卷扬机制动器设计

1  前  言

汽车工业的百年发展史，1886年真是不同寻常的一年，这一年，德国人卡尔·奔驰研制的0.9马力的三轮汽车取得了帝国专利证书，同年，另一名德国人戴姆勒也试驾了他发明的四轮汽油汽车。从此，汽车开始改变这个世界。1906年美国的杜里埃兄弟制造并出售了13辆以汽油为燃料的四轮汽车。1914年，福特汽车公司已经实现了汽车的流水线生产。1928年，通用公司雪佛兰汽车的年产量就达到了120万辆。汽车很快就成了时尚的宠儿。中国汽车工业从1953年兴建第一汽车制造厂开始，1956年第一辆牌载货汽车驶出一汽的大门，中国不能制造汽车的历史从此结束。如今汽车品牌之多，汽车生产技术之先进，已是人们有目共睹的事实。

21世纪是汽车工业飞速发展的时代，汽车工业逐步成为许多国家的支柱产业。我国随着国民经济的快速发展，汽车的年产量和社会保有量也都在迅速增加。汽车质量的优劣，关系到我国汽车产业能否冲出国门，走向世界。因此，对汽车以及相关产品的改进也是相当重要的。

从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。汽车制动器作为汽车制动系统的重要部件，其工作状况的好坏直接影响到制动系统的性能和行车的安全。与鼓刹相比，盘式制动器具有散热快、重量轻、制动迅速、调整方便的优点。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，受外界环境因素的影响更小，在严寒气候和极限驾驶状态下开车，盘式制动器比鼓式制动器更容易在短时间内让车停下来。所以盘式制动器具有更大的发展空间，广泛应用也有很深远的意义。

2  盘式制动器的结构方案分析

2.1 钳盘式制动器的分类

钳盘式制动器的固定摩擦元件是制动块，装在与车轴连接且不能绕车轴轴线旋转的制动钳中。制动衬块与制动盘接触面很小，在盘上所占的中心角一般仅为30°～50°，故这种盘式制动器又称为点盘式制动器。

钳盘式制动器按制动钳的结构不同，有以下几种。

图2-1  钳盘式制动器示意图

1.固定钳式

如图2-1(a)所示，制动钳固定不动，既不能旋转，也不能沿制动盘轴线方向移动，因而其中必须在制动盘两侧装设制动块促动装置，以便分别将两侧的制动块压向制动盘。这种形式也成为对置活塞式或浮动活塞式。

2.浮动钳式

（1）滑动钳式  如图2-1(b)所示，制动钳可以相对于制动盘做轴向滑动，其中只在制动盘的内侧置有液压缸，外侧的制动块固装在钳体上。制动时活塞在液压作用下使活动制动块压靠到制动盘。而反作用力则推动制动钳体连同固定制动块压向制动盘的另一侧，直到两制动块受力均匀为止。

（2）摆动钳式  如图2-1(c)所示，它也是单侧液压缸结构，制动钳体与固定于车轴上的支座铰接。为实现制动，钳体不是滑动而是在与制动盘垂直的平面内摆动。显然制动块不可能全面均匀地摩擦。为此，有必要将衬块预先做成楔形（摩擦面对背面的倾斜角为6°左右）。在使用过程中，衬块逐渐磨损到各处残存厚度均匀（一般为1mm左右）后应即更换。

