汽车制动系统的设计

摘要
汽车是现代交通工具中用得最多，最普遍，也是最方便的交通运输工具。

汽车制动系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健装置，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、可靠性要求越来越高，为保证人身和车辆的安全,必须为汽车配备十分可靠的制动系统。

本说明书主要设计了哈飞赛豹轿车制动系统。

首先介绍了汽车制动系统的发展、结构、分类，并通过对鼓式制动器和盘式制动器的结构及优缺点进行分析。

最终确定方案采用液压双回路前盘后鼓式制动器。

除此之外，它还对前后制动器、制动主缸进行设计计算，主要部件的参数选择及制动管路布置形式等的设计过程。

关键字：制动；鼓式制动器；盘式制动器；液压；制动主缸
ABSTRACT
Automobile is the modern traffic tools, the most common used most, also be the most convenient traffic transportation. Automobile brake system is automobile chassis to an important system, it is restricted by the car of the movement of the device. And the brake is brake system directly effect the automobile sport in a restricted key device, is the most important safety car parts. The automobile braking performance directly influence the car driving safety. With the rapid development of the industry and highway traffic density increases day by day, the people to the safety and reliability of the demand is higher and higher, to ensure the safety of the person and vehicles, must be equipped with very reliable car brake system.
This manual mainly designed saibao hafei car brake system. First this paper reviewed the automobile braking system development, structure, classification, and through to the drum brake disc brake and the structure of the advantages and disadvantages and analyzed. Ultimately determine the scheme adopts hydraulic double circuit qianpan hougu type brake. In addition, it's still around to brake and brake main cylinder design, calculation of the main parts of parameter selection and brake pipe, the design process of decorate a form, etc.
Key words: Braking; Brake drum; Brake disc; Hydroid pressure；Braking cylinder
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
第1章绪论 (1)
1.1汽车制动系的研究的目的和意义 (1)
1.2汽车制动系统的研究现状和发展趋势 (1)
1.3汽车制动系设的计要求 (5)
第2章制动系统总体方案的确定 (7)
2.1 制动系统的分类及作用 (7)
2.2 制动系统的主要参数的确定及计算 (8)
2.2.1 制动力与制动力分配系数 (8)
2.2.2 同步附着系数 (9)
2.2.3 制动器最大制动力矩 (9)
2.2.4 制动器因数 (10)
2.3 本章小结 (11)
第3章制动驱动机构的设计 (12)
3.1 制动驱动机构的结构型式选择 (12)
3.2 液压制动驱动机构的设计计算 (13)
3.2.1 制动轮缸直径与工作容积 (13)
3.2.2 制动主缸直径与工作容积 (14)
3.2.3 制动踏板力与踏板的行程 (14)
3.3 本章小结 (15)
第4章制动器设计和计算 (16)
4.1 制动器方案确定 (16)
4.1.1鼓式制动器 (16)
4.1.2盘式制动器 (18)
4.2 鼓、盘式制动器的主要参数的确定 (19)
4.2.1 鼓式制动器的结构参数和摩擦系数 (19)
4.2.2 盘式制动器主要参数的确定 (20)
4.3 制动器的设计与计算 (21)
4.3.1 制动蹄摩擦面的压力分布规律及径向变形规律 (21)
4.3.2 制动蹄片上的制动力矩 (22)
4.3.3 摩擦衬块的磨损特性计算 (23)
4.3.4 制动器热容量和温升的核算 (25)
4.3.5 盘式制动器制动力矩的计算 (26)
4.3.6驻车制动计算 (27)
4.4 制动器主要零部件的结构设计 (28)
4.4.1 制动鼓 (28)
4.4.2 制动蹄 (29)
4.4.3 制动底板 (30)
4.4.4 制动蹄的支承 (30)
4.4.5 制动轮缸 (30)
4.4.6 制动盘 (30)
4.4.7 制动钳 (31)
4.4.8 制动块 (31)
4.4.9 摩擦材料 (31)
4.4.10 制动器间隙的调整方法及响应机构 (31)
4.5 本章小结 (32)
结论 (33)
参考文献 (34)
致谢 (35)
附录 (36)
第1章绪论
1.1汽车制动系的研究的目的和意义
汽车制动系是用于使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止的汽车停在原地（包括在斜坡上）驻留不动的机构，汽车制动系直接影响着汽车行驶的安全性和停车的可靠性。

