-汽车刹车系统设计

本科论文目录TOC\o"1-2"\h\u26901摘要 I4931Abstract II11691引言 1281671设计目标 2120061.1研究的目的与意义 252181.2国内外研究现状和发展趋势 386631.3主要研究内容 5238532设计要求 6265522.1产品设计客观条件 670092.2实现产品的客观要求 6111992.3内容要求 6186952.4成果要求 7216833设计方案 8233163.1制动系统的分类 840883.2产品结构设计 832413.3制动系统的主要参数设计 12107953.4制动器的结构型式及选择 1796803.5制动器的设计计算 18188333.6制动驱动机构的设计 2083704三维建模 242114.1制动器主要零部件建模 24270894.2前后装配图 2994515有限元分析 3068665.1有限元分析模型的建立 30264135.2边界条件施加方式的确定 31196735.3加载过程 31319465.4计算结果及制动蹄的改进 31180576整体渲染 33100537实物制作 3411034结论 3519885参考文献 3615153致谢 37摘要本次设计内容为汽车刹车系统，其可靠性与驾驶人的生命息息相关，是汽车所有组成部分中最重要的一环。刹车系统是在车辆行驶过程中出现紧急情况时首先保护车辆与驾驶人员安全的反应系统，工作原理是依靠制动装置工作时产生的大量摩擦力来抵消车辆行驶时的动能，以达使车辆刹车减速，甚至停车静止的目的。现如今随着汽车技术和汽车动力的不断提高，对刹车系统的安全性和操纵性也提出了更高的要求。本次设计主要围绕汽车刹车系统的结构来进行设计，对刹车系统的主要组成零部件进行方案优化分析。对刹车系统每一个组成部分都单独进行了计算，最后汇总主要参数信息，如汽车的制动力矩、制动主缸的直径、鼓式制动器的设计参数、制动器的相关参数、制动轮缸的工作容积以及制动踏板力与踏板工作路程的关联性计算等来进行汽车整体设计分析，设计出一款造价费用较低，性能稳定的刹车系统。合理运用辅助设计软件CATIA建立三维模型，对以设计好的的三维模型进行检验，避免零部件干涉等问题，经检验合格后，将设计合理的模型图输出成二维工程图。参照本次设计的装配和零部件图纸，可以更容易地理解此次设计的汽车刹车系统的布置以及思想。最终，根据设计的模型图来制作实物原理模型。关键词：刹车系统；制动器；制动力矩；三维建模AbstractThis

design

topic

is

the

automobile

brake

system,

its

reliability

is

related

to

the

driver's

life

safety,

is

an

indispensable

part

of

the

automobile.

Major

traffic

accidents

are

usually

caused

by

reasons

such

as

too

long

braking

distance

and

sideslip

during

emergency

braking,

so

the

braking

performance

on

the

car

is

a

most

important

guarantee

for

the

safety

of

a

car.

The

braking

system

is

the

reaction

system

that

first

protects

the

safety

of

the

vehicle

and

the

driver

when

there

is

a

problem

in

the

process

of

vehicle

running.

Nowadays,

with

the

continuous

improveof

ment

automobile

technology

and

powerautomobile

,

higher

requirements

have

been

put

forward

on

the

handlingand

safety

on

the

braking

system.This

design

mainly

around

the

structure

of

the

automobile

brake

system

to

design,

the

composition

of

the

brake

system,

the

main

components

on

the

brake

system

of

the

program

demonstration.Throughthecalculationonbraketorque,thedesignofdrumstructurebrakeparameters,thecheckofrelatedbrakeparts,thecalculationonbrakemaincylinderbutbrakewheelcylinderdiameter,theoveralldesignofanalysisbrakeforcepedalandpedalstrokebescarriedout,

the

design

of

a

low-cost,

stable

performance

of

the

brake

system.

The

3d

model

was

built

through

CATIA,

and

the

3d

model

diagram

was

tested

to

avoid

interference

of

parts

and

components.

Finally,

according

to

the

design

of

the

model

diagramtomaketheactualprinciple

model.Keywords:The

brake

system;

