汽车磐石制动器设计计划书

1 汽车磐石制动器设计计划书 第一章 盘式制动器概述 式制动器原理及特点 图 力 式 盘 式 制 动 器 零 件 图 1、 2 压盘 3、 7 摩 擦 盘 4 半轴壳 5 半轴 6 回 位 弹 簧 8 中 间 壳 体 9 调 整 螺 栓 10 斜拉杆 11 调节叉 12 拉杆 13 压 盘 凸 肩 14 壳 体 肩 台 上图是运输车辆增力式盘式制动器零件图。在差速器的每一侧半轴上，用花键安装着两个粘有摩擦衬面的摩擦盘 3 和 7，它们能在花键轴上来回滑动，是制动器的旋转部分。在两摩擦盘之间有一对可锻铸铁的圆形压盘 1 和 2，它们的表面支承在半轴壳 4 的三个凸肩 上，并能在较小的弧度内转动。两压盘内侧面的五个卵圆形凹坑中装有五个钢球，两压盘用三根弹簧 6 拉紧。在中间盖 8 和摩擦盘 4 上，与摩擦盘相对着的表面经过加工。摩擦盘与压盘间，以及摩擦盘与半轴壳和中间盖间，在不制动时都有一定间隙。制动时，制动踏板通过斜拉杆使两压盘相对转动，此时凹坑中夹着的五个钢球就从坑底向坑边滚动，将两压盘挤开，两压盘就将旋转着的两个摩擦盘分别推向半轴壳和中间盖，使各相对摩擦表面间产生摩擦扭矩，最终将半轴制动。如果放松制动踏板，则弹簧 6 又将两压盘拉紧复原，使钢球进入坑底， 2 恢复了摩擦盘两侧的间隙。 盘式制动器在上述制动过程中有增力作用。当摩擦盘顺时针旋转时；作用在压盘上的摩擦扭矩将使它们跟随旋转，但当压盘 1 由于其凸起 13 受到半轴壳上的凸肩 14 的限制而不能转动时，压盘 2 则在摩擦扭矩的作用下将相对于压盘 1 作顺时针转动，协助钢球继续将两压盘挤开，使操纵省力。当摩擦盘反时针旋转时，和上述过程相似地起增力作用。因此不管运输车辆前进还是倒退，制动时盘式制动器都有增力作用。 与带式和蹄式制动器相比，盘式制动器除了结构复杂外有一系列优点：如结构紧凑，操纵省力，制动效果好，衬面磨损较均匀，间隙不需调整，封 闭性好不易进泥水，且散热容易，故使用寿命较长等。这些特点使它得到越来越广泛的应用。 式制动器的主要元件 动盘 一、制动盘直径 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 1 。 二、制动盘厚度 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 度不宜取得很大；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 20通风式制动盘厚度取为 20 50采用较多的是 20 30在高速运动下紧急制动 , 制动盘会形成热变形 , 产生颤抖。为提高制动盘摩擦面的散热性能 , 大多把制动盘做成中间空洞的通风式制动盘 , 这 样可使制动盘温度降低 20 % 30 %2 。 三、制动盘的安装 3 制动盘安装在轮毂上 , 与车轮形成整体旋转。制动盘是旋转部件 , 与摩擦衬块之间只有微小的间隙。从制动盘中心到摩擦衬块磨合中心称为制动盘有效半径。根据杠杆原理 ,如摩擦力相同 ,则制动盘的有效半径越大 , 制动力就越大。 四、制动盘的维修 制动盘都是标准设计，以使在制动盘使用期限内保持制动表面各项指标的允差，这些指标是平行度、平面度以及横向摆差。保持关于制动表面形状的精度的允差，有助于尽量减少制动粗暴及踏 板脉动。 制动盘表面粗糙度必须保持在 60 m 特定范围内，或者更小些。需要控制制动表面粗糙度，尽量减少踏板费力、过大的制动衰退、反常性能的问题。控制表面粗糙度同样能提高摩擦衬片的寿命。 每当维修制动摩擦块或卡钳、或者换位车轮或为了其他类型工作而拆卸车轮，总要检查盘式制动器制动盘。