汽车制动系统的设计及仿真

汽车制动系统的设计及仿真
任务书
1．设计的主要任务及目标
汽车制动器是制动系中最重要的一个部件，是制动系统中用以产生阻碍汽车运动或运动趋势的力的部件。

凡是利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩的制动器都成为摩擦制动器。

摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。

前者的摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其工作表面为圆柱面；后者的旋转元件则为圆盘状的制动盘，以端面为工作表面。

2．设计的基本要求和内容
（1）了解汽车制动系统的工作过程。

（2）熟悉汽车制动系统的设计过程和设计参数。

（3）结合汽车制动性能要求设计汽车制动器。

（4）结合三维建模软件，并实现制动器的运动仿真。

3．主要参考文献
[1] 王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2004
[2] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2003
[3] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2003
[4] 林秉华.最新汽车设计实用手册[M],黑龙江:黑龙江出版社,2005
[5] 张尉林.汽车制动系统的分析与设计[M].北京:机械工业出社,2002
4．进度安排
注：一式4份，系部、指导教师各1份、学生2份：[毕业设计]及答辩评分表各一份
汽车制动系统的设计及仿真
摘要：汽车的制动系是汽车行车安全的保证，许多制动法规对制动系提出了许多详细而具体的要求，这是我们设计的出发点。

从制动器的功用及设计的要求出发，依据给定的设计参数，进行了方案论证。

对各种形式的制动器的优缺点进行了比较后，选择了浮动钳盘的形式。

这样，制动系有较高的制动效能和较高的效能因素稳定性。

随后，对盘式制动器的具体结构的设计过程进行了详尽的阐述。

选择了简单液压驱动机构和双管路系统，选用了间隙自动调节装置。

在设计计算部分，选择了几个结构参数，计算了制动系的主要参数，盘式制动器相关零件的设计计算。

关键词: 制动器，同步附着系数，制动盘，制动钳
Automobile brake system design and simulation
Abstracts：The braking system in a vehicle guaranteed the safety of driving .Many rules and regulations have been made for the braking system in detail, which is the starting of our design.
Firstly, I demonstrate the project on the base of the function of the brake, And analysis their strong point and shortcomings .I choose the form of front-disked. In this way, the braking system have higher braking efficiency and high stability of the performance factors. Subsequently, the specific structure of the disc brake design was elaborated in detail.
I designed the hydraulic drive system and two-pipe system and selected clearance automatic adjusting device.
In the calculate part .I chosen several structural parameters, calculated the main parameters of the braking system drive mechanism.
Key words：disc brakes，synchronous attachment coefficient，brake disc，brake caliper
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题研究的目的及意义 (1)
1.2制动系统研究现状 (1)
1.3课题设计思路 (3)
2制动系统概述 (4)
2.1制动系的类型 (4)
2.2汽车制动系统组成 (4)
2.3 制动器的组成 (5)
2.4 制动器的要求 (5)
2.5 制动器的种类 (7)
3 汽车参数计算 (14)
3.1汽车的基本参数 (14)
3.2 制动系的主要参数及其选择 (15)
3.3 盘式制动器的结构参数与摩擦系数的确定 (16)
3.4 制动衬块的设计计算 (18)
3.5 摩擦衬块磨损特性的计算 (19)
4 制动器主要零件的结构设计 (21)
4.2 制动钳 (21)
4.4 摩擦材料 (21)
4.5 盘式制动器间隙的调整方法及相应机构 (22)
4.6 制动驱动机构的结构型式选择与设计计算 (22)
结论 (25)
参考文献 (26)
致谢 (27)
附录 (28)
1 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
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。

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。

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[3]。

现代汽车普遍采用的摩擦式制动器的实际工作性能是整个制动系中最复杂、最不稳定的因素，因此改进制动器机构、解决制约其性能的突出问题具有非常重要的意义。

1.2制动系统研究现状
目前，车辆主要还是采用盘式和鼓式制动的组合形式。

虽然盘式制动器的使用经济性现状有所提高，但是与鼓式制动器比起来还是贵很多。

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有进一步提升。

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，而鼓式制动器的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。

