车辆工程综合课程设计说明书

课程设计任务书

课程车辆工程综合课程设计

题目某轿车前轮制动器主要零件设计（蹄或钳及轮缸部分）——1 专业车辆工程姓名学号

主要内容及基本要求：

已知条件：总质量为2200kg；前轴负荷率为35%；质心高度为1m；轴距为。

轮胎型号：225/60R16。制动性能要求：初速度为50km/h，制动距离为15m.

在以上条件下，完成制动器主要基本参数的选择、确定（与后轮制动器设计

的同学共同完成）；完成制动器主要零件的设计计算；完成前轮制动器主要零件

设计的设计图纸。

工程图纸须规范化，计算说明书须用国际单位制量纲。

参考资料：

[1]王望予.汽车设计（第4版）.北京：机械工业出版社,2004

[2]王国权,龚国庆.汽车设计课程设计指导书.北京：机械工业出版社,2009

[3]王丰元,马明星.汽车设计课程设计指导书.北京：中国电力出版社,2009

[4]陈家瑞.汽车构造（第3版下册）.北京：机械工业出版社,2009

[5]余志生.汽车理论（第5版）.北京：机械工业出版社,2009

[6]张海青.耐高温的盘式制动片.非金属矿.2008

完成期限至

指导教师

专业负责人

2014年 9月 18 日

目录

1设计要求...................................... 错误!未定义书签。2制动器形式方案分析与选择...................... 错误!未定义书签。

鼓式制动器.................................. 错误!未定义书签。

盘式制动器 (2)

3前轮制动器设计计算 (6)

制动系统主要参数数值 (6)

相关的赛车主要参数 (6)

同步附着系数的分析 (7)

地面对前、后轮的法向反作用力 (8)

制动力分配系数及制动力矩 (8)

制动器相关计算 (9)

制动器主要零部件的结构设计 (11)

4制动性能分析 (13)

制动性能评价指标 (13)

制动效能 (13)

制动效能的恒定性 (13)

制动时汽车方向的稳定性 (13)

摩擦衬块的磨损特性计算 (14)

5总结 (16)

参考文献 (17)

1设计要求

已知条件：总质量为2200kg；前轴负荷率为35%；质心高度为1m；轴距为。轮胎型号：225/60R16。制动性能要求：初速度为50km/h，制动距离为15m.

在以上条件下，完成制动器主要基本参数的选择、确定；完成制动器主要零件的设计计算；完成前轮制动器主要零件设计的设计图纸。

工程图纸须规范化，计算说明书须用国际单位制量纲。

2制动器形式方案分析与选择

鼓式制动器

鼓式制动器也叫块式制动器，是靠制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。鼓式制动是早期设计的制动系统，其刹车鼓的设计1902年就已经使用在马车上了，直到1920年左右才开始在汽车工业广泛应用。鼓式制动器的主流是内张式，它的制动块(刹车蹄)位于制动轮内侧，在刹车的时候制动块向外张开，摩擦制动轮的内侧，达到刹车的目的。近三十年中，鼓式制动器在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本比较低，仍然在一些经济类轿车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。

按制动蹄运动方向；鼓式制动器是利用制动蹄片挤压制动鼓而获得制动力的，可分为内张式和外束式两种。内张鼓式制动器是以制动鼓的内圆柱面为工作表面，在现代汽车上广泛使用；外束鼓式制动器则是以制动鼓的外圆柱面为工作表面，目前只用作极少数汽车的驻车制动器。

鼓式制动器根据制动蹄张开装置(也称促动装置)形式的不同，可分为轮缸式制动器和凸轮式制动器，如图2-1所示。轮缸式制动器以液压制动轮缸作为制动蹄促动装置，多为液压制动系统所采用；凸轮式制动器以凸轮作为促动装置，多为气压制动系统所采用。

图2-1 轮缸式制动器

轮缸式制动器按制动蹄的受力情况不同，可分为领从蹄式、双领蹄式(单向作用、双向作用)、双从蹄式、自增力式(单向作用、双向作用)等类型，如图2-2所示。

图2-2 各式轮缸式制动器

盘式制动器

盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，此圆盘称为制动盘。其固定原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到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。这种由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形，但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。

