汽车液压盘式制动器结构优化设计

汽车液压盘式制动器结
构优化设计
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
摘要
汽车制动系统是汽车最重要的主动安全系统，制动器则是制动系统的执行机构，其性能好坏直接影响汽车的安全。

盘式制动器作为鼓式制动器的替代产品，具有热稳定性好、反应灵敏等优势，但是盘式制动器本身也存在一些问题，并且鼓式制动器存在的一些问题，虽然盘式制
动
器有一定程度改善，但并未得到完全解决，如热衰退、制动噪声等。

本文开篇阐明了盘式制动器发展与现状，然后是设计的背景，性质及任务。

通过对轿车盘式制动器的深入学习和设计实践，主要是对轿车盘式制动器的零部件结构选型及设计计算，更好地学习并掌握盘式制动器的结构原理与设计计算的相关知识和方法。

介绍了盘式制动器的各种类型，性能等，分析了盘式制动器和摩擦衬片的特性.
关键词：盘式制动器;设计；性能分析
Abstract
Automobile brake system is the most important initiative safety system, brake is the enforcer of brake system, whose performance affects the vehicle’s safety directly. As the substitution of drum brake, disc brake has advantages of fine thermal stability, delicate feedback, and so on. But it also has some defects, and though the problems of drum brake have been improved, they are not resolved completely, such as thermal fade and brake noise.
This paper illustrated disc brake’s development at beginning, then the design’s background, quality and mission. Through the disc brake in-depth study and design practice, mainly for c ar’s disc brake structure selection and design calculation, can better study and master the disc brake structure and working principle and the related knowledge and methods. Introduce the brake disc’s kind and performance. Analyze the disc brake and rub linings’behavior.
Key words: disc brake; design; Performance Analysis
目录
摘要................................................................................................ 错误!未定义书签。

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

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

1绪论 ................................................................................................ 错误!未定义书签。

制动系统设计的意义.............................................................. 错误!未定义书签。

制动系统研究现状.................................................................. 错误!未定义书签。

本次制动系统应达到的目标.................................................. 错误!未定义书签。

2制动系统方案论证分析与选择..................................................... 错误!未定义书签。

制动器形式方案分析.............................................................. 错误!未定义书签。

鼓式制动器..................................................................... 错误!未定义书签。

盘式制动器..................................................................... 错误!未定义书签。

制动驱动机构的机构形式选择.............................................. 错误!未定义书签。

简单制动系..................................................................... 错误!未定义书签。

动力制动系..................................................................... 错误!未定义书签。

伺服制动系..................................................................... 错误!未定义书签。

液压分路系统的形式的选择.................................................. 错误!未定义书签。

液压制动主缸的设计方案...................................................... 错误!未定义书签。

3盘式制动器概述 ............................................................................ 错误!未定义书签。

盘式制动器原理及特点........................................................... 错误!未定义书签。

盘式制动器的主要元件.......................................................... 错误!未定义书签。

制动盘 ............................................................................. 错误!未定义书签。

制动摩擦衬块 ................................................................. 错误!未定义书签。

盘式制动器操纵机构.............................................................. 错误!未定义书签。

4制动系统设计计算 ........................................................................ 错误!未定义书签。

制动系统主要参数数值.......................................................... 错误!未定义书签。

相关主要参数................................................................. 错误!未定义书签。

同步附着系数的分析..................................................... 错误!未定义书签。

地面对前、后轮的法向反作用力................................. 错误!未定义书签。

制动器有关计算...................................................................... 错误!未定义书签。

确定前后制动力矩分配系数 .................................... 错误!未定义书签。

制动器制动力矩的确定................................................. 错误!未定义书签。

盘式制动器主要参数确定............................................. 错误!未定义书签。

盘式制动器的制动力计算............................................. 错误!未定义书签。

制动器主要零部件的结构设计.............................................. 错误!未定义书签。

5液压制动驱动机构的设计计算..................................................... 错误!未定义书签。

前轮制动轮缸直径d的确定.................................................. 错误!未定义书签。

制动主缸直径0d的确定 ........................................................ 错误!未定义书签。

制动踏板力p F和制动踏板工作行程p S............................... 错误!未定义书签。

第6章制动性能分析...................................................................... 错误!未定义书签。

制动性能评价指标.................................................................. 错误!未定义书签。

制动效能.................................................................................. 错误!未定义书签。

制动效能的恒定性.................................................................. 错误!未定义书签。