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，停车可靠，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，牵引汽车还应有自动制动装置。

行车制动装置用于使行驶中的汽车强制减速或停车，并使汽车在下断坡时保持适当的稳定的车速。

其驱动机构常采用双回路或多回路机构，以保证其工作可靠。

驻车制动装置用于使汽车可靠而无时间限制地停驻在一定位置甚至在斜坡上，它也有助于汽车在坡路上起步。

驻车制动装置应采用机械式驱动机构而不用液压或气压驱动，以免其发生故障。

应急制动装置用于当行车制动装置意外发生故障而失效时，则可利用其机械力源（如强力压缩弹簧）实现汽车制动。

应急制动装置不必是独立的制动系统，它可利用行车制动装置或驻车制动装置的某些制动器件。

应急制动装置也不是每车必备的，因为普通的手力驻车制动器也可以起到应计制动的作用。

辅助制动装置用在山区行驶的汽车上，利用发动机排气制动或电涡流制动等的辅助制动装置，可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持稳定车速，并减轻或解除行车制动器的负荷。

1.2汽车制动系统的研究现状和发展趋势
1）制动控制系统的历史
最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时的车辆的质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着汽车自质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。

这时，开始出现真空助力装置。

1932年生产的质量为2860kg的凯迪拉克V16车四轮采用直径419.1mm的
鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。

林肯公司也于1932年推出V12轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。

随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。

Duesenberg Eight
车率先使用了轿车液压制动器。

克莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世。

通用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。

到20世纪50年代，液压助力制动器才成为现实。

20世纪80年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱制动系统(ABS)的实用和推广。

ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。

它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。

防抱装置一般包括三部分：传感器、控制器(电子计算机)与压力调节器。

传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。

2）制动控制系统的现状
当考虑基本的制动功能量，液压操纵仍然是最可靠、最经济的方法。

即使增加了防抱制动(ABS)功能后，传统的“油液制动系统”仍然占有优势地位。

但是就复杂性和经济性而言，增加的牵引力控制、车辆稳定性控制和一些正在考虑用于“智能汽车”的新技术使基本的制动器显得微不足道。

传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。

当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后平衡。

而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压力进行调节。

目前，车辆防抱制动控制系统(ABS)已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计的。

方法虽然简单实用，但是其调试比较困难，不同的车辆需要不同的匹配技术，在许多不同的道路上加以验证；从理论上来说，整个控制过程车轮滑移率不是保持在最佳滑移率上，并未达到最佳的制动效果。

滑移率控制的难点在于确定各种路况下的最佳滑移率，另一个难点是车辆速度的测量问题，它应是低成本可靠的技术，并最终能发展成为使用的产品。

对以滑移率为目标的ABS而言，控制精度并不是十分突出的问题，并且达到高精度的控制也比较困难；因为路面及车辆运动状态的变化很大，多种干扰影响较大，所以重要的问题在于控制的稳定性，即系统鲁棒性，应保持在各种条件下不失控。

防抱系统要求高可靠性，否则会导致人身伤亡及车辆损坏。

因此，发展鲁棒性的ABS控制系统成为关键。

现在，多种鲁棒控制系统应用到ABS的控制逻辑中来。

除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外，增益调度PID控制、变结构控制和模糊控制是常用的鲁棒控制系统，是目前所采用的以滑移率为目标的连续控制系统。

