【正文】 機械凸輪鼓式制動器設(shè)計方案第1章 緒 論車輛的制動性能是車輛主動安全性能中最重要的性能之一。汽車的制動性能是由汽車的制動系統(tǒng)決定的，它主要是給安全行駛提供保證，其中其制動器性能的優(yōu)劣將直接影響汽車整車性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到駕乘人員的生命財產(chǎn)安全，重大交通事故往往與制動距離過長、緊急制動時發(fā)生側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力等情況有關(guān)，因此汽車的制動性能是汽車安全行駛的重要保障。汽車的制動過程是很復雜的，它與汽車總布置和制動系各參數(shù)選擇有關(guān)。汽車制動系統(tǒng)主要由供能裝置、傳能裝置、控制裝置和制動器組成，制動器的實際性能是整個制動系中最復雜和最不穩(wěn)定的因素，因此制動器的設(shè)計在整車設(shè)計中顯得非常重。隨著汽車安全性的日益提高，汽車制動系統(tǒng)也歷經(jīng)了數(shù)次變遷和改進。從最初的皮革摩擦制動，到后來的鼓式、盤式制動器，再到機械式ABS制動系統(tǒng)，緊接著伴隨電子技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了模擬電子ABS制動系統(tǒng)、數(shù)字式電控ABS制動系統(tǒng)，等等。近10年來，西方發(fā)達國家又興起了對汽車線控系統(tǒng)的研究，線控制動系統(tǒng)應運而生，并開展了對電控機械制動系統(tǒng)的研究。簡單來說，電控機械制動系統(tǒng)就是把原來液壓或者壓縮空氣驅(qū)動的部分改為電動機驅(qū)動，借以提高響應速度，增加制動效能, 同時大大簡化了結(jié)構(gòu)，降低了裝配和維護的難度。由于人們對制動性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動系統(tǒng)在加入大量電子控制系統(tǒng)(如ABS、TCS、ESP)后，結(jié)構(gòu)和管路布置越來越復雜，加大了液壓(空氣)回路泄漏的隱患，同時裝配和維修的難度也隨之提高；因此，結(jié)構(gòu)相對簡單、功能集成可靠的電控機械制動系統(tǒng)越來越受到青睞?？梢灶A見，EMB將最終取代1傳統(tǒng)的液壓(空氣)制動器，成為未來汽車制動系統(tǒng)的發(fā)展方向。長期以來，為了充分發(fā)揮蹄－鼓式制動器的重要優(yōu)勢，旨在克服其主要缺點的研究工作和技術(shù)改進一直在進行中，尤其是對蹄－鼓式制動器工作過程和性能計算分析方法的研究受到高度重視。這些研究工作的重點在于制動器結(jié)構(gòu)和實際使用因素等對制動器的效能及其穩(wěn)定性等的影響，取得了一些重要的研究成果，得到了一些比較可行、有效的改進措施，制動器的性能也有了一定程度的提高。1997年，提出了一種“電控自增力鼓式制動器”設(shè)計方案，該制動器是通過機械的方法來實現(xiàn)鼓式制動器的自增力，制動效能因數(shù)的變化范圍為2～6。應用一套電控機械裝置調(diào)整領(lǐng)蹄的支承點來提高制動器的制動效能數(shù)，以補償由于摩擦材料的熱衰退而引起的摩擦系數(shù)降低。該制動器達到相同的制動力矩所要求的輸入力是盤式制動器1/7。該系統(tǒng)的控制裝置允許每個制動器單獨工作，從而提高了行車的安全性，另外對駕駛和操縱舒適性也有所提高，但仍然存在一些問題，諸如系統(tǒng)復雜、高能耗、高成本、維護困難等。