《轿车制动系统设计》机械汽车专业毕业论文Word文档下载推荐.docx
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数和制动力距的计算方法、轿车斜坡上驻车能力的计算进行了理论分析和公式推导;
然后对轿车制动系统的评价指标、设计要求、国家制动法规进行了具体的论述和总结,对制动性能的评价方法进行了分析;
最后先针对某国产轿车制动系统进行设计并分析评价其制动性能,再通过对制动系统制动力分配的分析,建立以获得最理想同步附着系数为目标的数学模型,利用MATLAB优化工具箱编写优化程序,优化得到能获得最理想的同步附着系数的制动系统,该系统能实现实际分配曲线与理想制动曲线尽量接近。
对比分析优化前、后该制动系统性能变化,认为优化是成功的,制动性能趋于理想。
本论文对某国产轿车制动系统的设计及优化取得预期效果,对汽车制动系统
开发研究和改进具有一定的指导意义。
1绪论
1.1制动系统设计的意义
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。
现在由于很多方面的原因人们的安全胁,其中汽车制动系起着很大的作用。
直接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。
本次毕业设计题目为汽车制动系统设计探索。
1.2制动系统研究现状
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。
当车辆制动时,由于车辆受到与行驶方向相反的外力,所以才导致汽车的速度逐步减小到0,对这一过程中车辆受力情况的分析有助于制动系统的分析和设计,因此制动过程受力情况分析是车辆试验和设计的基础,由于这一过程较为复杂,因此一般在实际中只能建立简化模型分析,通常人们从三个方面来对制动系统进行分析和评价:
1)制动效能:
即制动距离与制动减速度;
2)制动效能的恒定性:
即热衰退性;
3)制动时汽车方向的稳定性;
目前,对于整车制动系统的研究主要通过路试或台架进行,由于在汽车道路试验中车轮扭矩不易测量,因此,多数有关制动系的试验均通过间接测量来进行汽车在道路上的行驶,其车轮与地面的作用力是汽车运动变化的根据,在汽车道路试验中,如果能够方便地测量出车轮上扭矩的变化,则可为汽车整车制动性能研究提供更全面的试验数据和性能评价。
1.3汽车制动规则和要求
1.3.1制动系统——概况
汽车必须配备有刹车系统。
并且作用于所有四个车轮上,而且只被一个控制器控制。
1)它必须有两套独立的液压回路,以防系统泄漏或失效时,至少在两轮上还保持有有效的制动力。
每个液压回路必须有其专属的储油罐(可用独立储油罐或用原厂的储油罐)。
2)单个刹车作用时,有限的滑移差是可以接受的。
3)刹车系统必须在以下的测试中,能够抱死所有四个轮。
4)线控制动是禁止的。
5)没有保护的塑料刹车线是禁止的。
6)刹车系统必须装有碎片护罩,以防传动系失效或小碰撞(引起的碎片破坏制动系统)。
7)从侧面看,安装在汽车簧上(簧上质量:
指悬架支撑的质量)部分上的刹车系统的任何部分都不可以伸到车架或者承载式车身的下表面以下。
1.3.2制动测试
刹车系统将在动态中测试。
并且必须能四轮抱死,并且不跑偏,同时能够在由制动性能检查官员指定的加速赛尽头停车。
1.3.3刹车踏板超程开关
1)车上必须装有一个刹车踏板超程开关。
在万一刹车踏板超程引起刹车系统失效时,这个开关必须能够被启动并停止发动机。
该开关必须能够彻底断绝点火,同时切断传给任何电动燃油泵的电力。
2)重复启用此开关不能恢复给这些部件的动力。
并且它必须被设计成不能被车手重置。
3)开关只有被相似的部件代替才可,而不是通过依靠逻辑程序控制器、发动机控制单元,或有相似功能的数字控制器来替代。
1.3.4刹车灯
1)汽车必须配备有至少15w,或可以从后面看等效的清晰可见的红色刹车灯。
如果使用了LED(发光二极管)灯源,它必须在非常强的日光下也清晰可见。
2)刹车灯必须安置在两轮之间的中线并在垂直方向上和车手的肩膀的高度齐高,并且在侧面,接近汽车的中线。
2制动系统概述
汽车上用以使外界(主要是路面)在汽车某些部分(主要是车轮)施加一定的力,从而对其进行一定程度的强制制动的一系列专门装置统称为制动系统。
