FSAE方程式赛车制动系统_设计毕业设计说明书(39页).doc

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1、-FSAE方程式赛车制动系统_设计毕业设计说明书-第 29 页 毕业设计说明书FSAE方程式赛车制动系统设计专 业 汽车服务工程 学生姓名 班 级 B汽车09 学 号 091010 指导教师 完成日期 2013年6月10日 FSAE方程式赛车制动系统设计摘 要: Formula SAE学生赛车比赛是由美国车辆工程师学会于1979年创立， 2011年在中国举办第一届中国大学生方程式赛车，本次设计将依照大赛赛规进行设计。本说明书介绍了大学生方程式赛车制动的设计，首先简述了FSAE赛事，汽车制动系的设计意义、国内现在对FSAE制动的研究现状以及本次设计的目标。然后对制动系统进行方案选择，主要包括制动

2、器油路的布置，制动方式的选择，然后通过赛车本身的一些参数对制动系统进行初步的计算设计。在得出初步的制动参数后进行制动器材的选择，再结合实际制动部件的详细参数对制动系统进行验证，同时，利用这些数据在ProE中建立模型，最后将模型导入Ansys中，对其施加载荷，模拟实际工作时受力情况，找出受力点，结合软件最终设计出符合比赛要的制动系统。关键词：FSAE ；制动；AnsysDesign of Braking System for FSAE CarAbstract: Formula SAE race was founded in 1979 by the American cars institute

3、of Engineers. In 2011 , China held the first Formula one for Chinese college students, the design would be for design of the provisions of the Chinese calendar. This paper will introduce the FSAE events, the design of automobile brake system, the research status of FSAE brake and the aim of design.

4、Then we will choose the scheme of brake system, mainly including layout of brake circuit, braking mode ,and then by the basic dates of car, I started to make the general design of the braking system. By caculting,I got some dates,then I would select the right components through these dates .After th

5、at I established the model in ProE. At last putting the model in ansys ,I used the software to analyse the force condition. Above all, the aim of designing the right braking system meeting the rules of FSAE would come true. Keywords :FSAE; Braking; Ansys目录1绪论11.1 FSAE赛事介绍11.2制动系统的研究意义21.3 FSAE制动系统的研

6、究现状21.4本次制动系统的预期目标21.5大学生方程式赛车制动系统规则和要求31.5.1制动系统概况31.5.2制动测试31.5.3制动踏板超行程开关31.5.4制动灯41.6本次制动系统的设计任务42 制动系统的方案分析与选择42.1制动器形式方案分析42.1.1 鼓式制动器42.1.2盘式制动器92.2 制动驱动机构的形式选择102.2.1简单制动系统102.2.2动力制动系统112.2.3 伺服制动系统122.3 制动管路的布置方案选择122.4液压制动主缸的选择143制动过程力学理论研究153.1车轮上所受制动力153.2制动距离与制动减速度173.3制动强度，利用附着系数与同步附着

7、系数183.3.1制动强度183.3.2利用附着系数193.3.3同步附着系数203.4理想制动力分配214制动系统的初步设计与计算224.1预计算224.1.1法向反力计算224.1.2制动力矩预计算244.1.3制动卡钳活塞直径预计算244.1.4 制动卡钳的选择254.1.5 制动主缸的确定264.2 其它制动部件的选择274.2.1制动盘274.2.2制动管路284.2.3制动储液罐294.2.4制动灯开关和超行程开关304.2.5制动踏板的设计304.3 制动总体布置图315 制动设计优化325.1制动力分配比优化325.2制动设计检验345.3优化函数图分析356制动有限元分析37

8、6.1有限元简介376.2制动系统ansys分析396.3分析与改进43主要参考文献45致谢461绪论1.1 FSAE赛事介绍 Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。 中国大学生方程式汽车大赛是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、

9、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成

10、一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA ，UG ，ANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。 与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。1.2制动系统的研究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。汽车制动系统是汽车底