1999年提出一種四蹄八片（塊）式制動器，通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)合理匹配設(shè)計，制動效能因數(shù)有一定地提高，同時制動效能_因數(shù)對摩擦系數(shù)的敏感性也可以有適當?shù)馗纳?，這就在一定程度上改善了制動效能的穩(wěn)定性。2000 年，提出一種具有多自由度聯(lián)動蹄的新型蹄－鼓式制動器，該型式的制動器使得制動效能因數(shù)及其穩(wěn)定性得到顯著提高；摩擦副間壓力分布趨于均勻，可保證摩擦副間接觸狀態(tài)的穩(wěn)定，并延長摩擦片使用壽命；性能參數(shù)可設(shè)計性強，可根據(jù)對制動效能的需要，較靈活地進行制動器設(shè)計。另外，近年來則出現(xiàn)了一些全新的制動器結(jié)構(gòu)形式，如磁粉制動器、濕式多盤制動器、電力液壓制動臂型盤式制動器、濕式盤式彈簧制動器等。對于關(guān)鍵磁性介質(zhì)——磁粉，選用了抗氧化性強、耐磨、耐高溫、流動性好的軍工磁粉；磁轂組件選用了超級電工純鐵DT4，保證了空轉(zhuǎn)力矩小、重復控制精度高的性能要求；在熱容量和散熱等方面，采用了雙側(cè)帶散熱風扇，設(shè)計了散熱風道等，使得該技術(shù)有著極好的應用前景。盡管對蹄－鼓式制動器的設(shè)計研究取得了一定的成績，但是對傳統(tǒng)蹄－鼓式制動器的設(shè)計仍然有著不可替代的基礎(chǔ)性和研發(fā)性作用，也可為后續(xù)設(shè)計提供理論參考。根據(jù)設(shè)計車型的特點，進行參數(shù)選擇；確定制動器的結(jié)構(gòu)方案；完成制動器的總體和主要零部件的設(shè)計。第2章 汽車總體參數(shù)的選擇及計算汽車的分類按照GB/—2001將汽車分為乘用車和商用車。不同形式的汽車，主要體現(xiàn)在軸數(shù)、驅(qū)動形式、以及布置形式上有區(qū)別。 軸數(shù)汽車可以有兩軸、三軸、四軸甚至更多的軸數(shù)。影響選取軸數(shù)的因素主要有汽車的總質(zhì)量、道路法規(guī)對軸載質(zhì)量的限制和輪胎負荷能力以及汽車的結(jié)構(gòu)等。包括乘用車以及汽車總質(zhì)量小于19t的公路運輸車輛和軸荷不受道路、橋梁限制的不在公路上行駛的車輛，均采用結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉的兩軸方案?？傎|(zhì)量在19t~26t的公路運輸車采用三軸形式，總質(zhì)量更大的汽車宜采用四軸或四軸以上的形式。由于本設(shè)計的汽車是重型，其總質(zhì)量大于19t，所以采用三軸布置方案。由于本設(shè)計的汽車總質(zhì)量大于19t，所以采用64的驅(qū)動形式。貨車可以按照駕駛室與發(fā)動機相對位置不同，分為平頭式、短頭式、長頭式和偏置式四種。貨車又可按發(fā)動機位置不同，分為發(fā)動機前置、中置和后置三種布置形式。平頭式貨車的發(fā)動機位于駕駛室內(nèi)，其主要優(yōu)點是：汽車總長和軸距尺寸短，最小轉(zhuǎn)彎直徑小，機動性能好；不需要發(fā)動機罩和翼子板，汽車整備質(zhì)量減小，駕駛員視野得到明顯改善，采用翻轉(zhuǎn)式駕駛室時能改善發(fā)動機及其附件的接近性；汽車貨箱與整車的俯視面積之比比較高。平頭式貨車得到廣泛的應用。所以本設(shè)計采用平頭式的布置形式，并且采用發(fā)動機前置后橋驅(qū)動。