brake

;Braking

torque;3Dmodeling引言由于社会经济与科技的快速发展，汽车已经成为百姓日常生活中最流行的代步工具，也是生产过程中最实用的运输工具，在长时间驾驶汽车的过程中需要频繁地使用刹车系统，导致制动器所需的保养维护费用以及汽车动能消耗都较为巨大。汽车对刹车系统有着极高的依赖性，在复杂的道路环境中，制动器以及相关的零件磨损率较高，导致汽车的使用周期大幅度缩减。因此急需一种高效、节能、可靠、合理的刹车系统来提高汽车的使用寿命。行车制动和驻车制动装置已经成为所有车型的标配设备，对于汽车刹车系统起着重要作用，但是当处于特殊的驾驶环境中时，比如总是在道路较陡山区或复杂道路行驶的汽车，还应该配备更为复杂的刹车系统。驾驶员从自身安全的角度出发，会装配应急制动装置及辅助制动装置，特殊的道路清障以及救援车辆还会安装自动制动装置。现如今，随着辅助设计软件的不断发张，诸如CAD等软件在汽车设计中扮演着越来越重要的角色，无论是对汽车刹车系统的总布置设计或车身外观设计，还是内部重要零部件优化设计以及整车的动态性能分析都离不开CAD的辅助。随着社会对汽车的依赖，以及百姓居高不下的购车热情，为了缩短工厂测试汽车的损耗和实测时间，各大汽车企业在生产加工新车型的时候，纷纷加大了对CAD技术的投入开发，使得汽车的生产成本减少，有大量的资金用于优化汽车性能参数，极大地提高了产品质量和安全性，简化了生产加工的流程，同时也增强了国内汽车市场竞争力。本次设计以实际工作效果为目的出发，设计出具有足够的制动效能，能全天候使用的方案。在保证工作能力的前提下，刹车系统结构应尽量高效、稳定、安全并且生产加工流程要尽量简单，利于安装与维修。同时顺应现在我国汽车的发展趋势，做出一套成本经济且性能可靠的刹车系统。1设计目标1.1研究的目的与意义现如今，汽车已经是大众日常生活中最方便的代步工具，也是生产过程中最实用的运输工具，但是若长时间驾驶汽车且中途频繁地使用刹车系统，导致制动器所需的保养维护费用以及汽车动能消耗都较为巨大。汽车对刹车系统有着极高的依赖性，在复杂的道路环境中，制动器以及相关的零件磨损率较高，导致汽车的使用周期大幅度缩减。因此急需一种高效、节能、可靠、合理的刹车系统来提高汽车的使用寿命REF_Ref4614\r\h[1]。由于汽车经常在恶劣的工况环境下工作，以及其零部件设备的使用周期较短等原因，驾驶汽车往往需要大量的费用以及大量的能量REF_Ref4751\r\h[2]。根据相关调查，相关研究人员指出，全世界范围内用于汽车所消耗的能源，占人类总能源的30%左右，数量极其庞大，而且汽车刹车系统零部件的磨损程度最高，往往将会花费大量的时间进行设备维护，设备的使用寿命也将大大缩减，为此研究一款设备磨损程度低、高效节能的刹车系统是业界急需REF_Ref4810\r\h[3]。尽管汽车制造行业已经具备比较完善的设计理论，但是在国内高速发展的状态下，汽车零部件的需求也更加广泛，对其性能要求也更新颖，老式设备难以满足市场需求。为此国内相关具有独立自主、坚持创新发展的龙头企业一直加大研究，涌现出大批量的具有自主产权的新型汽车刹车系统设备，这些设备技术先进，广泛活跃于我国运输、矿产、建筑、冶金等相关领域，为我国制造行业做出了巨大的贡献REF_Ref4911\r\h[4]。图1.1汽车刹车系统图汽车及其相关零部件的发展与我们日常生产、生活大大相关，我国基建行业的高度领先，也大量依靠国内的汽车制造行业来提供技术支持，在我们的建设过程中起着重要的作用，为此我们应当不断创新，改良相关设备，设计生产出更适合人们需求的汽车以及相关设备。1.2国内外研究现状和发展趋势1.2.1国外研究现状汽车刹车系统种类繁多，在如今越来越复杂的行驶条件下，汽车极其依赖持续有效的制动力和操纵灵活性，因此气动制动系统以其独有的优势，在汽车和中小型客车中广泛安装。目前，欧洲国家广泛使用气压盘式制动器作为汽车制动执行机构，在客车上的客车安装率已达50%以上。此外根据国外汽车工业的发展趋势判断，由于人们对保护环境的意识日益提高，气压制动方式的应用将越来越广泛。目前国外生产的汽车零部件性能较为优异，尤其在汽车刹车系统设备上。根据不同用途，相应的会有各种型号的制动设备，而且各种设备的技术特点也不尽相同。1.2.2国内研究现状由于我国的工业化进程起步较晚，汽车行业相较于国外有不小的差距，低成本加工曾经是我国汽车行业的主要发展领域，所以在汽车设备的研制和生产上也有所落后，相应的基础以及技术积累较为匮乏。我国对汽车刹车设备的早期研发主要基于国外上个世纪的设备，受限于研发水平与创新能力的不足，汽车行业处于被外国车企垄端断的局面，导致在与制动系统相关方面的设备也相对落后REF_Ref5058\r\h[5]。但是经过多年的研究，以及相应的工作人员和技术储备的积累，国内的汽车刹车设备也取得了出色的成绩。在一些领域中，部分刹车设备在性能上已经能够媲美国外的同类设备。近几年，国内的汽车刹车设备不仅追赶上国外同类型设备的水平，并在一些领域实现了反超，取得了令国人骄傲的成绩，主要体现在以下几方面：（1）国内相应的汽车刹车系统制造商越来越多，随着技术的积累，也相应地推出各种新型产品，产品质量及数量都有了很大的提升。相关的技术研究已经脱离了仿制阶段。（2）国内的刹车系统设备规格也逐渐向高端化发展，处理能力得到了很大的提升，相关设备的生产能力得到有效的提高，汽车工业整体得到巨大的提高，达到先进水平REF_Ref5365\r\h[6]。（3）一般的刹车系统零部件磨损上较大，使用寿命短，经过国内设备公司的研制改进，国内的制动设备品质稳定，能够有效控制汽车刹车时的震动，并且降低长时间制动时机器的噪音，使之前易损零部件的使用寿命得到了极大提高。