11、盘上的一个重要系统，它是制约汽车运动的装置，而制动器又是制动系统中直接作用制约汽车运动的一个关键装置，是汽车上最重要的安全部件。汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。随着经济的迅速发展和车流密度的日益增大，人们对汽车的安全性、可靠性的要求越来越高，而制动系系统优劣很大程度上决定了车辆行驶的安全性，因此为汽车配备一套十分可靠的制动系统保证人们的安全是每个车辆设计者宗旨。本次毕业设计题目为大学生方程式赛车制动系统设计，以设计出满足组委会要求并且利于提升赛车性能为目的。1.3 FSAE制动系统的研究现状赛车制动时，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

12、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过ansys等有限元软件来模拟实际受力情况。通常对车辆制动系统进行分析和评价的指标为：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。 由于，制动的实际情况收很多因素的影响，虽然国内车队在设计时都进行了大量的理论就算和模型分析，但由于国内FSAE起步晚，而国外专业生产启动部件技术相对成熟，虽然是学生赛车，但其速度也具有一定的危险性，因此出于安全及性能考虑，国内车队大多向国外购买制动部件，主要向W

13、ilwood ，APracing两家制动车厂商购买，这两家厂商的制动器，在各方面性能都很不错，其热衰退性更是表现突出。 1.4本次制动系统的预期目标1)具有良好的制动效能，制动响应灵敏，在预期的距离实现赛车的制动；2）具有良好的制动效能稳定性，避免制动时出现跑偏 ；3）制动时汽车操纵稳定性好，实现转弯时赛车制动依旧灵敏，并且不影响转向机构；4)制动效能热稳性好，尽量降低温度度制动效能的影响。1.5大学生方程式赛车制动系统规则和要求1.5.1制动系统概况 赛车必须配备有刹车系统。并且直接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

14、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液罐（可用独立储液罐或用原厂的储液罐）。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）禁止使用线控制动。5）禁止使用没有保护的塑料制动管路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，安装在赛车簧上（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。8）制动踏板必须设计能承受2000N 的力而不损坏制动系统和踏板机构。通过赛会任何官员在正常坐姿下施加在踏板上的最大踩踏力检测。9）制动踏板必须由

15、铝合金，钢或者钛加工而成。1.5.2制动测试 赛车的制动系统将被进行动态测试，测试时，赛车将首先在制动检查官规定的直道上加速，在直道末端，赛车必须制动至静止，并要求四轮抱死且不跑偏。1.5.3制动踏板超行程开关 1）赛车必须装有制动踏板超行程开关。当制动系统失效时引起制动踏板的行程超出正常范围时，该开关必须能够使发动机熄火。该开关必须能够切断点火系统和喷油系统的电源。2）重复的作用该开关不能恢复上述系统的电源。并且该开关不能被车手重置。3）该开关必须为模拟电路元器件，不能通过可编程逻辑控制器、ECU，或有相似功能的数字控制器来替代。1.5.4制动灯 1）制动灯必须为红色，至少15 瓦（或等同于

16、15 瓦），且从后方清晰可见。如果使用了LED（发光二极管）制动灯，则必须在非常强的日光下也清晰可见。2) 制动灯的安装高度必须在车轮中心线和车手肩膀高度之间，且接近赛车中心线。1.6本次制动系统的设计任务（1） 制动系统方案的分析与选择。（2） 制动系统相关参数的选择与理论计算。（3） 制动各部件部件的选取与计算。（4） 制动各项效能的分析（5） 制动系统零部件有限元分析。2 制动系统的方案分析与选择 2.1制动器形式方案分析 汽车制动器几乎均为机械摩擦式，即利用旋转元件和固定元件两工作表面间的摩擦产生的制动力矩使汽车减速或停车。一般摩擦式制动器按旋转元件的形状分为鼓式和盘式两大类。2.1.