模糊控制法是基于经验规则的控制，与系统的模型无关，具有很好的鲁棒性和控制规则的灵活性，但调整控制参数比较困难，无理论而言，基本上是靠试凑的方法。

然而对大多数基于目标值的控制而言，控制规律有一定的规律。

车轮的驱动打滑与制动抱死是很类似的问题。

在汽车起动或加速时，因驱动力过大而使驱动轮高速旋转、超过摩擦极限而引起打滑。

此时，车轮同样不具有足够的侧向力来保持车辆的稳定，车轮切向力也减少，影响加速性能。

由此看出，防止车轮打滑与抱死都是要控制汽车的滑移率，所以在ABS的基础上发展了驱动防滑系统(ASR)。

ABS只有在极端情况下(车轮完全抱死)才会控制制动，在部分制动时，电子制动使可控制单个制动缸压力，因此反应时间缩短，确保在任一瞬间得到正确的制动压力。

近几年电子技术及计算机控制技术的飞速发展为EBS的发展带来了机遇。

德国自20世纪80年代以来率先发展了ABS/ASR系统并投入市场，在EBS的研究与发展过程中走到了世界的前列。

3）制动控制系统的发展
今天，ABS/ASR已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备。

车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展。

一方面是扩大控制范围、增加控制功能；另一方面是采用优化控制理论，实施伺服控制和高精度控制。

经过了一百多年的发展，汽车制动系统的形式已经基本固定下来。

随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。

如凯西-海斯(K-H)公司在一辆实验车上安装了一种电-液(EH)制动系统，该系统彻底改变了制动器的操作机理。

通过采用4个比例阀和电力电子控制装置，K-H公司的EBM就能考虑到基本制动、ABS、牵引力控制、巡航控制制动干预等情况，而不需另外增加任何一种附加装置。

EBM系统潜在的优点是比标准制动器能更加有效地分配基本制动力，从而使制动距离缩短5%。

一种完全无油液、完全的电路制动BBW(Brake-By-Wire)的开发使传统的液压制动装置成为历史。

4) 全电路制动(BBW)
BBW是未来制动控制系统的L发展方向。

全电制动不同于传统的制动系统，因为其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。

全电制动的结构如图2所示。

其主要包含以下部分：
(a)电制动器。

其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种，作动器是电动机；
(b)电制动控制单元(ECU)。

接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。

由于各种控制系统如卫星定位、导航系统，自动变速系统，无级转向系统，悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成，所以ECU还得兼顾这些系统的控制；
(c)轮速传感器。

准确、可靠、及时地获得车轮的速度；
(d)线束。

给系统传递能源和电控制信号；
(e)电源。

为整个电制动系统提供能源。

与其他系统共用。

可以是各种电源，也包括再生能源。

从结构上可以看出这种全电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比拟的优点：
(a)整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置。

液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低；
(b)制动响应时间短，提高制动性能；
(c)无制动液，维护简单；
(d)系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构；
(e)采用电线连接，系统耐久性能良好；
(f)易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。

全电制动控制系统是一个全新的系统，给制动控制系统带来了巨大的变革，为将来的车辆智能控制提供条件。

但是，要想全面推广，还有不少问题需要解决：电制动控制系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。

这种混合制动系统是全电制动系统的过渡方案。

由于两套制动系统共存，使结构复杂，成本偏高。

随着技术的进步，上述的各种问题会逐步得到解决，全电制动控制系统会真正代替传统的以液压为主的制动控制系统。

5) 结论
综上所述，现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展。

全电制动控制因其巨大的优越性，将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统。

同时，随着其他汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降。

汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个ECU中，并将逐渐代替常规的控制系统，实现车辆控制的智能化。

