重型货车气压制动系统设计说明书.docx

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重型货车气压制动系统设计说明书

汽车设计课程设计说明书

题目：

重型载货汽车离合器设计

姓名：

孔祥生、李朋超、席昌钱

同组者：

严炳炎、余鹏、郑大伟

专业班级：

09车辆工程2班

指导教师：

王丰元、邹旭东

设计时间：

2012.11.1-2012.11.6

摘要

汽车制动系的功用是使汽车以适当的减速度降速行驶直至停车；在下坡行驶时，使汽车保持适当的稳定车速；使汽车可靠地停在原地或坡道上。

汽车的制动性是汽车主动安全性研究的重点内容之一。

随着汽车行驶车速的不断提高，对汽车制动性能的要求也越来越高。

汽车的制动系统除了实现良好的制动性能外，还要尽可能地减小驾驶员的工作强度。

因此，动力制动系统在汽车上得到了广泛的应用。

气压动力制动是最常见的动力制动系统，多用于中重型汽车。

气压制动系统是发展最早的一种动力制动系统。

其供能装置和传动装置全部是气压式的。

其控制装置大多数是由制动踏板机构和制动阀等气压控制原件组成，也有的在踏板机构和制动阀之间还串联有液压式操纵传动装置。

本文以一种重型货车为研究对象，通过理论分析和计算对其气压制动系统结构进行设计。

1绪论1

1.1制动系的作用.1

1.2气压制动系的研究现状2

2制动系的总体设计2

2.1制动系统设计要求2

2.2制动系参数的选择3

2.3汽车总质量4

2.4制动力与制动力分配系数4

2.5制动器最大制动力矩.8

3制动器的设计与计算10

3.1鼓式制动器的主要参数11

3.1.1制动鼓内径.11

3.1.2摩擦衬片宽度b及包角12

3.1.3摩擦衬片起始角012

3.1.4制动蹄支撑点位置坐标a和C12

3.1.5制动器中心到张开力F0作用线的距离e12

3.1.6摩擦衬片的型号及摩擦系数.13

3.2鼓式制动器的计算13

3.2.1计算有一个自由度的紧蹄摩擦片的径向变形规律

3.2.2计算蹄片上的制动力矩

3.2.3检查制动蹄有无自锁15

3.3衬片磨损特性的计算15

3.3.1比能量耗散率（单位功负荷、能量负荷）16

3.3.2衬片单位摩擦面积的制动器摩擦力f0（比摩擦力）

3.3.3驻车制动计算17

3.4制动鼓主要零部件的结构设计18

3.4.1制动鼓18

3.4.2制动蹄19

3.4.3制动底板19

3.4.4凸轮式张开机构19

3.4.5摩擦材料19

3.4.6支承20

4气压制动驱动机构的设计计算.20

4.1制动气室22

4.2贮气罐23

4.3空气压缩机25

5技术经济性分析.25

6总结27

致谢错误！

参考文献28

未定义书签。

1绪论

1.1制动系的作用

近百年来，汽车工业之所以常胜不衰主要得益于汽车作为商品在世界各处都有广阔的市场，生产批量大而给企业带来丰厚的利润。

最主要的是科学技术的不断进步，使汽车能逐渐完善并满足使用者的需求。

随着我国汽车产业的不断发展和新交通法规的实施，我国的汽车及其运输管理开始走向正轨，农用运输车将逐渐退出市场，而重型运输自卸车逐渐呈现出广阔的发展前景。

然而车辆交通安全历来是人们最为关心的问题之一，它直接关系到人民生命和财产的损失，因此汽车制动系统的可靠性研究至关重要。

汽车制动系是用于使行驶中的汽车减速或停车，使下坡行驶的汽车的车速保持稳定以及使以停驶的汽车在原地（包括在斜坡上）驻留不动的机构。

汽车制动系直接影响着汽车行驶的安全性和停车的可靠性。

随着高速公路的迅速发展和车速的提高以及车流密度的日益增大，为了保证行车安全、停车可靠，汽车制动系的工作可靠性显得日益重要。

也只有制动性良好、制动系工作可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。

汽车制动系统至少有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装置：

重型汽车或经常在山区行驶的汽车要增设应急制动装置及辅助制动装置；牵引车还应有自动制动装置。

行车制动装置用于使行驶中的汽车强制减速或停车，并使汽车在下短坡时保持适当的稳定车速。

其驱动机构常采用双回路或多回路结构，以保证其工作可靠。

驻车制动装置用于使汽车可靠而无时间限制地停驻在一定位置甚至在斜坡上，它也有助于汽车在坡路上起步。

