畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 轎車鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)與分析
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二級(jí)學(xué)院
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摘 要 1
Abstract 2
1 緒 論 3
1.1制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷史 3
1.2制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀 4
1.3鼓式制動(dòng)器優(yōu)缺點(diǎn) 4
1.3.1優(yōu)點(diǎn) 4
1.3.2缺點(diǎn) 4
1.4主要內(nèi)容和研究意義 5
2 鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)與計(jì)算 6
2.1 鼓式制動(dòng)器的選擇 6
2.1.1 鼓式制動(dòng)器的分類 6
2.1.2 液壓制動(dòng)操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 6
2.2 同步附著系數(shù) 8
2.3 制動(dòng)強(qiáng)度和附著系數(shù)利用率 9
2.4 制動(dòng)器最大的制動(dòng)力矩 10
2.5 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與摩擦系數(shù) 11
2.5.1 制動(dòng)鼓直徑 11
2.5.2 制動(dòng)蹄摩擦片寬度、制動(dòng)蹄摩擦片的包角和單個(gè)制動(dòng)器摩擦面積 12
2.5.3 摩擦襯片起始角 13
2.5.4 張開力的作用線至制動(dòng)器中心的距離 13
2.5.5 制動(dòng)蹄支承銷中心的坐標(biāo)位置與 13
2.5.6 摩擦片摩擦系數(shù) 13
2.6 制動(dòng)蹄片上的最大壓力 14
3 鼓式制動(dòng)器的主要結(jié)構(gòu)元件 18
3.1 制動(dòng)鼓 18
3.2 制動(dòng)蹄 18
3.3 制動(dòng)底板 19
3.4 制動(dòng)蹄支承 19
3.5 制動(dòng)輪缸 20
3.6 摩擦材料 20
3.7 制動(dòng)摩擦襯片 20
3.8 制動(dòng)器間隙 21
4 鼓式制動(dòng)器的校核 23
4.1摩擦襯片的磨損特性計(jì)算 23
4.2制動(dòng)器的熱容量和溫升的核算 24
4.3制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的校核 25
4.3.1輪缸直徑與工作容積 25
4.3.2制動(dòng)輪缸活塞寬度與缸筒的壁厚 26
5 鼓式制動(dòng)器的有限元分析 27
5.1有限元分析法簡(jiǎn)介 27
5.2有限元分析在國(guó)內(nèi)汽車制動(dòng)器方面的應(yīng)用 27
5.3 鼓式制動(dòng)器的三維模型 27
5.4 運(yùn)用有限元軟件分析鼓式制動(dòng)器 28
6 結(jié) 論 31
參考文獻(xiàn) 32
致 謝 33
II
摘要
轎車鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)與分析
摘 要
制動(dòng)系統(tǒng)在汽車各個(gè)系統(tǒng)中扮演者重要的角色，如果該系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，如今汽車上主要使用的制動(dòng)器是鼓式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器。本論文研究的就是鼓式制動(dòng)器。
本論文主要介紹了鼓式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與分析。首先介紹了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的歷史與現(xiàn)狀，接著介紹了鼓式制動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)，再對(duì)鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行選擇。除此之外，根據(jù)整車參數(shù)對(duì)鼓式制動(dòng)器的同步附著系數(shù)、最大制動(dòng)力矩等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)鼓式制動(dòng)器進(jìn)行校核。接著，完成對(duì)鼓式制動(dòng)器進(jìn)行三維建模分析完成零件圖和裝配圖。最后，用有限元軟件分析鼓式制動(dòng)器。
關(guān)鍵詞：鼓式制動(dòng)器；有限元分析；制動(dòng)器設(shè)計(jì)；制動(dòng)力矩；三維建模
2
Abstract
Design and analysis of car drum brake
Abstract
The braking system plays an important role in the various systems of the vehicle, and if the system has a problem, it will have serious consequences. Brake is the main part of the braking system. Nowadays the main brake used in automobile is drum brake and disc brake. This paper researches the drum brake.
This paper mainly introduces the design and analysis of drum brake. Firstly, the history and current situation of braking system is introduced. Then, the advantages and disadvantages of drum brake are introduced, Then we choose the structure type of drum brake. Besides，According to the parameters of the vehicle, the design and calculation of the drum brake synchronous adhesion coefficient, the maximum braking torque and so on, and check the Drum brake. Then, complete the three-dimensional modeling and analysis of drum brake. Finally, the drum brake is analyzed by finite element software.
Key words: drum brake; Finite element analysis; brake design; braking torque; 3D modeling
第1章 緒論
1 緒 論
1.1制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷史
汽車剛出現(xiàn)的時(shí)候，它的質(zhì)量都比較小，速度也都比較低，駕駛它的人員只要控制一組簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置就能夠使車輛安全的制動(dòng)。但隨著生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車變得越來(lái)越重，速度也變的越來(lái)越快，簡(jiǎn)單的機(jī)械制動(dòng)已經(jīng)不能滿足汽車制動(dòng)的要求。因此，助力裝置就顯得格外的重要。這時(shí)，真空助力裝置開始出現(xiàn)了。1932年生產(chǎn)的凱迪拉克V16，其質(zhì)量為2860kg，它的四個(gè)輪子采用的鼓式制動(dòng)器的直徑為419.1mm，并配備有真空助力裝置。[1]
在機(jī)械制動(dòng)之后又有了一個(gè)重大的突破那就是液壓制動(dòng)。汽車液壓制動(dòng)器率先被Duesenberg Eight所使用。在1924年克萊斯勒的四輪液壓制動(dòng)器誕生。通用在1934年采用了液壓制動(dòng)，在五年后福特也同樣采用這項(xiàng)新技術(shù)。雖然有了液壓制動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)，但是過(guò)了10來(lái)年才實(shí)現(xiàn)了液壓助力制動(dòng)器。