但是，汽车制动控制技术的发展受整个汽车工业发展的制约。

有一个巨大的汽车现有及潜在的市场的吸引，各种先进的电子技术、生物技术、信息技术以及各种智能技术才不断应用到汽车制动控制系统中来。

同时需要各种国际及国内的相关法规的健全，这样装备新的制动技术的汽车就会真正应用到汽车的批量生产中。

1.3 汽车制动系统的设计要求
本设计研究的主要内容：设计完成汽车制动系统，包括制动系统的类型选择、总体布置形式，制动系统各零部件的结构设计和性能分析。

设计要求：
（1）各项性能指标除应满足设计任务书的规定和国家要求、法规制定的有关要求外，也要考虑到我的制动系统应符合现在国内汽车市场的低成本和高性能的要求。

（2）具有足够的制动效能，包括行车制动效能和驻车制动效能。

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器和制动距离两项指标来评定的。

制动距离直接影响着汽车的行驶安全性。

（3）工作可靠。

为此，设计两套系统：行车制动系统和驻车制动系统，且它们的驱动机构是独立的，而行车制动装置的制动驱动机构至少应有两套独立的管路，当其中一套失效时，另一套应保证汽车制动效能不低于正常值的30%；驻车制动装置应采用工作可靠的机械式制动驱动机构。

（4）制动效能热稳定性好。

汽车的高速制动、短时间的频繁重复制动，尤其使下长坡时的连续制动，均会引起制动器的温升过快，温度过高。

提高摩擦材料的高温摩擦稳定性，增大制动鼓、盘的热容量，改善其散热性或采用强制冷却装置，都是提高抗热衰退的措施。

（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。

良好的摩擦材料的吸水率低，其摩擦性能恢复迅速。

另外也应防止泥沙等进入制动器摩擦副工作表面，否则会使制动效能降低并加速磨损。

（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。

通过ABS来调节前后轮的制动油压来实现。

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，即操作仪方便性好，操纵轻便、舒适，减少疲劳。

（8）制动系的机件应使用寿命长，制造成本低；对摩擦材料的选择也应考虑到环保要求，应力求减小制动时飞散到大气中的有害于人体的石棉纤维。

（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。

（11）制动系中应有音响或光信号等警报装置，以便能及时发现制动驱动机件的故障和功能失效；制动系中应有必要的安全装置，在行驶中挂车一旦脱挂，亦应有安全装置驱使驻车制动将其停驻。

（12）能全天候使用。

气温高时液压制动管路不应有气阻现象；气温低时，气制动管路不应出现结冰现象。

（13）作用滞后的时间要尽可能短，包括从制动踏板开始动作至达到给定制动效能水平所需的时间和从放开踏板至完全解除制动的时间。

第2章制动系统总体方案的确定
2.1 制动系统的分类及作用
制动系统按功用分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系统和辅助制动系统。

汽车制动系至少应有前两套制动系统，而重型汽车或者经常在山区行驶的汽车要增设应急制动系统及辅助制动系统。

行车制动系统用于使行驶中的汽车强制减速或停车，并使汽车在下短坡时保持适当的稳定车速。

其驱动机构常采用双回路或多回路结构，以保证其工作可靠。

驻车制动系统使已停驶的汽车驻留在原地不动的一套装置。

应采用机械式驱动机构而不用液压或气压驱动，以免其产生故障。

应急制动系统也叫第二制动系统，是在用于行车制动系统发生意外故障而失效时，保证汽车仍能实现减速或停车的一套装置。

应急系统也不是每车必备的，因为普通的手力驻车装置也可起到应急制动的作用。

辅助制动系统通常安装在常行驶于山区的汽车上，利用发动机排气或者电涡流制动等的辅助制动装置，可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持车速，并减轻或解除行车制动器的负荷。

按制动系统的制动能源分类
（1）人力制动系统—以驾驶员的肌体作为惟一制动能源的制动系统。

（2）动力制动系统—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制动系统。

（3）伺服制动系统—兼用人力和发动机进行制动的制动系统。

人力目前仍是国内中低档车最为适合的制动能源，它符合了降低成本同时又有可靠的性能保证。

所以我选择人力为我的制动系统的能源。

按照能量的传输方式，制动系统又可分为机械式、液压式、气压式和电磁式。

在行车制动系统上我选用液压式，反应迅速，性能好。

而在驻车制动系统上我选用机械式，性能稳定，故障少。

通过以上的分析，本次设计主要围绕行车制动系统和驻车制动系统来设计，而应急系统为了节省成本就利用现有的驻车系统来代替。

本次设计的汽车使用范围是在城市内行驶，所以不设计辅助制动系统（如图2.1所示）。

图2.1 总体布置图
2.2 制动系统的主要参数的确定及计算
在制动器设计中需预先给定的整车参数有：
表2.1 制动系统整车参数
而对汽车制动性能有重要影响的制动系参数有：制动力及其分配系数、同步附着系数、制动器最大制动力矩与制动器因数等。