17、1 鼓式制动器 鼓式制动器是最早形式汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛应用于各类汽车上。鼓式制动器分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构型式。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有 圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，后者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半轴套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件作为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮毂上。制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦蹄片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩，故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带，其旋转摩擦元件为制动鼓，并利用制动鼓的外圆柱表面与制动带

18、摩擦片的内圆弧作为一对摩擦表面，产生摩擦力矩作用于制动鼓，故又称为带式制动器。在汽车制动系中，带式制动器曾仅用作一些汽车的中央制动器，通常所说的鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构，鼓式制动器按蹄的类型分为1) 领从蹄式制动器如图2-1所示，若图上方的旋向箭头代表汽车前进时制动鼓的旋转方向（制动鼓正向旋转），则蹄1为领蹄，蹄2为从蹄。汽车倒车时制动鼓的旋转方向变为反向旋转，则相应得使领蹄与从蹄也就相互对调了。这种当制动鼓正、反反向旋转时总具有一个领蹄和一个从蹄的内张型鼓式制动器称为领从蹄使制动器。领蹄所受的摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有增势作用，故又称为增势蹄；而从蹄所受的摩擦力使蹄有离开制

19、动鼓的趋势，即摩擦力矩具有减势作用，故又称为减势蹄。增势作用使领蹄所受的法向反力增大，而减势作用使从蹄所受的法向反力减小。领从蹄式制动器的效能及稳定性均处于中等水平，但由于其在汽车前进与倒车时的制动性能不变，且结构简单，造价较低，也便于驻车制动机构，故这种结构仍广泛用于中、重型载货汽车的前、后轮制动器及轿车的后轮制动器。图2-1 领从蹄式制动器2) 双领蹄式制动器若在汽车前进时两制动蹄均为领蹄的制动器，则称为双领蹄使制动器（如图2-2所示）。显然，当汽车倒车时这种制动器的两制动蹄又都变为从蹄故它又可称为双向领蹄式制动器。如图所示，两制动蹄各用一个单活塞制动轮缸推动，两套制动蹄、制动轮缸等机件在

20、制动底板上是以制动底板中心作对称布置的，因此，两蹄对制动鼓的作用的合力恰好相互平衡，故属于平面式制动器。双领蹄式制动器有高的正向制动效能，但倒车时则变为双从蹄式，使制动效能大降，这种结构经常用于中级轿车的前轮制动器，这是因为这类汽车前进制动时，前轴的动轴荷及附着力大于后轴，而倒车时则相反。图2-2 双领从蹄式制动器3) 双向双领蹄式制动器 当制动鼓正向和反向旋转时，两制动助均为领蹄的制动器则称为双向双领蹄式制动器（如图2-3所示）。它也属于平衡式制动器。由于双向双领蹄式制动器在汽车前进及倒车时的制动性能不变，因此广泛应用于中、轻型载货汽车和部分轿车的前后轮，但用作后轮制动器时，则需另设中央制动

21、用于驻车制动。图2-3 双向双领蹄式制动器 4) 单向增力式制动器单向增力式制动器如图2-4所示两蹄下端以顶杆相连接，第二制动蹄支承在其上端制动地板上的支承销上，由于制动时两蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居于一种非平衡式的制动器。单向增力式制动器在汽车前进制动时的制动效能很高，且高于前述的各种制动器，但在倒车制动时，其制动效能却是最低的。因此，它用于少数轻、中型货车和轿车上作为前轮制动器。图2-4 单向增力式制动器5）双向增力式制动器将单向增力式制动器的单活塞式制动轮缸换用双活塞式制动轮缸，其上端的支承销也作为两蹄共用的，则称为双向增力式制动器(如图2-5所示)。对双向增力式制动器来说不论汽

22、车前进制动或倒退制动，该制动器均为增力式制动器。双向增力式制动器在大型高速轿车上用的较多，而且常常将其作为行车制动与驻车制动功用的制动器，但行车制动是由液压经制动轮缸产生制动蹄的张开力进行制动，而驻车制动则是用制动操纵手柄通过钢索拉绳及杠杆等机械操纵系统进行操纵。双向增力式制动器也广泛用于汽车的中央制动器，因为驻车制动要求制动器正向、反向的制动效能都很高，而且驻车制动若不用于应急制动时也不会产生高温，故其热衰退问题并不突出。但由于结构问题使它在制动过程中散热和排水性能差，容易导致制动效率下降。因此，在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本低，仍然在一些经济型车中使用，主要用于制动负

