fsae赛车设计本科毕业设计

摘要
FSAE（Formula SAE）国际学生方程式赛车由美国车辆工程师学会于1979年开办，在国际上被视为是“学界的F1方程式赛车”。

每年在世界各地有600余支大学车队参加各个分站赛，2011年在中国举办了第一届中国大学生方程式赛车，本设计将针对中国赛程规定进行设计。

本说明书主要介绍了大学生方程式赛车制动系的设计，首先介绍了汽车制动系统的设计意义、研究现状以及设计目标。

在选定了基本结构后本论文对制动器展开了以下设计。

第一，制动系的参数：包括制动力分配系数、同步附着系数、制动强度、附着系数利用率以及最大制动力矩等参数的选择计算；第二，制动器及其零部件：制动盘、制动钳体、摩擦衬块等制动器零部件的尺寸计算与材料选择；第三，制动驱动机构：制动轮缸、制动主缸、以及踏板行程的设计计算。

除此之外，本论文还介绍了制动驱动机构的结构型式选择，制动主缸，制动管路的多回路系统的选择以及制动器的研究现状及发展前景。

最后，根据设计与计算用AUTOCAD绘制出了该赛车制动器的装配图和制动钳体、制动盘等零件图，并用UG对其进行了三维建模。

关键词：盘式制动器,赛车,设计,建模
Abstract
Formula SAE race was founded in 1979 by the American cars institute of Engineers.It was regarded as the “academic Formula 1 racing”.China has hold the first Formula one for Chinese college students in 2011,the design will be for design of the provisions of the Chinese calendar.
In This paper,we mainly introduces the design of breaking system of the Formula Student.First of all,breaking system's design meaning,research status,an goals are been introduced.This paper start the following steps after selecting the basic structure. First, the parameters of braking power distribution coefficient include: adhesion coefficient, synchronous adhesion coefficient, strength, and brake, and maximum braking torque parameters calculation, etc. The second brake and its components: the brake disc and calliper, friction lining block size of components etc brake calculation and material selection, Third : brake wheel drive mechanism brake cylinder, the brake pedal stroke the cylinder, and the design calculation.In addition, this paper introduces the drive mechanism brake type selection, brake main cylinder pipe, braking system, the selection of multi-loop research status of brake and development prospects.
Finally, according to the design and calculation using AUTOCAD drawing brake assembly and brake caliper disc brake, at the same time ,the paper also carried a three-dimensional modeling by UG.
Key words:disc brake, racing cars,design,modeling
中文摘要
英文摘要
第一章绪论 (1)
1.1 前言 (1)
1.2 制动系统的基本概念 (1)
1.3 制动系统研究现状 (2)
1.4 FSAE赛车对制动系统的基本要求 (2)
1.5 课题研究方案 (3)
第二章制动器的结构形式选择 (4)
2.1 鼓式制动器结构形式简介 (4)
2.2 盘式制动器结构形式简介 (4)
2.3 盘式制动器的优缺点 (6)
2.3.1 盘式制动器的优点 (6)
2.3.2 盘式制动器的缺点 (7)
2.4 FSAE方程式赛车制动器结构的最终选择 (7)
第三章制动器主要参数及其选择 (9)
3.1 制动力与制动力分配系数 (9)
3.3 制动强度、地面制动力和附着系数利用率 (14)
3.4 制动器最大制动力矩 (16)
3.5 制动器因数 (17)
3.6 盘式制动器主要参数的确定 (17)
3.6.1 制动盘直径D (17)
3.6.2 制动盘厚度h (18)
3.6.3 摩擦衬块内径与外径与厚度b (18)
3.6.4 摩擦衬块工作面积A (18)
3.6.5 摩擦衬块摩擦系数f (18)
第四章制动器的设计计算 (19)
4.1摩擦衬块的磨损特性计算 (19)
4.1.1 比能量耗散率 (19)
4.1.2 比滑磨功 (20)
4.2 制动器的热容量和温升核算 (20)
4.3 盘式制动器有效半径的计算 (21)
第五章制动器主要零部件的结构设计 (24)
5.1 制动盘 (24)
5.2 制动钳 (24)
5.3 制动块 (24)
5.4 摩擦材料 (25)
5.5 制动器间隙的调整方法及相应机构 (26)
第六章制动驱动机构的结构形式选择与设计计算 (27)
6.1 制动驱动机构的结构型式选择 (27)
6.1.1 简单制动系 (27)
6.1.2 动力制动系 (28)
6.1.3 伺服制动系 (28)
6.2 制动管路的多回路系统 (30)
6.3 液压制动驱动机构的设计计算 (31)
6.3.1 制动轮缸直径与工作容积 (31)
6.3.2 制动主缸直径与工作容积 (32)
6.3.3 制动踏板力与踏板行程 (33)
6.3.4 制动主缸 (34)
第七章制动性能分析 (35)
7.1 制动性能评价指标 (35)
7.1.1 制动效能 (35)
该结果符合有关标准。