（4）设备型号品类增多，开始对客户需求进行针对性设计。经过众多本土汽车厂商的不断科研攻关以及国家政策的大力扶持，我国本土汽车品牌与国外知名厂商相比差距在明显缩小，仅在一些领域存在技术壁垒。我国汽车刹车系统设备现面临的问题如下：（1）国内生产的部分型号的刹车设备，虽能满足汽车制动时的工作强度，但在结构上依然存在设计不合理的问题，在材质配比使用以及生产精度等方面还有巨大的改进空间REF_Ref5437\r\h[7]。（2）国内相应的制动器设备产品序列少，对于止制动器设备的精细划分设计不够，没有相应的针对需求进行设计。（3）国内在高端的辅助制动设备上差距较大，没有配套的制动技术设备。1.2.3汽车刹车系统的发展趋势经过多年的发展，汽车刹车系统的技术得到了迅速的提高，综观国内外汽车工业的发展状况，汽车刹车系统的发展前景及趋势主要体现在以下两方面：（1）电子信息化随着电子技术的飞速发展，集成电路产业与半导体行业也随之发展到了一个新的高度。汽车防抱死制动系统已经被大多数汽所安装，在技术和生产流程上已经十分完善，已经有成为汽车标配零部件的趋势。它是基于行驶路面与轮胎之间的摩擦附着特性而研发的高水平汽车刹车系统，不仅能在汽车发生危险时进行有效的刹车缩短制动距离，而且还能及时地防止在紧急刹车时，汽车失去方向稳定性而出现翻车的危险，从而在保障了驾驶人安全的前提下，可以完全发挥出汽车出色的行驶性能。随着电子信息化的不断发展，全电制动控制系统代替以液压为主的制动控制系统是不可避免的趋势REF_Ref8020\r\h[8]。（2）全自动控制目前，随着中国制造2025工业计划的提出，汽车工业生产逐渐迈向自动化生产与智能化生产，高端的技术不仅能够有效提高制造效率，还能减少企业用人成本，并且在一些生产危险系数较高的设备加工过程中，有效地保障了一线生产工人的生命安全。对于汽车刹车系统相关设备的生产，也相应的走向了自动化生产模式，可以拥有多种控制系统，可以进行常规控制，也可以采用计算机控制，有效检测设备运行过程中机器设备的生产状态REF_Ref8092\r\h[9]。1.3主要研究内容（1）汽车刹车系统的结构设计对刹车系统的各个零部分进行合理的布置，主要对制动器结构进行优化，以达到结构布局紧凑，操作合理方便，各部分工作互不干涉，节约制造成本的目的。（2）工作可靠性为了保障驾驶人在驾驶汽车时的人身安全，现在的汽车刹车系统装配了行车制动和驻车制动两套互不干扰的制动装置，行车制动和驻车制动装置已经成为所有车型的标配设备，对于汽车刹车系统起着重要作用。且它们的驱动机构在工作时是不会相互干扰的，而且驱动机构中还会有两个互不干扰的管路，如果其中一个因为特殊原因不能正常运转时，这时另一套管路就会派上用场，至少不会使汽车完全失控REF_Ref8170\r\h[10]。2设计要求2.1产品设计客观条件本次毕业设计在设计与图纸绘制过程中，旨在利用最少的经费和最少的时间，设计出一种高效、耐用、可靠的汽车刹车系统结构。查阅相关书籍，参考同类车型的设备配置及参数、系统布置及装，同时根据刹车系统结构的设计任务书的要求，合理选择制动系统的型式、制动器的结构及参数并进行计算，验证所选参数是否满足设计任务书及汽车行业的生产要求，当符合基本要求后才初步确定参数，最终对汽车制动功效进行详细的系统设计。2.2实现产品的客观要求本次设计的成果主要基于汽车本身实际产品为主，在实习期间通过参与汽车刹车系统的生产过程，积累关于本次设计的经验。零部件的加工主要通过机床加工以及后期的人力装配，部分零件是在其他厂统一定制，大部分零件为型材焊接而成，要求焊接整体牢固，减少因焊接引起的变形。2.3内容要求2.3.1产品设计要求根据设备的具体实际情况对汽车刹车系统做以下要求：（1）制动距离要短，针对高速时应急刹车进行合理计算；（2）制动效能热稳定性好；（3）保持汽车刹车时的方向稳定，即不论以任何速度刹车，都不会 失去对汽车操控能力。2.3.2整体结构设计要求参考零部件的实际工作使用场景，对制动系统整体设计做以下要求：（1）紧凑合理，方便维修；（2）对于易受损件进行分离式设计，可以在维修过程中方便更换；（3）因为高强度的工作环境，产品要有足够牢固的结构强度；（4）保证结构的情况下，要尽量保证机器的外观，机器的设计尽量保证工业美感。2.4成果要求（1）毕业设计说明书；不少于40页；（2）汽车刹车系统的零件三维造型及装配，电子文件，一套；（3）所有非标零件图（标准CAD图电子文件）电子文件：一套；（4）汽车刹车系统的装配图（标准CAD图电子文件）：1张；（5）相对最复杂的非标零件打印图纸：3张，A3图幅；（6）汽车刹车系统的装配图，打印图纸1张，A1或A0图幅；（7）产品实物模型：一份。3设计方案3.1制动系统的分类按照工作时功用可分为：（1）行车制动系统；（2）驻车制动系统；（3）应急制动系统；（4）辅助制动系统。按照制动能源可分为：（1）人力制动系统—完全依赖司机的自我动能；（2）动力制动系统—将发动机工作时产生的热能和动能转变为其他形式的能量对汽车进行安全制动；（3）伺服制动系统—兼用人力和发动机的动能进行制动的制动系统。按照能量的传输方式可分为：（1）机械式；（2）液压式；（3）气压式；（4）电磁式。本次设计的出发点是让汽车能更好地在一般道路下行驶，而不是在山区等特殊路况下行驶，因此对辅助制动系统不进行深入研究。另外，考虑到本次设计所需费用的问题，故用所设计的驻车系统来取代应急系统，所以本次设计主要对制动系统和驻车制动系统来进行优化改进。3.2产品结构设计汽车刹车系统的结构主要有10个部分组成，它们分别是制动踏板和手柄、制动鼓、制动盘、汽车制动底板、制动摩擦衬片、制动蹄、制动钳，制动轮缸等。如图3.1所示。