轿车后轮制动器设计大作业

汽车设计课程设计

轿车后轮制动器设计

学院：机械工程学院

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目录

绪论.....................................................1

第1章制动系统概述.....................................2

第2章鼓式制动器的设计计算............................6

第3章制动器结构设计与计算.............................9

第4章制动器主要零部件的结构设计......................11

第5章制动器操纵系统..................................13

绪论

汽车的制动器是汽车的主要性能之一，它为汽车安全行驶提供了重要保

证。随着高速公路的迅速发展和汽车车速的提高，设计一套可靠、稳定的制

动系统将给驾驶者和乘客的人身财产安全提供有力的保障。改善汽车的制动

性也始终是汽车设计、制造和使用部门的重要任务。

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。现在鼓式制动器的主流

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。

1

第1章制动系统概述

1.1制动系统概述

人们为了满足生活和工作的需要，希望汽车的行驶速度尽可能快，但必

须以保证行驶安全为前提。汽车除能高速行驶外，在即将转向、行经不平路

面、两车交会、遇到障碍或危险时，都需减低车速。有时需要在尽可能短的

距离内将车速降到很低甚至为零。如果汽车不具备这些性能，高速行驶就不

可能实现。汽车在长下坡时，在重力作用下，有不断加速到危险程度的趋势。

此时应当将车速限制在一定的安全值以内，并保持稳定。此外，对已停驶的

汽车的汽车，应使之可靠地驻留原地不动，使行驶中的汽车减速甚至停车，

使下坡行驶的汽车速度保持稳定，以及使已停驶的汽车保持不动等作用统称

为制动。对汽车起制动作用的只能是作用在汽车上的、方向与汽车行驶方向

相反的外力。作用在行驶汽车上的滚动阻力、上坡阻力、空气阻力都能对汽

车起制动作用。但这些外力的大小都是随机不可控制的。因此汽车上必须装

设一系列专门装置，以便驾驶者能根据道路和交通等情况，通过外界在汽车

某些部分（主要是车轮）施加一定的力，对汽车进行一定程度的强制制动。

这种可控制的对汽车进行制动的外力称为制动力。

1.1.1制动系统的工作原理

一般制动系的工作原理可用图1T所示的一种简单的液压制动系示意图

来说明：

一个以内圆面为工作表面的金属的制动鼓8固定在车轮轮毂上，随车轮一同

旋转。在固定不动的制动底板11上，有两个支撑销12,支承着两个弧形制动

2

蹄10的下端。制动蹄的外圆面上又装有一般是非金属的摩擦片9.制动底板上

海装有液压制动轮缸6,用油管5与装在车架上的液压制动主缸4相连通。主

缸中的活塞3可由驾驶员通过制动踏板机构来操纵。制动系不工作时，制动

鼓的内圆面与制动蹄摩擦片的外圆面之间保持有一定的间隙，使车轮和制动

鼓可以自由旋转。要使行驶中的汽车减速，驾驶员应踩下制动踏板1,通过推

杆2和主缸活塞3,使主缸内的油液在一定压力下流入轮缸6,并通过两个轮

缸活塞7推使两制动蹄10绕支承销12转动，上端向两边分开而使其摩擦片9

压紧在制动鼓的内圆面上。这样，不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用

一个摩擦力矩Mu,其方向与车轮旋转方向相反。制动鼓将该力矩传到车轮后，

由于车轮与路面间有附着作用，车轮对路面作用一个向前的作用力Fu,同时

路面也对车轮作用一个向后的反作用力，即制动力FB.制动力FB由车轮经车

桥和悬架传给车架及车身，迫使整个汽车减速。制动力愈大，汽车减速度也

愈大。当放开制动踏板时，回位弹簧13即将制动蹄拉回原位，摩擦力矩Mu

和制动力FB消失，制动作用及终止。图1T所示的制动系中，由制动鼓8、

摩擦片9和制动蹄10所构成的系统产生了一个制动力矩以阻碍车轮转动，该

系统称为制动器。上述这种用以使行驶中的汽车减低速度甚至停车的制动系

称为行车制动系，是在行车过程中经常使用的。用来使已停驶的汽车驻留原

地不动的另一套装置则称为驻车制动系。这两个制动器是每一个汽车都必须