不要忘记，伴随盘式制动器制动盘而发生的许多问题，一般用肉眼检查一下，可能不是很明显的。制动盘厚度、平行度、摆差、平面度。以及刮痕深度等，只能用准确的测量仪和千分尺进行测量。精密的测量工具及现代的精加工设备，对维修好制动 盘来说，是至关重要的。 动摩擦衬块 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2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。 对于盘式制动器衬块工作面积 A，推荐根据制动衬块单位面积占有的汽车质量在 。 由于摩擦 ,摩擦衬块会产生磨损。摩擦材料使用完后 , 底板和制动盘直接接触会丧失制动效果 , 损坏制动盘。制动盘损坏后 ,修理费用十分昂贵。 为避免损坏制动盘 ,过去 ,用户靠定期车检来确定摩擦衬块的剩 4 余量 ; 后来 , 在底板上安装摩擦衬块磨损指示器 , 当摩擦衬块已磨损到剩余量很少时 , 指示器与制动盘接触 , 当司机踏制动踏板时 , 就发出异常的声响 ; 现在有一种更加准确提醒摩擦衬块磨损的方法 , 即安装电子式磨损指示器 , 当摩擦衬块磨损后 , 磨损指 示器中的线路断掉 ,警示灯亮 3 。 式制动器操纵机构 在一般拖拉机上，制动操纵机构几乎都是机械式的。制动踏板通过一些杆件与制动元件相连。当摩擦衬面磨损后，为了调整踏板的自由行程，有一些杆件的长度是可调的，如利用调节叉来调节长度。左右制动器的踏板可用连接板连接，以便同时制动两驱动轮。当松开制动时，制动踏板都应该有回位弹簧使其自动回位。为使运输车辆能在斜坡上停车或在作固定作业时不让其随意移动位置，在操纵机构中都有停车锁定装置，它能卡住已踏下 的制动踏板，使其不能回位，以使制动器能在没有驾驶员操纵的情况下长时间地处于制动状态 9 。 带式和蹄式制动器踏板的自由行程一般为 40 80盘式制动器踏板的自由行程稍大些，这是因为盘式制动器的旋转元件和制动元件间的总间隙较小，如果自由行程过小，驾驶员稍一踏下踏板就已开始了制动，这样易使摩擦衬面加速磨损。左右踏板的行程必须一致，否则拖拉机在紧急制动时会容易发生偏转而发生安全事故。 如果用作直线 行驶中降速或停车，则必须注意首先分离主离合器然后再制动；如果用作协助履带拖拉机转向，则必须注意首先分离慢速侧的转向离合器，然后再制动该侧驱动轮。 5 第二章 盘式制动器设计 动器设计中的分析 在制动器的设计中，许的表面单位压力和制动器结构的合理布置等决定的，一般不考虑对加力效果的影响，当摩擦材料选定后，系数也是一个既定的数值。因此要使制动器满足一 定的加力效果，关键在于合理的确定球槽斜角。 可以看出，当球槽斜角减少时，加力系数变大，操纵省力。但是，的减少受到自刹的限制。如果较小，则只要压盘与摩擦片开始接触后，不需要驾驶员的操纵力，制动器就会自行制动，这是我们不希望的。因此，不自刹的条件为： ( (2式中 的距离。 加力系数愈大，表示操纵力减少愈多。但必须指出，加力系数并不代表操纵力实际减少的比例。因为实际操纵力取决于主拉杆的拉力p ，即 1p 与 2p 的合力，而不是 1p 与 2p 的代数和。其中 1p 为斜拉杆对压盘 1 的拉力；2 的拉力。 从以上分析看出，盘式制动器之所以结构紧凑，在于它在同样体积下可获得较多的摩擦面积。它的加力效果显著，使操纵力很小。并与被制动轴的转动方向无关。由于摩擦面上的压力分布比较均匀，因此磨损均匀，延长了摩擦片的寿命，减少了调整次数。压力分布均匀对于减 少结构尺寸也很有利（因为摩擦片的磨损取决于最大的单位压力及单位摩滑功）。