(36)
7.1.2 制动效能的恒定性 (36)
结论 (37)
参考文献........................................................................................................... 错误!未定义书签。

致谢................................................................................................................... 错误!未定义书签。

附录三维模型. (41)
第一章绪论
1.1 前言
由美国车辆工程师学会于1979年开办的FSAE（Formula SAE）国际学生方程式赛车，在国际上被视为是“学界的F1方程式赛车”。

比赛过程要求各参赛队伍按照赛事规则和赛车制造标准，在1年的时间内自行设计和制造出1辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。

比赛分为静态赛和动态赛两项。

静态项目包括制造成本报告、营销报告和技术设计报告；动态项目包括直线加速、8字环绕、高速避障、耐久赛和燃油经济性测试。

FSAE在2010年才正式进入中国，但短短两年已得到众多高校的关注。

目前，很多文献都是研究乘用车和商用车的制动系统的设计，前后制动力的匹配等，都是以ECE 制动法规和GB12676—1999给出的制动要求为前提。

然而FSAE 方程式赛车是一种比较特殊的车型，因为车的设计目的是参赛，以及涉及到轮胎等与传统车辆的不同因素，所以不能一味地以乘用车的标准去设计。

因此本文提出了一套适用于FSAE方程式赛车制动系统设计的方法。

1.2 制动系统的基本概念
使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车的速度保持稳定，以及使已停驶的汽车保持不动，这些作用统称为制动；汽车上装设的一系列专门装置，以便驾驶员能根据道路和交通等情况，借以使外界（主要是路面）在汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，对汽车进行一定程度的制动，这种可控制的对汽车进行制动的外力称为制动力；这样的一系列专门装置即称为制动系。

这种用以使行驶中的汽车减速甚至停车的制动系称为行车制动系；用以使已停驶的汽车驻留原地不动的装置，称为驻车制动系。

这两个制动系是每辆汽车必须具备的。

由于本次设计FSAE赛车主要是针对竞赛，所以仅进行行车制动系统的设计。

任何制动系都具有以下四个基本组成部分：
供能装置：包括供给、调节制动所需能量以及改善传能介质状态的各种部件。

控制装置：包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件。

传动装置：包括将制动能量传输到制动器的各个部件
制动器：产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力（制动力）的部件，其中包括辅助制动系中的缓速装置。

按制动能源来分类，行车制动系可分为，以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系称为人力制动系；完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制动的则是动力制动系，其制动源可以是发动机驱动的空气压缩机或油泵；兼用人力和发动机动力进行制动的制动系称为伺服制动系。

1.3 制动系统研究现状
目前，在一般车辆上主要还是采用盘式和鼓式制动器的组合形式。

虽然盘式制动器的使用经济性现在有所提高，但是与鼓式制动器比起来还是贵得多。

当然，气压盘式制动器的性能更优越，内衬的使用寿命更长，维修间隔和保养技术也进一步提升。

摩擦材料现在更大程度的向有机材料类型转变，这对盘式制动器的发展来说是一个契机，可以使得气压盘式制动器在更高的温度下运行，而鼓式制动器材料是不能承受这样的温度的。

鼓式制动器的发展已经达到了最高限度。

在材料选择方面：80年代之前，国内外都主要采用有石棉树脂型摩擦材料用于汽车制动，但因石棉摩擦产生有毒粉尘吸入人体后对肺产生影响，以及产生环境污染，同时在高速、高温下，石棉材料的强度、摩擦系数、耐磨性能等均下降，因此，汽车制动系无石棉化已是一种必然的发展趋势。