23、荷比较小的后轮和驻车制动。图2-5 双向增力式制动器2.1.2盘式制动器盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两大类。1）钳盘式钳盘式制动器按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等。定钳盘式制动器：这种制动器中的制动钳固定不动，制动盘与车轮相连并在制动钳体开口槽中旋转。具有以下优点：除活塞和制动块外无其他滑动件，易于保证制动钳的刚度；结构及制造工艺与一般鼓式制动器相差不多，容易实现鼓式制动器到盘式制动器的改革，能很好地适应多回路制动系的要求。浮钳盘式制动器：这种制动器具有以下优点：仅在盘得内侧具有液压缸，故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近轮毂；没有跨越制动

24、盘的油道或油管，液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；成本低；浮动盘的制动块可兼用驻车制动。2）全盘式在全盘制动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。由于这种制动器散热条件较差，其应用远远没有钳盘式制动器广泛。盘式制动器与鼓式制动器相比，有以下优点：1）制动效能稳定性好；2）制动力矩与汽车运动方向无关；3）易于构成双回路，有较高的可靠性和安全性； 4）尺寸小、质量小、散热好；5）制动衬块上压力均匀，衬块磨损均匀；6）更换衬块工作简单容易。7）衬块与制动盘间的间隙小，缩短了制动协调时间。8）易于实现间隙自动调整。综合以上优缺点

25、最终确定本次设计采用前后盘式制动器，且均为浮钳盘式制动器。2.2 制动驱动机构的形式选择根据动力源的不同，制动驱动机构可分为简单制动、动力制动及伺服制动三大类型。2.2.1简单制动系统 简单制动系即人力制动系，是靠四级作用于制动踏板上或手柄上的力作为制动力源。而传力方式有机械式和液压式两种。机械式的靠杆系或钢丝绳传力，其结构简单，造假低廉，工作可靠，但机械效率低，因此仅用于中、小型汽车的驻车制动装置中。液压式的简单制动系统通常称为液压制动系，用于行车制动装置。其优点是作用滞后时间短（0.1-0.3s),工作压力大（可达10MPa-12MPa),缸径尺寸小，可布置在制动器内部作为制动蹄的张开机构

26、或制动块的压紧机构，使之结构简单、紧凑、质量小、造价低。但其有限的力传动比限制了它在汽车上的适用范围。另外，液压管路在过渡受热时会形成气泡而影响传输，即产生所谓“气阻”使制动效能降低甚至失效；而当气温过低时（-25摄氏度和更低时），由于制动液的粘度增大，使工作的可靠性降低，以及当有局部损坏时，使整个系统都不能继续工作，液压式简单制动系曾广泛用于轿车、轻型及以下的货车和部分中型货车上。但由于操作较沉重，不能适应现代汽车提高操作轻便性的要求，故当前仅多用于微型汽车上，在轿车和轻型汽车已经极少采用。2.2.2动力制动系统 动力制动系是以发动机动力形成的气压或液压势能作为汽车制动的全部力源进行制动，司

27、机作用于制动踏板或手柄上的力仅用于对制动回路中控制元件的操纵。在简单制动系中的踏板力与其行程间的发比例关系在动力制动系中便不复存在。动力制动系有气压制动系、气顶液式制动系和全液压动力制动系3种。1)气压制动系 气压制动系是动力制动系最常见的型式，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、连接和断开均很方便，因此被广用于总质量为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、储气筒、制动阀等装置，使其结构复杂、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（0.3s-0.9s),因

