安普纯电动汽车前制动器设计

XXXXXXXX设计说明书XX设计说明书安普纯电动汽车前制动器设计XXXXXXXX学生姓名： 学号： 车辆工程机械与动力工程学院学 院： 专 业： XXX指导教师： 20XX年XX月安普纯电动汽车前制动器设计摘 要本次设计的主要内容为安普纯电动车的前制动器设计。近些年，随着人们环保意识的增强，纯电动车的发展如此之迅猛，新的一轮汽车改革正在悄然发生，因此纯电动车的各项研究也如火如荼的进行着。在本次设计中，首先对制动系统的重要性、发展前景等进行了阐述，随后阐述了盘式制动器和鼓式制动器的分类以及优缺点，对最终采用的制动器种类进行了选择并计算，接下来对各种制动方式、制动管路布置方式进行了分析，最终选择了液压式浮钳盘式制动器。最后通过catia建模，验证本次设计是否合理，能否正常装配运转；再通过ansys软件进行了模态分析，得出了制动盘的固有频率以及易破损位置，便于此次设计在实际中的应用。关键词: 制动器，制动盘，制动钳，catia，有限元Design of Anpu electric automobile front brake ABSTRACTThe main content of this design is Anpu electric car front brake design. In recent years, with the peoples awareness of environmental protection, the development of pure electric vehiclesis so rapid that a new round of reform of car is quietly happening.So pure electric car research is also in full swing. In this design, first,the importance of the braking system and the development prospect are described. Then, the advantages and disadvantages of the disc brake and the drum brake are analyzed and compared, and the selection and calculation are carried out. Moving method, brake pipe arrangement were analyzed, the final choice of the hydraulic floating clamp disc brake. Finally, through catia modeling, to verify whether the design is reasonable, whether the normal assembly operation; and then through the ansys software for modal analysis, obtained the natural frequency of the brake disc and easy to break the location, to facilitate the design in practice Applications.Keywords: Brake,Brake disc,Brake calipers,Catia,Finite element目 录1 绪论11.1 制动系统设计的意义11.2 制动装置的种类11.3 汽车制动器的发展方向21.4 对制动器的要求21.5 本章小结42 制动器的结构形式及选择52.1 制动器的种类52.2 盘式制动器的分类52.3 鼓式制动器82.4 盘式制动器的优缺点112.5 本章小结123 制动器主要参数的确定143.1 汽车相关主要参数143.2 同步附着系数的分析153.3 确定前后制动力矩分配系数153.4 制动强度和附着系数利用率153.5 制动器最大制动力矩163.6 制动器因数173.7 本章小结174 制动器的设计与计算184.1 制动盘直径D184.2 制动盘厚度的选择184.3 摩擦衬块内半径R1和外半径R2184.4 摩擦衬块工作面积194.5 摩擦衬块摩擦系数f19第 页 共 页4.6 盘式制动器的制动力计算204.7 制动器主要零部件的结构设计214.7.1 制动盘214.7.2 制动钳224.7.3 制动块224.7.4 摩擦材料234.7.5 制动轮缸234.8 基于ansys的盘式制动器结构强度分析234.8.1 