到了20世紀(jì)80年代后期，防抱死系統(tǒng)和最初的機(jī)械制動(dòng)相比，在汽車領(lǐng)域已經(jīng)成了最矚目的成果。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是結(jié)合了機(jī)械、電子兩個(gè)領(lǐng)域高端技術(shù)的產(chǎn)品。它的安裝極大的保證了駕乘人員的安全，提高了汽車的操控性能，使得汽車在制動(dòng)時(shí)車輪與地面的附著力在最大值。防抱死裝置由三個(gè)部分組成。傳感器接收汽車行駛時(shí)的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，再傳送給控制器，接著由控制器進(jìn)行計(jì)算并且將計(jì)算得到的結(jié)果與規(guī)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最后，指令通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器發(fā)出。
1936年，博世公司發(fā)明了一個(gè)新裝置并且申請(qǐng)了專利，該專利是一個(gè)電液控制的ABS裝置。博世公司的這一舉動(dòng)使得更多的汽車裝配了防抱死系統(tǒng)。克萊斯勒車在1971年也采用了ABS裝置，它不同于博世公司的專利，該ABS裝置是由四輪電子控制的。這些早期的裝置不能滿足各種要求一方面成本高，另一方面性能也很有限。
1979年，默·本茨推出了一種ABS裝置，這種裝置是新型的，數(shù)字化控制的制動(dòng)裝置。該裝置擁有了獨(dú)立的液壓助力器，因此性能和早期的那些ABS制動(dòng)裝置比起來(lái)有了大幅度的提高。又過(guò)了6年，美國(guó)開發(fā)出了一種“一體化”的ABS防抱死裝置。公司和研究人員投入了大量的精力財(cái)力研究開發(fā)，使得ABS成為了一項(xiàng)有廣泛應(yīng)用前景的成熟產(chǎn)品。電子信息處理技術(shù)的高速發(fā)展也使得ABS的性能更加可靠，大幅度的提升了汽車的安全性，駕乘人員的安全也得到了極大的保護(hù)。到了1992年，全球生產(chǎn)的汽車中有20%裝上了，并且ABS裝置的全球年產(chǎn)量超過(guò)1000萬(wàn)臺(tái)。為了保證駕乘人員的安全，在一些國(guó)家和地區(qū)將ABS列為汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
1.2制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀
傳統(tǒng)的“油液制動(dòng)系統(tǒng)”仍然占有優(yōu)勢(shì)地位，即便安裝了防抱死裝置后，因?yàn)橐紤]基本的制動(dòng)功能量，所以還是無(wú)法和“油液制動(dòng)系統(tǒng)”相比。然而對(duì)于制動(dòng)功能量而言，最方便、最經(jīng)濟(jì)的方法還是液壓操控。
傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是均勻分配油液壓力，當(dāng)制動(dòng)踏板被駕駛?cè)藛T踩下時(shí)，油液就被主缸輸送到各個(gè)管路中并且輸送的油液是等量的，為了達(dá)到前后油液壓力的平衡就用比例閥來(lái)調(diào)節(jié)控制。而ABS防抱死裝置在這方面就和傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)完全不同，它特點(diǎn)是根據(jù)每個(gè)制動(dòng)器的需求來(lái)調(diào)節(jié)油液壓力使之平衡的。目前，ABS裝置已經(jīng)發(fā)展成為熱門的產(chǎn)品，被廣泛認(rèn)可并運(yùn)用在各種汽車上。
鼓式制動(dòng)結(jié)構(gòu)是早期設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)，一直以來(lái)，專家和研究人員們都在研究探索，改進(jìn)技術(shù)。為的是更好的發(fā)揮鼓式制動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)，克服它的缺點(diǎn)，其中一些研究更是受到了高度的重視。這些研究工作的重點(diǎn)是探討是何因素對(duì)制動(dòng)效能和穩(wěn)定性等性能起決定性的作用。研究取得了很多重要的成果，很多改進(jìn)措施被專家們采用來(lái)提升制動(dòng)器的各項(xiàng)性能。
盡管近幾年的研究探索讓鼓式制動(dòng)器在設(shè)計(jì)改進(jìn)方面取得了一定的成果，但傳統(tǒng)的鼓式制動(dòng)器在設(shè)計(jì)中仍然起著重要的作用。沒有傳統(tǒng)的鼓式制動(dòng)器作為依據(jù)，很難在接下來(lái)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步研究開發(fā)。
1.3鼓式制動(dòng)器優(yōu)缺點(diǎn)
1.3.1優(yōu)點(diǎn)
鼓式制動(dòng)器不僅造價(jià)便宜，而且是早期設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)方面能滿足傳統(tǒng)的制動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求。后輪對(duì)于汽車的制動(dòng)而言，只起輔助制動(dòng)的作用，這是因?yàn)樵谥苿?dòng)時(shí)汽車因?yàn)閼T性的作用，大部分的負(fù)荷都由汽車的前輪承受了，后輪只受到了汽車全部負(fù)荷的20%-30%。汽車生產(chǎn)廠家們就抓住了汽車的這個(gè)特點(diǎn)，為了節(jié)省成本，采用前后輪使用不同的制動(dòng)器，前輪用盤式，后輪使用鼓式的。不過(guò)對(duì)于車速不是很高的重型車來(lái)說(shuō)，如今還是使用四輪鼓式制動(dòng)的設(shè)計(jì)，因?yàn)閺哪陀玫某潭瓤紤]，鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)蹄的比盤式制動(dòng)器更耐用。[5]
1.3.2缺點(diǎn)
鼓式制動(dòng)器缺點(diǎn)是在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，散熱性不好不能及時(shí)消散，進(jìn)而被制動(dòng)器吸收，溫度快速上升，形成一個(gè)高溫環(huán)境。在這樣的環(huán)境下，制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄會(huì)發(fā)生復(fù)雜的形變，導(dǎo)致制動(dòng)衰退和振抖，最終，降低其制動(dòng)效率。另一方面，鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)穩(wěn)定性不好，不方便控制，在不同的路面下制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力波動(dòng)范圍大。還有就是制動(dòng)器間隙容易囤積剎車粉，需要定期清理。制動(dòng)器的間隙也要經(jīng)常注意，多檢查是否準(zhǔn)確，最好能夠定期對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。
1.4主要內(nèi)容和研究意義
本文主要的探求內(nèi)容是依照設(shè)計(jì)車型的特點(diǎn)，對(duì)鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選擇，接著根據(jù)整車參數(shù)計(jì)算出一系列數(shù)據(jù)，如制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩；制動(dòng)器的摩擦面積；單個(gè)蹄表面最大壓力等。然后對(duì)磨損性能、溫升等進(jìn)行校核，保證符合設(shè)計(jì)要求。再在CATIA中畫出鼓式制動(dòng)器的零件圖并且進(jìn)行裝配，然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析得出結(jié)論。
本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是經(jīng)過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)，掌握鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)的基本步驟和要求，掌握鼓式制動(dòng)鼓器的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，以及傳統(tǒng)的機(jī)械制圖的步驟和規(guī)則。并且按照已有的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)一步扎實(shí)基礎(chǔ)，穩(wěn)固汽車設(shè)計(jì)的基本知識(shí)。學(xué)會(huì)運(yùn)用CATIA、AUTOCAD等軟件進(jìn)行基本的三維或者二維建模和制圖，同時(shí)也學(xué)會(huì)了如何運(yùn)用ANSYS分析軟件，提高了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