图3.1制动系统主要结构（1）制动踏板和手柄 根据人体工程力学的要求对汽车刹车踏板的行程和手动制动杆的位置进行设计，要求既要方便驾驶人操纵，还要尽可能提高驾驶舒适性。踏板行程：对轻型汽车来说应小于165mm，其中考虑了摩擦衬片的容许磨损量。手动制动杆的工作行程不应超过175mm～220mm。参照汽车行业规定，汽车制动踏板作用力一般为400N（轿车）600N（货车）。（2）制动鼓高刚性和高的热容量可以说是汽车制动鼓必须具备的条件，这将确保制动鼓在汽车制动器经常工作时也不超过温度极限，并且制动鼓也具有高的摩擦系数。轻型，中型和中型卡车，公共汽车经常使用HT200灰铸铁或合金铸铁制动鼓（图3.2的（a））;市场上大多数的汽车使用钢板冲压滚筒的圆筒部腹板灰口铸铁的组合制动鼓整体铸造（图3.2（b））。内鼓筒是灰铸铁加工而成的铸铝合金制动鼓(图3.2(c))在汽车市场中也占有很大一部分比例REF_Ref8324\r\h[11]。图3.2制动鼓根据刚性和强度的制动鼓的壁厚选择，当初认为有助于提高采取更大的壁厚的热容量似乎是一个不错的选择，但实验表明，即使在厚度13毫米增加到22毫米，最高摩擦表面温度不会有太大的变化。因此，在一般的制动鼓的铸件的壁厚被选择为：轿厢8〜13毫米，中型，大型客车是14〜19毫米。（3）制动蹄现在市场上大多数汽车以及轻型，微型货车制动蹄片的使用，大都选取T型钢轧制钢板冲压-焊接制成REF_Ref8464\r\h[12]。制动蹄截面形状和尺寸应保证良好的刚度，但汽车制动蹄腹板或有时具有径向槽或两个，更小的弯曲刚度导致摩擦衬片与鼓之间的均匀接触压力增大，从而使更多的均匀的衬片磨损，并且在制动过程中减少吱吱声。本设计使用热冲压-焊接制成的，凸缘的厚度取6毫米。（4）汽车制动底板 除了制动鼓，汽车制动器的每个零件都以制动板为安装基座，在安装过程中，各部分之间的位置，要保证装配到彼此是正确的。制动板必须具有足够的刚性以承受制动制动时间反力矩而不会损坏，制动底板必须有足够的刚度，才能时刻承受着制动器的制动反力矩而不损坏，常见的问题如汽车制动力矩减少和衬片磨损不均，皆因为制动底板刚度不够。本次制动板设计选择的热压模制，底部取出制动器为6mm的厚度。（5）制动轮缸 制动缸结构比较简单，被装配在车轮制动器中，比其它部件更方便安装。灰口铸铁是材料的轮缸主体，该缸是一个通孔，且需要最常见的加工方法-镗磨。活塞的外端压有铝合金钢开槽顶块，用于支撑制动蹄腹板或与端部装配件插入槽的端部REF_Ref8562\r\h[13]。安装抵靠橡胶密封件或橡胶杯活塞的内端表面，以密封所述轮缸的工作腔，车轮制动缸大多有两个活塞，双领蹄式制动器的两蹄则各用一个单活塞制动轮缸推动。本次设计采用的是领从蹄式的制动器，采用两个活塞推动。（6）制动盘当汽车制动器的法向力和切向力的制动作用都施加给了制动盘，制动盘上还要承受的热负荷。制动盘之后改进的盘式制动器被用于离开所述中间层盘径向通风槽，以提高冷却效果，从而使制动盘大大增加散热面积，冷却冷却效果明显。但是整体结构厚度较厚就是双层盘的劣势了，比如国产引进车型——宝马、丰田轿车和基吉普车也都选取过改进过后的制动盘，但其厚度在21～24.5之间，而一般不带通风槽的轿车制动盘，其厚度约在11～14之间。（7）制动钳 球墨铸铁KTH380-12，可锻铸铁QT400-18卡钳主体材料，并且使用轻合金制卡钳几。该设计使用连接到所述制动钳的螺栓和在离开所述外边缘的开口，当它是一个问题，可以维护修理或更换的制动垫，而不必移除所述制动钳。（8）摩擦材料 汽车刹车时制动系统温度会猛升到一较高数值，而此时还要求摩擦系数保持不变，因此抗热衰退性能好是选取摩擦材料时的主要依据，高而稳定的摩擦系数也是必不可少的条件REF_Ref8739\r\h[14]。市场上相对便宜的摩擦材料的摩擦系数大都在0.4～0.6，只有少数较贵的材料其稳定值可达0.8。本次设计计算制动器时选取0.4～0.45。同时摩擦系数愈高的材料其耐磨性愈差这个问题，选用摩擦材料时已经考虑REF_Ref25010\r\h[15]。（9）制动摩擦衬片在GB5763-1998《汽车制动器衬片》中，将制动摩擦衬片按目的分成4类。其中，第1类为驻车制动器用；第2类为微型、轻型汽车鼓式制动器用；第3类为中重型汽车的鼓式制动器用；第4类为盘式制动器用。其摩擦性能见表（3.1）。表3.1汽车制动器摩擦衬片的摩擦性能类别项目试验温度100℃150℃200℃250℃300℃350℃1类摩擦系数2）0.30～0.700.25～0.700.20～0.70——————指定摩擦系数3）的允许偏差±0.10±0.12±0.12——————磨损率（V），10－7cm3/（N•m）≤1.00≤2.00≤3.00——————2类摩擦系数2）0.25～0.650.25～0.700.20～0.700.15～0.70————指定摩擦系数3）的允许偏差±0.08±0.10±0.12±0.12————磨损率（V），10－7cm3/（N•m）≤0.50≤0.70≤1.00≤2.00————3类摩擦系数2）0.25～0.650.25～0.700.25～0.700.20～0.700.15～0.70——指定摩擦系数3）的允许偏差±0.08±0.10±0.12±0.12±0.14——磨损率（V），10－7cm3/（N•m）≤0.50≤0.70≤1.00≤1.50≤3.00——续表4类摩擦系数2）0.25～0.650.25～0.700.25～0.700.25～0.700.25～0.700.20～0.70指定摩擦系数3）的允许偏差±0.08±0.10±0.12±0.12±0.14±0.14磨损率（V），10－7cm3/（N•m）≤0.50≤0.70≤1.00≤1.50≤2.50≤3.50注：1）试验温度指试验机圆盘摩擦面温度；