因此，汽车制动器未来的发展重点是浮钳式盘式制动器。

尤其是在前轮安装的通风盘式制动器又是发展重点。

另外，作为需要再增大制动力的一种制动产品，双盘式
制动器在商用车应用的气压式双盘式制动器将是未来的发展方向。

后轮盘式制动器中，带驻车制动器功能的盘中鼓式制动器将是未来发展的一种趋势。

随着BBW技术的发展，盘式电动制动器是未来发展的重点方向。

在材料选择方面：80年代以前，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、芬香族聚酰纤维或其他纤维作为加固材料。

其主要优点是：无论在低温还是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地特点，也在研究新型摩擦材料，比如有河北够工业大学所承担的科研项目“代替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；西安交大和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，根据报道该制动器摩擦系数、磨损率、硬度、冲击韧性等各项性能均能达到国家标准、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。

另外，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，将取代传统的液压为主的传统控制系统。

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在不断下降。

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平稳系统、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课题设计思路
制动器是制动系中最主要的一个部件，是制动系统中用以产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力的部件。

凡是利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩的制动器都称为摩擦制动器，摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。

前者的摩擦副中的旋转件为制动鼓，其工作表面为圆柱面，如图1-1（a）；后者的旋转元件则为圆盘状的制动盘，以端面为工作表面，如图1-1（b）。

（a）（b)
图1-1制动鼓与制动盘
目前广泛使用的是摩擦式制动器,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.
主要设计步骤：
1.阅读汽车制动器的相关文献，了解制动器的工作原理；
2.明确设计范围和方向，将设计目标明确为浮动钳盘式制动器；
3.根据汽车基本参数，，计算制动器零件的相关参数；
4.根据参数，通过solidworks软件进行三维建模,并实现运动仿真。

2制动系统概述
2.1制动系的类型
一般汽车制动系包括两套独立的系统：驻车制动系统和行车制动系统。

驻车制动系统是由驾驶员用手操作的，又称为手制动系。

它的功能是使已经停下来的汽车驻留原地不动，如斜坡等各种路面。

行车制动系统是由驾驶员用脚来操纵的，因此也被称为脚制动系统。

它的功能是使正在行驶中的汽车减速或者在最短的距离内停车。

在紧急情况下，两套制动系统可以同时使用，从而增大汽车的制动效果。

经常在山区行驶的汽车或者某些特殊用途的汽车，为提高行车安全，减轻制动器的磨损，还应备有辅助制动系统，在下坡时用来稳定车速。

根据制动能源来分类，制动系统可分为人力制动系统、动力制动系统、伺服制动系统。

以驾驶员作为唯一制动来源的系统成为人力制动系统。

由发动机的动力转化为气压或液压作为制动能源的制动系称为动力制动系统。

兼用人力和发电机作为制动能源的制动系统称为伺服制动体统[1]。

2.2汽车制动系统组成
任何制动系都是具有以下四个基本组成部分：
（1）供能装置包括供给、调节制动所需的能量以及改善传能介质状态的各种部件。

其中，产生制动能量的部分称为制动能源。

人的肌肤也可作为制动能源。

（2）控制装置包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件。

（3）传动装置包括将制动能量传输到制动器的各个部件。

（4）制动器是产生阻碍车辆的运动活运动趋势的力的部件，其中也包括辅助制动系中的缓速装置。

目前较为完善的制动系还具有制动力调节装置、报警装置、压力保护装置等附加装置[2]。

如图2-1所示。

1-制动助力器；2-制动灯开关；3-驻车制动与行车制动警示灯；4-驻车制动接触装置；
5-后轮制动器 6-制动灯；7-驻车制动踏板；8-制动踏板；9-制动主缸；10-制动钳；
11-发动机气管；12-低压管；13-制动盘
图2-1 汽车制动系统组成
2.3 制动器的组成
任何一套制动装置均由制动器和制动驱动机构两部分组成。

目前，各类汽车上都是采用的摩擦制动器。

它是利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦作用产生制动力矩的制动器。

如果制动器的旋转元件固定在车轮上，制动力矩直接作用在车轮上的制动器称之为车轮制动器。

若制动器的旋转元件固定在传动轴上，制动力矩需要经过驱动桥再分配到两侧车轮上的制动器称为中央制动器。

中央制动器一般用于驻车制动。

根据汽车旋转元件的不同，车轮制动器可分为鼓式和盘式两类[3]。

2.4 制动器的要求
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。

各项性能指标除应满足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度和制动距离驻坡效能是以汽
车在良好的路面上能可靠而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，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，尤其是下长坡时的连续制动，均会引起制动器的温升过快，温度过高。