驻车制动装置应采用机械式驱动机构而不用液压或气压驱动，以免其产生故障。

应急制动装置用于当行车制动装置意外发生故障而失效时，这时则可利用应急制动装置的机械力源（如强力压缩弹簧）实现汽车制动。

应急制动装置不必是独立的制动系统，它可利用行车制动装置或驻车制动装置的某些制动器件。

应急制动装置也不是每车必备，因为普通的手力驻车制动器也可以起应急制动的作用。

辅助制动装置用于山区行驶的汽车上，利用发动机排气制动或电涡流制动等辅助制动装置，则可使汽车下长坡时长时间而持续地减低或保持稳定车速并减轻或解除行车制动器的负荷。

通常，在总质量为5t以上的客车上和12t以上的载货汽车上装备这种辅助制动—减速装置。

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。

制动器有鼓式与盘式之分。

行车制动是用脚踩下制动踏板操纵车轮制动器来制动全部车轮，而驻车制动则多采用手制动杆操纵，且具有专门的中央制动器或利用车轮制动器进行制动。

中央制动器位于变速器之后的传动系中，用于制动变速器第二轴或传动轴。

行车制动和驻车制动这两套制动装置必须具有独立的制动驱动机构，而且每车必备。

行车制动装置的驱动机构，分液压和气压两种型式。

用液压传递操纵力时还应有制动主缸和制动轮缸以及管路；用气压操纵时还应有空气压缩机、气路管道、贮气简、控制阀和制动气室等。

过去，大多数汽车的驻车制动和应急制动都使用中央制动器，其优点是制动位于主减速器之前的变速器第二轴或传动轴的制动力矩较小，容易满足操纵手力小的要求。

但在用作应急制动时，往往使传动轴超载。

现代汽车由于车速提高，对应急制动的可靠性要求更严，因此，在中、高级轿车和部分总质量在1.5t以下的载货汽车上，多在后轮制动器上附加手操纵的机械式驱动机构，使之兼起驻车制动和应急制动的作用，从而取消了中央制动器。

重型载货汽车由于采用气压制动，故多对后轮制动器另设独立的由气压控制而以强力弹簧作为制动力源的应急兼驻车制动驱动机构，也不再设置中央制动器。

但也有一些重型汽车除了采用了上述措施外，还保留了由气压驱动的中央制动器，以便提高制动系的可靠性

1.2气压制动系的研究现状

气压制动系统是发展最早的一种动力制动系统。

其供能装置和传动装置全部是气压式的。

其控制装置大多数是由制动踏板机构和制动阀等气压控制原件组成，也有的在踏板机构和制动阀之间还串联有液压式操纵传动装置。

气压制动由于可获得较大的制动驱动力且主车与被拖的挂车以及汽车列车之间制动驱动系统的连接装置结构简单联接和断开都很方便,因此广泛用于总质量为8t以上尤其是15t以上的载货汽车,越野汽车和客车上.但气压制动系必须采用空气压缩机,贮气罐,制动阀等装置,使结构复杂,笨重,轮廓尺寸大,造价高;管路中气压的产生和撤除均较慢,作用滞后时间较长（0.3～0.9s）,因此在制动阀到制动气室和贮气罐的距离较远时有必要加设气动的第二级控制元件——继动阀（即加速阀）以及快放阀;管路工作压力较低（一般为0.5～0.7MPa）,因而制动气室的直径大,只能置于制动器之外,再通过杆件及凸轮或楔块驱动制动蹄,使非簧载质量增大;另外,制动气室排气时也有较大噪声。

汽车在行驶过程中驾驶员要经常使用制动器，为了减轻驾驶员的工作强度，目前汽车基本上都采用了伺服制动系统或动力制动系统。

载重汽车一般均采用动力制动系统。

2制动系的总体设计

2.1制动系统设计要求

1）能适应有关标准和法规的规定。

各项性能指标除满足设计任务书的规定和国家标

准的有关要求外，也应考虑销售对象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坡制动效能。

3）工作可靠。

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。

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）制动效能的水稳定性好。

制动器摩擦表面浸水后，会因水的润滑作用使摩擦系数急

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。

良好的摩擦材料吸水率低，其摩擦性能恢复迅速。

也应防止泥沙、污物等进入制动器工作表面，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相泥沙侵入而采用封闭的制动器。