2）摩擦系数范围包括允许偏差在内；

3）指定摩擦系数由供需双方商定。3.3制动系统的主要参数设计本次参考设计的中小型汽车的主要技术参数如下：汽车轴距L=3100mm；汽车空载及满载时的总质量kg，kg；空载、满载时的轴荷分配kg，kg；空载、满载时的轴荷分配kg，kg；质心相关参数；满载空载时所在位置，包括高度mm，mm；与前轴距离mm，mm；≤F=Z质心距离mm，mm；车轮滚动半径mm；轮胎型号：6.50-16,7.00-163.3.1制动强度和附着系数利用率按照确定采取的同步附着系数，可求得：（3-1）式中：——汽车轴距，；——制动力分配系数；——汽车质心高度。进而求得 （3-2）（3-3）式中：——制动强度；——汽车总的地面制动力；——前轴车轮的地面制动力；——后轴车轮的地面制动力。当时，，故，；。当时，前轮发生抱死时的参数影响最大总制动力的取值，即此时求得：（3-4）（3-5）（3-6）当时，前轮发生抱死时的参数影响最大总制动力的取值，即表3.2取不同值时对比GB12676-1999的结果0.73050.45238.08344.611862.315878.622716.337000.80.0620.13150.20950.29780.39870.51490.55740.66930.70320.74070.78240.82910.88180.9416GB2676—1999符合国家标准符合国家标准符合国家标准符合国家标准符合国家标准符合国家标准符合国家标准3.3.2制动器最大制动力矩当汽车在紧急情况下刹车时，若还想让汽车保持着方向稳定性和制动及时性，就必须了解并认真计算前、后轮制动器的制动力矩。在完全开发汽车附带质量的条件下得到最大制动力，则作用在车轮上的制动力和作用在地表上的力正比于法向力。因此，双轴汽车前、后车轮附着力同时被充分利用或前、后轮同时抱死的制动力之比为：（3-7）式中：——汽车质心离前后轴的距离；——同步附着系数；——汽车质心高度。根据参考数据，取上式的比值：小汽车约为1.4——1.7；货车约为0.6—0.8；车轮的计算力矩决定制动器所能具有的制动力矩，即（3-8）（3-9）式中：——前轴制动器的制动力，； ——后轴制动器的制动力，； ——前轴车轮上的地面法向反力；——后轴车轮上的地面法向反力；——车轮的有效半径采用相对小的同步附着系数值，是考虑到驾驶人在路况不好的情况下行车、且汽车不能高速行驶的情况。若在路况较好的情况下行车，需要保证在汽车刹车时，制动系统能够及时产生制动力约束到后驱车轮，防止抱死发生危险，此时前、后轴的车轮制动器所能具备的最大制动力矩可参考下式： 采用较大值的各类汽车，则是考虑汽车制动时的安全性，以此为依据来制定汽车前后轴的最大制动力矩。当时，相应的制动强度，故所需的后轴和前轴制动力矩为（3-10）（3-11）（3-12）式中：——该车所能遇到的最大附着系数；——制动强度；——车轮有效半径。N•m车轮上每个独立的制动器应有的制动力矩为的一半，为1721N•m。3.3.3鼓式制动器的结构参数与摩擦系数为了使制动器的降温性能较好，需要对制动鼓进行设计，首先选取制动鼓直径D或半径R，当代入公式中的力不发生改变时，如果制动鼓的直径越大，则说明制动力矩越大，而轮辋内径一般会约束直径的大小，但是制动鼓的质量随着的增大而增加，就会危害汽车行驶的安全性，原因是汽车的非悬挂质量增加太快。制动鼓与轮辋之间一般会存在大于23mm——38mm的空隙，有利于制动器冷却降温，可避免由于轮辋过热而损坏轮胎。根据轮辋的尺寸以及此空隙的要求即可求得制动鼓直径的尺寸REF_Ref8324\r\h[11]。另外制动鼓直径D与轮辋直径Dr之比的一般范围为轿车D/Dr=0.66——0.73mm货车D/Dr=0.72——0.83mm轻型汽车采用18的轮辋所以取D/Dr=0.78mm=406.4mmD=406.4×0.78=320mm轮辋外径一般比轿车制动鼓内径大125mm——150mm，轮辋外径一般比载货汽车和客车的制动鼓内径大80mm——100mm。对于深槽轮辋，其中间深陷部分的尺寸比轮辋名义直径小得多。见表（3.3）。表3.3制动鼓最大内径轮辋直径/in121314151620，22.5制动鼓最大内径/mm轿车180200240260——货车客车220240260300320420确定制动蹄摩擦村片的包角及宽度b，摩擦衬片的包角通常在=90——120度范围内选取，试验表明，摩擦衬片包角=90——100度时磨损最小，制动鼓的温度也最低，而制动效能则最高。在减小虽有利于散热，但由于单位压力过高将加速磨损。包角也不宜大于120度，因为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。综合上述所述本次设计汽车选为99度。由表3.4的规定，选取制动蹄摩擦片宽度b=85mm。表3.4《制动鼓工作直径及制动蹄片宽度尺寸系列》制动鼓工作直径D制动蹄片宽度B160303540455060180303540455060752003035404550607522030354045506075902404050607590110260405060759011028040606075901203005060657095110120140320556065709511012012034050657075851101201403506580100120140160180上述两个参数：，b加上已初定的制动鼓内径决定了每个制动器的摩擦面积，即式中：D——制动鼓内经mmb——制动蹄摩擦衬片宽度mm——分别为蹄的摩擦衬片包角（）。——单个制动器摩擦面积，=3.14×3202×99×3.14/180×85=427.04cm2（3-13）最后再计算图（3.4）中所有未知参数。摩擦衬片起始角如图（3.4）所示。制动蹄外缘的中部位置通常是摩擦衬片的布置位置，并令有时尝试使用单位面积压力的分布情况，通常将衬片在最大压力点位置对称布置，可以提高制动效能并且保证磨损均匀。另外，在制动缸被布置为满足在制动鼓内的情况下，该距离可以由（见图3.4）略有增加，这是用来提高制动效率。图3.4鼓式制动器的主要几何参数初步设计时可暂取a=0.8×160=128mm。如图（3.4）所示，制动蹄支销中心的坐标尺寸尽可能地小设计时常取mm，以使尽可能地大。初步设计可暂取c=0.8×160=128mm。3.4制动器的结构型式及选择3.4.1制动器的结构型式摩擦式制动器可以依据其转动器件的形状进行划分，可分为鼓式和盘式两大类，其主要结构型式如图（3.5）所示。