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第2章 鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)與計(jì)算
2 鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)與計(jì)算
2.1 鼓式制動(dòng)器的選擇
2.1.1 鼓式制動(dòng)器的分類
1） 領(lǐng)從蹄鼓式制動(dòng)器。
2） 。
3） 自增力式鼓式制動(dòng)器，該形式的鼓式制動(dòng)器和雙領(lǐng)蹄鼓式制動(dòng)器一樣，分為兩種：1）單向；2）雙向。
領(lǐng)從蹄鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)效能和穩(wěn)定性都一般，不好也不差，適合本次設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型小轎車，而且領(lǐng)從蹄鼓式制動(dòng)器不管是順車時(shí)還是倒車時(shí)，制動(dòng)性能一樣，不會(huì)改變。最重要的是該鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，容易完成行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)的一體化。
單向雙領(lǐng)蹄鼓式制動(dòng)器由于其順車制動(dòng)效能很高，倒車制動(dòng)效能很低，導(dǎo)致了它一般只用于輕型車的前輪上。而雙向雙領(lǐng)蹄鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)性能和領(lǐng)從蹄鼓式制動(dòng)器基本一樣，差別就在于使用的車型不同，載重在兩噸以上的輕型車一般都用這種形式的鼓式制動(dòng)器。另外，當(dāng)雙向雙領(lǐng)蹄鼓式制動(dòng)器作為后輪制動(dòng)器時(shí)就必須增加一個(gè)中央制動(dòng)器。
自增力式制動(dòng)器很少用在行車制動(dòng)中，雖然它是這幾種制動(dòng)器中制動(dòng)效能最高的一種，但受限于穩(wěn)定性差。轎車和輕型車的后輪可以使用這種形式的制動(dòng)器，但是要選擇合適的幾何參數(shù)，以免制動(dòng)器發(fā)生自鎖現(xiàn)象。與此同時(shí)，選擇的摩擦襯片的摩擦性能也要比較穩(wěn)定。
最后是雙從蹄式制動(dòng)器，這種制動(dòng)器很少使用，因?yàn)樗闹苿?dòng)效能過(guò)低。
因此，綜合以上三種制動(dòng)器的比較以及考慮到各方面的原因，并且，該設(shè)計(jì)的鼓式制動(dòng)器主要適用于普通家庭車型，對(duì)性能沒有高要求，所以該設(shè)計(jì)就使用領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)器。在所有類型的鼓式制動(dòng)器中，領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)器的各方面性能都處于中流水平，符合本文的設(shè)計(jì)思想理念。
2.1.2 液壓制動(dòng)操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
液壓制動(dòng)的意思是指車輛的車輪制動(dòng)器的輪缸主要是由液壓驅(qū)動(dòng)的。真空助力和真空增壓是最常使用的操縱系統(tǒng)。其中，真空助力使用最廣泛，在如今的轎車和輕型貨車上得到了廣泛的應(yīng)用；真空增壓也應(yīng)用于部分中、重型車上，在日本較為廣泛
目前各國(guó)都采用分立的管路系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的管路分為兩個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的回路，其中，雙回路是最常見也是應(yīng)用最多的，對(duì)于雙軸汽車來(lái)說(shuō)，雙回路的布置形式有以下五類分配方式。
1） 前軸對(duì)后軸型。
2） 交叉型。
3）一軸半對(duì)半軸型。
4）半軸一輪對(duì)半軸一輪型。
5）雙半軸對(duì)雙半軸型。
最簡(jiǎn)約的布置形式是前軸對(duì)后軸型，因?yàn)槌杀鞠鄬?duì)便宜。目前來(lái)講，貨車最常用的就是這類管路。但當(dāng)選用時(shí)應(yīng)該要考慮到的情況是當(dāng)一個(gè)回路失效的時(shí)候，另一個(gè)回路應(yīng)該要能滿足應(yīng)急制動(dòng)效能。
交叉型管路布置結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單。但當(dāng)任何一個(gè)回路失效的時(shí)候，前后制動(dòng)力分配不能改變，而且剩余的總制動(dòng)力要能夠保持正常值的50%。但是，假若出現(xiàn)某一回路不起作用，就會(huì)造成后軸單輪制動(dòng)無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)彎制動(dòng)的結(jié)果，假若，在只有外后輪制動(dòng)的情況下，將會(huì)造成轉(zhuǎn)向角度過(guò)小的結(jié)果，假若在只有內(nèi)后輪制動(dòng)的情況下，將會(huì)造成轉(zhuǎn)向角度過(guò)大的結(jié)果。綜上所述，交叉型管路布置形式只能在某種特定的情況下運(yùn)用，也就是這輛汽車的前輪主銷移動(dòng)的距離為負(fù)值時(shí)，這樣能夠確保在制動(dòng)中一直保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。因此該布置形式常用于中、小型轎車。
第三種是一軸對(duì)半軸型，在緊急制動(dòng)時(shí)后輪很容易抱死，因?yàn)橹挥幸惠S半回路，因此剩余制動(dòng)力較大。只有半軸回路制動(dòng)時(shí)，它的制動(dòng)效果比較差。
第四種是半軸一輪對(duì)半軸一輪型，當(dāng)任何一個(gè)回路失效的時(shí)候，前輪制動(dòng)力和后輪制動(dòng)力之比不變，并且剩余的總制動(dòng)力還可達(dá)到正常值的50%以上。但它處于不穩(wěn)定的工況下，因此采用很少。
第五種是雙半軸對(duì)雙半軸型，若失效一套管路時(shí)，四個(gè)車輪仍能全部實(shí)施制動(dòng)，其制動(dòng)效果最好。只要適當(dāng)增加踏板力，仍與管路完好時(shí)制動(dòng)距離沒有明顯差別。但是其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，因此只在極少數(shù)高級(jí)轎車上采用，如紅旗CA770轎車和吉爾114轎車等。
因此，我們選擇交叉型管路布置結(jié)構(gòu)。
該款轎車的主要整車參數(shù)如下：
軸距(mm) 2140
汽車質(zhì)量(kg) 770 （空載） 1387（滿載）
前軸負(fù)荷(N) 422 （空載） 544 （滿載）
后軸負(fù)荷(N) 348 （空載） 843 （滿載）
質(zhì)心高度(mm) 576 （空載） 586 （滿載）
質(zhì)心距前軸距離(mm) 967 （空載） 1300（滿載）
質(zhì)心距后軸距離(mm) 1173（空載） 840 （滿載）
輪胎規(guī)格 155/65R13
車輪有效半徑（mm） 280
2.2 同步附著系數(shù)
圖2.1 汽車I曲線與線
若要發(fā)生前后車輪一起抱死的狀況，只有行駛在路面上，該路面的附著系數(shù)等于同步附著系數(shù)，并且汽車的前后制動(dòng)器的制動(dòng)力比值為固定值。值不同，汽車制動(dòng)時(shí)發(fā)生的狀況也會(huì)不同：
（1）當(dāng)時(shí)：這種情況在圖2.1中對(duì)應(yīng)為B點(diǎn)前面的圖像，線處在曲線下方，此時(shí)汽車制動(dòng)時(shí)前輪先抱死，轉(zhuǎn)向失靈。
（2）當(dāng)時(shí)：這種情況在圖2.1中對(duì)應(yīng)為B點(diǎn)后面的圖像，線處在曲線上方，此時(shí)汽車在制動(dòng)時(shí)總是后輪先抱死，雖然這時(shí)汽車還能夠轉(zhuǎn)向，但是很容易發(fā)生側(cè)滑事件。
（3）當(dāng)時(shí)：這時(shí)汽車在制動(dòng)時(shí)前后輪會(huì)同時(shí)抱死，雖然不會(huì)發(fā)生側(cè)滑，但是會(huì)轉(zhuǎn)向失靈。
汽車的最高減速度，不應(yīng)該單單想到在最短時(shí)間內(nèi)使車輛停下來(lái)的最高減速度，他還要確保汽車能夠在該速度下保證車輛的正常行駛。具體來(lái)講意思就是汽車的任一前輪或者后輪在即將抱死時(shí)候，并沒有任意輪子出現(xiàn)抱死情況的臨界狀態(tài)。如果制動(dòng)時(shí)，那么在同步附著系數(shù)相等于路面附著系數(shù)上進(jìn)行，并且于制動(dòng)過(guò)程中，車輛的前后輪都能確定全部抱死，則此時(shí)的自動(dòng)減速度為，，而是制動(dòng)的強(qiáng)度。如果車輛在在其他值的路面上行駛，如果發(fā)生上述情況，那么這個(gè)時(shí)候的必然大于值，引入能夠表示路面附著系數(shù)的使用情況，公式為：