2.2.1 制动力与制动力分配系数
根据公式：L
h L g
02ϕβ-=
（2.1）
得：67.06
.285
.06.025.1=⨯+=
β
2.2.2 同步附着系数
同步附着系数是汽车制动性能的一个重要参数，由汽车结构参数所决定的。

它是制动器动力分配系数为β的汽车的实际前、后制动器制动力分配线，简称β线，与汽车理想的前、后制动器动力分配曲线I 线的交点。

对于前、后制动器制动力为固定比值的汽车，只有在附着系数等于同步附着系数0ϕ的路面上，汽车前、后车轮才会同时抱死，当汽车在不同ω植的路面上制动时，可能出现以下3种情况。

（1）当0ϕ<ϕ时：制动时总是前轮先抱死，这是一种稳定工况，单失去转向能力。

（2）当0ϕ>ϕ时：制动时总是后轮先抱死，这时容易发生后轴侧滑而使汽车失去方向稳定性。

（3）当0ϕ=ϕ时：制动时前、后轮同时抱死，是一种稳定工况，但也失去转向能力。

现代的道路条件大为改善，汽车行驶速度也大为提高，因此汽车因制动时后轮先抱死的后果十分严重。

由于车速高，它不仅会引起侧滑甩尾甚至会发生调头而丧失操纵稳定性，因此后轮先抱死的情况十分严重，所以现在各类汽车的0ϕ值都均有增大趋势。

轿车0ϕ≥0.6；货车0ϕ≥0.5。

2
0g
L L h β-ϕ=
（2.2） 故取0ϕ=0.6
2.2.3 制动器最大制动力矩
由轮胎与路面附着系数所决定的前后轴最大附着力矩：
e g r qh L L G
M ϕυ)(1max 2-= （2.3）
式中：Φ——该车所能遇到的最大附着系数；
q ——制动强度；
e r ——车轮有效半径；
max 2μM ——后轴最大制动力矩； G ——汽车满载质量； L ——汽车轴距；
q=
g h a a ⨯-+)(0ϕϕϕ=85
.0)6.07.0(35.17
.035.1⨯-+⨯=0.66
故后轴max 2μM =
3707.0)85.066.035.1(6
.220000
⨯⨯⨯-=1.57610⨯Nmm 后轮的制动力矩为2/1057.16⨯=0.785610⨯Nmm 前轴max 1μM = T max 1f =
max 21f T β
β
-=0.67/(1-0.67)⨯1.57610⨯=3.2610⨯Nmm
前轮的制动力矩为3.2610⨯/2=1.6610⨯Nmm 2.2.4 制动器因数
制动器因数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
f T BF PR
= （2.4）
式中：f T —制动器的摩擦力矩； R —制动盘或制动鼓的作用半径；
P —输入力，一般取加于两制动蹄的张开力的平均值输入力。

对于钳盘式制动器，设两侧制动块对制动盘的压紧力均为P ，即制动盘在其两侧的作用半径上所受的摩擦力为2f P ,此处f 为盘与制动衬块饿摩擦系数，于钳盘式制动器的制动器因数为
f P
fP
BF 22== （2.5） f ——取0.5 得BF=2×0.5=1
对于鼓式制动器，当12P P P ==时，则有
12T T BF BF BF =+
如图2.2 ，假设在张力P 的作用下，制动蹄的摩擦衬片与鼓之间作用力的合力N 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Nf ，f 为摩擦系数。

a,b,c,h,R 及α为结构尺寸。