此外，在盘式制动器中各径向力相互平衡，减少了轴和轴承上的载荷。 动器的基本参数 6 确定制动力矩辆在行驶中制动 1()2 ( )s h 0 . 7 2 1 0 0 1 0 0 . 6 2 5 (1 . 9 5 0 . 7 8 )2 4 . 8 4 6 (1 . 9 5 0 . 7 0 . 7 ) =m (2 式中 车辆整机使用质量 ,100 车辆驱动附着系数 , = 车辆驱动轮胎动力半径 , 车辆轴距 ,L=1950 a 车辆质心纵坐标 , a=780 h 车辆质心高度坐标 ,h=700 制动器至驱动轮的传动比 , 二、车辆在坡道上停车 2( s i n c o s )2s a g f 2 1 0 0 1 0 ( s i n 2 0 0 . 0 2 c o s 2 0 ) 0 . 6 2 52 4 . 8 4 6 =438 (2式中 a 坡道停车时坡度角 ,a =20c ； f 车辆滚动阻力系数 , f = 取大值m 作为制动器计算力矩。 定摩擦盘尺寸 摩擦盘的外径2算时假设单位压力 q 是均匀的，摩擦面上的单位压力可用下式计算： q =2221()i R R = q = (2在实际设计中，摩擦力的合力半径似地可以按内外径的平均值进行计算，即 21 ()2 2若令 c =12R 入式（ 2，可得： 7 q =3222(1 ) (1 )c c (2根据上述关系，便可按下式求得： 32 22( 1 ) ( 1 )i c c q (2国 内 的 一 般 运 输 车 辆 q 7 时，每端的死圈约为 1 。弹簧丝的直径d ，弹簧的两支承端面可不必磨平。 d弹簧两支承端面则需磨平。磨平部分应不少于元周长的 34，端头厚度一般不小于，8 圆柱螺旋拉伸弹簧空载时，各圈应相互并拢。另外，为了节省轴向工作空间，并保证弹簧在空载时各圈相互压紧，常在卷绕的过程中，同时使弹簧丝绕其本身的轴线产生扭转。这样制成的 弹簧，各圈相互间即具有一定的压紧力，弹簧丝中也产生了一定的预应力，故称为有预应力的拉伸弹簧。这种弹簧一定要在外加的拉力大于初拉力 F 后，各圈才开始分离，故可较无预应力的拉伸弹簧节省轴向的工作空间。拉伸弹簧的端部制有挂钩，以便安装和加载。但因在挂钩过渡处产生很大的弯曲应力，故只宜用于弹簧丝直径 d 10弹簧中 13 。 22 柱螺旋弹簧的制造 螺旋弹簧的制造工艺包括：卷制、挂钩的制作或端面圈的精加工、热处理、工艺性试验和强压处理等。 卷制分冷卷及热卷两种。冷卷用于经预先热处理后拉成的直径d(8 10)弹簧丝；直径较大的弹簧丝制作的强力弹簧则用热卷。热卷时的温度随弹簧丝的粗细在 800 1000C 的范围内选择 23 。 对于重要的压缩弹簧，为了保证两端的承压面与其轴线垂直，应将端面圈在专用的磨床上磨平。对于拉伸弹簧和扭转弹簧，为了便于联接和加载，两端应制有挂钩或杆臂。弹簧制成后，如再进行一次强压处理，一般可提高其承载能力的 25%。 弹簧在完成上述工序后，均应进行热处理。冷卷后的弹簧只做回火处理，以消除卷制时产生的内应力。热卷是需经淬火及中温回火处理。热处理后的弹簧，表面不应出现显著的脱碳层。 此外，弹簧还需要进行工艺实验和根据弹簧的技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要 求。特别指出的是，弹簧的持久强度和抗冲击强度，在很大程度上取决于弹簧丝的表面状况，所以弹簧丝表面必须光洁，无裂纹和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的疲劳强度和抗冲击性能。 为了提高承载能力，还可在弹簧制成后进行强压处理或喷丸处理。