鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)書

第一章 制動(dòng)參數(shù)選擇及計(jì)算 第一節(jié) 汽車參數(shù)（符號(hào)以汽車設(shè)計(jì)為準(zhǔn)） 制動(dòng)器設(shè)計(jì)中需要的重要參量： 汽車軸距： L=1370mm 車輪滾動(dòng)半徑： r r =295 mm 汽車滿載質(zhì)量： ma=4100Kg 汽車空載質(zhì)量： mo=2600Kg 滿載時(shí)軸荷的分配： 前軸負(fù)荷39%，后軸負(fù)荷61% 空載時(shí)軸荷的分配： 前軸負(fù)荷47%，后軸負(fù)荷53% 滿載時(shí)質(zhì)心高度： hg =745mm 空載時(shí)質(zhì)心高度： hg＇=850mm 質(zhì)心距前軸的距離： L1 =835mm L1＇=726mm 質(zhì)心距后軸的距離： L2 =535mm L2＇=644mm 對(duì)汽車制動(dòng)性有影響的重要參數(shù)還有：制動(dòng)力及其分配系數(shù)、同步附著系數(shù)、制動(dòng)強(qiáng)度、附著系數(shù)利用率、最大制動(dòng)力矩與制動(dòng)因數(shù)等。 第二節(jié) 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 一 制動(dòng)力與制動(dòng)力矩分配系數(shù) 0 水平路面滿載行駛時(shí),前、后軸的負(fù)荷計(jì)算 對(duì)于后軸驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)械和車輛，在水平路面滿載行駛時(shí)前后軸的最大負(fù)荷按下式計(jì)算(g=9.8N／kg) 前軸的負(fù)荷F1=Ga(L2-hg)/(L-hg)=3830.8N 后軸的負(fù)荷F2=GaL1/(L-hg)=36349.2N --- 附著系數(shù)，瀝青.混凝土路面，取0.6 軸荷轉(zhuǎn)移系數(shù)： 前軸：m,1= FZ1/G1=0.24 后軸：m,2= FZ1/G2=1.48 1、(汽車?yán)碚?08頁(yè)) 水平路面滿載行駛制動(dòng)時(shí),地面對(duì)前后車輪的法向反作用力（滿載） FZ1= (L2+) =41009.81.370（0.535+0.60.745）=28800.55N FZ2= (L1-) =41009.81.370（0.835－0.60.745）=11379.45N 式中： G-- 汽車所受重力； L-- 汽車軸距； --汽車質(zhì)心離前軸距離； L--汽車質(zhì)心離后軸距離； --汽車質(zhì)心高度； g --重力加速度；(取9.80N／kg) 2 （汽車?yán)碚?,22） 汽車制動(dòng)時(shí)，如果不記車輪的滾動(dòng)阻力矩和汽車的回轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩，則任何角速度ω﹥0的車輪，其力矩平衡方程為 Mμ-FbRe=0 （4-2） 式中：Mμ--制動(dòng)器對(duì)車輪作用的制動(dòng)力矩，即制動(dòng)器的摩擦力矩，其方向與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反，N﹒m； Fb--地面作用于車輪上的制動(dòng)力，即地面與輪胎之間的摩擦力，又稱地面制動(dòng)力，其方向與汽車行駛方向相反，N； Re--車輪有效半徑，m 令 FB= Mμ/Re 并稱之為制動(dòng)器的制動(dòng)力，它是在輪胎周緣克服制動(dòng)器的摩擦力矩所需的力，因此又稱為制動(dòng)周緣力。FB與地面制動(dòng)力Fb的方向相反，當(dāng)車輪角速度ω﹥0時(shí)，大小亦相等，且FB僅由制動(dòng)器的參數(shù)所決定，即FB取決于制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式、尺寸，摩擦副的摩擦系數(shù)及車輪的有效半徑等，并與制動(dòng)踏板力即制動(dòng)系的液壓或氣壓成正比。