制动时汽车方向的稳定性...................................................... 错误!未定义书签。

制动器制动力分配曲线分析.................................................. 错误!未定义书签。

制动减速度j和制动距离S...................................................... 错误!未定义书签。

摩擦衬块的磨损特性计算...................................................... 错误!未定义书签。

7总结 ................................................................................................ 错误!未定义书签。

参考文献............................................................................................ 错误!未定义书签。

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

前言
汽车的设计与生产涉及到许多领域，其独有的安全性、经济性、舒适性等众多指标，也对设计提出了更高的要求。

汽车制动系统是汽车行驶的一个重要主动安全系统，其性能的好坏对汽车的行驶安全有着重要影响。

随着汽车的形式速度和路面情况复杂程度的提高，更加需要高性能.长寿命的制动系统。

其性能的好坏对汽车的行驶安全有着重要影响，如果此系统不能正常工作，车上的驾驶员和乘客将会受到车祸的伤害。

鉴于制动系统的重要性，本次设计的主要内容就是关于制动器的设计，目前广泛使用的是摩擦式制动器，摩擦式制动器就其摩擦副的结构形式可分成鼓式、盘式和带式三种。

其中盘式制动器较为广泛。

盘式制动器的摩擦力产生于同汽车固定部位相连的部件与一个或几个制动盘两端面之间。

其中摩擦材料仅能覆盖制动盘工作表面的一小部分的盘式制动器称为钳盘式制动器；摩擦材料覆盖制动盘全部工作表面盘式制动器称为全盘式制动器。

现代汽车中以单盘单钳式的钳盘式制动器应用最为广泛，仅有个别大吨位矿用自卸车采用单盘三钳和双盘单钳的钳盘式制动器，以及全盘式制动器。

本次设计共七章内容，在赵凯辉导师的指导下，结合有关的书籍和手册而完成。

赵老师在我的设计中做了全程辅导，并最后对本设计做了认真详细的审阅，提出了许多宝贵的意见，我在此向他表示诚挚的感谢。

1绪论
制动系统设计的意义
汽车是现代交通工具中用得最多、最普遍、也是运用得最方便的交通工具。

汽车制动系统是汽车底盘上的一个重要系统，它是制约汽车运动的装置，而制动器又是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关键装置，是汽车上最重要的安全件。

汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。

随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大，人们对安全性、可靠性的要求越来越高，为保证人身和车辆安全，必须为汽车配备十分可靠的制动系统。

本次毕业设计题目为大学生方程式赛车制动系统设计。

制动系统研究现状
车辆在形式过程中要频繁进行制动操作，由于制动性能的好坏直接关系到交通和人身安全，因此制动性能是车辆非常重要的性能之一，改善汽车的制动性能始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。

当车辆制动时，由于车辆受到与行驶方向相反的外力，所以才导致汽车的速度逐步减小到0，对这一过程中车辆受力情况的分析有助于制动系统的分析和设计，因此制动过程受力情况分析是车辆试验和设计的基础，由于这一过程较为复杂，因此一般在实际中只能建立简化模型分析，通常人们从三个方面来对制动系统进行分析和评价：
1）制动效能：即制动距离与制动减速度；
2）制动效能的恒定性：即热衰退性；
3）制动时汽车方向的稳定性；
目前，对于整车制动系统的研究主要通过路试或台架进行，由于在汽车道路试验中车轮扭矩不易测量，因此，多数有关制动系的试验均通过间接测量来进行汽车在道路上的行驶，其车轮与地面的作用力是汽车运动变化的根据，在汽车道路试验中，如果能够方便地测量出车轮上扭矩的变化，则可为汽车整车制动性能研究提供更全面的试验数据和性能评价。

本次制动系统应达到的目标
1）具有良好的制动效能；
2）具有良好的制动效能稳定性；
3）制动时汽车操纵稳定性好；
4）制动效能的热稳定性好；
2制动系统方案论证分析与选择
制动器形式方案分析
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。

2.1.1 鼓式制动器
鼓式制动器是最早形式汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛应用于各类汽车上。

鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构型式。

内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，后者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半轴套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件作为制动鼓。

车轮制动器的制动鼓均固定在轮毂上。

制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦蹄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，并利用制动鼓的外圆柱表面与制动带摩擦片的内圆弧作为一对摩擦表面，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一些汽车的中央制动器，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:
1) 领从蹄式制动器
如图2-1所示，若图上方的旋向箭头代表汽车前进时制动鼓的旋转方向（制动鼓正向旋转），则蹄1为领蹄，蹄2为从蹄。