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。

Ⅰ固定钳式

制动钳固定安装在车桥上，既不能旋转，也不能沿制动盘轴线方向移动，因而其中必须在制动盘两侧装设制动块促动装置，以便分别将两侧的制动块压向制动盘。这种形式也成为对置活塞式或浮动活塞式。如图2-3示。

图2-3 固定钳盘式制动器

Ⅱ浮动钳式

图2-4 浮动钳盘式制动器

（1）滑动钳式制动钳可以相对于制动盘作轴向滑动，其中只有在制动盘的内侧置有液压缸，外侧的制动块固定安装在钳体上。制动时活塞在液压作用下使活动制动压靠到制动盘上，而反作用力则推动制动钳体连同固定制动块压向制动盘的另一侧，直到两制动块受力均等为止。图2-3（a）所示。

（2）摆动钳式它也是单侧液压缸结构，制动钳体与固定在车轴上的支座铰接。为实现制动，钳体不是滑动而是在与制动盘垂直的平面内摆动。显然，制动块不可能全面而均匀的磨损。为此，有必要经衬块预先作成楔形。

在使用过程中，衬块逐渐磨损到各处残存厚度均匀后即应更换。图2-3（b）所示。

浮钳盘式制动器的制动钳一般设计得可以相对制动盘转向滑动。其中，只在组、制动盘的内侧设置液压缸，而外侧的制动块则附加装在钳体上。

2）全盘式

图2-4 全盘式制动器

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，如图2-4所示。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。

与鼓式制动器相比，盘式制动器有如下优点：

①热稳定性好。原因是一般无自行增力作用。衬块摩擦表面压力分布较鼓式中的衬片更为均匀。此外，制动鼓在受热膨胀后，工作半径增大，使其只能与蹄中部接触，从而降低了制动效能，这称为机械衰退。制动盘的轴向膨胀极小，径向膨胀根本与性能无关，故无机械衰退问题。因此，前轮采用盘式制动器，汽车制动时不易跑偏。

②水稳定性好。制动块对盘的单位压力高，易将水挤出，因而浸水后效能降低

不多；又由于离心力作用及衬块对盘的擦拭作用，出水后只需经一，二次制动即能恢复正常。鼓式制动器则需经十余次制动方能恢复。

③制动力矩与汽车运动方向无关。

④易于构成双回路制动系，使系统有较高的可靠性和安全性。

⑤尺寸小，质量小，散热良好。

⑥压力在制动衬块上分布比较均匀，故衬块上磨损也均匀。

⑦更换制动块简单容易。

⑧衬块与制动盘之间的间隙小（~），从而缩短了制动协调时间。

⑨易实现间隙自动调整。

盘式制动器的主要缺点是：

①难以实现完全防尘和锈蚀（封闭的多片式全盘式制动器除外）。

②兼作驻车制动器时，所需附加的手驱动机构比较复杂。

③在制动驱动机构中必须装用助力器。

④因为衬块工作面积小，所以磨损快，寿命低，需用高材质的衬块。

因此，从结构，散热，技术，成本等多方面考虑，决定采用滑动浮钳盘式制动器。3前轮制动器设计计算

制动系统主要参数数值

相关的汽车主要参数

汽车主要参数如表3-1所示。

1 质量 m 2200 kg 2

重力 G 21582 N 3

质心高 g h 1000 mm 4

轴距 L 3050 mm 5

质心至后轴的距离 b mm 6

轮胎半径 r

mm

同步附着系数的分析计算 1.当0??<时：制动时总是前轮先抱死，这是一种稳定工况，但丧失了转向能力；

2.当0??>时：制动时总是后轮先抱死，这是容易发生后轴策划而使汽车丧失方向稳定性；

3.当0??=时：制动时汽车前后轮同时抱死，是一种稳定工况，但也丧失了转向能力。

分析表明，汽车在同步系数为

的路面上制动（前后轮同时抱死）时，其制动减速度g qg dt u 0d ?==，即q=,q 为制动强度。而在其他附着系数的路面上

制动时，达到前轮或者后轮即将抱死的制动强度q<

,这表明只有在=的路面上，地面的附着条件才可以得到充分利用。

已知，汽车制动初速度制动初速度0v =50km/h ，制动距离S=15m ，因此可计算得出同步附着系数0?