汽車的質(zhì)量參數(shù)包括整車整備質(zhì)量 、載客量、裝載質(zhì)量、質(zhì)量系數(shù) 、汽車總質(zhì)量 、軸荷分配等。本設(shè)計中給出裝載質(zhì)量t。質(zhì)量系數(shù)是指汽車裝載質(zhì)量與整車整備質(zhì)量的比值，即＝。該系數(shù)反映了汽車的設(shè)計水平和工藝水平，值越大，說明該汽車的設(shè)計水平和工藝水平越先進。參考同類型的汽車的質(zhì)量系數(shù)值（表21）后，綜合選定本設(shè)計中的質(zhì)量系數(shù)值 表21 不同類型汽車的質(zhì)量系數(shù)汽車類型貨車輕型0．801．10中型1．201．35重型1．301．70由此可以確定整車整備質(zhì)量，t。汽車總質(zhì)量是指裝備齊全，并按照規(guī)定裝滿客，貨時的整車質(zhì)量。商用貨車的總質(zhì)量由整備質(zhì)量、裝載質(zhì)量和駕駛員以及隨行人員質(zhì)量三部分組成，即 Kg式中，為包括駕駛員及隨行人員數(shù)在內(nèi)的人數(shù)，應等于座位數(shù)。代入數(shù)據(jù)，n=2，t，t可得到總質(zhì)量。汽車的軸荷分配是指汽車在空載或滿載靜止狀態(tài)下，各車軸對支承平面的垂直負荷，也可以用占空載或滿載總質(zhì)量的百分比來表示。軸荷分配對輪胎壽命和汽車的許多使用性能有影響。從各輪胎磨損均勻和壽命相近考慮，各個車輪的負荷應相差不大；為了保證汽車有良好的動力性和通過性，驅(qū)動橋應有足夠大的負荷，而從動軸上的負荷可以適當減小，以利減小從動輪滾動阻力和提高在環(huán)路面上的通過性，為了保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性，又要求轉(zhuǎn)向軸的負荷不應過小，因此，可以得出作為很重要的軸荷分配參數(shù)，各使用性能對其要求是相互矛盾的，這就要求設(shè)計時應根據(jù)對整車的性能要求，使用條件等，合理地選擇軸荷分配。表22 各類汽車的軸荷分配車型滿載空載前軸后軸前軸后軸乘用車發(fā)動機前置前輪驅(qū)動發(fā)動機前置后輪驅(qū)動發(fā)動機后置后輪驅(qū)動47% ~ 60%45% ~ 50%40% ~ 46%40% ~ 53%50% ~ 55%54% ~ 60%56% ~ 66%51% ~ 56%38% ~ 50%34% ~ 44%44% ~ 49%50% ~ 62%商用貨車后輪單胎后輪雙胎，長、短頭式后輪雙胎，平頭式后輪雙胎32% ~ 40%25% ~ 27%30% ~ 35%19% ~ 25%60% ~ 68%73% ~ 75%65% ~ 70%75% ~ 81%50% ~ 59%44% ~ 49%48% ~ 54%31% ~ 37%41% ~ 50%51% ~ 56%46% ~ 52%63% ~ 69%本設(shè)計選擇后輪雙胎，平頭式的數(shù)據(jù)進行計算。汽車的質(zhì)心高度參考同類型重型貨車可以選擇空載時的質(zhì)心高度為=1420mm，滿載時的質(zhì)心高度取為=1530mm。軸距L對整備質(zhì)量、汽車總長、汽車最小轉(zhuǎn)彎直徑、傳動軸長度、縱向通過半徑等有影響。當軸距小時，上述指標均減小。此外，軸距還對軸荷分配、傳動軸夾角有影響。軸距過短，會帶來一系列缺點，車廂長度不足或后懸過長，制動或上坡時軸荷轉(zhuǎn)移過大，使汽車的制動性和操縱穩(wěn)定性變壞，車身縱向角震動過大，此外還會導致萬向節(jié)傳動的夾角過大等問題。綜合各方面數(shù)據(jù)選擇重型貨車的軸距L=5200mm。