【文章內容簡介】 制動器（如圖 23所示）。它也屬于平衡式制動器。由于雙向雙領蹄式制動FSAE 大學生方程式賽車制動系統(tǒng)設計 7 器在汽車前進及倒車時的制動性能不變，因此廣泛應用于中、輕型載貨汽車和部分轎車的前后輪，但用作后輪制動器時，則需另設中央制動用于駐車制動。 圖 23 雙向雙領蹄式制動器 4) 單向增力式制動器 單向增力式制動器如圖 24 所示兩蹄下端以頂桿相連接，第二制動蹄支承在其上端制動地板上的支承銷上，由于制動時兩蹄的法向反力不能相 互平衡，因此它居于一種非平衡式的制動器。單向增力式制動器在汽車前進制動時的制動效能很高，且高于前述的各種制動器，但在倒車制動時，其制動效能卻是最低的。因此，它用于少數(shù)輕、中型貨車和轎車上作為前輪制動器。 鹽城工學院 2021 本科畢業(yè)設計 8 圖 24 單向增力式制動器 5）雙向增力式制動器 將單向增力式制動器的單活塞式制動輪缸換用雙活塞式制動輪缸，其上端的支承銷也作為兩蹄共用的，則稱為雙向增力式制動器 (如圖 25所示 )。對雙向增力式制動器來說不論汽車前進制動或倒退制動，該制動器均為增力式制動器。雙向增力式制動器在大型高速轎車上用的較多，而 且常常將其作為行車制動與駐車制動功用的制動器，但行車制動是由液壓經(jīng)制動輪缸產(chǎn)生制動蹄的張開力進行制動，而駐車制動則是用制動操縱手柄通過鋼索拉繩及杠桿等機械操縱系統(tǒng)進行操縱。雙向增力式制動器也廣泛用于汽車的中央制動器，因為駐車制動要求制動器正向、反向的制動效能都很高，而且駐車制動若不用于應急制動時也不會產(chǎn)生高溫，故其熱衰退問題并不突出。但由于結構問題使它在制動過程中散熱和排水性能差，容易導致制動效率下降。因此，在轎車領域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動器。但由于成本低，仍然在一些經(jīng)濟型車中使用，主要用于制動負荷比 較小的后輪和駐車制動。 FSAE 大學生方程式賽車制動系統(tǒng)設計 9 圖 25 雙向增力式制動器 盤式制動器 盤式制動器按摩擦副中定位原件的結構不同可分為鉗盤式和全盤式兩大類。 1）鉗盤式 鉗盤式制動器按制動鉗的結構形式不同可分為定鉗盤式制動器、浮鉗盤式制動器等。 ?定鉗盤式制動器：這種制動器中的制動鉗固定不動，制動盤與車輪相連并在制動鉗體開口槽中旋轉。具有以下優(yōu)點：除活塞和制動塊外無其他滑動件，易于保證制動鉗的剛度；結構及制造工藝與一般鼓式制動器相差不多，容易實現(xiàn)鼓式制動器到盤式制動器的改革，能很好地適應多回路制動系的要求。 ?浮鉗盤 式制動器：這種制動器具有以下優(yōu)點：僅在盤得內側具有液壓缸，故軸向尺寸小，制動器能進一步靠近輪轂；沒有跨越制動盤的油道或油管，液壓缸冷卻條件好，所以制動液汽化的可能性小；成本低；浮動盤的制動塊可兼用駐車制動。 2）全盤式 鹽城工學院 2021 本科畢業(yè)設計 10 在全盤制動器中，摩擦副的旋轉元件及固定元件均為圓盤形，制動時各盤摩擦表面全部接觸，其作用原理與摩擦式離合器相同。由于這種制動器散熱條件較差，其應用遠遠沒有鉗盤式制動器廣泛。 