（2-1）
式中：—；
—；
—。
當(dāng)時(shí)，，，利用率最高。
社會(huì)進(jìn)到21世紀(jì)后，因?yàn)楦鞣N技術(shù)的日益發(fā)展進(jìn)步使得道路的條件也越來(lái)越好，最后導(dǎo)致汽車的速度越來(lái)越快和上世紀(jì)比起來(lái)不可同日而語(yǔ)，所以由值設(shè)置的過(guò)低引起的汽車前后輪同時(shí)抱死而造成的交通事故越來(lái)越多，駕乘人員的傷亡也越來(lái)越嚴(yán)重。因此一定程度的提高了一般轎車和貨車的值的設(shè)定，在滿載情況下合適的值的選取范圍為轎車??；貨車取。
以其他類似的車型作為參考，在該設(shè)計(jì)中設(shè)置。
2.3 制動(dòng)強(qiáng)度和附著系數(shù)利用率
已經(jīng)選擇，同時(shí)已經(jīng)知道為mm，在滿載的情況下，車輛的質(zhì)心至前軸中心的距離為mm，在 mm，在滿載的情況下，汽車質(zhì)心高度為mm，有以下公式作為參考：
（2-2）
得到結(jié)果：制動(dòng)力分配系數(shù)
通過(guò)以下兩個(gè)公式：
（2-3）
（2-4）
公式中的字母意思為：
—；
—；
—。
當(dāng)時(shí)，，所以，；。
所以，，符合要求。
當(dāng)?shù)臅r(shí)候，，求得以下結(jié)果：
這里，我們依次設(shè)置=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7
得到以下數(shù)據(jù)，
=958.2、2015.5、3188.1、4496.1、5964.2、7623.7、9514.8
=0.705、0.741、0.782、0.826、0.878、0.935、1
=0.071、0.148、0.235、0.331、0.439、0.561、0.7
此結(jié)果正確。
當(dāng)?shù)臅r(shí)候，，求得以下結(jié)果：
取=0.8
可以得到以下數(shù)據(jù)：
=11387.4、=0.8378、=1.0472
2.4 制動(dòng)器最大的制動(dòng)力矩
當(dāng)車輛處于滿載的狀態(tài)時(shí)，如果獲得的制動(dòng)力是最大的，這個(gè)制動(dòng)力一定是和地面上對(duì)車輪的法向力，成正比。與此同時(shí)，在制動(dòng)器的制動(dòng)作用處于穩(wěn)定狀態(tài)下，我們要確保前后輪制動(dòng)力矩的合理分配。
（2-5）
公式中字母意思為：
—；
—；
—。
制動(dòng)器的制動(dòng)力矩跟車輪的制動(dòng)力矩有以下關(guān)系
（2-6）
公式中字母意思為：—，；
—，；
—；
—；
—。
對(duì)于值較大的汽車，我們應(yīng)該要先保證汽車制動(dòng)穩(wěn)定性，然后才是確定輪胎每周的最大制動(dòng)力矩。
當(dāng)時(shí)，，
（2-7）
（2-8）
公式中字母意思為：—；
—；
—。
將數(shù)據(jù)放入公式中計(jì)算可以得出：
每個(gè)車輪的制動(dòng)器最大制動(dòng)力矩為 、的一半，即1010N.m 和719.5N.m。
2.5 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與摩擦系數(shù)
2.5.1 制動(dòng)鼓直徑
在該設(shè)計(jì)中，雖然我們要盡量選取制動(dòng)鼓直徑相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大的，但并不是直徑越大的越好。主要原因是，如果制動(dòng)鼓直徑很大的話，則它和空氣的接觸表面積就更大，這樣就能更快的散熱，同時(shí)也會(huì)使其制動(dòng)力矩變得更大。相反的如果制動(dòng)鼓直徑選擇的太小，那么汽車的非懸掛部分的重量就會(huì)變大，同樣的，車輛的顛簸感也也增加了很多。在此設(shè)計(jì)中須要考慮的還有輪輞的選擇，輪輞的直徑不能過(guò)大否則在選擇過(guò)程中會(huì)有很大問(wèn)題，所以為了能和輪輞互相合作工作，直徑D一定不能太大。制動(dòng)鼓與輪輞之間的空隙是正面對(duì)制動(dòng)鼓直徑影響的。由于在整車參數(shù)中輪胎的規(guī)格155/65R13，因此我們采用的輪輞。一般對(duì)于轎車而言，，所以取。
2.5.2 制動(dòng)蹄摩擦片寬度、制動(dòng)蹄摩擦片的包角和單個(gè)制動(dòng)器摩擦面積
制動(dòng)蹄的摩擦片寬為b=40mm;摩擦片的厚為=l0mm。當(dāng)摩擦襯片的角度為，此時(shí)為最低磨損程度。此外，制動(dòng)鼓擁有最好的制動(dòng)能力和最低溫度。如果我們?cè)俅螠p小值，雖然這樣更加利于散熱，但是對(duì)于磨損程度的損耗會(huì)更加嚴(yán)重。同時(shí)包角的獲取值不可以大于，因?yàn)樵龃罅税请m然能增加散熱，但是這也會(huì)讓駕駛員在車輛制動(dòng)時(shí)，用戶能感受到特別強(qiáng)烈的沖擊感，并且更加容易發(fā)生自己鎖定不可用的問(wèn)題。[2]
通過(guò)以上論述，我們選取領(lǐng)蹄，從蹄
一個(gè)制動(dòng)器的摩擦面積：
（2-9）
公式中的字母表示為：—，mm2
—，mm；
—，mm；
—。
將數(shù)據(jù)放入公式中，計(jì)算可以得出
cm2
由表2.1中的數(shù)值，我們可知符合我們的本次畢設(shè)要求。
2.5.3 摩擦襯片起始角
下圖2.2表示摩擦襯片起始角。摩擦襯片位于蹄外援的中央，并且。
從蹄包角均為
2.5.4 張開力的作用線至制動(dòng)器中心的距離
因?yàn)檩^大的距離有利于提高制動(dòng)效能，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能的增大距離，前提是要保證制動(dòng)輪缸能夠裝配在制動(dòng)鼓內(nèi) (見圖2.2）。該設(shè)計(jì)中，我們初步設(shè)置左右，而后再依據(jù)實(shí)際測(cè)試的情況取=92mm。
2.5.5 制動(dòng)蹄支承銷中心的坐標(biāo)位置與
如圖2.2所示，應(yīng)該取的盡可能的小，在本次設(shè)計(jì)中采取=19.5mm，這樣使值盡可能取大，在設(shè)計(jì)的初期可以暫時(shí)取，根據(jù)實(shí)際情況取=93mm。[15]
2.5.6 摩擦片摩擦系數(shù)
在我們開始對(duì)摩擦片進(jìn)行選擇時(shí)，須多方面考慮各種因素。在選擇摩擦片時(shí)，我們不僅僅要選擇摩擦系數(shù)高的，還要選擇熱穩(wěn)定性高的，這樣就能夠承受高溫和高壓的雙重影響。但是在本次設(shè)計(jì)中也不是摩擦系數(shù)越高越好，我們更看重的是摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，和制動(dòng)器對(duì)摩擦系數(shù)偏離正常值時(shí)應(yīng)該擁有的正常穩(wěn)定性。[3]就目前摩擦材料而言，在溫度小于250攝氏度的工作環(huán)境中工作的話，其穩(wěn)定性還是較好的，可以控制摩擦系數(shù)，確切值為f=0.30～0.40。綜上，為了在該次設(shè)計(jì)中計(jì)算出的理想的制動(dòng)力矩，并且要使之更加符合現(xiàn)實(shí)情況，在選取材料是要盡可能的選擇環(huán)境友好型的材料，另外，我們?nèi)=0.30。
2.6 制動(dòng)蹄片上的最大壓力
首先在計(jì)算鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩之前，要先查找，了解其與蹄壓緊到制動(dòng)鼓上的力的關(guān)系。
在摩擦襯片表面取一橫向微元面積，目的是計(jì)算有一個(gè)自由度的蹄片上的力矩，如圖2.3所示。[8]它位于角內(nèi)，面積為，其中為
摩擦襯片寬度。
（2-10）
摩擦力產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，是（）
從到區(qū)段積分上式得到
（2-11）
法向壓力均勻分布時(shí)，得到以下公式
（2-12）
從式（2-11）和式（2-12）能計(jì)算出不均勻系數(shù)為
制動(dòng)力矩與壓力之間的關(guān)系能夠從式（2-11）和式（2-12）計(jì)算出。
緊蹄產(chǎn)生的制動(dòng)力矩
（2-13）
式中，為緊蹄的法向合力；為摩擦力的作用半徑（圖2.4）。
如果在事先知道蹄的幾何參數(shù)與法向壓力值的大小，便能用式（2-11）計(jì)算出蹄的制動(dòng)力矩。
為計(jì)算力，列出以下力平衡方程式
（2-14）
公式中字母意思為，為軸和力的夾角；為支撐反力在軸上的投影。
解得：
（2-15）
對(duì)于緊蹄，其制動(dòng)力矩為
（2-16）
同理，對(duì)于松蹄，制動(dòng)力矩為
（2-17）
沿著相應(yīng)的軸線作用有和，其合力為（圖3.3）。根據(jù)式（2-10）有
（2-18）
（2-19）
所以
式中，。
由圖2.3和圖2.4可知
因?yàn)橐阎?