图3.5制动器的结构型式3.4.2制动器的选择领从蹄式制动器的性能和稳定性都处于中等水平，由于其性能在制动汽车时正向和反向恒定，且结构简单，成本低，易于安装驻车制动机构，因此这种结构仍然被广泛用于中等和重型卡车的前后轮制动器和小汽车后轮的制动器。依据生产成本不宜太高，因此选择气压凸轮驱动领从蹄式制动器。3.5制动器的设计计算3.5.1制动蹄摩擦片的压力分布规律及径向变形规律通过上述分析，摩擦系数和摩擦制动材料对制动因子BF的产生有很大的影响。压力分布规律被精确地计算出并来解析长度方向是困难的，因为除了摩擦衬片很容易地发生弹性变形，制动鼓，制动蹄片和支撑架都发生弹性变形，但与摩擦衬片量的变形相比算相对小的。因此，在一般的近似计算仅考虑衬片的径向变形，剩余零部件的变形量较小，可以忽略不计，即，通常一些假设如下。（1）制动鼓制动蹄为绝对刚性体；（2）在外力作用下，变形仅发生在摩擦衬片上；（3）压力与变形符合虎克定律。3.5.2制动器因数的分析计算一般都要先对制动器的最大摩擦力矩进行计算分析，再根据其计算公式，由定义得出制动器因数BF的表达式。单个领蹄的制动蹄因数如下：(3-14)单个从蹄的制动蹄因数如下：(3-15)以上两式中 （3-16） （3-17）式中：——角对应的圆弧，单位为弧度。由本车型数据计算得A≈0.8758，B≈0.8527，BFT1≈1.3023，BFT1≈0.5452。以上各式中的有关结构尺寸参数见图3.7。图3.7支承销式制动蹄整个制动器因数BF为3.5.3固定凸轮式气制动器的制动器因数凸轮静止的气动制动器大概只有凸轮能绕固定轴线的旋转，使得其作用于领蹄和在张力P不相同，导致降低了汽车制动性能，但是增加了蹄的制动性能。因此，平均固定凸轮制动空气制动因子可以被计算如下：（3-18）式中：BFT1——按式（3.6）计算；BFT2——按式（3.7）计算。代入数据，计算得BF≈1.54。3.5.4制动距离分析从汽车刹车的全过程来分析，一个涵盖四个阶段，第一阶段驾驶员遇见紧急情况后做出应急反应，第二阶段就是驾驶员反应后给制动系统的力，第三阶段和第四阶段制动开始工作，之后随着前倾的退去放松刹车。当制动系统响应驾驶员操作开始，到汽车完全停止行驶代表车辆的制动距离的结束。它包括一个制动功能和连续制动距离s2和s3过往车辆在两个阶段。车辆的制动距离的计算公式为：（3-19）式中：τ2′——消除蹄片与制动鼓间存在的间隙所需的时间；τ2″——制动器制动力增长过程所需的时间；ua0——起始制动车速；abmax——最大制动减速度；s——制动距离。当驾驶员急速踩下制动踏板时，真空助力制动系和气压制动系制动器起作用时间为0.3~0.9s。按照相关设计参数，以及GB7258-2012《机动车运行安全技术条件》，当=30km/h时，空载检验制动距离要求不大于9米，满载时不大于10米；应急制动要求初速度为30km/h时，制动距离不大于20米。对气压制动系，制动协调时间不大于0.6s。代入上式计算得制动距离约为9.96米，满足法规要求。当驾驶员快速下压制动踏板时，制动助力器真空系统和气压制动系统中的刹车时间为0.3〜0.9S。在按照相关的设计参数，和GB7258-2012“安全操作机动车辆条件”，当=30公里每小时，制动距离所需负荷试验小于9米，满载不超过10米;30公里每小时的紧急制动请求第一速度时，制动距离小于18米。气压制动的制动协调时间系统应不超过0.6秒。到计算出来的制动距离约9.96米，满足相关法规要求。3.6制动驱动机构的设计制动驱动机构，用于发送司机的制动或其它动力源制动的驱动力，以便产生一个制动力矩。根据不同的电源系统，制动致动机构可以分为简单制动系统，动态制动系统和制动伺服系统三种类型。而根据力的传递方式又可分为机械式、液压式、气动式和气动-液压式等，如表3-5所示。本次设计驻车制动系统采取的机械式为杆系传力，其机构简单且造价低廉，而且性能稳定。由驾驶员拉动手柄，通过钢丝绳传递力到后驻车制动器，产生驻车效果。本次设计行车制动系统为液压式。可以实现无间隙传动，因此使汽车在制动时更平稳，并且操作省力反应快。表3.5制动驱动机构的结构型式制动力源力的传递方式用途型式制动力源工作介质型式工作介质简单制动系统（人力制动统）司机体力机械式杆系或钢丝绳仅用于驻车制动液压式制动液部分微型汽车的行车制动动力制动系统气压制动系发动机动力空气气压式空气中、重型汽车的行车制动气压-液压式空气、制动液液压动力制动系制动液液压式制动液伺服制动系统真空伺服制动系司机体力与发动机动力空气液压式制动液轿车，微、轻、中型汽车的行车制动气压伺服制动系空气液压伺服制动系制动液3.6.1液压制动轮缸的直径与工作容积制动轮缸对制动蹄或制动块的作用力P与轮缸直径d及制洞轮缸中的液压p之间有如下关系式：（3-20）式中：p—考虑制动动力调节装置作用下的轮缸或管路液压，p=10MPa。液压制动线路应在制动8MPA〜13MPa的范围内，轮缸压力是较高的直径小，但制动软管和管道，特别是管接头是一个更高的要求，耐压软管，强度和密封性联合要求更加严格。轮缸的直径在GB7524-87标准尺寸系列中选择，轮缸直径的尺寸选为17.5mm。盘式的为30mm。一个轮缸的工作容积：（3-21）式中：—一个轮缸活塞的直径；n—轮缸的活塞数目；—一个轮缸活塞在完全制动时的行程，=2mm；代入参数求得：=3787.63mm。全部轮缸的总工作容积为（3-22）式中：m—轮缸的数目；求得：=15150.5mm。3.6.2制动踏板力与踏板的行程制动踏板力可用下式验算：（3-23）式中：—制动主缸活塞直径；—制动管路的液压； —制动踏板机构传动比，=8； —制动踏板机构及制动主缸的机械效率，可取=0.9。求得：=528.69N汽车液压驱动机构制动轮缸径与制动主缸缸径之比为0.8，当较小时，其活塞行程及相应的踏板行程为（3-24）其中：—主缸活塞推杆间隙，取为1mm;；—主缸活塞，即，由主缸活塞不工作极限位置到杯这样的空行程， 它完全阻断了主缸的旁路孔行程，取3毫米。求得：=144mm。3.6.3真空助力器每个车辆配备有一个真空助力器，其增加施加到制动踏板的驾驶员的负压力。它位于制动踏板和主制动缸，前制动主缸成一体之间;连接通过由伺服真空增压室在车体的前围板的前两个螺栓制动踏板阀挺杆之后，所述控制装置调节所述叉的后面。真空助力器的设计采取输出力的比率来输入力=6.7。真空助力器B室设置，即真空室摆动零的程度，而不管助力器的机械效率，并且复位被忽略，而主缸推杆的横截面面积的弹簧反力的影响，可列出下列平衡方程：（3-25）解上式，得（3-26）式中：—伺服膜片有效直径，m；—橡胶反作用盘直径，m；—滑柱直径，m；—A腔即常压腔的真空度，67KPa；—输入力与输出力，N。再代入踏板力528.69N，得D=240mm。