盤式制動器與鼓式制動器相比，有以下優(yōu)點： 1）制動效能穩(wěn)定性好； 2）制動力矩與汽車運動方向無關； 3）易于構成雙回路 ，有較高的可靠性和安全性； 4）尺寸小、質量小、散熱好； 5）制動襯塊上壓力均勻，襯塊磨損均勻； 6）更換襯塊工作簡單容易。 7）襯塊與制動盤間的間隙小，縮短了制動協(xié)調時間。 8）易于實現(xiàn)間隙自動調整。 綜合以上優(yōu)缺點最終確定本次設計采用前后盤式制動器，且均為浮鉗盤式制動器。 制動驅動機構的形式選擇 根據(jù)動力源的不同，制動驅動機構可分為簡單制動、動力制動及伺服制動三大類型。 簡單制動系統(tǒng) 簡單制動系即人力制動系，是靠四級作用于制動踏板上或手柄上的力作為制動力源。而傳力方式有機械 式和液壓式兩種。 機械式的靠桿系或鋼絲繩傳力，其結構簡單，造假低廉，工作可靠，但機械效率低，因此僅用于中、小型汽車的駐車制動裝置中。 液壓式的簡單制動系統(tǒng)通常稱為液壓制動系，用于行車制動裝置。其優(yōu)點是作用滯后時間短（ ),工作壓力大（可達 10MPa12MPa),缸徑尺寸小，可布置在制動器內部作為制動蹄的張開機構或制動塊的壓緊機構，使之結構簡單、緊湊、質量小、造價低。但其有限的力傳動比限制了它在汽車上的適用范圍。另外，液壓管路在過渡受熱時會形成氣泡而影響傳輸，即產(chǎn)生所謂“氣阻”使制動效能降低甚 至失效；而當氣溫過低時（ 25 攝氏度和更低時），由于制動液的粘度增大，使工作的可靠性降低，以及當有局部損壞時，使整個系統(tǒng)都不能繼續(xù)工FSAE 大學生方程式賽車制動系統(tǒng)設計 11 作，液壓式簡單制動系曾廣泛用于轎車、輕型及以下的貨車和部分中型貨車上。但由于操作較沉重，不能適應現(xiàn)代汽車提高操作輕便性的要求，故當前僅多用于微型汽車上，在轎車和輕型汽車已經(jīng)極少采用。 動力制動系統(tǒng) 動力制動系是以發(fā)動機動力形成的氣壓或液壓勢能作為汽車制動的全部力源進行制動，司機作用于制動踏板或手柄上的力僅用于對制動回路中控制元件的操縱。在簡單制動系中的踏板力 與其行程間的發(fā)比例關系在動力制動系中便不復存在。 動力制動系有氣壓制動系、氣頂液式制動系和全液壓動力制動系 3種。 1)氣壓制動系 氣壓制動系是動力制動系最常見的型式，由于可獲得較大的制動驅動力，且主車與被拖的掛車以及汽車列車之間制動驅動系統(tǒng)的連接裝置結構簡單、連接和斷開均很方便，因此被廣用于總質量為 8t以上尤其是 15t 以上的載貨汽車、越野汽車和客車上，但氣壓制動系必須采用空氣壓縮機、儲氣筒、制動閥等裝置，使其結構復雜、笨重、輪廓尺寸大、造價高；管路中氣壓的產(chǎn)生和撤除均較慢，作用滯后時間較長（ ),因此，當制動閥到制動氣室和儲氣罐的距離較遠時，有必要加設啟動的第二控制元件 繼動閥（即加速閥）以及快放閥；管路工作壓力較低（一半為 )。因而制動器室的直徑達，只能置于制動器之外，在通過桿件及凸輪或鍥塊驅動制動蹄，使非簧載質量增大；另外制動氣室排氣時也有較大噪聲。 2)氣頂液式制動系 氣頂液式制動系是動力制動系的另一種型式，即利用氣壓系統(tǒng)作為普通的液壓制動系統(tǒng)主缸的驅動力源的一種制動驅動機構，它兼有液壓制動和氣壓制動的主要優(yōu)點。由于其氣壓系統(tǒng)的管路短，故作用滯后時間也 較短。