所以
又得
因此
根據(jù)式（2-11）和式（2-13），并考慮到
制動(dòng)鼓上的制動(dòng)力矩等于兩塊制動(dòng)蹄片的摩擦力矩之和，即
用液力驅(qū)動(dòng)時(shí)，。所需的張開力為
我們?cè)谟?jì)算鼓式制動(dòng)器的力時(shí)，同時(shí)一定要確保制動(dòng)蹄不會(huì)自動(dòng)鎖定不可用。上述公式（2-16）可以得到自動(dòng)鎖定的條件。[17]當(dāng)式公（2-16）中的分母為零時(shí)，那么蹄將會(huì)自動(dòng)鎖定；反之，則不會(huì)自鎖，即
如果，就不會(huì)自鎖。
由計(jì)算得
因此，不會(huì)自鎖。
領(lǐng)蹄表面的最大壓力可由式（2-11）和式（2-16）計(jì)算出為
由式（2-16）得
同理得
因此 =3270.5N
最后得出 Pa
第3章 鼓式制動(dòng)器的主要結(jié)構(gòu)元件
3 鼓式制動(dòng)器的主要結(jié)構(gòu)元件
3.1 制動(dòng)鼓
制動(dòng)鼓需要?jiǎng)傂粤己?，因?yàn)樗诠ぷ鲿r(shí)受力情況較為復(fù)雜。另外，制動(dòng)過(guò)程中，溫度的上升必須保證在可控范圍內(nèi)，所以對(duì)制動(dòng)鼓熱容量的大小有嚴(yán)格的要求。對(duì)于不同型號(hào)的車輛，它們的制動(dòng)鼓的類型也是不一樣的，比如灰鑄鐵HT200或合金鑄鐵如圖3.1(a)經(jīng)常作為體積中等載重量大的貨車和中型大巴的制動(dòng)鼓的材料。而小型貨車和部分轎車一般使用組合型的制動(dòng)鼓，如圖3.1(b)所示，將輻板和鑄鐵鼓筒兩部分鑄造在一起形成一體。鋁合金制動(dòng)鼓就普遍的的運(yùn)用在轎車中，這種制動(dòng)鼓很難被磨損，同時(shí)對(duì)溫度的控制也要滿足規(guī)定的要求，這種制動(dòng)鼓才是我們理想中的，它對(duì)材質(zhì)和構(gòu)造的要求極高，其中內(nèi)鼓筒的材質(zhì)是鑄鐵。
利用直徑為的圓柱表面的配合，可以用來(lái)滿足在裝配過(guò)程中使制動(dòng)鼓的中心與輪轂在一條線上的要求。另外，還要對(duì)制動(dòng)鼓內(nèi)表面進(jìn)行精加工，通過(guò)精加工來(lái)光滑內(nèi)表面。還要對(duì)車輪進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，通過(guò)這個(gè)測(cè)試來(lái)達(dá)到防止汽車在高速行駛時(shí)不穩(wěn)定的目的。轎車的不平衡度范圍只能允許在15～20N?cm之間。
制動(dòng)鼓壁厚在剛度和強(qiáng)度兩方面有極高的要求。由于小型汽車的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)都是取7mm到12mm之間的。
所以在多次思考后，本課題確定選用壁厚為10mm，材料選擇灰鑄鐵。
通常情況下，我們都會(huì)在制動(dòng)器的關(guān)閉口開一個(gè)小洞，這樣做就是為了能夠更加簡(jiǎn)單直接的檢查制動(dòng)器之間的空隙。
3.2 制動(dòng)蹄
不同型號(hào)的車輛在制動(dòng)蹄方面提出的要求都不一樣。中小型車輛的制動(dòng)蹄一般都是用鋼板沖壓然后再焊接制成的。在大型重型車輛中，制動(dòng)蹄斷面的形狀有三種，本次設(shè)計(jì)的是小轎車，所以不予考慮。但不管用何種形狀，都必須要有足夠的剛度，防止制動(dòng)時(shí)制動(dòng)蹄剛度不夠而損壞。
廠家經(jīng)常會(huì)在小型車的鋼板制的制動(dòng)蹄腹板上開一到兩條徑向槽，這么做的話，在制動(dòng)時(shí)，不僅能使摩擦襯片和制動(dòng)鼓之間的壓力變得更加的均勻，而且能讓摩擦片的使用率更久。這兩類車輛中的摩擦襯片所要求的厚度也是不一樣的。小型車中，該厚度通常設(shè)值為4.5-5mm，中大型車中，該厚度通常設(shè)置在8mm以上。[9]
粘接和鉚接這兩種是常見的摩擦襯片與制動(dòng)蹄的連接的方式，兩者各有優(yōu)點(diǎn)。若需要有大的磨損厚度就選粘接，若需要降低運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪音就選鉚接，可以在不同情況下選擇不同的連接方式。[14]對(duì)于小型車和中大型貨車來(lái)講，制動(dòng)蹄腹板和翼緣對(duì)于厚度的要求也是不一樣的，小型車一般為3-5mm，中大型貨車一般是5-8mm。
綜上所述，在該設(shè)計(jì)中，我們對(duì)于制動(dòng)蹄的要求是，使用熱軋鋼板沖壓—焊接，制動(dòng)蹄腹板厚度為4mm，翼緣厚度為5mm。
3.3 制動(dòng)底板
該設(shè)計(jì)中，我們要在制動(dòng)底板上安裝制動(dòng)蹄以及其他零件，而且要保證安裝的位置必須準(zhǔn)確。另外還需要有足夠的剛度來(lái)承受制動(dòng)反力矩。這就要求鋼板沖壓成型且在鋼板上會(huì)出現(xiàn)凹凸不平的形狀。在重型車輛中由于制動(dòng)力矩比較大，所以為了獲得更好的制動(dòng)效果，一般不選用鋼板而選擇使用可鍛鑄鐵KTH 370—12。[16]為了讓踏板行程大小和摩擦襯片磨損程度處在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，就必須保證制動(dòng)底板具有足夠的剛度。
該論文設(shè)計(jì)是基于經(jīng)濟(jì)型的小型轎車，所以在制造材質(zhì)上，我們選擇的制動(dòng)底板是采用熱軋鋼板沖壓成形，然后厚度取5mm。
3.4 制動(dòng)蹄支承
如果一個(gè)制動(dòng)蹄支承擁有兩個(gè)自由度，那么他的核心優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、制動(dòng)蹄的自動(dòng)定位。支承經(jīng)常運(yùn)用這種，主要理由是根據(jù)制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓的工作表面內(nèi)容，通過(guò)判斷偏心支承或偏心輪，能否按照軸心自動(dòng)調(diào)整他們的定位。其中偏心輪的另一個(gè)作用是，對(duì)腹板上的支承孔進(jìn)行保護(hù)作用，使他不因?yàn)榉撬慵膿p壞而損壞。其中的支承銷的材質(zhì)是經(jīng)過(guò)高頻淬火處理過(guò)的45號(hào)鋼，其中的支撐底坐是可鍛鑄鐵(KTH 370—12)或球墨鑄鐵件(QT 400—18)。[4]
要使制動(dòng)蹄在制動(dòng)底板上擁有相較準(zhǔn)確無(wú)誤不偏移的位置，以下幾點(diǎn)是鼓式制動(dòng)器常用的三種方法:1）使用具有長(zhǎng)支承銷的支承2）在制動(dòng)底板上加壓緊裝置3）讓制動(dòng)蹄腹板張開端插入輪缸活塞頂塊上的槽或張開機(jī)構(gòu)調(diào)整推桿端部的槽。[6]
綜上該設(shè)計(jì)中，我們選擇的是使用支承銷，在這種情況下，制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓的工作表面為相同的軸心。
3.5 制動(dòng)輪缸