国外从70年代就开始禁止采用石棉用做制动材料，我国在1999年修改的GB12676-1999法规也明确规定“2003年10月1日之后，制动衬片应不含石棉”。

目前国际上第三代摩擦材料诞生——无石棉有机物NAO片。

主要使用玻璃纤维、芳香族聚酰纤维或其它纤维（碳、陶瓷等）作为加固材料。

其主要优点是：无论在低温或高温都保持良好的制动效果，减少磨损，降低噪音，延长刹车盘的使用寿命，代表目前摩擦材料的发展方向。

目前国内多以半金属纤维增强复合摩擦材料应用最为普遍。

但一些企业和地方根据本身的特点，也在研究新型摩擦材料，比如由河北工业大学所承担的科研项目“替代石棉制品汽车制动摩擦片的研制”中，采用当地的海泡石纤维来研制摩擦材料取得初步成功；西安交大与广东省东方剑麻集团有限公司联合研制采用剑麻作为增强纤维也初步取得成功，据报道该制动器的摩擦系数、磨损率、硬度、冲击韧性等各项性能均达到国家标准、具有摩擦系数平稳、热恢复性能好、刹车噪音小、使用寿命长、低成本等优点。

另外，国内还有人研究采用水镁石做摩擦材料。

不同的纤维有不同的优缺点，因此研制一种比较符合各种要求的摩擦材料也就成为人们的追求。

但不管如何，未来汽车制动摩擦材料必须是环保化、安全化、轻量化以及低成本的原则。

1.4 FSAE赛车对制动系统的基本要求
对于FSAE方程式赛车，根据中国FSC大赛规定对赛车制动系统的要求，FSAE 赛车的制动系统必须符合以下基本要求：
1.赛车必须安装有制动系统。

制动系统必须作用于所有四个车轮上，并且通过单一的控制机构控制。

2.制动系统必须有两套独立的液压制动回路，当某一条回路系统泄漏或失效时，另一条回路还可以至少保证有两个车轮可以维持有效的制动力。

每个液压制动回路必须有其专用的储液罐（可以使用独立的储液罐，也可以使用厂家生产的内部被分隔开的储液罐）。

3.安装有限滑式差速器的车桥，其两个车轮可以使用单个制动器制动。

4.制动系统必须在后述的测试中，能够抱死所有四个车轮。

5.禁止使用线控制动。

6.禁止使用没有保护的塑料制动管路。

7.制动系统必须被碎片护罩保护，以防传动系失效或小碰撞引起的碎片破坏制动系统。

8.从侧面看，安装在赛车簧上部分上的制动系统的任何部分都不可以低于车架或者单体壳的下表面。

1.5 课题研究方案
1.制动系统的结构方案分析及选择。

分析FSAE方程式赛车制动系统的设计要求，通过比较、计算以及查阅相关资料，选出适合的结构方案。

2.制动系统的主要参数及其选择。

选择制动力、制动力分配系数、制动强度、最大制动力矩等。

3.制动器的设计和计算。

根据所选方案与参数，分析计算制动器的制动因数、摩擦衬块的磨损特性，核算制动器热容量和温升等。

4.制动器主要零部件的结构设计与计算。

5.制动驱动机构的结构形式选择与设计计算。

6.综合上述设计与计算，用绘图软件绘制该制动器的零部件图及总布置图。

第二章制动器的结构形式选择
汽车制动器几乎均为机械摩擦式，即利用旋转元件和固定元件两工作表面间的摩擦产生的制动力矩使汽车减速或停车。

一般摩擦式制动器按旋转元件的形状分为鼓式和盘式两大类。

2.1 鼓式制动器结构形式简介
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，它已经广泛用干各类汽车上。

鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器（又称蹄式制动器）和外束型鼓式制动器（又称带式制动器）两种结构型式。

在汽车制动系中，带式制动器曾仅用作一些汽车的中央制动器，但现代汽车已很少采用。

所以，内张型鼓式制动器通常简称为鼓式制动器，通常所说的鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构。

鼓式制动器按蹄的类型分为：
图 2.1 鼓式制动器简图
（a）领从蹄式（用凸轮张开）；（b）领从蹄式（用制动轮缸张开）；（c）双领蹄式（非双向，平衡式）；（d）双向双领蹄式；（e）单向增力式；（f）双向增力式
2.2 盘式制动器结构形式简介
按摩擦副中的固定摩擦元件的结构来分，盘式制动器可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块的制动块，后者装在以螺栓固定于转向节或桥壳上的制动钳体内。