aS 20v 20=- （3-1）

22

/6.43m 15

2)3.650(s a =?÷= 0m ?mg a =

0.66a 0==g

? 地面对前轮的法向反作用力

在良好水平路面上，前、后轮同时抱死（不论是同时抱死或分别先后抱死），此时忽略赛车的空气阻力和滚动阻力，地面作用于前轮的法向反力为： L h b G L zh G F g g Z )()b (01?+=+=

（3-2） N F Z 12223.903050

)100066.05.1067(9.8122001=?+?= 制动力分配系数及制动力矩

1.制动器制动力分配系数β

制动时四个车轮同时抱死，0.660=?。

g

h b L -=β?0 （3-3） 0.573050

1067.5100066.0h 0=+?=+=L b

g ?β 2.制动器制动力矩的确定.

r F F M Z 1112

1r 21?μμ== （3-4） m 1364.60.338212223.900.6621

1?=???=N M μ

制动器有关计算

1.制动盘直径选择D

制动盘直径D 应尽可能取大些，这时制动盘的有效半径得到增加，可以降低制动钳的夹紧力，减少衬块的单位压力和工作温度。受轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为轮辋直径的70％一79％。总质量大于2t 的汽车应取上限。

因此D=16××79％=,在这里圆整为320mm 。

2.制动盘厚度选择h

制动盘厚度对制动盘质量和工作时的温升有影响。为使质量小些，制动盘厚度不宜取得大；为了降低温度，制动盘厚度又不宜取得过小。制动盘可以做成实心的，或者为了散热通风的需要在制动盘中间铸出通风孔道。一般实心制动盘厚度可取为10～20mm ，通风式制动盘厚度取为20～50mm ，采用较多的是20～30mm 。这里制动盘确定为通风盘，厚度h 取20mm 。

3.摩擦衬块的内外半径确定21R R 、

摩擦衬块是指钳夹活塞推动挤压在制动盘上的摩擦材料。摩擦衬块分为摩擦材料和底板,两者直接压嵌在一起。摩擦衬块外半径只与内半径及推荐摩擦衬块外半径2R 与内半径1R 的比值不大于。若此比值偏大，工作时衬块的外缘与内侧圆周速度相差较多，磨损不均匀，接触面积减少，最终导致制动力矩变化大。

制动盘直径D=320mm, 因此2R 可取160mm 为满足

5.112 R R 则1R 可取110mm 。

4.摩擦块工作面积A

在确定盘式制动器制动衬块工作面积A 时，根据制动衬块单位面积占有的汽车质量，推荐在～cm 2。

21120.30cm 0.50.51.60.352200=???=

A 2264.20cm 0.50.53.0

0.352200=???=A 所以12A A A <<,即22cm 30.12064.20cm <

取制动衬块圆心角?=60θ,根据扇形面积公式：

2R 2

1θ=A (3-5) 222cm 20.118])2

11()232[(321=-=πA 可知A 满足要求。

5.摩擦片材料及摩擦系数

选择摩擦片时不仅希望其摩擦系数要高些，更要求其热稳定性要好，受温度和压力的影响要小。不能单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数，应提高对摩擦系数的稳定性和降低制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的要求，后者对蹄式制动器是非常重要的。各种制动器用擦材料的摩擦系数的稳定值约为 ～，少数可达。一般说来，摩擦系数愈高的材料，其耐磨性差。所以在制动器设计时并非一定要追求高摩擦系数的材料。当前国产的制动摩擦片材料在温度低于 250℃时，保持摩擦系数f=～ 已无大问题。因此，在假设的理想条件下计算制动器的制动力矩。另外，在选择摩擦材料时应尽量采用减少污染和对人体无害的材料。所选择摩擦系数f=。

6.前轮制动轮缸的尺寸计算

(1)制动轮缸对制动块施加的张开力0F

假定衬块的摩擦表面全部与制动盘接触，且各处单位压力分布均匀，则制动器的制动力矩为

R F M 01f 2=μ （3-6）

R 取平均半径mm R R R 1352

21m =+

对于前轮：制动力矩m 60.13641?=N M μ

摩擦块压紧力 N R M F 20.12635f 211o ==

μ (2)制动轮缸直径d 的确定

制动轮缸对制动块施加的张开力 0F 与轮缸直径d 和制动管路压力p 的关系为： p F π04d =

(3-7)

