这种型式制动盘称为无毂制动盘。 这种型式的优点是制动盘便宜些。 制动面磨损超过加工极限时能很容易更换。 本设计采用的是第二种型式。 制动盘一般用珠光体灰铸铁制成, 或用添加 Cr, Ni 等的合金铸铁制成。 制动盘在工作时不仅承受着制动块作用的法向力和切向力, 而且承受着热负荷。 为了改善冷却效果, 钳盘式制动器的制动盘有的铸成中间有径向通风槽的双层盘这样可大大地增加散热面积, 降低温升约 20%~30%, 但盘的整体厚度较厚。 而一般不带通风槽的轿车制动盘, 其厚度约在l0m~13mm 之间。 本次设计采用的材料为 HT250。 制动盘的工作表面应光洁平整, 制造时应严格控制表面的跳动量, 两侧表面的平行度 (厚度差)及制动盘的不平衡量。根据有关文献规定: 制动盘两侧表面不平行度不应大于0.008mm,盘的表面摆差不应大于 0.1mm; 制动盘表面粗糙度不应大于 0.06mm。 制动钳由可锻铸铁 KTH370-12 或球墨铸铁 QT400-18 制造, 也有用轻合金制造的,例如用铝合金压铸。 可做成整体的, 也可做成两半并由螺栓连接。 其外缘留有开口, 以便不必拆下制动钳便可检查或更换制动块。 制动钳体应有高的强度和刚度。 在钳体中加工出制动油缸。 为了减少传给制动液的热量, 将活塞的开口端顶靠制动块的背板。 活塞由铸铝合金制造, 为了提高耐磨损性能, 活塞的工作表面进行镀铬处理。 为了解决因制动钳体由铝合金制造而减少传给制动液的热量的问题, 应减小活塞与制动块背板的接触面积。 制动钳在汽车上的安装位置可在车轴的前方或后方。 制动钳位于车轴前可避免轮胎甩出来的泥, 水进入制动钳, 位于车轴后则可减小制动时轮毂轴承的合成载荷。 制动块由背板和摩擦衬块构成, 两者直接牢固地压嵌或铆接或粘接在一起。 衬块多为扇面形, 也有矩形、 正方形或长圆形的。 活塞应能压住尽量多的制动块面积, 以免衬块发生卷角而引起尖叫声。 制动块背板由钢板制成。 为了避免制动时产生的热量传给制动钳而引起制动液汽化和减小制动噪声, 可在摩擦衬块与背板之间或在背板后粘(或喷涂) 一层隔热减震垫。 由于单位压力大和工作温度高等原因, 摩擦衬块的磨损较快, 因此其厚度较大。 许多盘式制动器装有衬块磨损达极限时的警报装置, 以便及时更换摩擦衬片。 制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数, 抗热衰退性能好, 不能在温度升到某一数值后摩擦系数突然急剧下降; 材料应有好的耐磨性, 低的吸水(油、 制动液)率, 低的压缩率、低的热传导率(要求摩擦衬块在 300℃的加热板上: 作用 30min 后, 背板的温度不越过 190℃)和低的热膨胀率, 高的抗压、 抗打、 抗剪切、 抗弯购性能和耐冲击性能; 制动时不产生噪声和不良气味, 应尽量采用少污染和对人体无害的摩擦材料。 各种摩擦材料摩擦系数的稳定值约为 0.3~0.5, 少数可达 0.7。 设计计算制动器时一般 16取 0.3~0.35。 选用摩擦材料时应注意, 一般说来, 摩擦系数愈高的材料其耐磨性愈差。 本次设计摩擦系数选用 f =0.3。 一种是编织材料, 它是先用长纤维石棉与铜丝或锌丝的合丝编织成布, 再浸以树脂粘合剂经干燥后辊压制成。 其挠性好, 剪切后可以直接铆到任何半径的制动蹄或制动带上。 在100℃~120℃温度下, 它具有较高的摩擦系数(4 . 0f以上), 冲击强度比模压材料高 4~5倍。 但耐热性差, 在 200℃~250℃以上即不能承受较高的单位压力, 磨损加快。 因此这种材料仅适用于中型以下汽车的鼓式制动器, 尤其是带式中央制动器。 一种是粉末冶金摩擦材料其是以铜粉或铁粉为主要成分(占质量的 60%~80%), 加上石墨、 陶瓷粉等非金属粉末作为摩擦系数调整剂, 用粉末冶金方法制成。 其抗热衰退和抗水衰退性能好, 但造价高, 适用于高性能轿车和行驶条件恶劣的货车等制动器负荷重的汽车。 当前, 在制动器上广泛采用着模压材料, 它是以石棉纤维为主并均树脂粘站剂、 调整摩擦性能的填充刑(出无机粉粒及橡胶、 聚合树脂等配成)勺噪声消除别(主要成分为石墨)等混合后, 在高温厂模压成型的。 模压材料的挠性较差. 故应佐按衬片或衬块规格模压。 其优点是可以选用各种不同的聚合树脂配料, 使衬片或衬块具有不同的摩擦性能及其他性能。 本次设计采用的是模压材料。 制动鼓与摩擦衬片之间或制动盘与摩擦衬片之间在未制动的状态下应有工作作间隙, 以保证制动鼓(制动盘)能自由转动。 一般, 鼓式制动器的设定间隙为 0.2~0.5mm; 盘式制动器的为 0.1~0.3mm(单侧 0.05mm~0.15mm)。 