有限元分析过程234.8.2 有限元分析结果254.9 本章小结275 制动驱动机构的结构型式选择与设计285.1 制动驱动机构的结构型式285.1.1 简单制动系285.1.2 动力制动系285.2 驱动机构选择295.3 制动管路的选择305.4 液压制动驱动机构的设计计算305.4.1 前轮制动轮缸直径的确定305.4.2 制动主缸直径与工作容积315.4.3 制动踏板力和制动踏板工作行程315.5 本章小结326 制动性能分析336.1 制动性能评价指标336.2 制动效能336.3 制动效能的恒定性336.4 制动时汽车方向的稳定性33第 页 共 页6.5 制动器制动力分配曲线分析346.6 制动减速度j和制动距离S366.7 摩擦衬块的磨损特性计算366.8 本章小结377 总结39附录A 制动曲线程序40参考文献44致谢46第 页 共 页1 绪论1.1 制动系统设计的意义 在汽车的各个系统总成中，汽车的安全系统主要分为主动安全系统和被动安全系统，汽车的制动系统就是主动安全系统的重要构成部分。汽车作为人类代步的工具，人类最重视的自然也是安全问题，因此制动系统的设计就显得尤为重要。汽车在制动过程中的制动速度、制动距离、制动减速度变得是评价汽车安全性能的重要指标，随着汽车行业的发展日益繁荣，人类对此的要求也就越来越高，制动系统是否安全环保、行车制动驻车制动是否顺畅也就成为了评价一款汽车性能的重要标志，因此，这也成为了本次设计的目标。1.2 制动装置的种类 汽车行驶过程中的行车制动系统和汽车停车后的驻车制动系统构成了总的汽车制动系统，在重型汽车、牵引汽车或者经常在山区行车的汽车中，可能还需要增添应急制动系统、辅助制动系统或者自动制动系统1。 行车在行驶过程中，想要降低车速就要通过行车制动装置的作用，它主要用于降低车速、停车以及保持合适的行驶速度，其功用在制动系统中的重要程度不言而喻。 汽车在车速降低至零时，将要在路边停靠，这就离不开驻车制动装置。该装置可以保证汽车稳定的停靠在路边乃至于斜坡上，不溜车；并且在坡路上起步也需要该装置的配合。一般使用机械方式驱动的驻车制动装置比较常见，可以保证工作稳定可靠，从而保证车辆的安全。 汽车的应急制动装置并不是每辆车必备的，在普通车上驻车制动装置也可取得相同的效果，只要在特殊要求的车辆上需要配备。其主要用于行车制动装置发生故障不能达到应有的效果时，强制使车辆速度降低直到停止。 经常在山路上行驶的汽车需要配备辅助制动装置，山路中上坡下坡较多，需要经常变换车速以达到安全行驶，并且上下坡中均需要保证车速的稳定性，减少制动器受到的过大载荷。总的来说，装载量较大的客车或货车上均需要安装该种装置。 自动制动装置用于当挂车与牵引汽车连接的制动管路渗漏或断开时，能使挂车自动制动。 1.3 汽车制动器的发展方向 汽车制动器的发展逐步向着轻量化、安全化前进。由于电子技术的发展越来越迅猛，电子技术的优越性也得到了体现，大规模的集成电路可大大缩小空间，电子控制的精确性也更进一步提高，而且其成本正在不断下降。这种种优点都使得其取代传统的液压控制成为汽车制动器接下来发展的不二方向。电子技术在制动系统的应用，将随着其他汽车电子系统共同发展，将各个控制单元都集合在ECU中。未来的汽车控制系统中，一定是一个集各个控制为一体的整车控制系统，例如现在已经初显成果的电子悬架、无人驾驶等等，这些都将取代传统的汽车理念，逐步实现整车的智能化控制。未来的汽车不进要加入电子控制，还要引进生物理念、信息理念以及各种可以应用到其中的先进技术理念，形成颇具规模的新型汽车产业。 除了电子技术外，另一课题也在逐步受到人类的重视，那就是制动过程中的能量回收问题3 4。就目前来看，制动过程中的大部分能量都已热的形式耗散出去，在资源紧缺的今天，我们不应该浪费一分一毫的能量，抓紧研制制动能量回收装置，使汽车的制动性能得到更好的演绎。1.4 对制动器的要求 汽车制动系应满足如下要求： (1)制动器首先应该满足毕业设计任务书的要求，满足各项功能可以达到车辆所需要的最低标准，并且满足国家的相关规定和各项有关的标准，把用户的实际要求也要在设计中考虑周到详尽。 (2)制动器最重要的功用就是制动，所以制动效能是否符合标准也是评价制动器的重要指标，制动效能包括行车和驻车两个方面的效能。行车效能的评价是根据车辆在行驶过程中制动的能力，包括车辆的制动减速度的大小和在一定速度下开始制动到完全停车所走过的制动距离。驻车效能主要根据最大爬坡度来进行评价。 (3)制动系统在整车中的工作最为重要，因此它的功用是否有效可靠至关重要。因此制动系统至少要具有相互独立的行车制动系统装置和驻车制动系统装置，两者均要保证正常工作。