顯然，其結構復雜、質量大、造價高，故主要用于重型汽車上，一部分總質量為 9t11t 的中型汽車上也有所采用。 3)全液壓動力制動系 鹽城工學院 2021 本科畢業(yè)設計 12 全液壓動力制動系除具有一般液壓制動系統(tǒng)的優(yōu)點外，還具有操作輕便、制動反應快、制動能力強、受氣阻影響較小、易于采用制動力調節(jié)裝置和防滑移裝置，及可與動力轉向、液壓懸架、舉升機構及其他輔助設備共同液壓泵和儲油等優(yōu)點。其結構復雜、精密件多，對系統(tǒng)的密封性要求也較高，故并未得到廣泛應用，目前僅用于某些高級轎車、大型客車以及極少數(shù)的重礦用自卸汽車上。 伺服制動系統(tǒng) 伺服制動系是在人力液壓制動系的基礎上加設一套除其他能源提供的助力裝置，使人力與動力可兼用，即兼用人力和發(fā)動機動力作為制動能源的制動系，在正常情況下，其輸出工作壓力主要由動力伺服系統(tǒng)產(chǎn)生，而在動力伺服系統(tǒng)失效時，仍可全由人力驅動液壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的制動力。因此，在中級以上的轎車及輕、中型客、貨汽車上得到了廣泛的應用。 按伺服系統(tǒng)能源的不同，又有真空伺服制動系、氣壓伺服制動系和液壓伺服制動系之分，其伺服能源分別為真空能（負氣壓能）、氣壓能和液壓能。 考慮到 FSAE 賽車在體積和質量上都相對較小，采用簡單 的液壓制動在性能上都能達到賽規(guī)的要求 ， 最后 確定本次設計采用簡單液壓制動。 制動管路的布置方案選擇 圖 26 常見制動管路布置圖 雙軸汽車的雙回路制動系統(tǒng)有 常見的幾種分路形式 ，如圖 26 FSAE 大學生方程式賽車制動系統(tǒng)設計 13 1)圖 26 a稱為 II 型，這種回路前后分開， 其特點是管路布置最為簡單，可與傳統(tǒng)的單輪缸 (或單制動氣室 )鼓式制動器相配合，成本較低。這種分路布置方案在各類汽車上均有采用，但在貨車上用得最廣泛。這一分路方案總后輪制動管路失效，則一旦前輪制動抱死就 會失去轉彎制動能力。對于前輪驅動的轎車，當前輪管路失效而僅由后輪制動時，制動效能將明顯降低并小于正常情況下的一半，另外，由于后橋負荷小于前軸，則過大的踏板力會使后輪抱死而導致汽車甩尾。 2）圖 26 b稱為 X 型，交叉式，這種布置后輪制動管路呈對角連接的兩個獨立的回路系統(tǒng)，即前軸的一側車輪制動器與后橋的對側車輪制動器同屬于一個回路。其特點是結構也很簡單，一回路失效時仍能保持 50％的制動效能，并且制動力的分配系數(shù)和同步附著系數(shù)沒有變化，保證了制動時與整車負荷的適應性。此時前、后各有一側車輪有制動作用，使制動力不 對稱，導致前輪將朝制動起作用 車輪的一側繞主銷轉動，使汽車失去方向穩(wěn)定性。因此，采用這種布置方案的汽車，其主銷偏移距應取負值 (至 20 mm)，這樣，不平衡的制動力使車輪反向轉動，改善了汽車的方向穩(wěn)定性。 3） 圖 26 c為 HI型，其左、右前輪制動器的半數(shù)輪缸與全部后輪制動器輪缸構成一個獨立的回路，而兩前輪制動器的另半數(shù)輪缸構成另一回路，可看成是一軸半對半個軸的分路型式 4）圖 26 d為 LL型，由兩個獨立的問路分別為兩側前輪制動器的半數(shù)輪缸和一個后輪制動器所組成。 