擦衬片布置在制动蹄外缘的中央，并令2900ββ-= 。

领蹄包角：2900ββ-= 从蹄包角：2900ββ-=图3.4鼓式制动器的主要几何参数张开力P的作用线至制动器中心的距离a制动蹄支销中心的坐标位置k与c摩擦片摩擦系数选择摩擦片时，不仅希望起摩擦系数要高些，而且还要求其热稳定性好，受温度和压力的影响小。

不宜单纯的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摩擦材料的摩擦系数的稳定值约为5.03.0，少数可达0.7。

一般说~来，摩擦系数越高的材料，其耐磨性能越差。

所以在制动器设计时，并非一定要追求最高摩擦系数的材料。

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=0.35~0.4已不成问题。

因此，在假设的理想条件下计算制动器的制动力矩，取f=0.3可使计算结果接近实际值。

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。

3.制动蹄的分析计算制动蹄摩擦面的压力分布规律从前面的分析可知，制动器摩擦材料的摩擦系数及所产生的摩擦力对制动器因数有很大影响。

掌握制动蹄摩擦面上的压力分布规律，有助于正确分析制动器因数。

在理论上对制动蹄摩擦面的压力分布规律作研究时，通常作如下一些假定：（1）制动鼓、蹄为绝对刚性；（2）在外力作用下，变形仅发生在摩擦衬片上；（3）压力与变形符合虎克定律由于本次设计采用的是领从蹄式的制动鼓，现就领从蹄式的制动鼓制动蹄摩擦面的压力分布规律进行分析。

如图3.5所示，制动蹄在张开力P作用下绕支承销O'点转动张开，设其转角为θ∆，则蹄片上某任意点A 的位移AB 为AB =A O '·θ∆ 从图3.5中的几何关系可看到ϕβsin cos '''O O D O A O == AC =sin O O 'ϕθ∆⋅因为θ∆⋅'O O 为常量，单位压力和变形成正比，所以蹄片上任意一点压力可写成ϕsin 0q q =根据国外资料，对于摩擦片磨损具有如下关系式fqv K W 11=如果摩擦衬片磨损有如下关系：2222v fq K W =则其磨损后的压力分布规律为αsin C q =(C 也为一常数)。

制动器因数及摩擦力矩分析计算如前所述，通常先通过对制动器摩擦力矩计算的分析，再根据其计算式由定义得出制动器因数BF 的表达式。

假设鼓式制动器中制动蹄只具有一个自由度运动，由此可得：（1）定出制动器基本结构尺寸、摩擦片包角及其位置布置参数，并规定制动鼓旋转方向；（2）参见3.4.1节确定制动蹄摩擦片压力分布规律，令ϕsin 0q q =；（3）在张开力P 作用下，确定最大压力0q 值。

参见图3.7，δϕ所对应的圆弧，圆弧面上的半径方向作用的正压力为ϕqRd ，摩擦力为ϕfqRd 。

把所有的作用力对O '点取矩，可得ph =⎰210ϕϕq RMsin 2ϕd ϕ-⎰210ϕϕfq R(R-Mcos ϕ)sin ϕd ϕ据此方程式可求出0q 的值。

图3.7 制动蹄摩擦力矩分析计算计算沿摩擦片全长总的摩擦力矩T f =⎰210ϕϕfq R 2 sin ϕd ϕ=0fq R 2(cos 1ϕ-cos 2ϕ)单个领蹄的制动蹄因数BF Tl⎪⎭⎫ ⎝⎛-'=fB r a A r fhBF T 1单个从蹄的制动蹄因数BF T2⎪⎭⎫ ⎝⎛+'=fB r a A r fhBF T 2图3.8 支承销式制动蹄制动蹄片上的制动力矩鼓式制动蹄片上的制动力矩在计算鼓式制动器时，必须建立制动蹄对制动鼓的压紧力与所产生的制动力矩之间的关系。

由制动鼓作用在摩擦衬片单元面积的法向力为：αααd bR q qbRd dN sin max ==而摩擦力fdN 产生的制动力矩为ααd f bR q dNfR dT T f sin 2max ==在由α'至α''区段上积分上式，得)cos (cos 2max αα''-'=f bR q T Tf当法向压力均匀分布时，αbRd q dN p =)(2αα'-''=f bR q T p Tf 增势蹄产生的制动力矩1Tf T 可表达如下：111ρfN T Tf =写出制动蹄上力的平衡方程式：0)sin (coscos 111101=+-+δδαf N S P x 01111=+'-N f C S a P x ρ对于增势蹄可用下式表示为11111111])s i n (c o s /[B P f f c fh P T Tf =-+'=ρδδρ 对于减势蹄可类似地表示为22222222])s i n(c o s /[B P f f c fh P T Tf =+-'=ρδδρ图3.10 制动力矩计算用图为了确定1ρ，2ρ及1δ，2δ，必须求出法向力N 及其分量。

如果将N d 看作是它投影在1x 轴和1y 轴上分量x dN 和x dN 的合力，则根据式（3.23）有：)2cos 2(cos sin 41cos max 2max αααααααααα''-''===⎰⎰''''''bR q d bR q dN N y因此对于领蹄： []''''''12sin 2sin 2/()2cos 2(cos arctan arctan(ααβααδ+--==xyN N根据式(3.24)和式(3.26)，并考虑到221y x N N N +=则有[]2'"2"'"'1)2sin 2sin 2()2cos 2(cos )cos (cos 4ααβααααρ+-+--=a R对于从蹄：[]''''''22sin 2sin 2/()2cos 2(cos arctan arctan(ααβααδ+--==xyN N则有：[]2'"2"'"'2)2sin 2sin 2()2cos 2(cos )cos (cos 4ααβααααρ+-+--=a R由于设计α'和α''相同，因此δ和ρ值也近似取相同的。