5）制动时的操纵稳定性好。

即以任何速度制动，汽车都不应当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；同一轴上左、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；后轮抱死而侧滑甩尾，会失去方向稳定性；当左、右轮的制动力矩差值超过15％时，会发生制动时汽车跑偏。

对于汽车列车，除了应保证列车各轴有适当的制动力分配外，也应注意主、挂车之间各轴制动开始起作用的时间，特别是主、挂车之间制动开始时间的协调。

6）制动效能的热稳定性好。

7）制动踏板和手柄的位置和行程符合人-机工程学的要求，即操作方便性好，操纵轻便、舒适能减少疲劳。

8）作用滞后的时间要尽可能地短。

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、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件的故障和功能失效。

12）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[1]。

2.2制动系参数的选择

货车的主要参数

长宽高（mm）1197623953750

轴数/轴距（mm）4/（1950+4550+1350）

质心距前轴（mm）5250质心距后轴（mm）2600前轮距（mm）2022后轮距（mm）1830最小离地间隙（mm）285整车整备质量（kg）12000最大装载质量（kg）16000前满载轴荷分配（KG）6000后满载轴荷分配（KG）22000最高车速（km/h）100质心高度（mm）空载943mm满载1800mm

2.3汽车总质量

汽车的总质量是指整备完好，装备齐全并按规定载满客货时的汽车质量：

=12000+16000=28000Kg

2.4制动力与制动力分配系数

角速度

0的车轮，，其力矩平衡方程为：

汽车制动时，如果忽略路面对车露的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性力矩，则任

TfFBre0

2-1）

280009.8

TfFBre=2

式中：

Tf——制动器对车轮作用的制动力矩，即制动器的摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向反力，Nm；

FB——地面作用于车轮上的制动力，即地面与车轮之间的摩擦力，又称为地面制动力，其方向与汽车行驶方向反力，N；

re——车轮有效半径，m；选为约为0.52m。

Tf

令Fff⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（2-2）

并称之为制动器制动力，他是在车轮周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，因为又称为制动周缘力。

Ff与地面制动力FB的方向相反，当车轮角速度0时，大小亦相等，且Ff仅由

制动器结构参数所决定。

即Ff取决于制动器的结构型式、尺寸、摩擦副的摩擦系数及车轮有效半径等，并与制动踏板力即制动系的液压或气压成正比。

当加大踏板力以加大Tf时，

Ff和FB均随之增大。

但地面制动力FB受着附着条件的限制，其值不可能大于附着力F即或FBmaxFZ式中——轮胎与地面间的附着系数；

Z——地面对车轮的法向反力。

当制动器制动力Ff和地面制动力FB达到附着力F值时，车轮即被抱死并在地面上滑移。

此后制动力矩Tf即表现为静摩擦力矩，而FfTf/re即成为与FB相平衡以阻止车轮再旋转的周缘力的极限值。

当制动到0以后，地面制动力FB达到附着力F值后就不在增大，而制动器制动力Ff由于踏板力Fp的增大使摩擦力矩Tr增大而继续上升。

图2—1制动力与蹋板力FP关系Figure2-1BrakingforceandtaboardstrengthFPrelations直至20世纪50年代，当时道路条件还不是很好，汽车行驶速度也不是很高，后轮抱死侧滑的后果也不是显得像前轮抱死丧失转向能力那样严重，因此往往将0值定的较低，即处于常附着系数范围的中间较偏区段。