5）圖 26 e為 HH 型，由兩個獨立的回路均 由每個前、后制動器的半數(shù)缸所組成，即前、后半個軸對前、后半個軸的分路型式， 由于 HI ,LL， HH型的機構比較復雜， LL型與 HH型在任一回路失效時，前、后制動力的比值均與正常情況下相同，且剩余的總制動力可達到正常值的 50％左占。 HL 型單用回路，即一軸半時剩余制動力較大，但此時與 LL 型一樣，在緊急制動時后輪極易先抱死。 綜合上述管路布置特點，結合 FSAE 賽車本身在體積和質量以及實際操作性最終選擇 X型回路布置。 鹽城工學院 2021 本科畢業(yè)設計 14 液壓制動主缸的選擇 制動主缸主要分為單缸和串聯(lián)雙缸，如下圖 27， 28結合賽規(guī)要求必須使用兩個 制動主缸，若使用單缸制動主缸，則相對的一組輪公用一條主管路：若使用串聯(lián)雙缸則可以一個輪對應一條管路，顯然制動性能上串聯(lián)雙缸要比單缸有優(yōu)勢，但雙缸的管路較多，而且體積也相對大， FSAE 賽車本身前部空間小，布置比較緊湊，因此國內外的車隊一至選擇單缸制動主缸，主要購買的是 Wilwood等廠家的產(chǎn)品，其體積和性能要求都很滿足賽車要求。 圖 27 單缸制動主缸 圖 28 串聯(lián)雙缸制動主缸 FSAE 大學生方程式賽車制動系統(tǒng)設計 15 3 制動過程力學理論研究 車輪上所受制動力 如圖 31 所示 在良好的硬路面上制動時車輪 的受力情況 圖 31 制動車輪受力分析 當駕駛員踩下制動踏板時，踏板上的力通過傳動機構到各車輪的制動卡鉗，使得卡鉗內活塞推動摩擦墊片，形成摩擦力矩阻止 車輪的轉動，稱這種作用在車輪上的摩擦力矩為制動器制動力矩 uT ，由于車輪與路面間有附著作用，車輪對路面間有附著作用，車輪對路面作用一個向前的圓周力，稱為制動器制動力 uF 其大小為 公式（ 31） uF = ruT (31) 式中 uT ：制動器制動力矩； r：車輪半徑 由上式可知，制動器的制動力取決于卡鉗與制動盤的間的摩擦力。同時路面對車輪作用一個向后的作用了 bF ,稱為地面制動力，這個力由車輪經(jīng)過車軸和懸架傳達到車架和車身，迫使整個汽車 產(chǎn)生一 定的減速度地面制動力越大，制動減鹽城工學院 2021 本科畢業(yè)設計 16 速度越大，制動距離就越短。如忽略滾動阻力矩和減速時的慣性，則地面制動力bF 與制動力矩 uT 應有以下關系 ,如公式（ 32） bF = ruT （ 32） 地面制動力取決于兩個摩擦副的摩擦力，一個是卡鉗和制動盤的摩擦力，一個 是地面和輪胎間的摩擦力。 制動器的制動力與踏板力成正比，但地面制動力 受車輪與地面之間的附著力 ?F 的限制，如 圖 32 所示，為制動器制動力 uF ，地面制動力 bF 以及踏板力 pF 三者之間的關系 圖 32 地面制動力，制動器制動力與附著力關系 當踏板力在 0～ 1pF 之間是， 有 uF = bF ，制動器制動力等于地面制動力。 當大于踏板力 1pF 時，制動器制動力 uF 隨踏板力 pF 成成正 比例繼續(xù)增長，而地面制動力由于受地面附著力限制不再增長，固有公式（ 33） 關系 bF ≤ ?F = ??zF （ 33） 即可得