由于其重要性，行车制动系统必须要有至少两套管路来保证在一套失效时，另一套可以维持汽车的基本制动。驻车制动装置也必须保持稳定可靠的工作。 (4)对于制动效能的热稳定性要求很高，因为制动时制动器在短时间内摩擦，产生大量的热，特别是在下坡的过程中，需要一直连续不断的制动，这样更容易引起制动器的温度过高可到达300400，最高可到达7005。此时，就会出现制动器的热衰退现象，即由于温升过高，导致摩擦系数会迅速减小，制动效能会突然下降，这就是制动器的热衰退现象。经过热衰退现象后，又会发生制动器的热恢复，经过衰退后，制动器不再制动温度逐渐降低，热量散发出去后，制动系数也逐渐恢复至正常值，这就是制动器的热恢复。因此需要提高制动器的抗热衰退性能，一般采用的方法为使用摩擦系数稳定的材料，增加制动器的通风散热，必要时增加冷却措施。 (5)制动效能的水稳定性要好。水稳定性是决定制动器发生水衰退现象后的恢复能力。水衰退现象是制动器浸水后，由于制动器内部有水的存在，会减小摩擦力，并且制动器的摩擦系数也会降低，从而是制动效能降低。发生水衰退现象后，一般制动器在非水区域内反复制动515次，即可恢复制动能力5。因此制动器的材料要选择吸收率低的材料，以保证制动效能。也要注意制动器是否干净，有无泥沙污垢等进入，必要时可采用封闭式制动器，防止制动器表面发生磨损影响制动效能67。 (6)汽车的操纵稳定性要好。无论在何种情况下制动，汽车都应保持操纵稳定性，不能失去方向。因此，在设计制动器时要确定好制动力矩的分配比例，左右制动器的制动力矩应该相同，如果差值过大超过15%，在制动时会发生跑偏；前后制动器的分配比例应符合要求，最好可以根据具体情况而变化。如若不然，当前轮先抱死时，汽车将会失去操纵稳定性而发生侧滑；后轮先抱死时，汽车会失去方向而发生侧滑甩尾。 (7)制动系统还包括制动踏板和手柄。因此对制动系统的要求中也有对手柄和踏板的要求，这两项都需要满足人机工程学的要求。即操作方便性好，操纵轻便、舒适，能减少疲劳。对于轿车来说，踏板行程应不大于150 mm，其中包括各个零部件的磨损量；制动的最大踏板力一般为500 N；紧急制动时，轿车的踏板力为200 N300 N；驻车制动的手柄拉力应不大于500 N。对于货车来说，踏板行程应不大于170 mm，其中包括各个零部件的磨损量；制动的最大踏板力一般为700 N；紧急制动时，货车的踏板力为350N550N；驻车制动的手柄拉力应不大于700 N。在采用伺服制动或动力制动装置时，踏板力都应取范围内的较小值。 (8)制动过程中避免产生振动和噪声。 (9)与悬架、转向装置不产生运动干涉，在车轮跳动或汽车转向时不会引起自行制动。 (10)制动系统中要有报警装置，如若汽车制动机构各个部件发生故障可以及时提示报警，及时发现危险并处理。例如一旦主、挂车之间的连接制动管路损坏，应有防止压缩空气继续漏失的装置；在行驶过程中挂车一旦脱挂，亦应有安全装置驱使驻车制动将其停驻。 (11)制动情况不受天气影响，也不受气温高低的影响。气温高时液压制动管路不应有气阻现象；气温低时，气制动管路不应出现结冰现象。 (12)制动系的机件应使用寿命长，制造成本低；对摩擦材料的选择也应考虑到环保要求，应力求减小制动时飞散到大气中的有害于人体的石棉纤维。 1.5 本章小结 通过以上分析最终得出此次设计所要达到的目标： （1）具有良好的制动效能； （2）具有良好的制动效能稳定性； （3）制动时汽车操纵稳定性好； （4）制动效能的热稳定性好；2 制动器的结构形式及选择2.1 制动器的种类 摩擦式制动器按其旋转元件的形状分为鼓式和盘式两大类。 首先简单介绍鼓式制动器，鼓式制动器根据制动鼓的布置方式不同可分为两种结构，一种为内张型鼓式制动器，另一种为外束式鼓式制动器。内张型的旋转摩擦元件为制动鼓，其制动蹄安装在制动底板上，制动蹄通常为圆弧形状的摩擦蹄片，并且制动底板与前桥的前梁相连接或者与变速器、分动器相连接，对于车轮制动器的制动底板会紧固在后桥的凸缘上，对于中央制动器的制动底板会紧固在相应的支架上。车轮制动器和中央制动器的制动鼓也不会固定在同一位置，前者在轮毂上，后者与变速器或者分动器相连。在制动时主要是依赖制动蹄摩擦蹄片来产生摩擦力矩，称为蹄式制动器，利用制动蹄片的外表面与制动鼓的内表面产生摩擦。外束型制动器的旋转摩擦元件与内张型鼓式制动器相同均为制动鼓，固定摩擦元件为制动带，制动带的刚度小并且按照有摩擦片。制动时，利用二者的内外表面相互摩擦产生制动力矩，因此也成为带式制动器。这种结构曾用于以前汽车上的中央制动器，目前在现代汽车上已很少采用。 盘式制动器是通过制动盘的工作表面和摩擦衬块相互摩擦产生摩擦力矩，摩擦衬块制动时将压向夹紧制动盘，从而制动【5】。旋转元件为制动盘，其竖直放置，盘两侧为工作面；摩擦衬块块上一般有摩擦片。