具备的。此外，许多国家还规定汽车必须具有第二制动系，其作用是在行车

制动系失效的情况下保证汽车仍能实现减速或停车。经常在山区行驶的汽车,

若单靠行车制动系来达到下长坡是稳定车速的目的，则可能导致行车制动系

3

的制动器过热而降低制动效能，甚至完全失效。所以山区用汽车还应具备主

要在下坡时用以稳定车速的辅助制动系。

1.1.2制动系统设计要求：

设计制动系时应满足如下土要要求：

1）足够的制动能力。行车制动能力，用一定制动初速度下的制动减速度和

制动距离两项指标评定;驻坡能力是指汽车在良好路面上能可靠地停驻的最

大坡度。

2）工作可靠。行车制动至少有两套独立的制动器的管路。当其中一套管路

失效时，另一套完好的管路应保证汽车制动能力不低于没有失效时规定值的

30%。行车和驻车制动装置可以有共同的制动器，而驱动机构各自独立。

3）用任何速度制动标准，汽车都不应当丧失操纵性和方向稳定性。

4）防止水和污泥进入制动器工作表面。

5）要求制动能力的热稳定性良好。

6）操纵轻便，并有良好的随动性。

7）制动时制动系产生的噪声尽可能小，同时力求减少散发出对人体有害的

石棉纤维等物质，以减少公害。

8）作用滞后性应尽可能短。

9）摩擦衬片应有足够的使用寿命。

10）摩擦副磨损后，应有能消除因磨损而产生间隙的机构，且调整间隙工作

容易，最好设置自动调整间隙机构。

11）当制动驱动装置的任何元件发生故障并使其基本功能遭到破坏时，汽车

制动系应装有音响或光信号等报警装置。

4

1.2制动器类型的选择

鼓式制动器分为领从蹄式、双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向增力

式、双向增力式等几种,见下图的a-f.

由于双领蹄式和单向增力式一般适用于前轮,所以不采用。从经济性和通用

性方面考

虑，决定较

为常见的领

从蹄式制动

器。设计零

件结构示意

图如右：

I怏加块2扑，初汕川“3和JR/*I5!AiWM排N内州就

5介4：1小力如H外•即MG阳，。加工“7F1。M

第2章鼓式制动器的设计计算

2.1整车性能参数

整备质量1360kg驱动型式4X2前轮

轴距2550空载前轴负荷60%60%

前轮距1429后轮距1422

箫高车速180kmh180km/h最大爬坡度35%

最小转向直径11m变速器不动5挡

轮胎型号185/60R14T制动距离5.6m(30km/h)

最大功率/转速74kw/5800rpm最大转矩/转速150N.m4000rpm

2.2车辆前后轮制动力的分析

汽车制动时，如果忽略路面对车轮的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性

力矩，则任一角速度＞0的车轮，其力矩平衡方程为：

〃-趋4=0

式中：与—制动器对车轮作用的制动力矩，即制动器的摩擦力矩，其

方向与车轮旋转方向相反，N,m；

心一地面作用于车轮上的制动力，即地面与轮胎之间的摩擦力，又称

为地面制动力，其方向与汽车行驶方向相反，N；

北一车轮有效半径，mo

令”上

并称之为制动器制动力，它是在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，

因此又称为制动周缘力。号与地面制动力与的方向相反，当车轮角速度。＞0

时，大小亦相等，且灯仅由制动器结构参数所决定。即尸/取决于制动器的结

构型式、尺寸、摩擦副的摩擦系数及车轮有效半径等，并与制动踏板力即制

动系的液压或气压成正比。当加大踏板力以加大77,号和心均随之增大。但

地面制动力/受着附着条件的限制，其值不可能大于附着力々，

即七夕

或FB2=Fp=Z(p

式中中——轮胎与地面间的附着系数；

Z——地面对车轮的法向反力。

当制动器制动力Ff和地面制动

力《达到附着力々值时，车轮即被抱

死并在地面上滑移。此后制动力矩77

即表现为静摩擦力矩，而号=〃匕即

成为与七相平衡以阻止车轮再旋转的

周缘力的极限值。当制动到口=0以后,

地面制动力/达到附着力々值后就

不再增大，而制动器制动力号由于踏制动力与踏板力的关系

板力尼的增大使摩擦力矩T,增大而继

续上升(如图所示)。

取前后轴到重心的距离£i=1275mmZ2=1275mm,重心高550mm

汽车总的地面制动力为

r_r_Gdu

FB-FB、+电—--Gq

gdt

du

式中q（9=嬴）制动强度，亦称比减速度或比制动力;