28、此，当制动阀到制动气室和储气罐的距离较远时，有必要加设启动的第二控制元件-继动阀（即加速阀）以及快放阀；管路工作压力较低（一半为0.5MPa-0.9MPa)。因而制动器室的直径达，只能置于制动器之外，在通过杆件及凸轮或锲块驱动制动蹄，使非簧载质量增大；另外制动气室排气时也有较大噪声。2)气顶液式制动系气顶液式制动系是动力制动系的另一种型式，即利用气压系统作为普通的液压制动系统主缸的驱动力源的一种制动驱动机构，它兼有液压制动和气压制动的主要优点。由于其气压系统的管路短，故作用滞后时间也较短。显然，其结构复杂、质量大、造价高，故主要用于重型汽车上，一部分总质量为9t-11t的中型汽车上也有所采用。

29、3)全液压动力制动系全液压动力制动系除具有一般液压制动系统的优点外，还具有操作轻便、制动反应快、制动能力强、受气阻影响较小、易于采用制动力调节装置和防滑移装置，及可与动力转向、液压悬架、举升机构及其他辅助设备共同液压泵和储油等优点。其结构复杂、精密件多，对系统的密封性要求也较高，故并未得到广泛应用，目前仅用于某些高级轿车、大型客车以及极少数的重矿用自卸汽车上。2.2.3 伺服制动系统 伺服制动系是在人力液压制动系的基础上加设一套除其他能源提供的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系，在正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生，而在动力伺服系统失效时，仍

30、可全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力。因此，在中级以上的轿车及轻、中型客、货汽车上得到了广泛的应用。按伺服系统能源的不同，又有真空伺服制动系、气压伺服制动系和液压伺服制动系之分，其伺服能源分别为真空能（负气压能）、气压能和液压能。 考虑到FSAE赛车在体积和质量上都相对较小，采用简单的液压制动在性能上都能达到赛规的要求，最后确定本次设计采用简单液压制动。2.3 制动管路的布置方案选择 图2-6 常见制动管路布置图双轴汽车的双回路制动系统有常见的几种分路形式，如图2-61)图2-6 a称为II型，这种回路前后分开，其特点是管路布置最为简单，可与传统的单轮缸(或单制动气室)鼓式制动器相配合，

31、成本较低。这种分路布置方案在各类汽车上均有采用，但在货车上用得最广泛。这一分路方案总后轮制动管路失效，则一旦前轮制动抱死就会失去转弯制动能力。对于前轮驱动的轿车，当前轮管路失效而仅由后轮制动时，制动效能将明显降低并小于正常情况下的一半，另外，由于后桥负荷小于前轴，则过大的踏板力会使后轮抱死而导致汽车甩尾。2）图2-6 b称为X型，交叉式，这种布置后轮制动管路呈对角连接的两个独立的回路系统，即前轴的一侧车轮制动器与后桥的对侧车轮制动器同属于一个回路。其特点是结构也很简单，一回路失效时仍能保持50的制动效能，并且制动力的分配系数和同步附着系数没有变化，保证了制动时与整车负荷的适应性。此时前、后各有

32、一侧车轮有制动作用，使制动力不对称，导致前轮将朝制动起作用车轮的一侧绕主销转动，使汽车失去方向稳定性。因此，采用这种布置方案的汽车，其主销偏移距应取负值(至20 mm)，这样，不平衡的制动力使车轮反向转动，改善了汽车的方向稳定性。3）图2-6 c为HI型，其左、右前轮制动器的半数轮缸与全部后轮制动器轮缸构成一个独立的回路，而两前轮制动器的另半数轮缸构成另一回路，可看成是一轴半对半个轴的分路型式4）图2-6 d为LL型，由两个独立的问路分别为两侧前轮制动器的半数轮缸和一个后轮制动器所组成。5）图2-6 e为HH型，由两个独立的回路均由每个前、后制动器的半数缸所组成，即前、后半个轴对前、后半个轴的