其作用是,使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车。
使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车,使下坡行驶的汽车速度保持稳定。
对汽车起制动作用的只能是作用在汽车上且方向与汽车行驶方向相反的外力,而这些外力的大小都是随机的、不可控制的。
因此汽车上必须装设一系列专门装置以实现上述功能。
2.1制动系统分类与组成
2.1.1按制动系统的作用
制动系统可分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系统及辅助制动系统等。
用以使行驶中的汽车降低速度甚至停车的制动系统称为行车制动系统,用以使已停驶的汽车驻留原地不动的制动系统则称为驻车制动系统。
在行车制动系统失效的情况下,保证汽车仍能实现减速或停车的制动系统称为应急制动系统。
在行车过程中,辅助行车制动系统降低车速或保持车速稳定,但不能将车辆紧急制停的制动系统称为辅助制动系统。
上述各制动系统中行车制动系统和驻车制动系统是每一辆汽车都必须具备的。
2.1.2按制动操纵能源
制动系统可分为人力制动系统、动力制动系统和伺服制动系统等。
以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系统称为人力制动系统。
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系统称为动力制动系统,兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统称为伺服制动系统或助力制动系统。
2.1.3按制动能量的传输方式
制动系统可分为机械式、液压式、气压式、电磁式等。
同时采用两种以上传能方式的制动系称为组合式制动系统。
2.2制动系统的一般工作原理
制动系统的一般工作原理是:
利用与车身(或车架)相连的非旋转元件和与车轮(或传动轴)相连的旋转元件之间的相互摩擦来阻止车轮的转动或转动的趋势。
可用下图所示的一种简单的液压制动系统示意图来说明制动系统的工作原理。
制动系统工作原理示意图
1.制动踏板2.推杆3.主缸活塞4.制动主缸5.油管6.制动轮缸7.轮缸活塞
8.制动鼓9.摩擦片10.制动蹄11.制动底板12.支承销13.制动蹄回位弹簧
一个以内圆面为工作表面的金属制动鼓固定在车轮轮毂上,随车轮一同旋转。
在固定不动的制动底板上,有两个支承销,支承着两个弧形制动蹄的下端。
制动蹄的外圆面上装有摩擦片。
制动底板上还装有液压制动轮缸,用油管5与装在车架上的液压制动主缸相连通。
主缸中的活塞3可由驾驶员通过制动踏板机构来操纵。
当驾驶员踏下制动踏板,使活塞压缩制动液时,轮缸活塞在液压的作用下将制动蹄片压向制动鼓,使制动鼓减小转动速度,或保持不动。
下图给出了一种轿车典型制动系统的组成示意图,可以看出,制动系统一般由制动操纵机构和制动器两个主要部分组成。
轿车典型制动系统组成示意图1.前轮盘式制动器2.制动总泵3.真空助力器4.制动踏板机构5.后轮鼓式制动器6.制动组合阀7.制动警示灯
(1)制动操纵机
产生制动动作、控制制动效果并将制动能量传输到制动器的各个部件,如图中的2、3、4、6以及制动轮缸和制动管路。
(2)制动器
产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力(制动力)的部件。
汽车上常用的制动器都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称为摩擦制动器。
它有鼓式制动器和盘式制动器两种结构型式。
2.3制动器
就制动效能而言,在基本结构参数和轮缸工作压力相同的条件下,自增力式制动器由于对摩擦助势作用利用得最为充分而居首位,以下依次为双领蹄式、领从蹄式、双从蹄式。
但蹄鼓之间的摩擦系数本身是一个不稳定的因素,随制动鼓和摩擦片的材料、温度和表面状况(如是否沾水、沾油是否有烧结现象等)的不同可在很大范围内变化。
自增力式制动器的效能对摩擦系数的依赖性最大,因而其效能的热稳定性最差。
在制动过程中,自增力式制动器制动力矩的增长在某些情况下显得过于急速。
双向自增力式制动器多用于轿车后轮,原因之一是便于兼充驻车制动器。