當(dāng)增大踏板力以增大Mμ時(shí)，F(xiàn)B和Fb均隨之增大，但地面制動(dòng)力受附著條件的限制其值不可能大于附著力F，（汽車?yán)碚?2）地面對(duì)輪胎切向反作用力的極限值稱為附著力F Fb F= FZ (4-3) Fbmax= F= FZ (4-4) 式中 ： --輪胎與地面的附著系數(shù)（汽車?yán)碚?2頁(yè)）； FZ --地面對(duì)車輪的法向反力； (1) 前輪 ： Fb1≤F1=Fz1=28800.550.6=17280.33N Fb1max=F1= Fz1=28800.550.6=17280.33N (20后輪： Fb2≤F2= Fz2 =11379.450.6=6827.67N Fb2max=F2= Fz2=11379.450.6=6827.67N 當(dāng)制動(dòng)器的制動(dòng)力FB和地面制動(dòng)力Fb達(dá)到附著力F值時(shí)，車輪即被抱死并在地面上滑移，此后制動(dòng)力矩Mμ即表現(xiàn)為靜摩擦力矩Mf，而FB= Mμ/Re即成為與Fb相平衡以阻止車輪再旋轉(zhuǎn)的周緣力的極限值，當(dāng)制動(dòng)力車輪角速度ω=0以后，地面制動(dòng)力Fb達(dá)到附著力 F值后就不再增大，而制動(dòng)器的制動(dòng)力FB由于踏板力FD的增大使摩擦力矩Mf增大而繼續(xù)上升，如圖4-2所示 圖4-2制動(dòng)器制動(dòng)力、地面制動(dòng)力與踏板力的關(guān)系 3、制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)（汽車?yán)碚?10頁(yè)） （1）分配系數(shù) β=FB1/FB (4-7) FB1/ FB2=(L2+hg)/ (L2-hg) (4-8) FB= FB1+ FB2 (4-9) 可得 β=FB1/FB= FB1/（FB1+ FB2 ）=(L2+hg)/( L2+hg+ L1-hg)=(L2+ hg)/L (4-10) 即：β=L2/L+hg/L (4-11) 其中 L1=835mm L2=535mm L=1370mm hg=745mm 取=0.6 得到 β=L2/L+hg/L =(535+0.6745)1370 =0.72 （2）同步附著系數(shù) 0=（Lβ-L2）/ hg (4-12) =(13700.72－535)745=0.61 將0=0.61代入式(4-5)得 FZ1，= (L2+0) =41009.81.370（0.535+0.610.745） =29328.4670.989 =29005.85N FZ2，= (L1-0) =41009.81.370（0.835－0.610.745） =29328.4670.381 =11174.15N ①在同步附著系數(shù)前后輪同時(shí)抱死的路面上行駛時(shí)所得到的地面制動(dòng)力 前輪 ： Fb1≤F1=Fz10 Fb1max=F1= FZ1，0=29005.850.61=17693.57N 后輪： Fb2≤F2= Fz2 0 Fb2max=F2= Fz2，0=11174.150.61=6816.23N 第三節(jié) 鼓式制動(dòng)器的主要參數(shù)及其確定 制動(dòng)鼓應(yīng)有足夠的壁厚，用來(lái) 保證有較大的剛度和熱容量，以減小制動(dòng)時(shí)的溫升。 1．制動(dòng)鼓內(nèi)徑D 輸入入力一定時(shí)，制動(dòng)鼓內(nèi)徑越大，制動(dòng)力矩越大，且散熱能力也越強(qiáng)。 圖1-8 鼓式制動(dòng)器的幾何參數(shù) 但增大D(圖1—8)受輪輞內(nèi)徑限制。制動(dòng)鼓與輪輞之間應(yīng)保持足夠的間隙，通常要求該間隙不小于20mm．否則不僅制動(dòng)鼓散熱條件太差，而且輪輞受熱后可能粘住內(nèi)胎或烤壞氣門嘴。制動(dòng)鼓直徑與輪輞直徑之比的范圍如下： 乘用車 D／Dr=0.64～0.74 貨車： D／Dr=0 .70～0 .83 制動(dòng)鼓內(nèi)徑尺寸應(yīng)參照專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZB T24 D05—89《制動(dòng)鼓工作直徑及制動(dòng)蹄片寬度尺寸系列》選取。 圖1-8 鼓式制動(dòng)器的主要幾何參數(shù) 依據(jù)車輪型號(hào)：6.5--10 于是， 得輪輞直徑Dr Dr =25.4 x 10=254 mm （1 in=25.4mm） 取 D／Dr=0 .8 3 則制動(dòng)鼓內(nèi)徑直徑 D=0.83x Dr=0.83x254=210.82mm 參照中華人民共和國(guó)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn) QC/T 309—1999 《制動(dòng)鼓工作直徑及制動(dòng)蹄片寬度尺寸系列》 取 D=220mm 2．摩擦村片寬度b和包角β 摩擦村片寬度尺寸b的選取對(duì)摩擦襯片的使用壽命有影響。襯片寬度尺寸取窄些，則磨損速度快，襯片壽命短；若襯片寬度尺寸取寬些，則質(zhì)量大，不易加工，并且增加了成本。 制動(dòng)鼓半徑R確定后，襯片的摩擦面積為Ap=Rβb. 制動(dòng)器各蹄襯片總的摩擦面積∑Ap越大，制動(dòng)時(shí)所受單位面積的正壓力和能量負(fù)荷越小，從而磨損特性越好。 試驗(yàn)表明，摩擦襯片包角β=90～100時(shí)，磨損最小，制動(dòng)鼓溫度最低，且制動(dòng)效能最高。