FB、,FB,---前后轴车轮的地面制动力。

由以上两式可求得前、后轴车轮附着力为

1hr

。=（G个+七十）9=7W+

乙1—J1—1

jh「

%=(G六七十)。=了(一叱)。

LL

上式表明：汽车在附着系数。为任意确定值的路面上制动时.，各轴附着力

即极限制动力并非为常数，而是制动强度q或总制动力Fp的函数。当汽车各

车轮制动器的制动力足够时一，根据汽车前、后轴的轴荷分配，前、后车轮制

动器制动力的分配、道路附着系数和坡度情况等，制动过程可能出现的情况

有三种，即

(1)前轮先抱死拖滑，然后后轮再抱死拖滑；

(2)后轮先抱死拖滑，然后前轮再抱死拖滑；

(3)前、后轮同时抱死拖滑。

在以上三种情况中，显然是最后一种情况的附着条件利用得最好。

心+%=%+弓=OG(1)

7

F’JFjFBIIFB2=w+鸣）3-娱）

（2）

式中的一一前轴车轮的制动器

制动力，

Ffi=FBI=收［;

Ff2——后轴车轮的制动器制动

力，

Ff2=FB2=（PZ2；

FBI----前轴车轮的地面制动力；

FB2---后轴车轮的地面制动力；某轿车的I曲线和尸线

Z\,z2---地面对前、后轴车轮

的法向反力；

G----汽车重力；

乙，L2----汽车质心离前、后轴距离；

4——汽车质心高度。

同步附着系数选取（P=O.7,则：

F=F+Ff、=FB、+FR,=^G=0.7X1360X9.8=9329.6N

由式⑴、式B⑵不fi嘘求彳导在原何附着系数夕的路面上，前、后车轮同时抱

死即前、后轴车轮附着力同时被充分利用的条件。

由式（2）得：/Ffi2=（Z2+帆）/&-皿）=1.865

则心1=6073.2N,F„2=3256.4N

FB2即为所求的后轮地面制动力。

2.3前、后轮制动力分配系数4的确定

根据公式：/?=（L2+^Oxhg）/L

得：/3=（1275+0.7x550）/2550=0.65

式中为：同步附着系数

L,：汽车重心至后轴中心线的距离

L：轴距

hg:汽车质心高度

2.4制动器制动力矩

制动器所能产生的制动力矩，受车轮的计算力矩所制约，即

Tf、=F3

了「Ff3

8

式中Ff、刖轴制动器的制动力，F八=Z[(p;

Fh后轴制动器的制动力，Ff]=Z2(p;

々为车轮的有效半径，所选车轮为185/60R14T,则轮高为

111mm,轮辎|半径为14英寸=355.6mm。所以车轮有效半径为288.8mm.

故后轮制动力矩为940.4N*m

由于选取的鼓式制动器为双向双领蹄式有两个轮缸，所以每个轮缸上

产生的制动力矩为M/4=235.lN*m

进而求得两蹄上的张开力F0=235.1/D(D为制动鼓内径)。

第3章制动器结构设计与计算

3.1制动鼓壁厚的确定

当输入力P一定时，制动鼓的直径愈大，则制动力矩亦愈大，散热性

能亦愈好。但直径D的尺寸受到轮雍I内径的限制，而且D的增大也使制动鼓

的质量增大，使汽车的非悬挂质量增大，而不利于汽车的行驶平顺性。制动

鼓与轮辆之间应有相当的间隙，此间隙一般不应小于20〜30mm,以利于散热

通风，也可避免由于轮雍]过热而损坏轮胎。由此间隙要求及轮雍I的尺寸即可

求得制动鼓直径D的尺寸。另外，制动鼓直径D与轮辆直径之比的一般范

围为：

轿车D/。,=0.64〜0.74轿车轮雍I为14in,得到a=14X

25.4=355.6mm(1in=25.4mm)