单向自增力式制动器只用于中、轻型汽车的前轮,因倒车制动时对前轮制动器效能的要求不高。
双从蹄式制动器的制动效能虽然最低,但却具有最良好的效能稳定性,因而还是有少数华贵轿车为保证制动可靠性而采用(例如英国女王牌轿车)。
领从蹄制动器发展较早,其效能及效能稳定性均居于中游,且有结构较简单等优点,故目前仍相当广泛地用于各种汽车。
盘式制动器与鼓式制动器相比,有以下优点:
一般无摩擦助势作用,因而制动器效能受摩擦系数的影响较小.即效能较稳定,浸水后效能降低较少,而且只须经一两次制动即可恢复正常。
在输出制动力矩相同的情况下,尺寸和质量一般较小,制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小,不会象制动鼓的热膨胀那样使制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大,较容易实现间隙自动调整。
其他保养修理作业也较简便。
对于钳盘式制动器而言,因为制动盘外露,还有散热良好的优点。
盘式制动器不足之处是效能较低,故用于液压制动系统时所需制动促动管路
压力较高,一般要用伺服装置。
目前,盘式制动器已广泛应用于轿车。
但除了在一些高性能轿车上用于全部车轮以外,大都只用作前轮制动器。
而与后轮的鼓式制动器配合,以期汽车有较高的制动时的方向稳定性。
在货车上,盘式制动器也有采用,但离普及还有相当距离。
2.4人力制动系统
2.4.1机械制动系统
机械式行车制动已全部被淘汰。
机械制动系统仅用于驻车制动。
驻车制动系统与行车制动系统共用后轮制动器。
也可以是专设的中央制动器。
2.4.2人力液压制动系统
轿车的行车制动系统都采用了液压传动装置,主要由制动主缸(制动总泵)、液压管路、后轮鼓式制动器中的制动轮缸(制动分泵)、前轮钳盘式制动器中的液压缸等组成,
液压式双管路传动装置的布置形式
当其中一套管路损坏时,另一套仍可以正常工作,保证汽车制动系的工作可靠性。
两桥制动器独立制动
当一套管路失效时,另一套管路仍能保持一定的制动效能。
制动效能低于正常时的50%。
同一制动器两个轮缸独立制动
前后制动器对角独立制动
自制动踏板到轮缸活塞的制动系统传动比,等于踏板机构杠杆比乘以轮缸直径同主缸直径之比。
传动比越大,踏板力越小,踏板行程却因此而越大,使得制动操作不便。
要求液压制动系传动比合适,保证制动踏板力较小,同时踏板行程又不太大。
对于人力液压制动系,考虑到制动器容许磨损量的踏板全行程不应超过150(轿车)~180mm(货车)。
制动器间隙调整正常时,踩下踏板到完全制动的踏板工作行程不应超过全行程的50%~60%。
最大踏板力一般不应超过350(轿车)~550N(货车)。
2.5伺服制动系
伺服制动系--在人力液压制动系的基础上加设一套动力伺服系统而形成的,即兼用人体和发动机作为制动能源的制动系。
伺服制动系可分为助力式(直接操纵式)和增压式(间接操纵式)两类。
助力式(直接操纵式)--伺服系统控制装置用制动踏板机构直接操纵,其输出力也作用于液压主缸,以助踏板力之不足。
增压式(间接操纵式)--伺服系统控制装置用制动踏板机构通过主缸输出的液压操纵,且伺服系统的输出力与主缸液压共同作用于一个中间传动液缸(辅助缸),使该液缸输出到轮缸的液压远高于主缸液压。
按伺服能量的形式分:
真空伺服式,真空能(负气压能)
气压伺服式,气压能
液压伺服式,液压能
2.6动力制动系统
当踩下制动踏板时,通过拉杆机构操纵制动阀,使制动阀上下两腔的进气口分别与本腔的出气口相通,使储气筒8前、后腔的压缩空气得以分别通过制动阀的上、下腔进入后制动气室和前制动气室,从而促动制动器进入工作。
当放松制动踏板时,制动阀使制动气室通大气,以解除制动。
制动气室内建立的气压越高,则制动器所产生的制动力矩越大。
故为了保证行车制动的渐进性,制动阀应具有随动作用,即保证制动气室压力与踏板行程成一定的递增函数关系。
在采用动力制动系的情况下,驾驶员所施加的踏板力只用来操纵控制装置,而不能像采用人力制动系时那样直接造成制动器促动装置的工作压力,故制动阀还应当能使制动气室压力与踏板力也成一定的递增函数关系,以保证驾驶员有足够强的踏板感。
气压系统各元件之间的连接管路(由钢管、橡胶软管和各种管接头组成)有三种:
①供能管路--供能装置各组成件(空压机、储气筒)之间和供能装置与控制装置(如制动阀)之间的连接管路;
②促动管路--控制装置与制动器促动装置(如制动气室)之间的连接管路;
③操纵管路--一个控制装置与另一个控制装置之间的连接管路。
解放CAl091型汽车制动系中只有一个气压控制装置——制动阀,故无操纵管路。
2.7气顶液制动系与全液压动力制动系
2.7.1气顶液制动系
气压系统的工作压力比液压系统低得多,因而其部件的尺寸和质量都比液压系统的相应部件大得多。
气压制动系只宜用于中型以上,特别是重型的货车和客车。
气压制动系的工作滞后时间约三倍于液压制动系。
为了兼取气压系统和液压系统二者之长,有些重型汽车采用了气顶液式动力制动系。
供能装置和控制装置都是气压式的,传动装置则是气压—液压组合式的。
2.7.2全液压动力制动系
以储能器储存的液压能或限制液流循环而产生液压作用的动力制动装置。
其制动系的液压系统,同动力转向液压系统一样,也有常压式(闭式)和常流式(开式)两种,两者的制动能源都是汽车发动机驱动的液压泵。
目前汽车用的全液压动力制动系多用常压式,因为其中设有储能器,可以积蓄液压能,以备在发动机或液压泵停止运转,或是泵油管路损坏的情况下,仍能进行若干次完全制动。
3制动性能分析
任何一套制动装置都是由制动器和制动驱动机构两部分组成。
汽车的制动性是指汽车在行驶中能利用外力强制地降低车速至停车或下长坡时能维持一定车速的能力。
3.1制动性能评价指标
汽车的制动性主要由下列三方面来评价:
1)制动效能,即制动距离与制动减速度。
2)制动效能的恒定性,即抗热衰退性能。
3)制动时汽车的方向稳定性,即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。
3.2制动效能
制动效能是指在良好路面上,汽车以一定初速度制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度。
制动效能是制动性能中最基本的评价指标。
制动距离越小,制动减速度越大,汽车的制动效能就越好。
3.3制动效能的恒定性
制动效能的恒定性主要指的是抗热衰退性能。
汽车在高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。
因为制动过程中实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收转换为热能,所以制动器温度升高后能保持在冷态时的制动效能,已成为设计制动器时要考虑的一个重要问题。
3.4制动时汽车方向的稳定性
制动时汽车的方向稳定性,常用制动时汽车给定路径行驶的能力来评价。
若制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力。
则汽车将偏离原来的路径。
制动过程中汽车维持直线行驶,或按预定弯道行驶的能力,称为方向稳定性。
影响方向稳定性包括制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力三种情况。
制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力时,汽车将偏离给定的行驶路径。
因此,常用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价汽车制动时的方向稳定性,对制动距离和制动减速度两指标测试时都要求了其实验通道的宽度。
方向稳定性是从制动跑偏、侧滑以及失去转向能力方面来考验。
制动跑偏的原因有两个:
1)汽车左右车轮,特别是转向轴左右车轮制动器制动力不相等。
2)制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上不协调(相互干涉)。
前者是由于制动调整误差造成的,是非系统的。
而后者是属于系统性误差。
侧滑是指汽车制动时某一轴的车轮或两轴的车轮发生横向滑动的现象。
最危险的情况时高速制动时后轴发生侧滑。
防止后轴发生侧滑应使前后轴同时抱死或前轴先报死后轴始终不抱死。
理论分析如下,真正的评价需要靠实验。
3.5制动器制动力分配曲线分析
对于一般汽车而言,根据其前后轴制动力的分配、载荷情况及路面附着系数和坡度等因素,当制动器制动力足够时,制动过程可能出现如下三种情况:
1)前轮先抱死拖滑,然后后轮抱死拖滑。
2)后轮先抱死拖滑,然后前轮抱死拖滑。
3)前后轮同时抱死拖滑。
所以,前后轮制动力分配将影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件利用程度,是设计汽车制动时必须妥善处理的问题。
根据给定参数和及制动力分配系数,应用EXCEL编制出制动力分配曲线如下:
当I线与β线相交时,即
=0.7时,即前后轮同时抱死。
当I线在β线下方时,前轮先抱死。
当I线在β线上方时,后轮先抱死。
通过图5-1可以看出相关参数和制动力分配系数的合理性。
3.6制动减速度和制动距离S
制动系的制动效果,可以用最大制动减速度及最小制动距离来评价。
假设汽车是在水平的,坚硬的道路上行驶,并且不考虑路面附着条件,因此制动力是由制动器产生。
此时
所以符合要求。
3.7摩擦衬块的磨损特性计算
摩擦衬块的磨损受温度、摩擦力、滑磨速度、制动鼓(制动盘)的材质及加工情况,以及衬片本身材质等许多因素的影响,因此在理论上计算磨损性能极为困难。
但试验表明,影响磨损的最重要的因素还是摩擦表面的温度和摩擦力。
从能量的观点来说,汽车制动过程即是将汽车的机械能(动能和势能)的一部分转变为热能而耗散的过程。
在制动强度很大的紧急制动过程中,制动器几乎承担了汽车全部动能耗散的任务。
此时,由于制动时间很短,实际上热能还来不及逸散到大气中就被制动器所吸收,致使制动器温度升高。
这就是所谓制动器的能量负荷。
能量负荷越大,则衬片(衬块)的磨损越严重。
对于盘式制动器的衬块,其单位面积上的能量负荷比鼓式制动器衬片大许多倍,所以制动盘的表面温度比制动鼓的高。
各种汽车的总质量及其制动衬块的摩擦面积各不相同,因而有必要用一种相对的量作为评价能量负荷的指标。
目前,各国常用的指标是比能量消散率,即单位时间内衬块单位摩擦面积耗散的能量,通常所用的计量单位为
。
比能量耗散率有时也称为单位功负荷,或简称能量负荷。
双轴汽车的单个前轮及后轮制动器的比能量耗散率分别为
(5-1)
(5-2)
(5-3)
式中,
为汽车总质量;
为汽车回转质量换算系数;
、
为制动初速度和终速度(
);
为制动减速度(
t为制动时间;
为前、后制动衬片(衬块)的摩擦面积;
为制动力分配系数。
在紧急制动到停车的情况下,
,并可认为
,故
(5-4)
(5-5)
据有关文献推荐,鼓式制动器的比能量耗散率比不大于
为宜,计算时取减速度
制动初速度
:
乘用车用100km/h(27.8m/s);
总质量3.5t以下的商用车用;
总质量3.5t以上的商用车用65km/h(18m/s)。
乘用车的盘式制动器在同上的
和
的条件下,比能量耗散率应不大于
对于最高车速低于以上规定的制动初速度的汽车,按上述条件算出的
值允许略大于
比能量耗散率过高不仅引起衬片(衬块)的加速磨损,且又可能使制动或制动盘更早发生龟裂。
(5-6)
(5-7)
(5-8)
盘式制动器的比能量耗散率应不大于
,故符合要求。
另一个磨损特性指标是衬片(衬块)单位摩擦面积的制动力摩擦力,称为比摩擦力
比摩擦力越大,则磨损越严重。
单个车轮制动器的比摩擦力为
(5-9)
为单个制动器的制动力矩;
R为制动鼓半径(衬块平均半径
或有效半径
A为单个制动器衬片(衬块)摩擦面积。
在
时,鼓式制动器的比摩擦力
以不大于
为宜。
与之相应的衬片与制动鼓之间的平均单位压力
=1.37~1.60
(设摩擦因素
=0.3~0.35)。
这比过去一些文献中推荐的
要小,因为磨损问题现在已较过去受到更大程度的重视。
符合要求。
4结论
本说明书主要介绍了汽车制动的设计探索,先绍了汽车制动系统的设计意义、研究现状以及设计目标。
然后解释了制动器的主要类型并对制动系统进行方案论证分析与选择,主要包括制动器形式方案分析、制动驱动机构的机构形式选择、液压分路系统的形式选择和液压制动主缸的设计方案,最后确定方案采用简单人力液压制动双回路前后盘式制动器。
除此之外,还根据已知的汽车相关参数,通过计算得到了制动器主要参数、前后制动力矩分配系数、制动力矩和制动力以及液压制动驱动机构相关参数。
最后对制动性能进行了详细分析。
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