4三维建模本次三维建模均采取CATIA软件进行绘制，对于标准件则直接在CATIA软件的重用库里进行调取，最后对零件的三维建模进行了装配。4.1制动器主要零部件建模4.1.1后遮污板以xy基准面为草图平面，先在xy基准面绘制一个直径为120.5mm的大圆，在绘制一个直径100mm的小圆，保存草图。图4.1草图平面退出后使用拉伸命令，拉伸距离为5mm。图4.2拉伸后实体接下来，在刚刚建立好的三维模型上面点击建立草图，以模型上表面为草图基准面，以直径100mm的圆作下圆底部直径，建立一个凸台，上圆直径为80mm，如图所示图4.3凸台再以凸台上表面为基准面，绘制草图。绘制一个直径为80mm的圆，保存草图后退出。选择刚才所绘制的草图，点击拉伸切除命令图4.4切除后实体选择刚才所绘制的草图，点击拉伸切除命令贯穿凸台，如下图所示。图4.5拉伸切除凸台实体点击最上面的平面再绘制一个新草图，绘制一个直径为10mm的小圆，保存草图后退出。点击拉伸切除命令。在凸台上方打了一个小孔后，点击阵列（圆周）命令，方向随便选择一个外部大圆即可，角度为，实列数输入6，在要阵列特征里面选择刚刚打好的小孔，最后单击确定即可。图4.6后遮污板实体4.1.2后轮毂连接盘以xy基准面为草图平面，先在上视基准面绘制一个直径为200mm的大圆，在绘制一个直径140mm的小圆，保存草图。图4.7上基准面草图退出后，点击拉伸命令，选择刚绘制的草图进行拉伸，距离为220mm图4.8拉伸后实体然后在两端面中间创建一个新的基准平面，在此平面上绘制新的草图，建立一个直径为152mm的圆。保存草图后退出。图4.9新绘制草图然后点击拉伸命令，选在刚绘制的草图，拉伸距离为30mm。图4.10拉伸后实体点击刚拉伸的平面再绘制一个新草图，绘制一个直径为10mm的小圆，保存草图后退出。点击拉伸切除命令。在实体上打了一个小孔后，点击阵列（圆周）命令，方向随便选择一个外部大圆即可，角度为，实列数输入8，在要阵列特征里面选择刚刚打好的小孔，最后单击确定即可。图4.11后轮毂连接盘实体4.1.3其它重要零部件 图4.12摩擦衬片 图4.13支撑销 图4.14制动鼓 图4.15制动气室支撑（前） 图4.16制动蹄 图4.17制动底板（前）4.2前后装配图图4.18前轴装配图图4.19后桥装配图5有限元分析5.1有限元分析模型的建立利用CAD软件建立制动器的几何模型。根据现有的软硬件条件，结合分析目的，对零件模型进行了适当的简化，暂时去掉了大多数的圆角，删掉了制动蹄上的小凹槽；去除制动蹄上用于与摩擦衬片铰接用的螺孔和衬片上的小孔。该制动器由制动鼓，制动蹄和摩擦衬片三部分组成，几何模型如图所示。图5.1三维几何建模由于接触压强在制动蹄和鼓上的应力分布是设计的研究重点，所以在自动网格划分的基础上又仔细地对重点研究部位进行更细化的划分。制动器的有限元网格划分模型如图所示，共有单元33772个，节点65936个。图5.2网格划分5.2边界条件施加方式的确定制动鼓与车轮通过螺栓连接，车轮转动带动制动鼓转动。在螺栓孔上施加孔绕制动鼓中心的轴向和径向移动的约束。制动蹄一端用销固定，只能在促动力作用下绕销孔转动，故限制销孔的轴向和径向移动，促动力施加在滚轮空内壁上。本车型汽车制动器，衬片的摩擦系数f为0.35，领蹄促动力P1约为35.8kN,P2约为85.5kN,施加在制动器上的边界条件如图所示。图5-3边界条件5.3加载过程制动过程可用3个载荷步进行模拟：第一载荷步：制动鼓不动，在领蹄和从蹄上施加已确定的促动力，模拟制动蹄压紧制动鼓的工作过程。第二载荷步：促动力不变，对制动鼓施加转动位移，模拟制动鼓的转动。第三载荷步：对制动鼓进一步施加转动位移，提取摩擦衬片上的力矩，并给出其随时间变化的曲线，判断力矩是否达到稳定。分析3个载荷步的求解结果，确定力矩达到平稳时制动鼓之间的压强和制动鼓与制动蹄上的应力和应变。5.4计算结果及制动蹄的改进给出制动蹄在所加载荷情况下，得到的最大应力为114MPa，最大应变为从蹄端部1.3421mm，由于应力、应变满足工作强度刚度的要求，因此，本设计是满足设计要求的。图5-4最大变形图5-5应力分布图5-6制动蹄减少材料前后6整体渲染之前已经对汽车刹车系统零部件建立了三维模型，但是三维模型图整体颜色较为统一，不能有效展示整体外观，为了更好地展示汽车零部件外观，需要对刹车系统零件的三维模型图进行渲染，尽可能的接近实际生产情况。汽车刹车系统零部件的三维模型是采用CATIA软件绘制的，由于CATIA软件的渲染效果较差，为了更好地美化三维模型，本次采用Keyshot软件对产品整体进行渲染。首先，先在CATIA软件中将整体模型导出至Parasolid文本文件，导出的文件格式后缀为x-t。打开Keyshot软件，导入之前导出的X-T文件，然后对模型进行渲染，导入的模型软件将默认为统一材质和颜色，我们在渲染时，要首先对渲染的部件进行解除材料链接，再对部件进行材料赋予，然后改变部件颜色，调整渲染文件的各种场景、灯光等要素，达到较好的显示效果，再渲染成图片。最终得到的效果图如图所示。图6.1三维装配渲染图7实物制作鉴于材料、成本等因素，汽车刹车系统设计方案完成后，产品实物则需要用3D打印设备进行制作。3D打印设备的原理就是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层制造出来。3D打印技术已经较为成熟，能够较为清晰的展示最终的整体模型效果，但是由于汽车刹车系统的整体模型尺寸较大，综合考虑展示效果以及成本问题，在打印时要进行整体模型进行缩放，在打印时可以适当地对缩放模型进行修改，最好修改部位在整体内部进行，不得改变整体外形尺寸，具体实施方案如：适当加厚某个部位板材的厚度，也可以在内部打印支撑柱的形式进行。图7.1实物模型结论本文设计的汽车刹车系统，确定了符合标准的制动方案，同时结构合理，可保证汽车在刹车时能够受力平衡，而且使驾驶人的安全得到保障，拥有良好的工艺性能和工作效率。本次设计首先介绍了制动系统的发展现状，并对制动系统的作用，工作原理及分类进行了简要分析说明，并结合我国现有的相关标准和法规，应用汽车制动理论，对汽车刹车系统进行合理的设计和有限元分析。设计过程中，参照国家法律法规以及相关标准对所设计的各零部件进行校核分析，满足市场相关要求。尤其是对汽车刹车系统的组成以及各部件的结构进行了严密的理论证明，对工程设计的方法进行了摸索与实践，实现了设计任务的要求。通过这些设计和计算，运用软件合理绘制汽车刹车系统的三维模型和二维图纸，最后产品的实际效果与设计思路完全一致，完成了汽车刹车系统的设计。参考文献闻邦椿.振动机械的理论及应用[M].北京：机械工业出版社,1980邹慧君.机械系统设计原理[M].

