制动系统设计

制动系统设计3.1制动系统简述3.1.1制动系统工作原理汽车上用以使外界(主要是路面)在汽车某些部分(主要是车轮)施加一定的力，从而对其进行一定程度的强制制动的一系列专门装置统称为制动系统。

其作用是：使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车；使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车；使下坡行驶的汽车速度保持稳定。

制动系统的一般工作原理是，利用与车身(或车架)相连的非旋转元件和与车轮(或传动轴)相连的旋转元件之间的相互摩擦来阻止车轮的转动或转动的趋势。

3.1.2制动系统组成一般来说，任何一个汽车制动系都由供能装置、控制装置、传能装置和制动器组成。

其中制动器是保证汽车安全行驶的最重要的安全件。

目前广泛使用的制动器是摩擦式制动器，即鼓式制动器和盘式制动器，在轻型客车、轿车中，制动器大量采用前盘后鼓或前后轮均采用盘式制动器。

对于制动驱动系统,根据制动力源的不同,可分为:简单制动,动力制动以及伺服制动三类。

简单制动系又有机械式和液压式之分：机械式的靠杆系和钢丝绳传力，其结构简单，造价物廉，工作可靠，但是机械效率低，因此仅用于中、小型汽车的驻车制动中；液压式的简单制动系是用于行车装置的，曾广泛用于轿车、轻型及以下的货车和部分中型货车上，但是由于操纵较沉重，不能满足现代汽车提高操纵轻便性的要求，故当前仅多用于微型汽车上。

动力制动有气压制动系、气顶液式制动系和全液压动力制动系。

气压制动系只适应于中型和以上尤其是重型的载货汽车和客车；气顶液式制动系其结构复杂、质量大、造价高，故主要用于重型汽车上，一部分总质量为9t-11他的中型汽车上也有所采用。

全液压动力制动系统目前仅用于某些高级轿车、大型客车以及极少数的重型矿用自卸汽车上。

伺服制动系主要广泛应用于中级以上的轿车及轻、中型客、货车上。

3.2设计制动系应满足的要求汽车制动系应满足如下要求.(1)应能适应有关标准和法规的规定。

各项性能指标不但应该考虑设计任务书的规定和国家标准、法规制定的有关要求外，也应考虑销售对象所在国家和地区的法规和用户要求。

(2)具有足够的制动性能，包括行车制动性能和驻车制动效能。

行车制动效能是由在一定的制动初速度下及最大踏板力下的制动减速度和制动距离两相指标来确定。

驻坡性能是汽车在良好的路面上能无时间限制地停驻的最大坡度（%）来衡量的，一般应大于25%。

（3）工作可靠。

为此，汽车至少应有行车制动和驻车制动两套制动装置，且它们的制动驱动机构应是各自独立的。

（4）制动性能的热稳定性好。

汽车的高速制动、短时间的频繁重复制动，尤其是下坡时的连续制动，均会引起制动的温升过快，温度过高。

特别是下坡时的频繁制动，可使制动摩擦副摩擦系数急剧减小，使制动效能迅速下降而发生所谓的热衰退现象。

制动器发生外能够热衰退后，经过散热、降温和一定次数的和缓作用，是摩擦表面得到磨合，其制动效能可重新恢复，这称为热恢复。

（5）制动效能的水稳定性好。

制动器摩擦表面浸水后，会因水的润滑作用而使摩擦副的摩擦系数急剧减小而发生所谓的“水衰退”现象。

一般规定在出水后反复制动5～15次，即应恢复其制动效能。

（6）制动时的汽车操纵稳定性好。

即以任何速度制动，汽车均不应失去操纵性和方向稳定性。

为此，汽车前、后轮制动器的制动力矩应有适当的比例，最好能随各轴间载荷转移情况而变化；同一车轴上的左右车轮制动器的制动力矩应相同。

否则，当前轮抱死而侧滑时，将失去操纵性；当后轮抱死而侧滑甩尾时，会失去方向稳定性；当左右轮的制动力矩差值超过15%时，会在制动时发生汽车跑偏。

（7）制动踏板和手柄的位置和行程符合人-机工程学要求，即操作方便性好，操纵轻便、舒适，能减少疲劳。

踏板行程:对轿车应不大于150mm；其中考虑了摩擦衬片或衬块的容许磨损量。

制动手柄行程应不大于160mm～200mm。

各国法律规定，制动的最大踏板力一般为500N～700N。

驻车制动的手柄拉力应不大于500N～700N。

（8）作用滞后的时间要尽可能短。

（9）制动时不应产生振动和噪声。

（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。

3.3制动系统设计图3、制动系统方案设计流程3.3.1制动系统设计方法设计制动系时，在设计任务下达后，总体设计师必须根据汽车类型以及整车参数分析整车对制动系统的要求，确定制动系统的结构，选择适当的制动器类型。

制动系统方案设计流程如图。

由图可知：确定制动系统方案主要考虑一下几个方面的因素：（1） 行车制动系统的制动控制型式，是由哪些部件组成，如何在整车上进行布置；（2） 驻车制动各组成部分的确定以及在整车上的布置；（3） 制动器型式、构造选择以及构件布置图；（4） 前后轮制动力分配；3.3.2制动系主要参数及其选择制动系主要参数选取需要预先已知或者在此前已经计算出的整车参数如下：①轴距L：2100mm；②车轮有效半径e r ：005200.950.95247222e D D r m m λ===×=； （3-1） 0D ：轮胎外直径（即自由直径）；λ：轮胎变形系数；③整车整备质量2055563.2m L kg ==，估计为600kg；④汽车总重量a m =950kg；⑤空、满载时的轴荷分配：空载时：前轴负荷'1G =300kg，后轴负荷'2G =300kg；满载时：前轴负荷1G =436kg；后轴负荷2G =514kg；⑥空、满载时的质心高度：空载时'g h =401mm；满载时g h =495mm；⑦空、满载时质心距前、后轴距离空载时：'1L =1050.7mm；'2L =1049.3mm；满载时：1L =1136mm；2L =964mm；说明：在以下的计算中，均采用了标准路况：沥青或混凝土路面（干）。