33、分路型式，由于HI ,LL，HH型的机构比较复杂，LL型与HH型在任一回路失效时，前、后制动力的比值均与正常情况下相同，且剩余的总制动力可达到正常值的50左占。HL型单用回路，即一轴半时剩余制动力较大，但此时与LL型一样，在紧急制动时后轮极易先抱死。综合上述管路布置特点，结合FSAE赛车本身在体积和质量以及实际操作性最终选择X型回路布置。2.4液压制动主缸的选择制动主缸主要分为单缸和串联双缸，如下图2-7，2-8结合赛规要求必须使用两个制动主缸，若使用单缸制动主缸，则相对的一组轮公用一条主管路：若使用串联双缸则可以一个轮对应一条管路，显然制动性能上串联双缸要比单缸有优势，但双缸的管路较多，而且

34、体积也相对大，FSAE赛车本身前部空间小，布置比较紧凑，因此国内外的车队一至选择单缸制动主缸，主要购买的是Wilwood等厂家的产品，其体积和性能要求都很满足赛车要求。图2-7单缸制动主缸 图2-8串联双缸制动主缸3制动过程力学理论研究 3.1车轮上所受制动力 如图3-1所示在良好的硬路面上制动时车轮的受力情况 图3-1 制动车轮受力分析当驾驶员踩下制动踏板时，踏板上的力通过传动机构到各车轮的制动卡钳，使得卡钳内活塞推动摩擦垫片，形成摩擦力矩阻止车轮的转动，称这种作用在车轮上的摩擦力矩为制动器制动力矩，由于车轮与路面间有附着作用，车轮对路面间有附着作用，车轮对路面作用一个向前的圆周力，称为制动

35、器制动力其大小为公式（3-1） = (3-1)式中 ：制动器制动力矩； r：车轮半径由上式可知，制动器的制动力取决于卡钳与制动盘的间的摩擦力。同时路面对车轮作用一个向后的作用了,称为地面制动力，这个力由车轮经过车轴和悬架传达到车架和车身，迫使整个汽车产生一定的减速度地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离就越短。如忽略滚动阻力矩和减速时的惯性，则地面制动力与制动力矩应有以下关系,如公式（3-2） = （3-2）地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力，一个是卡钳和制动盘的摩擦力，一个是地面和轮胎间的摩擦力。 制动器的制动力与踏板力成正比，但地面制动力受车轮与地面之间的附着力的限制，如图3-2所示，为

36、制动器制动力，地面制动力以及踏板力三者之间的关系 图3-2 地面制动力，制动器制动力与附着力关系当踏板力在0之间是， 有 = ，制动器制动力等于地面制动力。当大于踏板力时，制动器制动力随踏板力成成正比例继续增长，而地面制动力由于受地面附着力限制不再增长，固有公式（3-3）关系 = （3-3） 即可得到最大的地面制动力为 = （3-4）式中，为作用在轮胎上的地面垂直反作用力之和 为附着系数此时，车轮即抱死不转。出现拖滑现象3.2制动距离与制动减速度制动距离是与行驶安全直接有关的一项制动效能指标，制动减速度是反映地面制动力的大小，是决定制动距离的一项重要因素。通常制动距离是驾驶员开始踩踏板到完全停

37、车的距离。图3-3为汽车减速度a，行驶速度v，和行驶距离S的时间历程。a为经过简化后的制动减速度曲线，对这一加速度求其时间的积分，即可得到图b速度时间历程图，再积分得到图c制动过程所走的路程图。制动时间格为、，由四段路程组成、 图3-3 制动减速度，制动速度，距离与时间关系是驾驶员接到制动停车信号后的反应时间，一般需要0.4s1.5s，这与驾驶员反应快慢和不同处境有关，这段时间内汽车仍以原来的初速度行驶。实在反应时间后从加速踏板移动到制动踏板所需要的换位时间，以及消除制动装置间隙和克服弹簧变形所需的结合时间，然后才开始制动压力的增长。这些时间的总和为,取0.20.45s，这段时间内，将脚从加速