特别是下长坡时的独立的管路可使制动器摩擦副的温度达到300℃～400℃．有时甚至高达700℃。

此时，制动器的摩擦系数会急剧减小，使制动效能迅速下降而发生所谓的热衰退现象。

制动器发热衰退，经过散热、降温和一定次数的缓和使用，使摩擦表面得到磨合，其制动效能重新恢复，这称为热恢复。

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、污物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。

某些越野汽车为了防止水和泥沙进入而采用封闭制动器的措施。

(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；对货车应不大于
170mm，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。

各国法规规定，制动的最大踏板力一般为500N(轿车)～700N(货车)。

设计时，紧急制动(约占制动总次数的5％～10％)踏板力的选取范围：轿车为200N～300N货车为350N～550N．采用伺服制动或动力制动装置时取其小值。

应急制动时的手柄拉力以不大于400N～500N为宜；驻车制动的手柄拉力应不大于500N(轿车)～700N(货车)。

(8)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(制动滞后时间)和从放开踏板至完全解除制动的时间(解除制动滞后时间)。

(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；制动系中也应有必要的安全装置，例如一旦主、挂车之间的连接制动管路损坏，应有防止压缩空气继续漏失的装置；在行驶过程中挂车一旦脱挂，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)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[8]。

2.5 制动器的种类
2.5.1鼓式制动器
鼓式制动器是利用制动蹄片挤压制动鼓来获得制动力的，分为内张式和外束式两种。

内张鼓式制动器是以制动鼓的内圆柱面为工作表面，现代汽车上广泛使用内张蹄鼓式制动器。

按照驱动制动蹄张开装置（也称为促动装置）的形式不同，鼓式制动器可分为轮缸式制动器和凸轮式制动器。

前者是以液压轮缸作为制动蹄促动装置，后者以凸轮作为促动装置。

鼓式制动器按照制动蹄的受力情况不同，可分为领从蹄式（轮缸促动、凸轮促动）、
双领蹄式（单向作用和双向作用）、自动增力式三种[7]。

（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
图2-2 鼓式制动器
（1）领从蹄式制动器
如图2-2（a）（b）所示，若图上方的旋转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，则相应地使领蹄与从蹄也相互对调了。

这种当制动鼓正、反方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式制动器。

领蹄所受的摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有“增势”的作用，故又称为增势蹄；而从蹄受到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，又称为减势蹄。

“增势”作用是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的制动性能不变，且结构简单造价较低，也便于附装驻车制动机构，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。

（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，则称为双领蹄式制动器。

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称为单向领蹄式制动器。

如图2-2（c）所示，两制动蹄各用一个活塞制动轮缸推动，两套制动蹄、制动轮缸等机件在制动底板上是以制动底板为中心做对称布置的，因此，两蹄对制动鼓作用的合力恰好相互平衡，故属于平衡式制动器。

双领蹄式制动器有高的正向制动效能，但倒车时则变成双从蹄式，使制动效能降低。

这种结构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，前轴的附着力大于后轴，倒车时则相反。

（3）双向双领蹄式制动器
如图2-2（d）当制动鼓正向和反向旋转时，两制动器均为领蹄式制动器时则称为双向双领蹄式制动器。

它也属于平衡制动器。

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，因此广泛用于中、轻型载货汽车和部分轿车的前后车轮，但用作后轮制动器时，则需另设中央制动器用于驻车制动。

图2-3 双向双领蹄式制动器
（4）单向增力式制动器
如图2-2（e）单向增力式制动器如图所示，两蹄下端以顶杆相连接，第二制动蹄支撑其上端制动底板上的支撑销上。

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，它仅用于少数轻、中型货车和轿车上作为前轮制动器。

（5）双向增力式制动器
如图2-2（f）将单向增力式制动器的活塞式制动轮缸换成双活塞式制动轮缸，其上端的支撑销也作为两蹄共用的，则成为双向增力式制动器。

对双向增力式制动器来说，无论汽车前进还是后退，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共用的制动器。

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作汽车的中央制动器，因为之车制动要求制动器正向、反向的制动效能很高，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[6]。

2.5.2 盘式制动器
按摩擦副中固定元件的结构不同，盘式制动器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中。

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°，因此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。