盘式制动器既可以作为车轮制动器，也可以用于中央制动器。鼓式制动器和盘式制动器的结构型式有多种，其主要结构型式（如图2.1）所示。2.2 盘式制动器的分类 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 根据制动钳的种类功用不同，钳盘式制动器可以分成定钳盘式和浮动钳盘式。图2.1 制动器的结构选型 定钳盘式制动器：顾名思义此种制动器固定不动的部件为制动钳，在其开口槽中是相互并联的车轮和制动盘，此并连体在槽中旋转（如图2.2）。此种制动器具有的有点如下：滑动部件较少，使得制动钳的刚度较好，不易断裂；此种盘式制动器与鼓式制动器的结构比较相似，比较适宜变革时期的过渡阶段；并且可以满足制动系统的各种需求。图2.2 固定钳式盘式制动器1转向节（或桥壳）2调整垫片3活塞4制动块总成5-导向支承销 6制动钳体7轮辋8回位弹簧9制动盘10轮毂 浮动盘式制动器（如图2.3）：浮动钳盘式制动器与定钳盘式制动器恰好相反，其制动钳不是固定的，而是浮动的。其浮动方式有两种；一种为滑动式，即钳体可平行滑动；另一种为摆动式，即钳体可以绕部件摆动；相比较而言，滑动式应用面更加广泛。虽然浮动方式不同，但在制动油缸和制动块的布置上两者是相同的，均为单侧布置的制动油缸，且制动缸旁制动块是不固定的，另一块是与钳体固连在一起。在制动的过程中，通过油液的压力推动活塞运动，活塞又带动着制动块挤压制动盘，活动制动块和固定制动块在活塞作用下受力逐步变成均等。在摆动钳盘式制动器中，钳体所做运动为摆动，所以其形状就有了特别要求，需要做成楔形，倾斜角度一般为6。在制动过程中，摩擦衬块会因为摩擦力的作用发生磨损，因此在磨损到一定程度时对其进行更换。此种制动器具有的优点为：液压缸布置位置在内侧，节省空间，尺寸较小；不需要添加更多的冷却装置。图2.3 浮动钳式盘式制动器工作原理图(a)滑动钳式盘式制动器 (b)摆动钳式盘式制动器1制动盘;2制动钳体;3制动块总成;4带磨损警报装置的制动块总成;5活塞; 6制动钳支架; 7导向销 （2）全盘式 全盘式制动器仍然是依靠摩擦力产生制动力矩，摩擦原理与摩擦式离合器相似，产生摩擦的部件均为圆盘形，制动时两圆盘摩擦面完全接触。因为需要产生摩擦的面积较大，因此不利于散热，所以应用并不广泛。2.3 鼓式制动器 鼓式制动器结构的研制远早于盘式制动器，是最开始汽车上制动系统上普遍采用的制动器，根据制动蹄的种类不同可以分为以下几种： （1） 领从蹄式制动器 在汽车前进和倒车时，总具有领蹄和从蹄的鼓式制动器称为领从蹄式制动器。如下图2.4所示，汽车在前进过程中，制动鼓在不停的旋转，位于制动鼓旋转方向前进方向的称为领蹄，图中蹄1所示，另一侧制动蹄为从蹄，图中蹄2所示。汽车倒车时，制动鼓的旋向发生改变，领从蹄的位置也会随着制动鼓旋转方向相反而相互对调。领蹄主要起到的作用是压紧的作用，因此具有增势作用，使得领蹄上的法向反力增加，也称为增势蹄；从蹄受到的摩擦力与领蹄正好相反，因此具有减势的作用，使得从蹄上的法向反力降低，也称为减势蹄。 领从蹄式制动器的结构比较便于生产，价格也相对便宜，制动性能比较稳定，在前进和倒车时区别不大，尽管该制动器的制动效果不是处于顶尖状态，但这种机构还是得到了广泛的应用，目前仍在一些载货车和轿车上得以使用。图2.4 领从蹄式制动器1领蹄2从蹄3支点4支点5-制动鼓 6制动轮缸 （2） 双领蹄式制动器汽车的两个制动蹄在前进或倒退时功用一致，均为领蹄或者均为从蹄的制动器，称为双领蹄式制动器，或称为双向领蹄式制动器（如图2.5所示）。两个制动蹄各自分别于活塞相连，两套装置各自独立分别对称的以制动底板中心为对称中心布置在制动底板上。由于是对称布置，所以两蹄对制动鼓的合力恰好相等，属于平面式制动器。在汽车前进时，双领蹄式的制动效果很好，但是在汽车倒车时，双领蹄变为双从蹄，制动效果很差，因此这种机构一般在前轮的应用较多。 图2.5 双领从蹄式制动器1制动轮缸2制动蹄3支撑销4制动鼓 （3） 双向双领蹄式制动器 无论制动鼓的旋转方向如何，两个制动蹄均为领蹄的制动器称为双向双领蹄式制动器（如图2.6所示）。此种制动器无论在倒车过程中还是前进过程中，制动蹄均为领蹄，因此制动性能不会发生很大变化。由此得出此种制动器的制动效果比较稳定，所以双向双领蹄式制动器的应用比较广泛，在货车轿车中均可以应用，在前轮后轮也都可以使用，但用于后轮时，需要加中央制动。 （4） 单向增力式制动器单向增力式制动器（如图2.7所示）是一种非平衡式制动器，在制动时，由于两制动蹄是支承位置不同，因此所受力不能相互平衡。这种制动器的制动效能也与汽车的行驶状态有关：汽车在前进时制动效能非常高，高于前面所提到的所有制动器，而在倒车时最低。