β角減小雖然有利于散熱，但單位壓力過(guò)高將加速磨損。實(shí)際上包角兩端處單位壓力最小，因此過(guò)分延伸襯片的兩端以加大包角，對(duì)減小單位壓力的作用不大，而且將使制動(dòng)不平順，容易使制動(dòng)器發(fā)生自鎖。因此，包角一般不宜大于120。 取 β=100 襯片寬度b較大可以減少磨損，但過(guò)大將不易保證與制動(dòng)鼓全面接觸。中華人民共和國(guó)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn) QC/T 309—1999 《制動(dòng)鼓工作直徑及制動(dòng)蹄片寬度尺寸系列》結(jié)合課本教材汽車設(shè)計(jì)王望予264頁(yè)表8-1掃路車總質(zhì)量4100千克，對(duì)于（3.5~7.0）t的商用車，單個(gè)制動(dòng)器總的摩擦面積Ap為（300~650）cm2,這里取 取 b=90mm 3.摩擦襯片起始角 一般將襯片布置在制動(dòng)碲的中央，即令=90－。有時(shí)為了適應(yīng)單位壓力的分布情況，將襯片相對(duì)于最大壓力點(diǎn)對(duì)稱布置，以改善磨損均勻性和制動(dòng)效能。 此設(shè)計(jì)中 令=90－=90－=40 4.制動(dòng)器中心到張開力作用線的距離e 在保證輪缸或制動(dòng)凸輪能夠布置于制動(dòng)鼓內(nèi)的條件下。應(yīng)使距離e(圖8—7)盡可能大，以提高制動(dòng)效能。 暫定 e=0.8R=0.8x110=88mm 5.制動(dòng)蹄支承點(diǎn)位置坐標(biāo)a和c 應(yīng)在保證兩蹄支承端毛面不致互相干涉的條件下，使a盡可能大而c盡可能小(圖8—7)。 暫定 a=0.8R=0.8x110=88mm 6. 摩擦片摩擦系數(shù) 摩擦片摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)力矩的影響很大，選擇摩擦片時(shí)不僅希望其摩擦系數(shù)要高些，更要求其熱穩(wěn)定性要好，受溫度和壓力的影響要小。不能單純地追求摩擦材料的高摩擦系數(shù)，應(yīng)提高對(duì)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和降低制動(dòng)器對(duì)摩擦系數(shù)偏離正常值的敏感性的要求，后者對(duì)蹄式制動(dòng)器是非常重要的。各種制動(dòng)器用摩擦材料的摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值約為0.3～0.5，少數(shù)可達(dá)0.7。一般說(shuō)來(lái)，摩擦系數(shù)愈高的材料，其耐磨性愈差。所以在制動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)并非一定要追求高摩擦系數(shù)的材料。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)的制動(dòng)摩擦片材料在溫度低于250℃時(shí)，保持摩擦系數(shù)0～0.40已無(wú)大問(wèn)題。本設(shè)計(jì)取=0.3。 第四節(jié) 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 （一 ） （汽車設(shè)計(jì)268頁(yè)）考慮到OAl≈OB1=R=110mm a=88mm （汽車設(shè)計(jì)266頁(yè)圖8-8 268頁(yè)圖8-9 汽車設(shè)計(jì)264頁(yè)圖8-7）（cos∠=88110=0.8 角度為370 R=110mm β=100 =400 α＇=1800--β-370 =3 0 α＇＇=β+α＇=103 （1）不均勻系數(shù) △=（α＇＇—α＇）／(cosα＇-cosα＇＇) =1030／（cos3 0-cos103） =1.798[0.999－(﹣0.225)] =1.7981.224 =1.47 （2） R1=4R(cosα＇-cosα＇＇)/[(cos2α＇-cos2α＇＇)2+(2β-sin2α＇＇+sin2α＇)2]1/2 =41101.224/[(0.995+0.899)2+(3.49+0.438+0.105)2]1/2 =538.56/(3.587+16.265) 1/2 =538.56/(19.852) 1/2 =538.56/4.456 =120.86mm 因?yàn)轭I(lǐng)蹄和從蹄大小尺寸相同　 　　 故 Ｒ１＝Ｒ２=120.88mm （二） 用液力驅(qū)動(dòng)時(shí)所需張開力為，采用領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器Fo1=F02 ①前輪 Ｆo= Mμ1max/2(R1+R2) = Fb1maxr r /2(R1+R2) =17693.57N295483.52 =10795.00N ②后輪 Ｆo‘= Mμ2max/2(R1+R2) = Fb2maxr r /2(R1+R2) =6816.23295483.52 =4158.64N (三) 檢查蹄有無(wú)自鎖 計(jì)算鼓式制動(dòng)器，必須檢查蹄有無(wú)自鎖的可能。 