但当今道路条件大为改善，汽车行驶速度也大为提高，因而汽车因制动时后轮先抱死引起的后果十分严重。

由于车速高，它不仅会引起侧滑甩尾甚至会调头而丧失操纵稳定性。

后轮先抱死的情况是最不希望发生的。

因此各类轿车和一般载货汽车的0值有增大的趋势满载时的同步附着系数，货车取00.5。

当0时，q0，1,利用率最高。

汽车减速度为：

du/dtqg0g=0.59.8=4.9，

即q0,q——制动强度

附着系数利用率（或附着力利用率）来表达，可定义为式中FB——汽车总的地面制动力；

G——汽车所受重力；

q——制动强度；

根据汽车制动时的整车受力分析，考虑到制动时的轴荷转移，可求得地面对前、后轴

车轮的法向反力Z1，Z2为：

2-3）

2-4）

式中：

G——汽车所受重力

L——汽车轴距

L1——汽车质心离前轴距离

L2——汽车质心离后轴距离hg——汽车质心高度

g——重力加速度

du——汽车制动减速度m/s2dt

汽车总的地面制动力为：

FBFB1FB2GduGq2800000.6168000

gdt

式中FB1——前轴车轮的地面制动力

FB2——后轴车轮的地面制动力

由上面两式可求得前后轴车轮附着力为：

上式表明：

汽车在附着系数为任一确定值的路面上制动时，各轴附着力即极限制动力并非为常数，而是制动强度q或总制动力F的函数。

当汽车各车轮制动器的制动力足够时，根据汽车前、后轴的轴荷分配，前、后车轮制动器制动力的分配、道路附着系数和坡度情况等，制动过程可能出现的情况有三种，即：

1）前轮先抱死拖滑，然后后轮再抱死拖滑；

2）后轮先抱死拖滑，然后前轮再抱死拖滑；

3）前、后轮同时抱死拖滑。

在以上三种情况中，显然是（3）情况的附着条件利用得最好。

由上式中不难求得在任何附着系数的路面上，前、后车轮同时抱死即前、后轴车轮附着力同时被充分利用的条件是：

式中：

Ff1——前轴车轮的制动器制动力

Ff2——后轴车轮的制动器制动力

FB1——前轴车轮的地面制动力

FB2——后轴车轮的地面制动力

1、2——地面对前后轴车轮的法向反力

G——汽车所受重力

L1、L2——汽车质心离前后轴距离

hg——汽车质心高度由上式可知，前后轮同时抱死时，前、后轮制动器的制动力Ff1，Ff2是的函数。

将上式绘成以Ff1，Ff2为坐标的曲线，即为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线，简称I曲线，如图

图2—2载货汽车的Ⅰ曲线与β线

Figure2-2TruckⅠCurveandbetaline

如图，如果汽车前、后制动器的制动力Ff1，Ff2能按I曲线的规律分配，则能保证汽车在任何附着系数的路面上制动时，都能是前、后车轮同时抱死。

然而，目前大多数两轴汽车尤其是货车的前、后制动器制动力之比为一定值，并以前制动器制动力Ff1与汽车总制动器制动力Ff之比来表明分配的比例，称为汽车制动器制动力分配系数：

又由于在附着条件所限定的范围内，地面制动力在数值上等于相应的制动周缘力，因此又可通称为制动力分配系数。

前面已分别给出了制动强度q和附着系数利用率根据所选定的同步附着系数0求

1-=L10hg

L

进而求得：

FB1FBGqG（L20hg）q

当0时，FB1F1，FB2F2，故FBG，q=，1

当0=0.4时，可能得到的最大总制动力取决于前轮刚刚首先抱死的条件，即

FB1F1由上面的式得：

2-6）

当00.6时，可能得到的最大总制动力取决于后轮刚刚首先抱死的条件，即

FB2F2有上面的式得：

FBL1（0）hg

280009.85.250.6159182.3

5.25（0.60.5）1.8

2-7）

为使其在常遇到附着系数范围内不致过低，其0值总是选得小于可能遇到的最大附着系数。

所以在0的良好路面上紧急制动时，总是后轮先抱死。

2.5制动器最大制动力矩

为了保证汽车有良好的制动效能和稳定性应合理地确定前后轮制动器的制动力矩，最

大制动力是在汽车附着质量被完全利用的条件下获得的。

这时制动力与地面作用车轮的法向力1,2成正比双轴汽车前、后车轮附着力同时被充分利用或前、后轮同时抱死时的制

动力之比为：

式中：

L1，L2——汽车质心离前后轴的距离

0——同步附着系数

通常上式的比值：

轿车约为：

1.3-1.6，货车约为：

0.5-0.8

制动器所能产生的制动力矩受车轮的计算力矩所制约，即

2-9）

Tf1Ff1re73405.80.5238171.1Nm

Tf2Ff2re91233.60.5247441.5Nm

2-10）

式中：

Ff1——前轴制动器的制动力

Ff2——后轴制动器的制动力

1——作用于前轴车轮上的地面法向反力

2——作用于后轴车轮上的地面法向反力

re——车轮的有效半径

对于常遇的道路条件较差、车速较低因而选取了较小的同步附着系数0值的汽车，为了保证在0的良好的路面上（例如0.7）能够制动到后轴和前轴先后抱死滑移（此时制动强度q），前、后轴的车轮制动器所能产生的最大制动力矩为：