这里取油管压力p=10MPa; 前轮：mm p

F 10.404d 011==π 前后制动轮缸应采用相同规格，依据HG2865-1997标准，选取d=40mm

表3-2 制动器主要参数

制动器主要零部件的结构设计

1.制动盘

制动盘一般用珠光体灰铸铁制成，或用添加Cr 或Ni 等合金铸铁制成。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%，但盘得整体厚度较厚。本次设计采用的材料为HT250。

2.制动钳

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。

3.制动块

制动块由背板和摩擦衬快组成，两者直接牢固地压嵌或铆接或粘结在一起。

4.摩擦材料

制动摩擦材料应具有稳定的摩擦系数，抗热衰退性要好，不应在温升到某一数值以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、低的热传导率和低的热膨胀率，高的抗压、抗剪切、抗弯曲性能和耐冲击性能，制动时应不产生噪声、不产生不良气味、应尽量采用污染小对人体无害的摩擦材料。当前，制动器广泛采用模压材料。

5.制动轮缸

制动轮缸采用单活塞式制动轮缸，其在制动器中布置方便。轮缸的缸体由灰铸铁HT250制成。其缸简为通孔，需镗磨。活塞由铝合金制造。活塞外端压有钢制的开槽顶快，以支承插槽中的制动蹄，极端部或端部接头。轮缸的工作腔由装在活塞上的橡胶密封圈或靠在活塞内端面处得橡胶皮碗密封。本次设计采用的是HT250.

4制动性能分析

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。

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。

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。

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。

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W/mm 2。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

βδ1222114)(e tA v v m a -=

（4-1） )1(4)(e 222212βδ--=

tA v v m a （4-2） j

t 21v v -= （4-3） 式中，a m 为汽车总质量；δ为汽车回转质量换算系数；21v v 、为制动初速度和终速度（m/s ）；j 为制动减速度（m/s 2）；t 为制动时间；21A A 、为前、后制动衬片（衬块）的摩擦面积(mm 2)；β为制动力分配系数。

在紧急制动到停车的情况下，0v 2=，并可认为1=δ，故 β1

2114e tA v m a = (4-4) )1(4e 2

212β-=tA v m a (4-5)

据有关文献推荐,乘用车的盘式制动器在同上的1v 和j 的条件下，比能量耗散

率应不大于mm 2。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e 值允许略大于mm 2。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。

2.15s 9.81

0.663.650t =?÷= 221 2.78W/m m 0.6611820

2.154

3.6502200e =???÷?=）（ 由计算结果可知，设计符合要求。

5总结

本设计主要思考了关于制动器结构形式选择、主要参数选择、相关参数计算，其中以参数设计计算过程和零件设计为重点。

在设计前期,我就合理安排自己的时间,搜集大量与制动器设计相关的资料,了解了制动器的发展状况,不断与同学,老师沟通交流遇到的种种问题。

以下是设计过程中所获得的结论和感悟：

（1）对于盘式制动器设计而言，制动力分配系数和同步附着系数是最重要的参数之一。

（2）因为能力有限，在设计过程当中，我也发现了自己存在的不足。在三维绘图过程中，由于对catia 不熟悉，遇到许多问题。以后我会花更多时间去学习这些知识，去掌握catia 的运用。

制动器是伴随着汽车的产生所必不可少的一个系统，而且制动器经过从鼓式到盘式，随着电动汽车的产生又衍生出更多的制动形式，而且新兴的湿式全盘制动器也开始出现在我们的生活中，但是因为产品还处在研发阶段。总之，一系列的科技进步推动了社会的发展。

参考文献

[1]王望予.汽车设计（第4版）.北京：机械工业出版社,2004

[2]王国权,龚国庆.汽车设计课程设计指导书.北京：机械工业出版社,2009

[3]王丰元,马明星.汽车设计课程设计指导书.北京：中国电力出版社,2009

[4]陈家瑞.汽车构造（第3版下册）.北京：机械工业出版社,2009

[5]余志生.汽车理论（第5版）.北京：机械工业出版社,2009

[6]张海青.耐高温的盘式制动片.非金属矿.2008