强压处理是使弹簧在超过极限载荷作用下持续 6 48h，以便在弹簧丝截面的表层高应力区产生塑形变形和有益的与工作应力反向的残余应力，使弹簧在工作时的最大应力下降，从而提高弹簧的承载能力。但用于长期振动、高温或腐蚀性介质中的弹簧，不宜 进行强压处理 13 。 柱螺旋弹簧参数 为了使弹簧能够正常可靠地工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。 23 在本次的运输车辆制动器设计中用到了五种圆柱螺旋弹簧，分别为压盘回位弹簧、踏板回位弹簧等，现将这五种弹簧的各种参数列为表 5示： 表 5 簧 参 数 名称 参数 压盘回 位弹簧 锁 定 爪扭簧 踏板回 位弹簧 差速锁 摇臂扭簧 差速锁拔叉回位弹簧 材 料 弹簧钢 丝 弹簧钢 丝 弹簧钢 丝 弹簧钢 丝 弹簧钢 丝 弹簧丝直径 4 弹簧外径 21 簧内径 25 20 自由长度 130 7 55 向 任意 左 任意 右 任意 工作圈数 3 1 12 25 12 3 7 总圈数 验高度 （或长度） 192 32 实验载荷 （公斤） 24 第六章 盘式制动器花键设计 键的类型、特点和应用 花键连接可用于静连接或动连接。按其齿形的不同，可分为矩形花键和渐开线花键两类，均已标准化。 花键连接是由外花键和内花键组成，工作时依靠键齿的侧面来传递转矩。由于它是多齿传递载荷，所以花键连接的承受能力高，同时齿槽较浅，故对轴的削弱较小，且定心与导向性良好，但其加工复杂，需要专用设备。花键联接适用于 定心精度要求高，载荷大或轮毂经常作轴向滑移的联接。 渐开线花键的齿廓为渐开线，分度圆压力角有 30 和 45 两种，齿顶高分别为 处 m 为模数。压力角为 45 的渐开线花键，由于齿形钝而短，与压力角为 30 的渐开线花键相比，对连接件的削弱较少，但齿的工作面高度较小，故承载能力较低，多用于载荷较轻，直径较小的 静连接 13 。 在本设计中摩擦盘的轮毂就采用了分度圆压力角有 30 的渐开线花键联接形式。 键参数的确定与强度校核 （ 1）结合考虑现有刀具，这里初步定为齿数4 8 （ 2） 查阅简明机械零件设计手册 ,表 82 渐开线花键的尺寸系列，依 据直径5 5 和齿数4 8 可以确定模数m= 3） 查阅简明机械零件设计手册 ,表 82 渐开线花键联接的要素、代号及公式，可知：分度圆压力角 =30；理论工作齿高 h=m；分度圆直径55分度圆弧齿厚as= （ 4） 定心方式：一般情况下，推荐优先采用齿形定中心，因为这种定心方式对中性好，能获得多数齿同时接触。按外径定中心，（如径 向负荷较大，齿形配合又需选用动配合的传动机构）。这种定 25 心方式： d=m(z+外花键齿顶倒角深度 f=获得较大定位面积，推荐模数 m 不小于 开线花键参数如表 6示： 表 6 开 线 花 键 参 数 标号 参数 a b 孔 轴 孔 轴 齿数 14 14 18 18 模数 度圆压力角 030 030 030 030 分度圆直径 35 35 45 45 齿条原始齿形位移 键外径 2H 0 10 93 9 ( )f 2H ( )f 花键内径 1H 34 1H 44 分度圆弧齿厚或齿槽宽 量棒直径 量棒间距离 定心方式 齿形 齿形 齿形 齿形 定心表面粗糙度 摩擦盘与轴的材料都是锻钢，用花键构成联接，装摩擦盘处的轴径5 5摩擦盘轮毂宽度为 L=18 需传递的转矩T=m ,许用压力 60 40确定花键的齿数 Z 由公式 p= 32 1 0 T （ 6 26 式中 L 齿的工作长度 ,这里取 L=18 h 花键齿侧面的工作高度 ,渐开线花键 , =30查设计手册取h=m= d 花键的平均直径 ,这里取55 p 花键联接的许用压力 ,单位 手册取 p=50 可得出，齿数 Z： 2 10p = 32 4 5 4 . 