两块制动块之间装有作为旋转元件的制动盘，制
动盘用螺栓固定于轮毂上。

制动块的摩擦衬块与制动盘的接触面积很小，在盘上所占的中心角一般仅约30°～50°，所以这种盘式制动器又称为点盘式制动器。

其结构较简单，质量小，散热性较好，且借助于制动盘的离心力作用易于将泥水、污物等甩掉，维修也方便。

但由于摩擦衬块的面积较小，制动时其单位压力很高，摩擦面的温度较高，故对摩擦材料的要求较高。

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。

用得较多的是多片全盘式制动器，以便获得较大的制动力。

但这种制动器的散热性能较差，故多为油冷式，结构较复杂。

按制动钳的结构型式来划分，钳盘式制动器又可分为固定钳式和浮动钳式两种。

1)固定钳式盘式制动器
如图2.2.1 所示，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固定钳式盘式制动器。

图2.2.1 固定钳式盘式制动器
1—转向节（或桥壳）；2—调整垫片；3—活塞；4—制动块总成；5-导向支承销；
6—制动钳体；7—轮辋；8—回位弹簧；9—制动盘；10—轮毂固定钳式盘式制动器的应用是早于浮动钳式的，其制动钳的刚度好，除活塞和制动块外无其他滑动件，但由于需采用两个油缸分置于制动盘的两侧，使结构尺寸较大，布置较困难；需两组高精度的液压缸和活塞，成本较高；制动热经制动钳体上的油路传给制动油液，易使其由于温度过高而产生气泡影响制动效果。

2)浮动钳式盘式制动器
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(见图2.2.2)。

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。

这样就要求制动摩擦衬块应预先做成楔形的(摩擦表面对背面的倾斜角为6°左右)。

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l mm)后即应更换。

图2.2.2 浮动钳式盘式制动器工作原理图
(a)滑动钳式盘式制动器(b)摆动钳式盘式制动器
1—制动盘；2—制动钳体；3—制动块总成；4—带磨损警报装置的制动块总成；
5—活塞；6—制动钳支架；7—导向销
浮动钳式盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸，结构简单，造价低廉，易于布置，结构尺寸紧凑，可以将制动器进一步移近轮毂，同一组制动块可兼用于行车和驻车制动。

浮动钳由于没有跨越制动盘的油道或油管，减少了油液的受热机会，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30℃～50℃，汽化的可能性较小。

但由于制动钳体是浮动的，必须设法减少滑动处或摆动中心处的摩擦、磨损和噪声。

2.3 盘式制动器的优缺点
2.3.1 盘式制动器的优点
与鼓式制动器相比，盘式制动器具有如下优点：
1.热稳定性较好，因为制动盘对摩擦衬块无摩擦増力作用；另外，制动摩擦衬块的尺寸不大，其工作表面的面积仅为制动盘面积的12%～16%，鼓散热性较好。

2.水稳定性较好，因为制动块对制动盘的单位压力高，易于将附着的水挤出，加上离心力作用及衬块对盘的擦拭作用，出水后只需经一到二次制动，制动器即能恢复正常。

而鼓式制动器则需经十余次制动方能恢复正常。

3.制动力矩与车辆运动方向（前进或后退）无关。

4.制动稳定性好。

5.易于构成双回路制动系，使系统有较高的可靠性和安全性。

6.尺寸小，质量小，散热良好。

7.压力在制动衬块上的分布比较均匀，故衬块磨损也均匀。

8.摩擦衬块在磨损后比鼓式制动器更换简单容易。

9.摩擦衬块与制动盘之间的间隙小（0.05～0.15mm），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。

10.易于实现间隙自动调整。

11.能方便地实现制动器磨损报警，以便及时更换摩擦衬块。

2.3.2 盘式制动器的缺点
1.难以完全防止尘污和锈蚀（封闭的多片全盘式制动器除外）。

2.兼作驻车制动器时，所需附加的手驱动机构比较复杂。

3.在制动驱动机构中必须装有助力器。

4.因为衬块工作表面小，所以磨损快，使用寿命低，需用高材质的衬块。

2.4 FSAE方程式赛车制动器结构的最终选择
简单来讲，制动就是利用摩擦将动能转换成热能，使车辆失去动能而停止下来。

因此，散热对制动系统是十分重要的。

如果制动系统经常处于高温状态，就会阻碍能量的转换过程，造成制动性能下降。

越是跑得快的汽车，制动起来所产生的热量越大，对制动性能的影响也越大。

解决好散热问题，对提高汽车的制动性能也就起了事倍功半的作用。

由于FSAE赛车在比赛过程中要达到一定的车速，且应具有良好的散热性能，故倾向于采用散热性能较好的盘式制动器。

当然，盘式制动器也有自己的缺陷。

例如对制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦片的耗损量较大，成本贵，而且由于摩擦片的面积小，相对摩擦的工作面也较小，需要的制动液压高，必须要有助力装置的车辆才能使用。