第3章 制動器的結(jié)構(gòu)型式及要求汽車制動器除各種緩速裝置外，幾乎都是機械摩擦式的，即是利用固定元件與旋轉(zhuǎn)元件工作表面間的摩擦而產(chǎn)生制動力矩使汽車減速或停車的，根據(jù)旋轉(zhuǎn)元件的不同分為鼓式和盤式兩大類，不過對于重型車來說，由于車速一般不是很高，鼓式剎車蹄的耐用程度也比盤式制動器高，而且盤式制動器比鼓式制動器要貴些，因此許多重型車至今仍使用四輪鼓式的設(shè)計。 2—制動蹄 5—支承銷 4—制動鼓圖 鼓式制動器工作原理帶有摩擦片的制動蹄2通過支承銷3鉸裝在制動底版上。制動時，輪缸活塞（轉(zhuǎn)動凸輪軸）對制動蹄施加張開力P，使其繞支承銷轉(zhuǎn)動，并抵靠在制動鼓4表面上。這是制動蹄2分別受到制動鼓作用的法向反力 、 ，和切向力 、 ，而制動蹄的切向反力對制動鼓產(chǎn)生一個與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動力矩（+）R，（R為制動鼓工作半徑），從而達到使汽車減速的目的。制動系應滿足如下要求：(1)能適應有關(guān)標準和法規(guī)的規(guī)定。(2)具有足夠的制動效能，包括行車制動效能和駐坡制動效能。(3)工作可靠。(4)制動效能的熱穩(wěn)定性好。(5)制動效能的水穩(wěn)定性好。 (6)制動時的操縱穩(wěn)定性好。(7)制動踏板和手柄的位置和行程符合人機工程學要求。(8)作用滯后的時間要盡可能地短。(9)制動時制動系噪聲盡可能小，且無異常聲響。(10)與懸架、轉(zhuǎn)向裝置不產(chǎn)生運動干涉，在車輪跳動或汽車轉(zhuǎn)向時不會引起自行制動。(11)能全天候使用，氣溫高時液壓制動管路不應有氣阻現(xiàn)象；氣溫低時氣制動管路不應出現(xiàn)結(jié)冰。(12)制動系的機件應使用壽命長、制造成本低；對摩擦材料的選擇也應考慮到環(huán)保要求，應力求減小制動時飛散到大氣中的有害于人體的石棉纖維[6]。鼓式制動器一般可按其制動蹄受力情況進行分類（見圖31），它們的制動效能、制動鼓的受力平衡狀態(tài)以及車輪旋轉(zhuǎn)方向?qū)χ苿有艿挠绊懢煌?。圖31 制動器的結(jié)構(gòu)形式鼓式制動器的各種結(jié)構(gòu)形式如圖32af所示。圖32 鼓式制動器示意圖（a）領(lǐng)從蹄式（用凸輪張開）；（b）領(lǐng)從蹄式（用制動輪缸張開）；（c）雙領(lǐng)蹄式（非雙向，平衡式）；（d）雙向雙領(lǐng)蹄式；（e）單向增力式；（f）雙向增力式不同形式鼓式制動器的主要區(qū)別有：（1）蹄片固定支點的數(shù)量和位置不同。（2）張開裝置的形式與數(shù)量不同。（3）制動時兩蹄片之間有無相互作用。因蹄片的固定支點和張開力位置不同，使不同形式鼓式制動器的領(lǐng)、從蹄數(shù)量有差別，并使制動效能不一樣。在單位輸入壓力或力的作用下所輸出的力或力矩，稱為制動效能。在評比不同形式制動器的效能時，常用一種稱為制動效能因素的無因次指標。制動效能因素的定義為：在制動鼓或制動盤的作用半徑R上所得到的摩擦力（）與輸入力之比，即 式中，K為制動器效能因素；R為制動器輸出的制動力矩。制動效能的穩(wěn)定性是指其效能因素K對摩擦因素 的敏感性。使用中 隨溫度和水濕程度變化。要求制動器的效能穩(wěn)定性好，即是其效能對 的變化敏感性小。如圖32(a)、(b)所示，圖上方的旋向箭頭代表汽車前進時制動鼓的旋轉(zhuǎn)方向(制動鼓正向旋轉(zhuǎn))，蹄1為領(lǐng)蹄，蹄2為從蹄。汽車倒車時制動鼓的變?yōu)榉聪蛐D(zhuǎn)，隨之領(lǐng)蹄與從蹄相互對調(diào)。制動鼓正、反