汽车倒车时制
动鼓的旋转方向变为反向旋转，则相应得使领蹄与从蹄也就相互对调了。

这种当制动鼓正、反反向旋转时总具有一个领蹄和一个从蹄的内张型鼓式制动器称为领从蹄使制动器。

领蹄所受的摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有增势作用，故又称为增势蹄；而从蹄所受的摩擦力使蹄有离开制动鼓的趋势，即摩擦力矩具有减势作用，故又称为减势蹄。

增势作用使领蹄所受的法向反力增大，而减势作用使从蹄所受的法向反力减小。

领从蹄式制动器的效能及稳定性均处于中等水平，但由于其在汽车前进与倒车时的制动性能不变，且结构简单，造价较低，也便于服装驻车制动机构，故这种结构仍广泛用于中、重型载货汽车的前、后轮制动器及轿车的后轮制动器。

图2-1 领从蹄式制动器
2) 双领蹄式制动器
若在汽车前进时两制动蹄均为领蹄的制动器，则称为双领蹄使制动器（如图2-2所示）。

显然，当汽车倒车时这种制动器的两制动蹄又都变为从蹄故它又可称为双向领蹄式制动器。

如图所示，两制动蹄各用一个单活塞制动轮缸推动，两套制动蹄、制动轮缸等机件在制动底板上是
以制动底板中心作对称布置的，因此，两蹄对制动鼓的作用的合力恰好相互平衡，故属于平面式制动器。

双领蹄式制动器有高的正向制动效能，但倒车时则变为双从蹄式使制动效能大降，这种结构经常用于中级轿车的前轮制动器，这是因为这类汽车前进制动时，前轴的动轴荷及附着力大于后轴，而倒车时则相反。

图2-2 双领从蹄式制动器
3) 双向双领蹄式制动器
当制动鼓正向和反向旋转时，两制动助均为领蹄的制动器则称为双向双领蹄式制动器（如图2-3所示）。

它也属于平衡式制动器。

由于双向双领蹄式制动器在汽车前进及倒车时的制动性能不变，因此广泛应用于中、轻型载货汽车和部分轿车的前后轮，但用作后轮制动器时，则需另设中央制动用于驻车制动。

图2-3 双向双领蹄式制动器
4) 单向增力式制动器
单向增力式制动器如图2-4所示两蹄下端以顶杆相连接，第二制动蹄支承在其上端制动地板上的支承销上，由于制动时两蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居于一种非平衡式的制动器。

单向增力式制动器在汽车前进制动时的制动效能很高，且高于前述的各种制动器，但在倒车制动时，其制动效能却是最低的。

因此，它用于少数轻、中型货车和轿车上作为前轮制动器。

图2-4 单向增力式制动器
5）双向增力式制动器
将单向增力式制动器的单活塞式制动轮缸换用双活塞式制动轮缸，其上端的支承销也作为两蹄共用的，则称为双向增力式制动器(如图2-5所示)。

对双向增力式制动器来说不论汽车前进制动或倒退制动，该制动器均为增力式制动器。

双向增力式制动器在大型高速轿车上用的较多，而且常常将其作为行车制动与驻车制动功用的制动器，但行车制动是由液压经制动轮缸产生制动蹄的张开力进行制动，而驻车制动则是用制动操纵手柄通过钢索拉绳及杠杆等机械操纵系统进行操纵。

双向增力式制动器也广泛用于汽车的中央制动器，因为驻车制动要求制动器正向、反向的制动效能都很高，而且驻车制动若不用于应急制动时也不会产生高温，故其热衰退问题并不突出。

但由于结构问题使它在制动过程中散热和排水性能差，容易导致制动效率下降。

因此，在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。

但由于成本低，仍然在一些经济型车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。

图2-5 双向增力式制动器
2.1.2 盘式制动器
盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两大类。

1）钳盘式
钳盘式制动器按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等。

a定钳盘式制动器：这种制动器中的制动钳固定不动，制动盘与车轮相连并在制动钳体开口槽中旋转。

具有以下优点：除活塞和制动块外无其他滑动件，易于保证制动钳的刚度；结构及制造工艺与一般鼓式制
动器相差不多，容易实现鼓式制动器到盘式制动器的改革，能很好地适应多回路制动系的要求。

b浮钳盘式制动器：这种制动器具有以下优点：仅在盘得内侧具有液压缸，故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近轮毂；没有跨越制动盘的油道或油管，液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；成本低；浮动盘的制动块可兼用驻车制动。