因而，比较适合应用在轻型车的前轮上。图2.6 双向双领蹄式制动器 图2.7 单向增力式制动器1第一制动蹄2支承销3制动鼓4第二制动蹄5可调顶杆体6制动轮缸 （5）双向增力式制动器双向增力式制动器(如图2.8所示)与单向增力式制动器相似，单向增力式制动器的活塞缸为单活塞轮缸，而双向增力式制动器的活塞缸为双活塞式制动轮缸，且两制动蹄共同连在支承销上。它的优点较为明显，在汽车的前进和倒车中具有同等的制动效能，均为增力式。 由于这种制动器优势较为明显，所以经常应用在高速轿车上或者用做汽车的中央制动器。双向增力式制动器既可以应用于行车制动中，也可以用于驻车制动中。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。 随之技术的发展，这种制动器尽管制动效果好，但是结构工艺很难改进，因此其散热性和排水性都不能进一步提高，现仅用于预算较小的情况中。在实际的使用中，盘式制动器的优点更为突出，逐步取代了鼓式制动器。图2.8 双向增力式制动器 1前制动蹄 2顶杆 3后制动蹄 4轮缸 5支撑销2.4 盘式制动器的优缺点 盘式制动器比鼓式制动器的优点： （1）盘式制动器的受力更为均匀，压力均匀分布在摩擦衬块上，热稳定性比较好，不会发生自增力作用。鼓式制动器在工作过程中，会发生机械衰退现象，即由于制动过程中温度过高，材料发生膨胀，使原本是摩擦部位发生改变，降低制动效能。盘式制动器轴向尺寸较小，受热影响也较小，不会发现机械衰退现象。因此在本次设计中，更倾向于选用前制动器选择盘式制动器。 （2）由于制动盘有离心力的作用，浸水后便于将水甩出；摩擦衬块的压力较均匀，也可以挤出一部分水分，因此盘式制动器比鼓式制动器的水稳定性要好。盘式制动器浸水后仅需几次制动即可恢复正常，鼓式制动器需要十几次才可恢复正常。 （3）盘式制动器的制动力矩与汽车运动方向无关。 （4）盘式制动器易于构成双回路制动系，使制动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）压力在制动衬块上的分布比较均匀，故衬块磨损也均匀。 （7）更换衬块简单容易。 （8）衬块与制动盘之间的间隙小（0.05-0.15mm），从而缩短了制动协调时间。 （9）易于实现间隙自动调整。 （10）能方便地实现制动器磨损报警，以便及时更换摩擦衬块。 盘式制动器的主要缺点： （1）除了封闭式的制动盘外，普通制动盘容易进入灰尘和污垢影响制动效果。 （2）与鼓式相比，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有助力器。 （4）摩擦衬块的磨损问题是盘式制动器独有，需要高品质的材料制作摩擦衬块8。2.5 本章小结经过前文的介绍和分析，对于制动器的分类以及优缺点有了大致的了解。制动器的主要用途就是使高速行驶中的汽车速度逐渐减低直到停车，也就是利用摩擦力做功使车停下来。那么制动器的重要评价标准就是散热性能的好坏。散热性能差的汽车，制动时的热不能及时散发出去，制动器始终保持高温状态，会在很大程度上影响制动效能，容易发生危险事故。因此盘式制动器的优点就更加显现出来。所以本次设计将会选择盘式制动器。本次设计虽为纯电动汽车的设计，但是就制动器方面来说，纯电动车上的制动器和普通车上的制动器基本相同。不同方面为纯电动车上一般具有制动能量回收装置，但是该装置并不是在制动器上做文章，而是单独的一个装置加在制动器和电机之间。这是一个独立的课题，由于时间和能力的原因，在这里不再详细论述。因此，本文的制动器和普通车的制动器基本无差别。 盘式制动器还可以根据制动盘的种类不同，分为普通盘式制动器和通风盘式制动器。普通盘式制动器的制动盘很普通，就是普通的实心盘体。通风盘式制动器上具体通风设计，可以通过行驶过程中产生的离心力来达到空气对流的目的，进而更有利于散热。这些通风设计是一些空心的圆洞，是经过特殊加工制成的，因此通风盘式制动器的价格要比普通盘式制动器高。一般在汽车中，通常采用前盘后鼓的方式布置制动器，也有一些汽车采用前制动器使用通风盘式制动器，后制动器采用普通盘式制动器。特别是在ABS系统问世后，对于前制动器的散热要求更高，因此此次前制动盘采用通风盘式。 接下来对制动钳进行分析比较定钳盘式的油缸较多，尺寸比较大，结构比较复杂。浮钳盘式尺寸小，结构相对简单，制动液更加稳定不易气化。 综上所述，本次前制动器设计，采用浮动钳盘式制动器。