而鼓式制动器成本相对低廉，比较经济。

四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%～80%，因此前轮制动力要比后轮大。

轿车生产厂家为了节省成本，就采用前轮盘式制动，后轮鼓式制动的方式。

在FSAE赛车在比赛过程中为了保证赛车在制动过程中具有稳定的制动性能，根据上述叙述，前后轮均采用浮钳盘式制动器。

根据制动盘的不同，盘式制动器还可分为普通盘式和通风盘式。

普通盘式我们比较容易理解，就是实心的。

通风盘式就是空心的，顾名思义具有通风功效，指的是汽车在行使当中产生的离心力能使空气对流，达到散热的目的，这是由盘式碟片的特殊构造决定的。

从外表看，它在圆周上有许多通向圆心的洞孔，这些洞孔是经一种特殊工艺（slotteded drilled）制造而成，因此比普通盘式散热效果要好许多，但是由于FSAE 赛车车轮尺寸对制动盘尺寸的限制，所以前后制动器的制动盘均采用实心式制动盘。

综上所述，本次赛车制动系统的设计，前后轮均采用浮动钳盘式制动器，前后轮制动盘均选择普通盘。

第三章 制动器主要参数及其选择
盘式制动器设计的一般流程为：根据所给数据，设计要求，依据大赛要求确定出的整车总布置参数。

在有关的整车总布置参数及制动器结构型式确定之后，根据已给参数并参考已有的同等级汽车的同类型制动器，初选制动器的主要参数，并据以进行制动器结构的初步设计；然后进行制动力矩和磨损性能的验算，并与所要求的数据比较，直到达到设计要求。

之后再根据各项演算和比较的结果，对初选的参数进行必要的修改，直到基本性能参数能满足使用要求为止；最后进行详细的结构设计和分析。

在这里先给出该FSAE 赛车的整车参数：
赛车轴距：1650mm
质心高度：310mm
赛车高度：1170mm
赛车长度：2136mm
质心到前轴的距离：907.5mm
质心到后轴的距离：742.5mm
轮胎半径：244mm
轮胎型号:180/530R13
总质量(含人)：345kg
赛车前轴载荷：155.3kg
赛车后轴载荷：189.7kg
3.1 制动力与制动力分配系数
赛车制动时，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＞ω的车轮，其力矩平衡方程为
0=-e B f r F T (3-1)
式中：f T —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 ；
B F —地面作用于车轮上的制动力，即地面与轮胎之间的摩擦力，又称为地面
制动力，其方向与汽车行驶方向相反，N ；
e r —车轮有效半径，m 。

令 e f
f r T F = (3-2)
并称之为制动器制动力，它是在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，又称为制动周缘力。

f F 与地面制动力b F 的方向相反，当车轮角速度0＞ω时，大小也相等。

f F 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成正比。

当加大踏板力以加大f T ，f F 和B F 均随之增大。

但
地面制动力B F 受着附着条件的限制，其值不可能大于附着力ϕF ，即
B F ≤ϕϕZ F = (3-3) ϕϕZ F F B ==max (3-4) 式中：ϕ—轮胎与地面间的附着系数；
Z —地面对车轮的法向反力。

当制动器制动力f F 和地面制动力B F 达到附着力ϕF 值时，车轮即被抱死并在地面上滑移。

此后制动力矩f T 即表现为静摩擦力矩，而e f f r T F /=即成为与B F 相平衡以阻止车轮再旋转的周缘力的极限值。

当制动到ω=0以后，地面制动力b F 达到附着力ϕF 值后就不再增大，而制动器制动力f F 由于踏板力P F 的增大使摩擦力矩f T 增大而继续上升（图3.1.1）。

图 3.1.1 制动器制动力f F 、涤棉制动力B F 与踏板力P F 的关系
图3.1.2所示为赛车在水平路面上制动时的受力情况。

其中忽略了空气阻力、旋转质量减速度时产生的惯性力矩以及汽车的滚到阻力偶矩。

另外，在以下的分析中还忽略制动时车轮边滚动边滑动的情况，且附着系数只取一个数值ϕ。

图3.1.2 制动时的汽车受力图
根据图3.1.2 中给出的赛车制动时的整车受力情况，并对后轴车轮的接地点取力矩，得平衡式为
g dt
du GL L Z h m 21+=。