38、踏板移开后，由发动机阻力矩和汽车行驶阻力，将会出现一定的减速度为制动器起作用时间，随着驾驶员踩踏板的动作，踏板力迅速增大，制动力也随之增大到最大。制动器增力时间大约为0.2s。减速度增大到，速度减到。为制动持续时间，此时减速度保持，速度由减到零。驾驶员松开踏板，但制动力消除还需要一段时间。从以上分析可见，制动距离是停车距离中的一部分 制动距离： （3-5） 停车距离： （3-6）通常，发动机阻力矩引起的减速度和式中最后三项可忽略不计，简化后的 停车距离为式（3-7） （3-7）3.3制动强度，利用附着系数与同步附着系数3.3.1制动强度 汽车制动过程中所产生的制动减速度，可表示为式（3-8）

39、= （3-8） 其中Z为制动强度，制动强度Z可以评价制动减速度大小，是无量纲的值。 上面一提到地面制动力由于受到附着力限制，其最大值为式（3-9） （3-9） 所以最大制动强度 3.3.2利用附着系数 上式中路面提供的附着系数可称为利用附着系数，利用附着系数就是汽车制动时路面提供的要利用的附着系数 汽车制动过程中，一般出现三种情况（1） 前轮先抱死拖滑。然后后轮抱死拖滑：Z （2） 后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑：Z （3） 前后轮同时抱死拖滑：Z = 从以上3种情况可知，制动强度总是小于等于利附着系数。，在（1），（2）情况中没有充分利用地面提供的附着系数，所以制动强度小于小于附着系数，而

40、在第三种情况中，充分利用了路面提供的附着系数，故制动强度等于利用附着系数。 显然，制动强度越接近于利用附着系数，地面的附着条件发挥的越充分，汽车的制动力分配的合理程度越高。通常以利用附着系数与制动强度关系曲线来描述制动力分配的合理。如图3-4 图3-4 最理想的情况是利用附着系数总是等于制动强度这一关系，即图中的对角线 利用附着系数可以分为为前后轴： 前轴的利用附着系数： （3-10） BF是前轴的地面制动力 wf，是前轴的动载荷 后轴同理3.3.3同步附着系数 同步附着系数是汽车制动时前后轮同时抱死是路面的附着系数，可用0表示，前后制动力为固定比值的汽车，只有一个或者两个同步附着系数，但前后

41、制动力变比值的汽车，至少有两个以上的同步附着系数。对于前后制动力为固定比值的汽车来说，其同步附着系数取决于汽车的结构参数，其表达式为式（3-11） （3-11） 式中，L为轴距 为制动力分配系数， Fu1前轮制动力之和，Fu前后制动器制动力之和 b质心到后轴距离 h质心高度3.4理想制动力分配 定义一下参数： Wf,，Wb制动时前后轮法向反作用力 Wfj ，Wbj静止时前后轮法向作用力 W 汽车总重 l 轴距，la质心距前轴的距离，lb质心距后轴的距离 a 汽车减速度 BR、BB 前，后地面制动力 h质心高度 当汽车制动时，前后轴载荷为式（3-12），（3-13） （3-12） （3-13）

42、从这里可以得出制动时载荷的转移量，式（3-14） （3-14） 从中可以看出，载荷偏移量是 车辆出现点头的原因，要去除或者减轻这一现象在于质心的布置以及轴距的设定，因此制动性能的优劣一由汽车本身的总体布置决定。地面总制动力为式（3-15） （3-15）又结合附着条件 （3-16）故充分制动时 （3-17）所以当汽车在任何附着系数的路面上，前后轮同时抱死的条件是式（3-18） （3-18）代入计算可得式（3-19） （3-19）4制动系统的初步设计与计算4.1预计算根据已参数以及一些参考文献中获得的经验参数进行计算，获得理论上的数据为零部件的选购提供依据。已知数据：（1）车辆满载总重W = 3136N （2）车辆有效滚动半径R = 240mm （3）轴距l=1600mm （4）质心位置：质心高h = 260mm,距前轴距离lf = 848mm，距后轴距离lb = 752mm4.1.1法向反力计算法向反力计算原理与相关公式； 当减速度为8m/s2 时，地面对前后轴的法向反力为式（4-1），（4-2） = 1881.6N