3 制动器主要参数的确定3.1 汽车相关主要参数表3.1 汽车相关主要参数编号名称符号数值单位1满载质量W980.000kg2整车整备质量W780.000kg3最大功率P33.5/4000Kw/ rpm4最大扭矩M72/3000Nm/ rpm5质心高(满载）hg664.000mm6质心高（空载）hg684.000mm7轴距L2025.000mm8质心至前轴的距离（满载）a1000.000mm9质心至前轴的距离（空载）a840.000mm10质心至后轴的距离（满载）b1025.000mm11质心至后轴的距离（空载）b1185.000mm12前轮距1390.000mm13后轮距1390.000mm14最小转弯半径4.000m15最小离地间隙170.000mm其它参数的确定： （1）轮滚动半径 由于安普纯电动车采用轮胎规格为P195/50R15，其中名义断面宽度为195mm，扁平率为50%，轮毂名义直径为15英寸，换算过来为15*25.4=381mm。 故车轮滚动半径为 =（381+219550%）/2=288mm （2）空满载时的轴荷分配 满载时，前轴负荷： 后轴负荷：3.2 同步附着系数的分析 （1）当时：这时为稳定工况，前轮先发生抱死拖滑，此时汽车失去了转向能力； （2）当时：这时汽车后轮先发生抱死，汽车失去了稳定性容易发生侧翻； （3）当时：这时也为稳定工况，前后轮同时发生抱死拖滑，同样失去转向能力。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，其制动减速度为，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。参考多款类似车型得出，乘用车辆一般为=0.7，故取=0.7。3.3 确定前后制动力矩分配系数 根据公式： （3.1）得到：3.4 制动强度和附着系数利用率当时，最大总制动力 制动强度，附着系数利用率。 当时, 可能得到的最大总制动力取决于后轮刚刚首先抱死的条件，即。 而最大总制动力 制动强度 附着系数利用率 值是随着不同的路面状况而变化的，因此在不同的路面上制动强度和附着系数也都会发生改变。3.5 制动器最大制动力矩 由于选取了较大的值0.7（满载），应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定各轴的最大制动力矩。当 时,相应的极限制动强度q ，按在沥青路（干）上行驶，=0.8计算。 可求得其最大总制动力 而车轮有效半径=288mm，故前轴最大制动力矩 一个前轮制动器应有的最大制动力矩： 3.6 制动器因数钳盘式制动器中，两侧衬块所受的压紧力是相等的均为P，制动盘与摩擦衬块间的摩擦系数为f，制动盘所受到的总的摩擦力为2 fp，由此计算出钳盘式制动器的制动器因数为3.7 本章小结本章主要进行了制动系统的主要参数的计算和选择，关于制动系统的主要参数都进行了选择，如同步附着系数、制动力矩分配系数、最大制动力矩等，具体计算结果如下表3.2所示。表3.2 本章计算结果汇总序号名称符号数值单位1车轮滚动半径rr288mm2前轴负荷（满载）G1484kg3后轴负荷（满载）G2496kg4同步附着系数0.75制动力矩分配系数0.7356最大制动力矩T763N.m7制动器因数BF0.64 制动器的设计与计算4.1 制动盘直径D 制动盘直径在选择的过程中，需要考虑到很多综合因素的影响，而且制动盘的直径大小也会影响到整个制动器的综合性能。当制动盘直径D增加时，制动钳的夹紧力会随之减小，但是摩擦衬块的工作温度以及单位压力都会下降。所以制动盘直径的增加可以使制动器的散热性能有所提高。选择一个合适的制动盘的大小是很关键的，而且制动盘直径大小还受到轮辋直径的限制，通常取其百分之七十五，即mm4.2 制动盘厚度的选择 除了制动盘的大小会影响到制动器的性能之外，制动盘的厚度也会产生影响。当制动盘厚度过大时，其重量过大;如果制动盘厚度过小时，其散热性能又会降低。所以，通常为了兼顾散热效果和制动性能，制动盘的厚度不会取的太厚，但是会将制动盘中间铸出通风孔道。通风式制动盘的厚度一般取在2050mm。由于制动盘在高速紧急制动时，制动盘会产生热变形，所以通常会将制动盘的厚度取在2030mm，同时将制动盘做成中间空洞的通风式制动盘9。通过比较发现，中间空洞的通风式制动盘相对于其他形式的制动盘，在相同的制动情况下，可以将制动盘温度降低20 %30 %。本文选取厚度为h=28mm的通风制动盘。4.3 摩擦衬块内半径R1和外半径R2 在盘式制动器中由于钳夹活塞推动作用，而被挤压在制动盘上的那部分摩擦材料被称作摩擦衬块。摩擦衬块通常是由摩擦材料和底板两者组成或者将二者压嵌在一起，其即外形如图4.1所示。摩擦衬块的主要参数尺寸是其内径和外径的尺寸，通常的值不会超过1.5。这个比值的大小会间接影响制动器的制动性能好坏8。假如该比值过大，这就说明外径比内径大的多，这会使得制动器在制动的过程中，其外径上的圆周速度和内径上的圆周速度相差很多，这将直接导致制动力矩变化过大。