2.2 盘式制动器的选择

固定钳式的优点有：

（1）除活塞和制动块以外无其他滑动件，易于保证钳的刚度；

（2）结构及制造工艺与一般的制动轮缸相差不多；

（3）容易实现从鼓式到盘式的改型；

（4）能适应不同回路驱动系统的要求（可采用三缸或四缸液压缸结构）。

固定钳式制动器存在着以下缺点：

（1）液压缸较多，使制动钳结构复杂；

（2）液压缸分置于制动盘两侧，必须用跨越制动的钳内油道或外部来连通。这必然使得制动钳的尺寸过大，难以安装现代化轿车的轮毂内；

（3）热负荷大时，液压缸和跨越制动盘的或油道中的制动液容易受热汽化；

（4）若要兼用于驻车制动，则必须加装一个机械促动的驻车制动钳。

这些缺点使得固定钳式制动器难以适应现代汽车的使用要求，故70年代以来，逐渐让位于浮钳盘式制动器。

浮动钳式制动器的优点有：

（1）侧有液压缸，故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近轮毂；

（2）没有跨越制动噢案的油道或，加之液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；

（3）成本低浮动钳的制动块可兼用于驻车制动。

经过分析，浮动钳式与固定钳式制动器相比， 浮动钳式制动器的优点更为突出，成本低，冷却条件好。所以本次设计采用浮动钳式中的滑动钳式制动器。

2.3 盘式制动器的功用和要求

制动器是汽车部件中不可缺少的一部分，它直接影响着行车中的安全，它的功用是：在汽车正常的行驶过程中能使汽车以适当的减速度降速行驶或者停车，在下坡行驶时，又能使汽车可以保持适当及稳定的车速行驶，也能使其可靠地停在原地或坡道上。

为保证离合器有良好的工作性能，对制动器的设计应满足如下要求：

1.有足够的制动能力。行车制动能力，用一定制动初速度下的制动减速度和制动距离两项指标评定，驻坡能力是指汽车在良好路面上能可靠地停驻的最大坡度；

2.在任何速度制动，汽车都不应当丧失操纵性和方向稳定性；

3.防止水和污泥进入制动工作表面；

4.要求制动器制动能力的热稳定能力良好；

5.操纵轻便，并具有良好的随动性。

2.4 滑动钳式制动器的工作原理

图2-2  滑动钳式制动器工作原理

如图2-2所示，滑动钳式制动器的制动钳可以相对与制动盘做轴向滑动，其只在制动盘的内侧置有液压缸。外侧的制动块固定在钳体上。制动时，油液被压入液压缸中，活塞在液压P1的作用下使活动制动块压靠到制动盘，而其反作用力P2则推动钳体连同制动块一起压向制动盘的另一侧，直到两制动块受力均等为止，两制动块共同作用使车轮停止旋转。当不制动时，液压快速下降，制动块在弹力的作用下迅速向两边张开与制动盘分离。

3  盘式制动器的设计与计算

3.1 制动力矩的计算

图 3-1 盘式制动器摩擦片几何尺寸

如图3-1所示,若摩擦片与制动盘面接触良好,且各处单位压力分布均匀,则在任一单元面积上的摩擦力对制动盘中心的力矩为,式中q为摩擦片与制动盘之间的单位面积上的压力,μ为摩擦片的摩擦系数,则单侧摩擦片作用于制动盘上的制动力矩为:

则盘式制动器的总制动力矩为:

                        （3.1）

依据制动盘与轮缸液压传递关系可得:

式中:d为轮缸直径(mm):p为轮缸中的压强(MPa);为摩擦片内半径(mm):

为摩擦片外半径(mm);θ为摩擦片圆心角(rad)。

故制动器力矩表达式可表示为:

                     (3.2)

令:

通常将称为制动盘的有效制动半径。

3.2 制动器表面温升

汽车制动时,因速度降低所释放的动能E可用下式表示:

                        (3.3)

式中: G—整车重量(N);—制动前车速(m /s);—制动后车速(m /s);

S—制动距离(m);α—下坡道路坡度角。

能量E的一部分消耗在汽车的滚动阻力和空气阻力上,其余部分则通过制动器转换成热能,它所占的比例Z可由下式表示:

                                      (3.4)

式中:—汽车阻力引起的减速度:—汽车的制动减速度。

制动时所产生的热量引起制动器零件温度上升,同时在行驶过程中零件表面逐渐向大气散热。在重复制动时,每次制动所产生的热量,不能及时散出,使制动器温度逐步升高,但是因为散热条件的影响因素过多,而且因制动过程时间较短,热量不易散出,可以从理论上认为制动温升由制动器吸收,而对于非金属摩擦衬片,由于其绝热性能所吸收的热量很少,因此可以认为绝大部分热量被制动盘吸收,每制动一次后,制动盘的温升为:

                                (3.5)

式中:A—单个制动盘所分配的热量占全部热量的比例数; J—热功当量4.18(焦耳/卡);

制动盘质量(kg);—制动盘比热(J/kg·k)。

其中可由下式决定:

式中:D—制动盘直径(mm):a—制动盘厚度(mm);制动盘密度。

3.3 摩擦片单位压力

设摩擦片任一点至制动盘轴线距离为,根据文献[8]可得,定义的摩擦片任一点单位压力为:

式中:—单个摩擦片摩擦面积(mm2);为比例系数,其值为:

由上式可知,在和处,分别达到其最大值和最小值,即摩擦片最大单位压力为:

                            (3.6)

3.4 性能约束

(1)制动力矩约束:汽车制动器制动力矩应该小于地面的摩擦力矩,否则会发生车轮抱死现象而产生侧滑,从而失去稳定性,即:

                                 (3.7)

式中:λ—可靠系数;—路面附着系数;G—整车重量(N),β—制动力分配系数。

(2)摩擦片压力约束:摩擦片应达到要求的耐磨性或使用寿命,对于摩擦片最大许用单位压力,一般按经验取值,因此,由式(3.6)确定的摩擦片最大单位压力不得超过许用单位压力即:

                         (3.8)

(3)比能量耗散率约束:如果比能量耗散率过高,不仅会加快制动摩擦片的磨损,而且可能引起制动盘的龟裂,因此所施加的约束为:

                 (3.9)

式中:m—整车质量(kg);[e]—为盘式制动器时,取6.0;

t为制动时间,可按下式计算:

(4)油缸压力约束:一般油缸内的液压应小于外围油缸所能承受的压力,即: 

                               (3.10)

(5)制动盘一次制动的体积温升:依据文献[3],一次由va=8.33 m /s到完全停车的强烈制动,温升应不超过15°C,即:

               (3.11)

式中:—检验温升时的初始速度(m /s),一般取8. 33 m /s

(6)结构约束

1)　  

2)　 

3)　 

4)　d/2+δ+/2+Δ3 (R1+R2) /2 

5)　1.27 / 1.63 

其中:—轮辋直径(mm);—轮毂直径(mm);δ—轮缸厚度(mm);

Δ1、Δ2、Δ3—分别为结构设计空间裕量(mm)。

4  盘式制动器主要参数的确定

4.1 制动盘直径与厚度

制动盘直径D应尽可能取大些，这时制动盘的有效半径得到增加，可以降低制动钳的夹紧力，减少衬块的单位压力和工作温度。受轮辋直径的，制动盘的直径通常选择为轮辋直径的70%～79%。总质量大于2t的汽车应取上限。

根据实际情况，本次设计的制动盘直径D取200mm。

制动盘厚度h对制动盘质量和工作时的温度有影响。为使质量小些，制动盘厚度不宜取得很大；为降低温度，制动盘厚度又不宜取得过小。制动盘可以做成实心的，或者为了散热通风的需要在制动盘中间铸出通风孔道。一般实心制动盘厚度可取10～20mm，通风式制动盘厚度取为20～30mm。

本次设计取厚度应为20mm。

4.2 摩擦衬块半径

制动器摩擦衬块在性能上应满足如下要求：

1.摩擦因数较高且较稳定，工作温度、单位压力、滑磨速度的变化对其影响要小；

2.有足够的机械强度与耐磨性；

3.密度要小，以减小从动盘转动惯量；

4.热稳定性好，在高温下分离出的粘合剂少，无味，不易烧焦；

磨合性能好，不致刮伤制动盘表面。

摩擦衬块外半径R2与内半径R1的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作时衬块的外缘与内侧圆周速度相差太多，磨损不均匀，接触面积减少，最终导致制动力矩变化大。

4.3 制动衬块面积

对于盘式制动器衬块工作面积A，根据制动衬块单位面积占有的汽车质量在1.6～3.5kg/cm²范围内选用。

5  Solidworks的盘式制动器设计

5.1 制动器零件的绘制（附主要零件的立体效果图）

本文针对建模总结了Solidworks软件的一些使用技巧，简述如下：

    1. 建模之前，应对模型，尤其是复杂模型作全局考虑，认真周全地确定建模顺序和方法；

    2. 在进行主要建模环节之前，应仔细检查尺寸，防止出现错漏。如果某部分尺寸遗漏或出错，那么在“抽空”操作后，可能会因该部分尺寸的错误而造成设计全部报废，从而影响开发进度；

    3. 对于复杂模型，应将三维实体建模和二维图生成结合使用。二维图能较准确地检查空间不易检查的尺寸，并可反过来验证实体建模的正确性，及时发现存在的问题；

    4. 在做了一系列实体后应及时检查参数，避免出错；

5. 对于复杂零件应多做备份。针对不同工作阶段存储相应的文档，以备文件丢失或损坏时可调用最近的相邻文件重做。