此间隙的存在会导致踏板或手柄的行程损失,因而间隙量应尽量小。 考虑到在制动过程中摩擦副可能产生机械变形和热变形, 因此制动器在冷却状态下应有的间隙应通过试验来确定。 在本设计中: 盘式制动器取间隙为 0.1m。 另外, 制动器在工作过程中会由于摩擦衬片或摩擦衬块的磨损而使间隙加大, 因此制动器必须设有间隙调整装置。 当前, 盘式制动器的间隙调整均已自动化, 鼓式制动器采用间隙自动调整装置的也日益增多。 盘式制动器工作间隙的调整, 钳盘式制动器不仅制动间隙小, 而且制动盘受热膨胀后对轴向间隙几乎没有影响, 所以一般都采用一次调准式间隙自调装置。 最简单且常用的结构是在缸体和活塞之间装一个兼起复位和间隙自调作用的带有斜角的橡胶密封圈, 制动时密封圈的刃边是在活塞给予的摩擦力的作用下产生弹性变形, 与极限摩擦力对应的密封圈变形量即等于设定的制动间隙。 当衬块磨损而导致所需的活塞行程增大时, 在密封圈达到极限变形之后, 活塞与密封圈之间这一不可恢复的相对位移便补偿了这一过量间隙。 解除制动后活塞在弹力作用下退回, 直到密封圈的变形完全消失为止, 这时摩擦快与制动盘之间重新回复到设定间隙。 175. 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。 5. 1. 制动性能评价指标 汽车制动性能主要由以下三个方面来评价: 1) 制动效能, 即制动距离和制动减速度; 2) 制动效能的恒定性, 即抗衰退性能; 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。 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。 制动效能的恒定性主要指的是抗热衰性能。 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否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。 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。 影响方向稳定性的包括制动跑偏、 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试验通道的宽度。 方向稳定性是从制动跑偏、 侧滑以及失去转向能力等方面考验。 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的不协调(互相干涉) 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。 最危险的情况是在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抱死后轴始终 18不抱死。 5. 2. 制动器制动力分配曲线分析 对于一般汽车而言, 根据其前、 后轴制动器制动力的分配、 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、 后制动器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,是设计汽车制动系必须妥善处理的问题。 根据所给参数及制动力分配系数, 应用 MATLAB 编制出制动力分配曲线程序如下: F=0:0.1:1; hg=0.85; hg1=0.95; G=2; G1=1.55; L2=1.25; L1=1.35; L=2.6; gg =(1/2)*(((G/hg)*sqrt (L2^2+4*hg*L*F/G))-(G*L2/hg+2*F)); gg1=(1/2)*(((G1/hg1)*sqrt (L1^2+4*hg1*L*F/G1))-(G1*L1/hg1+2*F)); c=0.67; y=((1-c)/c)*F; plot(F,gg,F,gg1,F,y); xlabel ('Fμ 1/KN '); ylabel ('Fμ 2/KN '); title('某轿车制动力分配曲线'); legend('I 线(满载) ','I 线(空载)','β 线'); 将上述程序输入到命令窗口以后再按回车即可得到图 5-1 的制动力分配曲线: 19 图5-1制动力分配曲线 Fig.5-1 braking force distribution curve 当 I 线与 β 线相交时, 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 通过该图可以看出相关参数和制动力分配系数的合理性。 