由式(8—10)得出自鎖條件。（汽車設(shè)計(jì)267頁(yè) f取0.3）（汽車設(shè)計(jì)266頁(yè)cˊ≈R）(汽車設(shè)計(jì)268頁(yè) δ1=δ=arctan(Fy/Fx) =arctan[(cos2α＇-cos2α＇＇)/(2β-sin2α＇＇+sin2α＇)] =arctan[(0.995+0.899)/ (3.49+0.438+0.105)] = arctan[1.894/ 4.033] = arctan0.47 =25.20 （ 汽車設(shè)計(jì)269頁(yè)） 當(dāng)式(8—10)中的分母等于零時(shí)，蹄自鎖，即 cˊ(COSδ1+fsinδ1)—fRl=0 0. 110（0.905+0.30.426）－0.30.12088 =0. 1101.033－0.036264=0.077≠0 如果f<cˊCOSδ1/(R1-csˊinδ1)就不會(huì)自鎖。 cˊCOSδ1/(R1-cˊsinδ1) = 1100.905（120.88－1100.426) =99.5574.02 =1.34＞f=0.3 制動(dòng)器不會(huì)自鎖 ㈣領(lǐng)蹄表面的最大壓力為 （汽車設(shè)計(jì)269頁(yè)）由方程式(8—5)和式(8—10)可計(jì)算出領(lǐng)蹄表面的最大壓力為（h=e+a =176mm） ①前輪 Pmaxl=Fo1 h R1/bR2(cosαˊ-cosαˊˊ)[cˊ(cosδ1+fsinδ1)-fR1] =107950.1760.12088/{0.0900.1121.224 0.77364} =2.23105N ②后輪 Pmax2=Fo ˊh R1/bR2(cosαˊ-cosαˊˊ)[cˊ(cosδ1+fsinδ1)-fR1] =4158.640.1760.12088/{0.0900.1121.224 0.77364} =8.58104N （五） 前，后制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算 為了保證汽車有良好的制動(dòng)效能，要求合理地確定前、后輪制動(dòng)器的制動(dòng)力矩。為此，首先選定同步附著系數(shù)0，并用下式計(jì)算前、后輪制動(dòng)力矩的比值 （8—17） 式中，Mμ1,Mμ2征為前、后輪制動(dòng)器的制動(dòng)力矩；Ll、L2為汽車質(zhì)心至前軸和后橋的距離；hg為汽車質(zhì)心高度。 然后，根據(jù)汽車滿載在柏油、混凝土路面上緊急制動(dòng)到前輪抱死拖滑，計(jì)算出前輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩Mμ1max；再根據(jù)前面已確定的前、后輪制動(dòng)力矩的比值計(jì)算出后輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩Mμ2 =（0.535+0.610.745）（0.835－0.610.745） = 0.9890.381=2.596 ① 前輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩 Mμ1max= Fb1maxr r =17693.570.295=5219.60315 =5219.60N.m ② 后輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩 Mμ2max= Mμ1max2.596 =5219.602.596=2010.63 N.m 一個(gè)車輪制動(dòng)器應(yīng)有的最大制動(dòng)力矩為按上列公式計(jì)算所得結(jié)果的一半值 （六）、襯片磨損特性的計(jì)算（汽車設(shè)計(jì)270頁(yè)） 摩擦襯片(襯塊)的磨損受溫度、摩擦力、滑磨速度、制動(dòng)鼓(制動(dòng)盤)的材質(zhì)及加工情況，以及襯片(襯塊)本身材質(zhì)等許多因素的影響，因此在理論上計(jì)算磨損性能極為困難。但試驗(yàn)表明，影響磨損的最重要的因素還是摩擦表面的溫度和摩擦力。從能量的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，汽車制動(dòng)過(guò)程即是將汽車的機(jī)械能(動(dòng)能和勢(shì)能)的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷纳⒌倪^(guò)程。