综合考虑该值对制动性能的影响，在本文中，该值取1.4。通常来说摩擦衬块外径通常比制动盘半径略小，经过计算，则。参考其他类似车型，选定厚度b=14mm，其中摩擦材料厚度为8mm，底板厚度为6mm，当摩擦衬块磨损量达到5mm时，需更换摩擦衬块。4.4 摩擦衬块工作面积对于盘式制动器衬块工作面积A，由于制动衬块为扇形，选定其到圆心的夹角为，故工作面积则单个前轮制动器A=98cm2。4.5 摩擦衬块摩擦系数f在选择摩擦片的摩擦系数的时候，不能够过分追求摩擦材料的高摩擦系数，同时还必须考虑到摩擦材料的热稳定性，以及受温度影响的变化程度。通常来说，选择的材料都是热稳定性好，受温度和压力影响变化不大的材料作为摩擦衬块的材料。目前市场上常用的摩擦衬块材料的摩擦系数通常在0.30.5之间，而且国内生产的制动衬块的材料在温度小于250度时，通常可以保持在0.300.40的范围。国外少数的尖端产品的摩擦系数可以达到0.7。但是摩擦系数提高之后，其耐磨性也会相应的下降，所以不能一味的追求摩擦系数的提高。而且在选择摩擦衬块的材料时还需要考虑到材料的环保性和再利用性。应尽最大可能的减少材料对环境的污染，并最大程度的实现废弃材料的再利用。根据上述的论述，选择摩擦系数f=0.3的粉末冶金摩擦材料810。 图4.1 摩擦衬块4.6 盘式制动器的制动力计算 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 （4.1）式中，为摩擦因数；为单侧制动块对制动盘的压紧力；R为作用半径。对于常见的具有扇形摩擦表面的衬块，若其径向宽度不很大，则R等于平均半径或有效半径，在实际中已经足够精确。 平均半径为mm式中，和为摩擦衬块扇形表面的内半径和外半径。 有效半径是扇形表面的面积中心至制动盘中心的距离，如下式所示（推导见离合器设计）式中，. 因为,故，越小，则两者差值越大。 在此应该补充说明一点，如果扇形的径向宽度过大，会使得m值很小。m值过小则代表了在摩擦衬块的内径和外径上的滑磨速度相差很大，这会造成摩擦衬块的磨损不均匀。因为在之前的计算中，我们假设在摩擦衬块上的单位压力均匀分布，所以当m过小时（m值一般不应小于0.65），该计算结论与已知相矛盾，不可用。 如果假设摩擦衬块上的各处压力均与分布且摩擦衬块和制动盘完全接触，则可通过下式计算制动器的制动力： （4.2）式中，为摩擦因数；为单侧制动块对制动盘的压紧力；R为作用半径。 对于常见的具有扇形摩擦表面的衬块，若其径向宽度不很大，则R等于平均半径或有效半径，在实际中已经足够精确。 对于前制动器 所以4.7 制动器主要零部件的结构设计4.7.1 制动盘目前市面上制动盘采用的是珠光灰铸铁铸造而成，有时为了提高制动盘的耐磨性会加入Cr、Ni等合金。因为在制动过程中，制动盘将会承受热负荷以及制动块作用在其上的法向力和切向力。为了能够提高制动盘对热负荷以及法向、切向力的承载能力，都会提高制动盘的整体厚度。提高整体厚度之后需要将其设计成中间有径向通风槽的双层盘，这样更有利于制动盘的散热，大大增加了制动盘的散热面积，并且可以在相同制动条件下降低温升约20-30%。综上所述，本次设计采用的材料为HT250。制动盘的三维建模如下图4.2所示。图4.2 制动盘的三维模型 制动盘工作面的加工精度应达到下述要求：平面度小于等于0.01mm，表面粗糙度值小于等于0.06mm，两摩擦表面的不平行度小于等于0.01mm，制动盘的端面圆跳动小于等于0.03mm。4.7.2 制动钳在本文的设计中，采用球墨铸铁QT400-18的材料制成。这种材料相对于其他材料，例如可锻铸铁KTH370-12或者轻合金，具有成本低，高强度，高硬度的优点。在制动钳的结构上，采用维护方便的整体式的。因为整体式的制动钳在其外缘上预先留有开口，可以不必拆下制动器便可以更换制动块。这样的结构使得制动器的维护和维修都很便利。在制动钳体中需要加工出制动油缸，制动油缸的杯形活塞的开口端顶靠制动块的背板，这样可以避免将过多的制动热量传递给制动液。通常活塞的工作表面会进行镀铬处理来提高其整体的耐磨性能。制动钳的三维模型如下图4.3所示。图4.3 制动钳的三维模型4.7.3 制动块制动块由背板和摩擦衬块组成，通常采用铆接、粘接或者牢固的压嵌在一起。而且为了防止在制动器在使用过程中发生卷角而产生尖锐的摩擦声音，活塞需要尽量多的压住制动块。由于制动衬块是较易磨损的部分，为了防止盘式制动器的衬块到达摩擦极限而未更换发生意外，在本文所设计的盘式制动器装有衬块磨损达极限时的警报装置。制动块的三维建模如下图4.4所示。图4.4 摩擦衬块的三维模型4.7.4 摩擦材料 制动器的摩擦材料的选择，要综合考虑其摩擦系数以及抗热衰退性能。