5. 3. 制动减速度j 制动系的作用效果, 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mrMje/总 式中 总M ——汽车前、 后轮制动力矩的总合。 总M =21uuMM=785+1600=2385Nm 20er =370mm=0.37m m——汽车总重 m=2000kg 代入数据得j=(785+1600)/0.37×2000=6.16m/s2 轿车制动减速度应在 5.8~7m/s2,所以符合要求。 5. 4. 制动距离 S 在匀减速度制动时, 制动距离 S 为 S=1/3.6(t1+ t2/2) V+ V2/254 式中, t1——消除制动盘与衬块间隙时间, 取 0.1s t2——制动力增长过程所需时间,取 0.2s V=30km/h 故 S=1/3.6(0.1+ 0.2/2) 30+ 302/254×0.7=7.2m 轿车的最大制动距离为: ST=0.1V+V2/150 ST=0.1 30+302/150=9m S<ST 所以符合要求。 5. 5. 摩擦衬片的磨损特性计算 摩擦衬片的磨损与摩擦副的材质, 表面加工情况、 温度、 压力以及相对滑磨速度等多种因素有关, 因此在理论上要精确计算磨损性能是困难的。 但试验表明, 摩擦表面的温度、 压力、 摩擦系数和表面状态等是影响磨损的重要因素。 汽车的制动过程, 是将其机械能(动能、 势能) 的一部分转变为热量而耗散的过程。 在制动强度很大的紧急制动过程中, 制动器几乎承担了耗散汽车全部动力的任务。 此时由于在短时间内制动摩擦产生的热量来不及逸散到大气中, 致使制动器温度升高。 此即所谓制动器的能量负荷。 能量负荷愈大, 则摩擦衬片(衬块) 的磨损亦愈严重。 1) 比能量耗散率 双轴汽车的单个前轮制动器的比能量耗散率为: 212211()122am vvetA 式中: : 汽车回转质量换算系数, 紧急制动时02v,1; 21 am: 汽车总质量; 1v,2v: 汽车制动初速度与终速度,m/s; 计算时轿车1v取 27.8m/s; t: 制动时间,s; 按下式计算 sjvvt6 . 468 .2721 j: 制动减速度,2/sm, 2/6106 . 06 . 0smgj; 1A: 前轮制动器衬片的摩擦面积; 1A=7600mm2 : 制动力分配系数。 则 67. 076006 . 4228 .27155022121211tAvmea=5.72w/mm 轿车盘式制动器的比能量耗散率应不大于 6.02/mmw, 故符合要求。 2) 比滑磨功fL 磨损和热的性能指标可用衬片在制动过程中由最高制动初速度至停车所完成的单位衬片面积的滑磨功(设车辆的动能都消耗在制动器的滑磨功上), 即比滑磨功fL来衡量: ][22amaxfafLAvmL 式中:am: 汽车总质量; A : 车轮制动器各制动衬片的总摩擦面积, A2122AA 2cm =2763002=752cm2; smhkmva/44/160max; [fL ]: 许用比滑磨功, 轿车取 1000J/2cm ~1500J/2cm , Lf =752244155021497J/2cm ≤1000J/2cm ~1500J/2cm 故符合要求。 226. 盘式制动器结构优化设计 为了提高盘式制动器的制动性能和制动效率, 下面在分析盘式制动器设计过程中所必须满足的性能指标和约束条件的基础上, 建立了以制动温升最低和制动力矩最大为目标函数的多目标优化数学模型, 然后采用 MATLAB 优化工具箱中的复合形算法进行优化求解, 得到了较理想的优化结果。 6. 1. 优化模型的建立 钳盘式制动器制动力矩计算简图如图 6-1 所示 图 6-1 扇形摩擦衬片转动力矩计算简图 Fig.6-1 fan-shaped lining torque calculation diagram 若摩擦衬片压力与制动盘面接触良好, 且各处单位压力分布均匀, 则在钳盘式制动器扇形摩擦衬面上任取一微小面积: dA = RdRdθ , 在这微小面积上产生的微摩擦力矩为:dM=qRµdA=µqR² dRdθ , 式中 q 为摩擦片与制动盘之间的单位面积上的压力, µ 为摩擦片的摩擦系数, 则单侧摩擦片作用于制动盘上的制动力矩为可由下式积分求得: M' =21RR2 /2 /µpR² dRdθ =2µq(R221RRθ µpR² dR=31µp(R23-R13) (N. m) 则盘式制动器的总制动力矩为: M=33-R13) 23依据制动盘与轮缸液压传递关系可得: q=pRRdpRRd)2(21)(214212221222