5 1 00 . 7 2 . 5 1 8 3 5 6 0 =1 2 10p = 32 4 5 4 . 5 1 00 . 7 2 . 5 1 8 4 5 4 0 =里取为4、 8。 花键联接其主要失效形式是工作面被压溃（静联接）或工作面过度磨损（动联接）。因此，静联接通常按工作面上的挤压应力通过强度计算，动联接则按工作面上的压力进行条件性的强度计算。 计算时，假定载荷在键的工作面上分布均匀，每个齿工作面上压力的合力 F 作用在平均直径引入系数来考虑实际载荷在各花 键齿上分配不均的影响，则花键联接的强度条件为： 静联接 32 10 = 32 4 5 4 . 5 1 00 . 7 1 4 2 . 5 1 8 3 5 = 32 10 = 32 4 5 4 . 5 1 00 . 7 1 8 2 . 5 1 8 4 5 = 动联接 32 10 = 32 4 5 4 . 5 1 00 . 7 1 4 2 . 5 1 8 3 5 =32 10 = 32 4 5 4 . 5 1 00 . 7 1 8 2 . 5 1 8 4 5 =静联接、动联接均满足设计要求，故合适。 27 结 论 本次设计是盘式制动器部分。制动器器是车辆不可或缺的一部分，其中制动器设计发展到今天，其技术已经成熟，但对于我们还没有踏出校门的学生来说，其中的设计理念还是很值得我们去探讨、学习的。 我在盘式制动器的设计中给予了分块处理：制动器概述、主要参数的确定、摩擦材料、摩擦盘、压盘、弹簧以及花键的设计和校核。在设计中以制动器的作用和意义为主线，来确定较为合理的方案和参数，以使制动器的合理性、经济性、可靠性和安全性得到保证。 盘式制动器的主要优点是： 1、热稳定性较好。因为制动摩擦衬块的尺寸不长，其工作表面的面积仅为 制动盘面积的 12 6，故散热性较好。 2、水稳定性较好。因为制动衬块对盘的单位压力高，易将水挤出，同时在离心力的作用下沾水后也易于甩掉，再加上衬块对盘的擦拭作用，因而，出水后只需经一、二次制动即能恢复正常；而鼓式制动器则需经过十余次制动方能恢复正常制动效能。 3、制动力矩与汽车前进和后退行驶无关。 4、在输出同样大小的制动力矩的条件下，盘式制动器的质量和尺寸比鼓式要小。 5、盘式的摩擦衬块比鼓式的摩擦衬片在磨损后更易更换，结构也较简单，维修保养容易。 6、制动盘与摩擦衬块间的间隙小 (这就缩短了油缸活塞的操作时间，并使制动驱动机构的力传动比有增大的可能。 7、制动盘的热膨胀不会像制动鼓热膨胀那样引起制动踏板行程损失，这也使间隙自动调整装置的设计可以简化。 盘式制动器的主要缺点是：制动比较粗暴。两个粘有摩擦衬面的摩擦盘能在花键轴上来回滑动，是制动器的旋转部分。当制动时，能在极短时间使车辆停止。再加上压盘上球槽的倾斜角不可能无限大，所以制动不平顺。 28 参考文献 1 刘惟信 北京：清华大学出版社， 2001： 158 200 2 张洪欣 北京：机械 工业出版社， 1981： 106 126 3 陈家瑞 第二版 械工业出版社， 2005： 4061 4 张文春 北京：机械工业出版社， 2005： 70 83 5 彭文生，张志明，黄华梁 北京：高等教育出版社， 2002：96 138 6 董宝承 北京：机械工业出版社， 2004： 32 81 7 陈焕江，徐双应 北京：机械工业出版社，2002： 20 30 8 刘鸿文 北京：高等教育出版社， 1997： 254 259 9 陈殿云，张淑芬，杨民献 兰州：兰州大学出版设， 2003： 182 19