制動(dòng)輪缸是由灰鑄鐵材料制成，缸筒結(jié)構(gòu)使用的是通孔，需經(jīng)過(guò)鏜孔和打磨，使缸筒的內(nèi)壁較為光滑，提升其密封性，這類結(jié)構(gòu)在制動(dòng)器的布置和使用都較為方便，一個(gè)鼓式制動(dòng)器中一般配有兩個(gè)活塞。活塞由一個(gè)鋁合金的主體和橡膠密封墊圈，此密封圈的功能是防止液壓油的泄露。本課題中所設(shè)計(jì)的制動(dòng)器，為領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器，所以采用HT250的鑄鐵，左右各兩個(gè)活塞。[18]
3.6 摩擦材料
制動(dòng)摩擦材料的工作環(huán)境：溫度高 、壓力大、磨損劇烈。因?yàn)樗桥c制動(dòng)鼓直接接觸摩擦的。[10]考慮到這些原因摩擦系數(shù)一定要又高又穩(wěn)定，但是摩擦系數(shù)越是高，材料就也不耐磨。為了增加材料的使用壽命，對(duì)材料提出以下要求：1）耐磨性要好；2）吸水率要低；3）要耐擠壓；4）要耐沖擊。同時(shí)，由于國(guó)家的環(huán)保方面的更新要求，所使用的材質(zhì)在制動(dòng)過(guò)程中，對(duì)噪音和氣味有一定的要求，主要是不能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染?，F(xiàn)在來(lái)說(shuō)，應(yīng)用最多的是模壓材料，但是一定要按規(guī)格進(jìn)行模壓。
因此，摩擦材料選擇樹脂基復(fù)合摩擦材料。
該設(shè)計(jì)在計(jì)算過(guò)程中，摩擦系數(shù)通常取值為0.3～0.35。
3.7 制動(dòng)摩擦襯片
該設(shè)計(jì)選擇《汽車用制動(dòng)器襯片》中的第二類，性能如下表3.1：
表3.1 汽車制動(dòng)器摩擦襯片的摩擦性能
類別
項(xiàng) 目
試驗(yàn)溫度
100℃
150℃
200℃
250℃
300℃
350℃
1
類
摩擦系數(shù)
0.30～0.70
0.25～0.70
0.20～0.70
——
——
——
指定摩擦系數(shù)的允許偏差
±0.10
±0.12
±0.12
——
——
——
磨損率（V），10－7cm3/（N?m）
≤1.00
≤2.00
≤3.00
——
——
——
2
類
摩擦系數(shù)
0.25～0.65
0.25～0.70
0.20～0.70
0.15～0.70
——
——
指定摩擦系數(shù)的允許偏差
±0.08
±0.10
±0.12
±0.12
——
——
磨損率（V），10－7cm3/（N?m）
≤0.50
≤0.70
≤1.00
≤2.00
——
——
3
類
摩擦系數(shù)
0.25～0.65
0.25～0.70
0.25～0.70
0.20～0.70
0.15～0.70
——
指定摩擦系數(shù)的允許偏差
±0.08
±0.10
±0.12
±0.12
±0.14
——
磨損率（V），10－7cm3/（N?m）
≤0.50
≤0.70
≤1.00
≤1.50
≤3.00
——
4
類
摩擦系數(shù)
0.25～0.65
0.25～0.70
0.25～0.70
0.25～0.70
0.25～0.70
0.20～0.70
指定摩擦系數(shù)的允許偏差
±0.08
±0.10
±0.12
±0.12
±0.14
±0.14
磨損率（V），10－7cm3/（N?m）
≤0.50
≤0.70
≤1.00
≤1.50
≤2.50
≤3.50
3.8 制動(dòng)器間隙
在未制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄中間存在的間隙，就被稱為鼓式制動(dòng)器的間隙。制動(dòng)器的間隙的值一般取在0.25mm倒0.5mm之間的任意值，而且這一般來(lái)說(shuō)都是由汽車制造廠規(guī)定的。制動(dòng)效果是否理想，很大一部分原因取決于制動(dòng)器間隙的大小。如果制動(dòng)器間隙過(guò)小，就會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)鼓拖磨摩擦片的情況發(fā)生這種情況的原因是制動(dòng)鼓不能完全移除；但是摩擦片使用的時(shí)間越長(zhǎng)制動(dòng)器的制動(dòng)效果很大程度上取決于制動(dòng)其的間隙，間隙大時(shí)，則制動(dòng)踏板的有效相應(yīng)時(shí)間增加，影響制動(dòng)效果；若制動(dòng)間隙過(guò)小，則在汽車正常行駛中會(huì)發(fā)生摩擦的情況，這就是由于間隙過(guò)小，制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓之間發(fā)生摩擦，不僅造成制動(dòng)器的加速損壞，影響了制動(dòng)器的使用壽命，同時(shí)還會(huì)增加汽車的行駛阻力，導(dǎo)致汽車的行駛經(jīng)濟(jì)性變差。
本課題中所設(shè)計(jì)的鼓式制動(dòng)器，包含一個(gè)摩擦限位式自調(diào)裝置，剛裝置可以通過(guò)一次成功剎車完成制動(dòng)間隙的調(diào)校，該功能主要通過(guò)一個(gè)摩擦限位環(huán)實(shí)現(xiàn)。摩擦限位環(huán)其實(shí)是一個(gè)有缺口的金屬環(huán)，可以將其安裝在輪缸中，通過(guò)矩形螺紋固定在液壓活塞中，其主要功能是限位功能和提供一定的摩擦力，其和缸壁之間的摩擦力可以達(dá)到400到500N，所以一般普通彈簧的彈力就顯得微不足道，很難克服其摩擦力，并不能完成活塞的復(fù)位。在沒有制動(dòng)時(shí)，摩擦限位環(huán)和活塞內(nèi)斷面之間的距離的大小即稱為制動(dòng)間隙，其大小就是設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值。[16]此鼓式制動(dòng)器式通過(guò)彈簧對(duì)輪缸活塞的控制進(jìn)行制動(dòng)，在汽車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，起初，若制動(dòng)間隙的大小與預(yù)設(shè)相差不大，在活塞運(yùn)動(dòng)之后，開始和摩擦限位彈簧觸碰時(shí)，制動(dòng)蹄則相應(yīng)順勢(shì)壓住制動(dòng)鼓，對(duì)汽車起到最大的制動(dòng)作用；但是，當(dāng)制動(dòng)器間隙的數(shù)值在超過(guò)預(yù)設(shè)的值，則需要制動(dòng)鼓有更加持續(xù)的壓力輸入，通過(guò)液壓力的增加，在壓力增加到800KPa到1100KPa時(shí)，活塞將會(huì)和摩擦限位環(huán)一同推出，把存在的間隙消除，這樣設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則時(shí)考慮了汽車行駛的安全性，同時(shí)也可以調(diào)整制動(dòng)間隙，即在進(jìn)行一次成功的制動(dòng)之后就可以完成制動(dòng)間隙的調(diào)整。
第4章 鼓式制動(dòng)器的校核
4 鼓式制動(dòng)器的校核
4.1摩擦襯片的磨損特性計(jì)算