在制動(dòng)強(qiáng)度很大的緊急制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)器幾乎承擔(dān)了汽車全部動(dòng)能耗散的任務(wù)。此時(shí)，由于制動(dòng)時(shí)間很短，實(shí)際上熱量還來(lái)不及逸散到大氣中，而被制動(dòng)器所吸收，致使制動(dòng)器溫度升高。這就是所謂制動(dòng)器的能量負(fù)荷。能量負(fù)荷越大，則襯片(襯塊)磨損將越嚴(yán)重。對(duì)于盤式制動(dòng)器的襯塊，其單位面積上的能量負(fù)荷比鼓式制動(dòng)器的襯片大許多倍，所以制動(dòng)盤的表面溫度比制動(dòng)鼓的高。 各種汽車的總質(zhì)量及其制動(dòng)襯片(襯塊)的摩擦面積各不相同，因而有必要用一種相對(duì)的量作為評(píng)價(jià)能量負(fù)荷的指標(biāo)。目前，各國(guó)常用的指標(biāo)是比能量耗散率，即每單位襯片(襯塊)摩擦面積的每單位時(shí)間耗散的能量。通常所用的計(jì)量單位為W／mm2。比能量耗散率有時(shí)也稱為單位功負(fù)荷，或簡(jiǎn)稱能量負(fù)荷。 雙軸汽車的單個(gè)前輪及后輪制動(dòng)器的比能量耗散率分別為 e1=δma(v12-v22)/4tA1β e1=δma(v12-v22)/4tA2(1-β) t=(v1-v2)/j 式中，ma為汽車總質(zhì)量(t)；δ為汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；v1,v2為制動(dòng)初速度和終速度(m／s)；j為制動(dòng)減速度(m／s2)；t為制動(dòng)時(shí)間(s)；Al、A2為前、后制動(dòng)器襯片(襯塊)的摩擦面積(mm2)；盧為制動(dòng)力分配系數(shù)。 掃路車最大轉(zhuǎn)移時(shí)速為V1=65Km／h ma=4.1t A=17278.76mm2 β=0.72 j=0.6g=0.69.8=5.88m／s2 t= V1／j=185.88=3.06s ① 在緊急制動(dòng)到停車的情況下，v2=0，并可認(rèn)為δ=1，故 （8—14） （8—15） =（41001820.72）（43.0617278.76）= 0.45W／mm2＜1．8W／mm2 =（41001820.28）（43.0617278.76）=1.761．8W／mm2 據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)推薦，鼓式制動(dòng)器的比能量耗散率以不大于1．8W／mm2為宜，計(jì)算時(shí)取減速度j=0．6g。制動(dòng)初速度v1：轎車用100km／h(27．8m／s)；總質(zhì)量3．5t以下的貨車用80km／h(22.2m／s)；總質(zhì)量3.5t以上的貨車用65km／h(18m／s)。轎車的盤式制動(dòng)器在同上的01和i的條件下，比能量耗散率應(yīng)不大于6．0W／mm2。對(duì)于最高車速低于以上規(guī)定的制動(dòng)初速度的汽車，按上述條件算出的‘值允許略大于1．8W／mm2。比能量耗散率過(guò)高不僅引起襯片(襯塊)的加速磨損，且有可能使制動(dòng)鼓或制動(dòng)盤更早發(fā)生龜裂。 ②另一個(gè)磨損特性指標(biāo)是每單位襯片(襯塊)摩擦面積的制動(dòng)器摩擦力，稱為比摩擦力fo。比摩擦力越大，則磨損將越嚴(yán)重。單個(gè)車輪制動(dòng)器的比摩擦力為 ， （8—16） 式中，Mμ為單個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩；R為制動(dòng)鼓半徑(襯塊平均半徑Rm或有效半徑Re)；A為單個(gè)制動(dòng)的襯片(襯塊)摩擦面積。 在j=0.6g時(shí)，鼓式制動(dòng)器的比摩擦力fo以不大于0．48N／mm2為宜。與之相應(yīng)的襯片與制動(dòng)鼓之間的平均單位壓力戶pm=fo／f=1.37～1.60N／mm2設(shè)摩擦因數(shù)f：0.3～0.35)。這比過(guò)去一些文獻(xiàn)中所推薦的pm許用值2～2．5N／mm2要小，因?yàn)槟p問(wèn)題現(xiàn)在已較過(guò)去受到更大程度的重視。 前輪 =2609.8 ② 前輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩 Mμ1max= Fb1maxr r =17693.570.295=5219.60315 =5219.60N.m ② 后輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩 Mμ2max= Mμ1max2.596 =5219.602.596=2010.63 N.