2）全盘式
在全盘制动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。

由于这种制动器散热条件较差，其应用远远没有钳盘式制动器广泛。

盘式制动器与鼓式制动器相比，有以下优点：
1）制动效能稳定性好；
2）制动力矩与汽车运动方向无关；
3）易于构成双回路，有较高的可靠性和安全性；
4）尺寸小、质量小、散热好；
5）制动衬块上压力均匀，衬块磨损均匀；
6）更换衬块工作简单容易。

7）衬块与制动盘间的间隙小，缩短了制动协调时间。

8）易于实现间隙自动调整。

综合以上优缺点最终确定本次设计采用前后盘式制动器，且均为浮钳盘式制动器。

制动驱动机构的机构形式选择
根据动力源的不同，制动驱动机构可分为简单制动、动力制动及伺服制动三大类型。

而力的传递方式又有机械式、液压式、气压式、气压-液压式的区别。

2.2.1 简单制动系
简单制动系即人力制动系，是靠四级作用于制动踏板上或手柄上的力作为制动力源。

而传力方式有机械式和液压式两种。

机械式的靠杆系或钢丝绳传力，其结构简单，造假低廉，工作可靠，但机械效率低，因此仅用于中、小型汽车的驻车制动装置中。

液压式的简单制动系统通常称为液压制动系，用于行车制动装置。

其优点是作用滞后时间短（工作压力大（可达10MPa-12MPa),缸径尺寸小，可布置在制动器内部作为制动蹄的张开机构或制动块的压紧机构，使之结构简单、紧凑、质量小、造价低。

但其有限的力传动比限制了它在汽车上的适用范围。

另外，液压管路在过渡受热时会形成气泡而影响传输，即产生所谓“气阻”使制动效能降低甚至失效；而当气温过低时（-25摄氏度和更低时），由于制动液的粘度增大，使工作的可靠性降低，以及当有局部损坏时，使整个系统都不能继续工作，液压式简单制动系曾广泛用于轿车、轻型及以下的货车和部分中型货车上。

但由于操作较沉重，不能适应现代汽车提高操作轻便性的要求，故当前仅多用于微型汽车上，在轿车和轻型汽车已经极少采用。

2.2.2 动力制动系
动力制动系是以发动机动力形成的气压或液压势能作为汽车制动的全部力源进行制动，而司机作用于制动踏板或手柄上的力仅用于对制动回路中控制元件的操纵。

在简单制动系中的踏板力与其行程间的发比例关系在动力制动系中便不复存在。

动力制动系有气压制动系、气顶液式制动系和全液压动力制动系3种。

1)气压制动系
气压制动系是动力制动系最常见的型式，由于可获得较大的制动驱动力，且主车与被拖的挂车以及汽车列车之间制动驱动系统的连接装置结构简单、连接和断开均很方便，因此被广用于总质量为8t以上尤其是15t以上的载货汽车、越野汽车和客车上，但气压制动系必须采用空气压缩机、储气筒、制动阀等装置，使其结构复杂、笨重、轮廓尺寸大、造价高；管路中气压的产生和撤除均较慢，作用滞后时间较长（因此，当制动阀到制动气室和储气罐的距离较远时，有必要加设启动的第二控制元件--继动阀（即加速阀）以及快放阀；管路工作压力较低（一半为。

因而制动器室的直径达，只能置于制动器之外，在通过杆件及凸轮或锲块驱动制动蹄，使非簧载质量增大；另外制动气室排气时也有较大噪声。

2)气顶液式制动系
气顶液式制动系是动力制动系的另一种型式，即利用气压系统作为普通的液压制动系统主缸的驱动力源的一种制动驱动机构，它兼有液压制动和气压制动的主要优点。

由于其气压系统的管路短，故作用滞后时
间也较短。

显然，其结构复杂、质量大、造价高，故主要用于重型汽车上，一部分总质量为9t-11t的中型汽车上也有所采用。

3)全液压动力制动系
全液压动力制动系除具有一般液压制动系统的优点外，还具有操作轻便、制动反应快、制动能力强、受气阻影响较小、易于采用制动力调节装置和防滑移装置，及可与动力转向、液压悬架、举升机构及其他辅助设备共同液压泵和储油等优点。

其结构复杂、精密件多，对系统的密封性要求也较高，故并未得到广泛应用，目前仅用于某些高级轿车、大型客车以及极少数的重矿用自卸汽车上。

2.2.3 伺服制动系
伺服制动系是在人力液压制动系的基础上加设一套除其他能源提供的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系，在正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生，而在动力伺服系统失效时，仍可全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力。