表3-1

轮辆苜［径/in1213141516

制动轿车180200240260—

鼓内径货车220240260300320

/mm

参考上表并结合实际情况，取D/。.=0.65。得到制动鼓内径D=230mm,所

以制动鼓半径为115mm。

3.2制动鼓式厚度n

制动鼓壁厚的选取主要是从刚度和强度方面考虑。壁厚取大些也有助于

增大热容量，但试验表明，壁厚从11mm增至20nm1,摩擦表面平均最高温度变

化并不大。一般铸造制动鼓的壁厚：轿车为7-12mm,中、重型货车为13〜

18mm。

由于本设计的对象是轿车，所以选取制动鼓的厚度为n=10mmo

3.3制动蹄摩擦衬片的包角B和宽度b

9

摩擦衬片的包角£可在，=90°〜120。范围内选取，试验表明，摩擦衬片

包角£=90。〜100。时，磨损最小，制动鼓温度也最低，且制动效能最高。再

减小〃虽有利于散热，但由于单位压力过高将加速磨损。〃一般也不宜大于

120°,因过大不仅不利于散热，而且易使制动作用不平顺，甚至可能发生自

锁。

本次设计摩擦衬片的包角〃取110°。

摩擦衬片宽度b较大可以降低单位压力、减少磨损，但过大则不易保证

与制动鼓全面接触。通常是根据在紧急制动时使其单位压力不超过2.5MPa的

条件来选择衬片宽度b的。设计时应尽量按摩擦片的产品规格选择b值。另

外，根据国外统计资料可知，单个鼓式车轮制动器总的衬片摩擦面积随汽车

总质量的增大而增大，而单个摩擦衬片的摩擦面积A又决定于制动鼓半径R、

衬片宽度b及包角/7,即A=Rb/3

式中£是以弧度(rad)为单位，当A,R,£确定后，由上式也可初选衬片

宽b的尺寸。制动器各蹄摩擦衬片总摩擦面积愈大，则制动时产生的单位面

积正压力愈小，从而磨损亦愈小。摩擦衬片的摩擦面积A取200cm:衬片宽b

为45mm。见表

汽车总质量单个制动器的衬片摩擦面积

汽车类别m/1ZA/cm2

轿车0.9~1.5100^200

1.5~2.5200^300

3.4摩擦衬片起始角A,

鼓式制动器主要几何参数

10

摩擦衬片起始角自如图所示。一般是将衬片布置在制动蹄外缘的中央，

并令凤=90。-（尸/2）。有时为了适应单位压力的分布情况，将衬片相对于最大

压力点对称布置，以改善制动效能和磨损的均匀性。则片=35。

3.5开力P的作用线至制动器中心的距离c

在保证制动轮缸或凸轮能够布置于制动鼓内的条件下，应使距离a尽可能

地大，以提高其制动效能。取a=0.857?

则a=97.8mm

3.6制动蹄支销中心的坐标位置是k与c

如图所示，制动蹄支销中心的坐标尺寸k是应尽可能地小，以使尺寸c

尽可能地大，取c=0.85%则c=97.8mm

3.7摩擦片摩擦系数了

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。各种制动器用摩擦材料的摩擦系数的稳定值约为

0.3-0.5,少数可达0.7。一般说来，摩擦系数愈高的材料，其耐磨性愈差。

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7=0.35〜0.40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，取/=0.3可使计算结果接

近实际。因此取y=0.3。

第4章制动器主要零部件的结构设计

4.1制动鼓

制动鼓应具有非常好的刚性和大的热容量，制动时其温升不应超过极

限值。制动鼓的材料应与摩擦衬片的材料向匹配，以保证具有高的摩擦系

数并使工作表面摩擦均匀。

轻型货车和一些轿车则采用钢板冲压成形的辐板与铸铁鼓筒部分铸

成一体的组合制动鼓；带有灰铸铁内鼓筒的铸铝合金制动鼓在轿车上得到

了日益广泛的应用；铸铁内鼓筒与铝合金也是铸到一起的，这中内镶一层

珠光体组织的灰铸铁作为工作表面，其耐磨性和散热性都很好，而且减少

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了质量。

本设计采用的制动鼓材料：铸铁内鼓筒与铝合金铸到一起

4.2制动蹄

轿车制动蹄管饭采用T形型钢碾压或钢板冲压一焊接制成。制

动蹄的结构尺寸和断面形状应保证其刚度好，单小型车用钢板制的

制动蹄腹板上有时开有一、两条径向槽，使蹄的弯曲刚度小些，以

便使制动蹄摩擦衬片与制动鼓之间的接触压力均匀，因而使衬片的

磨损较为均匀，并可减少制动时的尖叫声。

制动蹄腹板和翼缘的厚度，轿车的约为3m摩擦片的厚度

多为4.5mm~5mm。

本设计制动蹄选用：T形45号钢

制动蹄腹板厚度：5mm

制动蹄翼缘厚度：5mm

摩擦衬片厚度：5mm

4.3制动底板

制动底板是除制动鼓外制动器各零件的安装基体，应保证各安

装零件相互间的正确位置。制动底板承受着制动器工作时的制动反

力矩，因此它应该有足够的刚度。刚度不足会使制动力矩减小，踏

板行程增大，衬片磨损也不均匀。

4.4制动蹄的支承

为了使具有支承销的一个自由度的制动蹄的工作表面与制动鼓

的工作表面同轴心，应使支承位置可调。

4.5制动轮缸

制动轮缸的刚起由灰铸铁HT250制成。其缸筒为通孔，需链磨。

活塞由铝合金制造。活塞外端压有钢制的开