2-11）

280009.8

7.85

Tf1max1reGL（L2hg）re（2.60.61.8）0.60.52

=40134.4Nm

2-12）

=45622.8Nm

对选取较大0值的各类汽车，则应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定各轴的最

大制动力矩。

当0时，相应的极限制动强度q，故所需的后轴和前轴的最大制动力矩为

2-13）

G

Tf2maxL（L1qhg）re

280009.8（5.250.61.8）0.60.527.85

=45478.4

0.468

45478.4

10.468

Nm

=40007.3

式中：

——该车所能遇到的最大附着系数

q——制动强度

r——车轮有效半径

一个车轮制动器应有的最大制动力矩为上列公式计算结果的值一半。

3制动器的设计与计算制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件，后一提法适用于驻车制动器。

一般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的旋转角速度降低．同时依靠车轮与路面的附着作用，产生路面对车轮的制动力，以使汽车减速。

制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式。

电磁式制动器虽有作用滞后性好、易于连接而且接头可靠等优点，但因成本高，只在一部分总质量较大的商用车商上用作车轮制动器或缓速器；液力式制动器一般只用作缓速器。

目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。

凡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动器，都称为摩擦制动器。

行车制动、驻车制动及第二（或应急）制动系统所用的制动器．几乎都属于摩擦制动器。

摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。

前者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。

旋转元件同装在车轮或半轴上，即制动力矩分别直接作用于两侧车轮上的制动器，称为车轮制动器。

旋转元件固装在传动系统的传动轴上．其制动力矩须经过驱动桥再分配到两侧车轮上的制动器，则称为中央制动器。

车轮制动器一般用于行车制动，也有兼用于第二制动（或应急制动）和驻车制动的。

中央制动器一股只用于驻车制动和缓速制动。

鼓式制动器又分为多种形式：

领从蹄式、单向双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向增力式和双向增力式等结构形式的制动器。

领从蹄式制动器主要由制动鼓、制动蹄、和驱动装置组成，蹄片装在制动鼓内，结构紧凑，密封容易。

领从蹄式制动器的效能和效能稳定性，在各式制动器中居中游；前进、倒退行使的制动效果不变；结构简单成本低；便于附装驻车制动驱动机构；易于调整蹄片与制动鼓之间的间隙。

从而广泛应用于中、重型货车前后轮及轿车后轮制动器。

盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属盘，此圆盘称为制动盘。

其固定元件则有多种结构形式，大体上可分为两类。

一类是工作面积不大的摩擦块与其金属背板组成的制动块，每个制动器中有2~4个。

这些制动块及其促动装置都装在横跨制动盘两侧的夹钳形支架中，总称为制动钳。

这种制动盘和制动钳组成的制动器，称为钳盘式制动器。

另一类固定元件的金属背板和摩擦片也呈圆盘形，因其制动盘的全部工作面可同时与摩擦片接触，故该类制动器称为全盘式制动器。

3.1鼓式制动器的主要参数

汽车类别选用乘用车，汽车的总质量ma为28t、汽车质心高度hg=1.8m、轴距L=7.85m、汽车质心离前轴距离l1=5.25m、汽车质心离后轴距离l2=2.6m其它几何参数如图3-1

图3-1鼓式制动器主要几何参数

Fig3-1Themaingeometricparametersofdrumbrakes

3.1.1制动鼓内径

输入力F0一定时，制动鼓内径越大，制动力矩越大，且散热能力也越强，但D的增大受轮辋内径限制。

而且D的增大也使制动鼓的质量增大，使汽车的非悬挂质量增加，不利于汽车的行驶平顺性。

制动鼓与轮辋之间应保持足够的间隙，通常要求该间隙不小于20mm，否则不仅制动鼓散热条件差，而且轮辋受热后可能粘住内胎或烤坏气门嘴。

制动鼓应有足够的壁厚，用来保证有较大的刚度和热容量，以减少制动时的温升。

制动鼓的直径小，刚度就大，并有利于保证制动鼓的加工精度。

由此间隙要求及轮辋的尺寸即可求得制动鼓直径D的尺寸，另外制动鼓直径D与轮辋直径Dr之比的一般范围为：

轿车：

D/Dr=0.64-0.74

货车：

D/Dr=0.70-0.83

轿车制动鼓内径一般比轮辋外径小125mm-150m，m载货汽车和客车的制动鼓内径一般比轮辋外径小80mm-100m。

m对于深槽轮辋由于其中间深陷部分的尺寸比轮辋名义直径小得多，所以其制动鼓与轮辋之间的间隙有所减小应予注意。

设计时亦可按轮辋直