因此，在中级以上的轿车及轻、中型客、货汽车上得到了广泛的应用。

按伺服系统能源的不同，又有真空伺服制动系、气压伺服制动系和液压伺服制动系之分，其伺服能源分别为真空能（负气压能）、气压能和液压能。

根据赛规及经验要求，确定本次设计采用简单液压制动
液压分路系统的形式的选择
为了提高制动工作的可靠性，应采用分路系统，即全车的所有行车制动器的液压或气压管路分为两个或更多的相互独立的回路，其中一个回路失效后，仍可利用其他完好的回路起制动作用。

双轴汽车的双回路制动系统有以下常见的物种分路形式(如图2-6所示)：
1）一轴对一轴（II）型，前轴制动器与后桥制动器各用一个回路。

2）交叉型（X），前轴的一侧车轮制动器与后桥的对策车轮制动器同属一个回路。

3）一周半对半轴（HI）型，两侧前制动器的板书轮缸和全部后制动器轮缸属于一个回路，其余的前轮缸则属另一回路。

4）半轴一轮对半轴一轮（LL)型，两个回路分别对两侧前轮制动器的半数轮缸和一个后轮制动器起作用。

5）双半轴对双半轴（HH）型，每个回路均只对每个前、后制动器的半数轮缸起作用。

图2-6 液压分路系统形式
II型管路布置较为简单，可与传统的但轮岗鼓式制动器配合使用，成本较低，目前在各类汽车特别是商用车商用得最广泛。

对于这种形式，若后制动回路失效，则一旦前轮抱死即极易丧失转弯制动能力。

对于采用前轮驱动因而前制动器强于后制动器的乘用车，当前制动回路失效而单用后桥制动时，制动力将严重不足（小于正常情况下的一半），并且，若后桥负荷小于前轴负荷，则踏板力过大时易使后桥车轮抱死而汽车侧滑。

X型的结构也很简单。

直行制动时任一回路失效，剩余的总制动力都能保持正常值的50%。

但是，一旦某一管路损坏造成制动力不对称，此时前轮将朝制动力大的一边绕主销转动，使汽车丧失稳定性。

因此，这种方案适用于主销偏移距为负值（达20mm)的汽车上。

这时，不平衡的制动力使车轮反向转动，改善了汽车的稳定性。

HI、HH、LL型结构都比较复杂。

LL型和HH型在任一回路失效时，前后制动力比值均与正常情况下相同，剩余总制动力可达正常值的50%
左右。

HI型单用一轴半回路时剩余制动力较大，但此时与LL型一样，紧急制动情况下后轮很容易先抱死。

综合以上各个管路的优缺点，最终选择X型管路。

液压制动主缸的设计方案
为了提高汽车行驶的安全性，并根据交通法则的要求，现代汽车的行驶制动系统都采用了双回路制动系统。

双回路制动系统的制动主缸为串联双缸制动主缸，单缸制动主缸已经被淘汰。

储存罐中的油经每一腔的进油螺栓和各自旁通孔、补偿孔流入主缸的前、后腔。

在主缸前、后工作腔内产生的油压分别经各自的出油阀和各自的管路传到前、后轮制动器的轮缸。

主缸不工作时，前、后俩工作腔内的活塞头部与皮碗正好位于前、后腔内各自的旁通孔和补偿孔之间。

当踏下制动踏板时，踏板传动机构通过推杆推动后缸活塞前移，到皮碗掩盖住旁通孔后，此腔液压升高。

在后腔液压和后腔弹簧力的作用下，推动前缸活塞向前移动，前腔压力也随之升高。

当继续下踩制动踏板时，前、后腔的液压继续升高，使前、后轮制动器制动。

撤除踏板力后，制动踏板机构、主缸前后腔活塞和轮缸活塞，在各自的复位弹簧作用下回位，管路中的制动液借其压力推开回油阀门流回主缸。

于是接触制动。

当迅速放开制动踏板时，由于油液的粘性和管路阻力的影响，油液不能及时流回主缸并填充因活塞右移而让出的空间，因而在旁通孔开启之前，压油腔中产生一定的真空度。

此时进油腔液压高于压油腔，因而进油腔的油液便从前、后缸活塞的前密封皮碗的边缘与缸壁间的间隙流入各自的压油腔以填补真空。

与此同时，储液室中的油液经补偿孔流。