影響摩擦襯片磨損的因素有以下幾點(diǎn)： 1）溫度、2）摩擦力、3）滑磨速度、4）制動(dòng)鼓的材質(zhì)及加工情況，5）襯片本身材質(zhì)等，所以在理論上很難計(jì)算磨損性能。但實(shí)驗(yàn)表明，溫度和摩擦力是影響磨損的兩個(gè)最重要的因素。[2]
從能量的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，汽車制動(dòng)過(guò)程就是將汽車的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苓M(jìn)而耗散的過(guò)程。在緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度很大，汽車全部動(dòng)能耗散的任務(wù)基本上全由制動(dòng)器承擔(dān)了。此時(shí)，由于制動(dòng)時(shí)間過(guò)短，熱量還來(lái)不及消散到大氣中就被制動(dòng)去吸收，從而使制動(dòng)器的溫度急速上升。[7]這就是所謂制動(dòng)器的能量負(fù)荷。能量負(fù)荷越大，襯片磨損越嚴(yán)重。
不同汽車的重量不同，其摩擦襯片的面積也不同，所以要有一種相對(duì)的量來(lái)評(píng)價(jià)能量負(fù)荷。[14]目前，比能量耗散率是各國(guó)常用的指標(biāo)，即單位時(shí)間內(nèi)摩擦襯片單位面積耗散的能量，通常用表示。
式中，（）；；、為制動(dòng)初速度和終速度（）；（）；（）；、（）；。
在緊急制動(dòng)到停車的情況下，，并可認(rèn)為，故
根據(jù)文獻(xiàn)[15]，鼓式制動(dòng)器的比能量耗散率應(yīng)小于1.8。計(jì)算時(shí)取減速度。制動(dòng)初速度：乘用車用100（27.8）；總質(zhì)量3.5t以下的商用車用80（22.2）；總質(zhì)量3.5t以上的商用車用65（18）。
因此，符合磨損指標(biāo)要求。
4.2制動(dòng)器的熱容量和溫升的核算
要計(jì)算使得制動(dòng)器的熱容量和溫升滿足以下條件
式中：—；選
—；選
—，對(duì)鑄鐵c=482 J/（kg?K），對(duì)鋁合金c=880 J/（kg?K）；
—；
—溫升(根據(jù)文獻(xiàn)[15]=30km/h（8.3m/s），強(qiáng)烈制動(dòng)溫升必須小于15℃)；
取℃
L—器吸收，并且按照制動(dòng)力分配系數(shù)分配給前、后制動(dòng)器，即
式中：—；
—；
—。
代入數(shù)據(jù)，得：
鼓式制動(dòng)器：
經(jīng)過(guò)上面的核算發(fā)現(xiàn)熱容量和溫升滿足本次設(shè)計(jì)
4.3制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的校核
4.3.1輪缸直徑與工作容積
制動(dòng)輪缸直徑有以下的計(jì)算方式：
（4-3）
式中：—，8MPa ~12MPa。
-。
制動(dòng)時(shí)，液壓值不能超過(guò)10MPa~12MPa。較大的壓力可能會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)軟管尤其是接頭處破裂漏油，因此管道要有良好的耐壓性以及接頭處要有良好的密封性。[15]
輪缸直徑應(yīng)在GB 7524—87標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸系列中選取，輪缸直徑的尺寸系列為14.5，16，17.5，18，20.5，22，(22.22)，(23.81)，24，(25.40)，26，28，(28.58)，30，32，35，38，42，46，50，56mm。
， 選取，由式(4-3)，求：
mm
選取制動(dòng)輪缸的直徑mm
選取mm，， 。
式中：——；——
在初步設(shè)計(jì)時(shí)，鼓式制動(dòng)器一般的取值范圍為2mm~2.5mm；
代入數(shù)據(jù)得
全部輪缸的總工作容積為
式中：——。
因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)只涉及后輪制動(dòng)器，所以
4.3.2制動(dòng)輪缸活塞寬度與缸筒的壁厚
根據(jù)已有的公式計(jì)算活塞的寬度
于是求知：
根據(jù)要求取壁厚mm，由于，于是通過(guò)厚壁來(lái)校核。
式中：——輪缸壁厚； ——試驗(yàn)壓力（當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，取=1.5）； ——缸筒材料許用應(yīng)力，=（為材料抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般取n=5）。
mm
由于，所以壁厚強(qiáng)度滿足要求。
第5章 鼓式制動(dòng)器的校核
5 鼓式制動(dòng)器的有限元分析
5.1有限元分析法簡(jiǎn)介
有限元分析是專門通過(guò)有限元方法對(duì)靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的物理物體以及物理系統(tǒng)進(jìn)行分析。它能夠定量地對(duì)產(chǎn)品零件的壽命進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化、預(yù)測(cè)，這樣有關(guān)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度的最佳參數(shù)就可以確定下來(lái)了，這就符合產(chǎn)品的有限壽命設(shè)計(jì)的要求。在此法中，一個(gè)原本單一的物體或系統(tǒng)被分解為一種幾何模型，這種模型是由多個(gè)簡(jiǎn)單、相互關(guān)聯(lián)的獨(dú)立點(diǎn)組成的。而同時(shí)這些點(diǎn)的數(shù)量有限，即為有限元。[11]
5.2有限元分析在國(guó)內(nèi)汽車制動(dòng)器方面的應(yīng)用
關(guān)于汽車鼓式制動(dòng)器的研究在國(guó)內(nèi)的起步較晚，基本上是處在一種過(guò)渡階段，即從運(yùn)動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)學(xué)一直到熱學(xué)與熱彈結(jié)合。[13]關(guān)于研究方法，雖然國(guó)內(nèi)鼓式制動(dòng)器已經(jīng)引用了三維實(shí)體建模、動(dòng)力學(xué)仿真、有限元為主線的虛擬樣機(jī)技術(shù)，但這項(xiàng)技術(shù)與國(guó)外相比還很不成熟。
5.3 鼓式制動(dòng)器的三維模型
在分析前，我們要先畫出鼓式制動(dòng)器的三維圖，然后才能夠?qū)⑷S模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行下一步的分析。以下零件圖以及裝配圖是用凸臺(tái)、凹槽、鏡像等命令完成。如圖5.1為制動(dòng)輪缸；圖5.2為制動(dòng)底板；圖5.3為制動(dòng)鼓；圖5.4為制動(dòng)蹄；圖5.5為摩擦襯片；圖5.6為銷；圖5.7為彈簧；圖5.8為制動(dòng)器裝配圖。
圖5.1 制動(dòng)輪缸 圖5.2 制動(dòng)底板