北京：科学出版社,

2003[3]周云山,于秀敏.汽车电控系统理论与设计[M].

北京：北京理工大学出版社

,

1999[4]王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.4[5]刘杰.机电一体化技术基础与产品设计[M].

北京：冶金工业出版社

,

2003[6]齐志鹏.汽车制动系统的结构原理[M].

北京人民邮电出版社,2002[7]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社,

2000[8]张建民.机电一体化系统设计[M].

北京：高等教育出版社

,

2001[9]程军.汽车防抱死制动系统的理论与实践[M].

北京：北京理工大学出版社

,

1999[10]刘涛.汽车设计[M].北京：北京大学出版社，2008[11]肖永清，杨忠敏.汽车制动系统的使用与维护[M].北京：中国电力出版社，2004[12]陈朝晖.汽车制动对安全行驶的影响[J].热带农业工程.

2003(02),31-32[13]黄安华.汽车行车制动系统的发展[J].

汽车维修.

2010(07),46-48[14]鲍文良.汽车车轮制动器的改进设计[J].机械工程师.

2004(04),55-56[15]刘红强.关于汽车刹车系统的维修与保养[J].

科技与企业.

2013(06),292致谢值此成文之际，首先我要衷心地感谢我的指导老师对我的耐心细致的指导。从论文的选题、开展、定稿到最后的结果，指导老师在每个环节都耐心细致的帮我指导分析，给予了很大的支持和帮助。老师能够在百忙之中抽出时间指导我们的毕业设计，为我的设计提出了许多建设性的意见，这是我能完成这篇毕业论文的关键。另外，还要感谢本校智能工程学院的众多老师，是他们这四年默默的付出，才有我现在的知识水平，没有他们的悉心教诲，我也不能这么顺利地完成论文写作工作。通过这次撰写论文的经历，我知道了写论文不仅仅是撰写，前期需要做许多课前准备，例如要编写开题报告、任务书等，这些过程的目的在于使我们能对自己的论文体系以及研究成果有大致的方向和主体轮廓，为之后正式撰写论文提供清晰的思路。在写论文的过程中首先要了解课题的背景诸如国内外发展现状、优势劣势等等。这为课题设计的整体思路提供了方向，更快的完成课题工作。在此还要感谢在设计过程中帮助过我的同学们，每次提交论文前我们都会相互检查，挑出自己遗漏的小细节，省去了多次修改打印的麻烦。从中我深刻的体会到了团结力量大。最后我要向全体老师们表示感谢，谢谢他们在四年中教会我专业技能和专业知识，教会了我作为学生应该具有的认真与严谨，也教会我做人应该具有的优秀品质。感谢相识，感谢沈阳城市学院！

论文的研究方法和手段有哪些

（1）调查法

调查法是科学研究中最常用的方法之一。它是有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法。一般是通过书面或口头回答问题的方式获得大量数据，进而对调查中收集的大量数据进行分析、比较、总结归纳，为人们提供规律性的知识。

（一）典型例子

调查法中最典型的例子是问卷调查法。它是通过书面提问收集信息的一种方法，即调查人员编制调查项目表，分发或邮寄给相关人员，询问答案，然后收集、整理、统计和研究。

（二）研究步骤

1.确定调查课题

确定题目时要注意选题是否具有研究的必要性和可能性，同时要注意选题切忌太大，也要避免无意义的重复劳动。

2.制定调查计划

要明确调查课题、调查目的、调查对象、调查范围、调查手段、调查步骤、时间安排。

3.收集材料

收集材料时要尽可能保持材料的客观性，尽可能采取多种手段或途径。

4.整理材料

将收集到的材料进行整理，以便后续总结归纳、形成结论。

5.总结研究

对整理完的材料进行分析、总结、归纳，得出一般性的结论。

（三）特点

调查法相对其他研究方法来说较为耗时耗力，但也有其优势，即获得的一手资料信息真实具体，能够对研究对象有更加准确、清晰的认识。

（2）观察法

观察法是指人们有目的、有计划地通过感官和辅助仪器，对处于自然状态下的客观事物进行系统考察，从而获取经验事实的一种科学研究方法。

（一）典型例子

皮亚杰的儿童认知发展理论就是通过观察法提炼总结出来的；儿童心理学创始人——普莱尔，也是在一次次地使用观察法后，提出了儿童心理学领域中的诸多理论。

（二）研究步骤

1.明确观察对象

在选择和确定研究问题的基础上确定观察者与观察对象。

2.制