而且其制动系数需要在制动器工作的过程中保持在一个较为稳定的范围，尽量不要产生过大的变化。而且摩擦材料也应该具有好的耐磨性，低的吸水（油、制动液）率，低的压缩率、低的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10。除了这些基本的性能需要考虑之外，还应该考虑到该材料的环保性，不光不能对环境产生危害，还要做到制动过程中噪声小，无不良气体产生。综上所述本文采用以铜粉、铁粉为主的粉末冶金材料，这种材料能够保证制动器的强度和耐磨性能，并且无污染。4.7.5 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HT250.4.8 基于ansys的盘式制动器结构强度分析4.8.1 有限元分析过程首先使用catia软件进行建立几何模型，将制动盘的零件模型保存为model模式并导入ansys中，生成实体如图4.5所示。相关参数设置如表7-1所示：表4.1制动盘的材料参数名称弹性模量/Mpa泊松比密度/kg/m3制动盘1.131050.237000 由于制动盘的复杂性选用适于各向同性固体力学问题的Solid187单元类型，利用ansys中Mesh Tool工具对制动盘实体进行网格划分，共获得三角形单元12270个1617。在求解器中设置PCGLanczos模态提取算法，需要说明的是，制动尖叫频率范围一般在100016000Hz，本次试验采用频率范围为0100000Hz，保证覆盖制动盘的所有频率。提取模态阶数为8阶，未进行扩展阶数计算。经分析得出的制动盘固有频率如图4.6所示18。图4.5 ansys生成制动盘实体 图4.6 制动盘的固有频率4.8.2 有限元分析结果通过此次使用ansys对制动盘的分析各阶模态进行分析，得到了制动盘在前8阶的模态阵型图。由于制动盘相邻阶次振型图变化不大，所以下文中仅展示了奇数阶次的振型图，如下图所示。分析振型图可得出，随着模态阶次的不断增加，制动盘的固有频率不断增加，制动盘的主要形变发生在制动盘的圆周部分19。图4.7 一阶振型图图4.8 三阶振型图图4.9 五阶振型图图4.10 七阶振型图4.9 本章小结本章对于制动器的各个组成重点进行了计算，算出了各个零件的主要尺寸，查表得出制动盘的加工技术要求，计算得出结果如下表4.2所示。对于制动盘、摩擦衬块、制动轮缸等等部件进行了材料的选择，结果如下表4.3所示。表4.2 制动器基本参数制动盘外径/mm摩擦衬块外径/mm制动盘厚度/mm摩擦衬块厚度/mm摩擦面积/cm2前轮286138281498表4.3 制动器各个零件的材料选择序号名称材料1制动盘HT2502制动钳QT400-183摩擦材料粉末冶金4制动轮缸HT2505 制动驱动机构的结构型式选择与设计5.1 制动驱动机构的结构型式 制动机构的结构形式可以说是多种多样，分类方式也有很多。例如简单制动、动力制动以及伺服制动这三大类型就是根据动力源的不同来分类的。而且力的传递方式又可以分为机械式、液压式、气压式和气压-液压式。5.1.1 简单制动系 简单制动系顾名思义，其结构较为简单，即传统的人力制动系。通常简单制动系的动力来源为驾驶员作用在制动踏板上的制动力。简单制动系力的传递方式又分为机械式和液压式。 通常机械式的结构形式应用在中、小型汽车的驻车制动系统中。主要是因为有结果结构简单，造价低廉，工作可靠等优点，可以可靠的保证汽车停靠的稳定性。这种结构通常是靠杆系或者钢丝绳传力。 目前来说制动系通常采用液压式的简单制动系作为整车的行车制动。此种制动结构相对于机械式的结构来说具有作用滞后时间短(0.1s0.3s)，工作压力大(可达10MPa12MPa)等优点。而且液压式简单制动系中的液压缸的缸径尺寸也不大。这就使得将其布置在制动器内作为制动蹄的张开机构或制动块的压紧机构成为可能。但是与机械式制动系相比较其制动力的传动比很有限，这也使得其在汽车上的广泛应用受到了限制。而且在制动过程中可能在液压管路中形成“汽阻”，导致制动性能的降低甚至是制动器的实效11。“汽阻”的形成主要是由于液压管路在过度受热时会形成气泡而堵塞管路，影响传输。不仅在高温时会出现问题，在气温低于-25甚至更低时，液压油的粘度也会增加，这也使得使工作的可靠性降低。虽然液压式简单制动系曾广泛用，但其不稳定的制动可靠性，以及在操作过程中比较沉重的特点均不能适应现代汽车提高操纵轻便性的要求，所以液压式的简单制动系逐渐退出历史舞台。5.1.2 动力制动系 在动力制动系中，驾驶员作用在制动踏板或手柄上的力只是作用在了控制原件之上，而真正使得汽车制动的制动力是发动机动力形成的气压或液压势能。所以此种制动系操作轻便，而且在此制动系中并不存在踏板力与其行程间的反比例关系。这使得在动力