3.3.2.1同步附着参数的确定一般汽车根据前后轴制动器制动力的分配、载荷情况及道路附着系数和坡度等因素，当制动器制动力足够时，制动过程会出现三种情况：①前轮先抱死拖滑；②后轮先抱死拖滑；③前后轮同时抱死拖滑。

最后一种情况附着条件利用的最好。

一般常用制动器制动力分配系数β来表示分配的比例，1F F μμβ=，其中F μ为汽车总制动器制动力。

设同步附着系数0ϕ。

当汽车在不同ϕ值路面上制动时：① 当0ϕϕ<时，制动时前轮先抱死。

这是一种稳定工况，但在制动时汽车有可能丧失转向能力，附着条件没有充分利用。

② 当0ϕϕ>时，制动时总是后轮先抱死，因而容易发生后轴侧滑而使汽车丧失稳定性。

③ 当0ϕϕ=时，制动时前、后轮同时抱死，这是一种稳定工况，但也丧失转向能力。

因此，前后制动器制动力分配的比例将影响到汽车制动时方向稳定性和附着条件利用程度。

要确定β值就要选取同步附着系数0ϕ。

一般来说，我们总是希望前轮先抱死。

因此各类轿车和一般载货车的0ϕ值有越来越高的趋势。

一般推荐轿车0ϕ取0.6，我国轿车可选取0.55～0.8。

道路状况越好则ϕ越大，为了能保证前后轮先后抱死，因而0ϕ取值要大。

在观光车中我们取0ϕ为0.75。

在任何附着系数为ϕ的路面上，前、后轮同时抱死的条件为： 121221f f f g f gF FG F L h F L h ϕϕϕ+=⎧⎪⎨+=⎪−⎩ （3-2） 式中：1f F -前制动器制动力；2f F -后轮制动器制动力；G -汽车重力；12L L 、-汽车质心至前、后轴中心线的距离；g h -汽车重心高度；在沥青或混凝土路面上，有路面附着系数ϕ=0.75。

Ⅰ、空载时：1L =1050.7mm，2L =1049.3mm；206009.8/5880G m g kg m s N ==×= ；g h =401mm；代入上式计算得到：12835f F N =，21575f F N =。

128350.644410f f F N F Nβ===； Ⅱ、满载时：1L =1136mm；2L =964mm；29509.8/9310a G m g kg m s N ==×=；g h =495mm；代入上式计算得到：15924.5f F N =，23385.5f F N =；15924.50.649310f f F N F Nβ===； 取制动力分配系数为0.64。

3.3.2.2制动器最大制动力矩的确定制动器所能产生的制动力矩，受车轮的计算力矩的制约，即：11f f e T F r = （3-3） 12f f e T F r =； （3-4） 式中：e r 为车轮有效半径；247e r mm =空载时：12835f F N =，21575f F N =；1700f T N m =⋅，2389f T N m =⋅；满载时：15924.5f F N =，23385.5f F N =；11463f T N m =⋅，2836f T N m =⋅。

故：一个车轮制动器最大的制动力矩为731.5N m ⋅。

3.4制动系统方案的确定3.4.1制动系统方案的提出对于太阳能观光车，在调研的基础上提出四套可行性方案：（1）行车制动和驻车制动均采用气压制动系。

气压式制动驱动，全盘式制动器。

（2）行车制动和驻车制动均采用气压制动系。

气压式制动驱动，前盘后鼓制动器。

（3）行车制动和驻车制动均采用简单制动系。

行车制动采用液压式制动驱动，靠制动液传递力，制动器选择前盘后鼓；驻车制动采用机械式制动驱动，靠杆系或者钢丝绳传递力，制动器选择鼓式制动器。

（4）行车制动和驻车制动均采用简单制动系。

行车制动采用液压式制动驱动，靠制动液传递力，制动器选择全盘式制动器；驻车制动采用机械式制动驱动，靠杆系或者钢丝绳传递力，制动器选择盘式制动器。

四种方案的实质是对制动器和制动驱动系统的选择，制动器有两种选择：前盘后鼓和全盘式；制动驱动系统有两种选择：简单制动系和气动制动系。

3.4.2制动系统不同方案比较与选取3.4.2.1行车制动系统在太阳能观光车中主要考虑气动制动和简单制动。

气动制动属于动力制动系，以发动机动力形成的气压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。

在简单制动中，踏板力与其行程成反比例关系，但是在气动制动中不存在这样的关系，因此此处的踏板力较小且可有适当的踏板行程。

气压制动系是动力制动系的最常见的型式,由于可以获得较大的制动驱动力，因此可以广泛应用于总质量为8t以上尤其是15t以上的载货汽车、越野汽车和客车上。

但气压制动系统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；作用之后时间长；制动气室排气时也有较大噪声。

因此气压制动系只适应于中型和以上尤其是重型的载货汽车和客车。

图4、气压制动回路示意图简单制动系即人力制动系，是靠司机作用于制动踏板上或手柄上的力作为制动力源，而力的制动方式又有机械式和液压式。