圖5.3 制動(dòng)鼓 圖5.4 制動(dòng)蹄
圖5.5 摩擦襯片 圖5.6 銷
圖5.7 彈簧 圖5.8 制動(dòng)器裝配圖
5.4 運(yùn)用有限元軟件分析鼓式制動(dòng)器
最常見的分析方法是套用經(jīng)典力學(xué)的公式，通過(guò)二維模型的形式，計(jì)算并分析出鼓式制動(dòng)器的受力情況及變化，這種傳統(tǒng)的方法與汽車在實(shí)際使用過(guò)程中受力情況不一致，因此這種結(jié)果也達(dá)不到精確。本文是通過(guò)三維繪圖軟件建立一種鼓式制動(dòng)器的三維實(shí)體模型，然后直接輸出到ANSYS軟件對(duì)模擬鼓式制動(dòng)器的真實(shí)工作狀態(tài)，然后進(jìn)行有限元分析。
將上述幾何模型在CATIA三維模型中建立出來(lái)，然后將其導(dǎo)入ANSYS中，筆者認(rèn)為主要是由制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄和摩擦片組成了鼓式制動(dòng)器。如下圖5.9所示。
圖5.9 幾何模型
首先采用六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，如下圖5.10（a）所示。網(wǎng)格總數(shù)為20548，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為25752。制動(dòng)蹄和摩擦片采用的是綁定接觸，而摩擦片與制動(dòng)鼓之間設(shè)置是摩擦接觸。在建模時(shí)候，應(yīng)該將制動(dòng)鼓端面的所有節(jié)點(diǎn)耦合到中間的一點(diǎn)，這樣就可以在該點(diǎn)上施加轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，制動(dòng)鼓就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)相對(duì)的小角度。
圖5.10（a） 有限元模型
根據(jù)實(shí)際情況，約束制動(dòng)蹄銷孔區(qū)域的軸向和徑向自由度，放開轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。約束制動(dòng)鼓的軸向自由度以及中心點(diǎn)的自由度。作用在制動(dòng)蹄上的壓力是載荷力。約束情況如下圖5.10（b）所示。
圖5.10（b）有限元模型
在分析中設(shè)置兩個(gè)工況，第一個(gè)工況施加壓力讓制動(dòng)蹄片和制動(dòng)鼓接觸，第二個(gè)工況在接觸的基礎(chǔ)上，將一個(gè)小的轉(zhuǎn)動(dòng)角度施加給制動(dòng)鼓，這樣制動(dòng)鼓和摩擦片這兩者之間就會(huì)產(chǎn)生滑移，也就是說(shuō)，在中心點(diǎn)施加一個(gè)小的轉(zhuǎn)角。
下圖5.11和圖5.12為兩種不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。當(dāng)摩擦片與制動(dòng)鼓接觸未發(fā)生滑移時(shí)候，最大等效應(yīng)力為101.723MPa，這種力發(fā)生在靠近加載區(qū)域的制動(dòng)蹄上。那是因?yàn)樵撎幨侵苿?dòng)輪缸，車輪制動(dòng)輪缸接收到由制動(dòng)管路傳送來(lái)的力，將這個(gè)力作用在制動(dòng)蹄上從而產(chǎn)生制動(dòng)力。當(dāng)摩擦片與制動(dòng)鼓發(fā)生滑移時(shí)，最大等效應(yīng)力為230.65MPa，發(fā)生在領(lǐng)蹄上上銷孔約束處。力是由制動(dòng)蹄與支承銷相互作用產(chǎn)生的。可以明顯從云圖5.11和云圖5.12上看出領(lǐng)蹄的應(yīng)力要大于從蹄，從而造成了兩者的不對(duì)稱。而在第一種工況下，領(lǐng)蹄和從蹄的云圖對(duì)稱。
從圖5.11和圖5.12中，我們也能夠直接看出未滑移時(shí)，兩個(gè)制動(dòng)蹄應(yīng)力分布基本對(duì)稱。主要是因?yàn)楣氖街苿?dòng)器的兩個(gè)制動(dòng)蹄的結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，因此承受的負(fù)載也應(yīng)是對(duì)稱的。也可以看出發(fā)生滑移后，總的應(yīng)力面積變大，更加符合真實(shí)情況。
圖5.11 未滑移時(shí)應(yīng)力云圖
圖5.12 滑移后應(yīng)力云圖
第6章 結(jié)論
6 結(jié) 論
本論文主要研究的是對(duì)鼓式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核分析。首先要比較了解幾種鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)車型選定了領(lǐng)從蹄鼓式制動(dòng)器。然后根據(jù)整車參數(shù)對(duì)汽車的各個(gè)主要性能進(jìn)行計(jì)算校核，最后還要建立三維模型，并導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行分析，保證各項(xiàng)數(shù)值都在正常范圍內(nèi)，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行檢驗(yàn)使其達(dá)到使用要求。
在以上5章的設(shè)計(jì)分析中我得出了以下兩個(gè)結(jié)論：
1）領(lǐng)從蹄鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)效能和穩(wěn)定性都一般，不好也不差，適合本次設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型小轎車，能夠滿足本論文設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型小轎車的使用。
2）通過(guò)有限元軟件對(duì)領(lǐng)從蹄鼓式制動(dòng)器在兩種工況下的分析，觀察應(yīng)力云圖可知制動(dòng)蹄上的應(yīng)力產(chǎn)生了應(yīng)力集中顯現(xiàn)。主要集中在蹄與制動(dòng)輪缸接觸的區(qū)域或與支承座接觸的一端。
雖然本論文設(shè)計(jì)的是領(lǐng)從蹄鼓式制動(dòng)器，但隨著汽車技術(shù)、制造技術(shù)的不斷發(fā)展，鼓式制動(dòng)器的缺點(diǎn)表現(xiàn)得尤為突出。主要表現(xiàn)在:1）制動(dòng)效能衰退、2）制動(dòng)間隙調(diào)整困難、3）制動(dòng)跑偏。這些問(wèn)題的存在，急需新的新的解決方案提出。
用發(fā)展的眼光來(lái)看車輛行業(yè)，在未來(lái)鼓式制動(dòng)器必然會(huì)淡出人們的視野。國(guó)家也在強(qiáng)制推行法規(guī)來(lái)慢慢淘汰鼓式制動(dòng)器，這一行為會(huì)對(duì)汽車行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。