565_大學(xué)生方程式賽車(chē)設(shè)計(jì)（制動(dòng)與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)）
565_大學(xué)生方程式賽車(chē)設(shè)計(jì)（制動(dòng)與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)）,大學(xué)生,方程式賽車(chē),設(shè)計(jì),制動(dòng),行走,系統(tǒng)
大學(xué)生方程式賽車(chē)設(shè)計(jì)（制動(dòng)與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)）
摘 要
Formula SAE 賽事1980年在美國(guó)舉辦第一次比賽，現(xiàn)在已經(jīng)是為汽車(chē)工程學(xué)會(huì)的學(xué)生成員舉辦的一項(xiàng)國(guó)際賽事，其目的是設(shè)計(jì)、制造一輛小型的高性能方程式賽車(chē)，并使用這輛自行設(shè)計(jì)和制造的賽車(chē)參加比賽。中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)比賽的組織與開(kāi)展始于2010年，至今已成功舉辦了三屆。
本文主要闡述了在中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽組委會(huì)制定的規(guī)則下，如何設(shè)計(jì)一輛Formula SAE 賽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用的是前盤(pán)后盤(pán)的液壓雙回路制動(dòng)系方案。它的工作原理是利用與車(chē)身(或車(chē)架)相連的非旋轉(zhuǎn)元件和與車(chē)輪(或傳動(dòng)軸)相連的旋轉(zhuǎn)元件之間的相互摩擦來(lái)阻止車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，亦即由制動(dòng)踏板的踏板力通過(guò)推桿和主缸活塞，使主缸油液在一定壓力下流入輪缸，并通過(guò)輪缸活塞推使制動(dòng)襯片夾緊制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生摩擦力矩，從而產(chǎn)生制動(dòng)力，使車(chē)輪減速直至停車(chē)。
由于賽車(chē)本身質(zhì)量較小，很多地方不能按常規(guī)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，我主要采用了市場(chǎng)調(diào)研的方法，先選取一些類似的車(chē)型，依據(jù)它們的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合賽車(chē)的實(shí)際情況反復(fù)驗(yàn)證，通過(guò)極限算法計(jì)算出完全制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(pán)的最小尺寸。同時(shí)在極限工況下對(duì)幾個(gè)危險(xiǎn)截面的零件的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，使其滿足要求。同時(shí)利用UG軟件進(jìn)行了建模，以輔助后續(xù)工作的順利進(jìn)行。
關(guān)鍵詞：Formula SAE，賽車(chē)，制動(dòng)，校核
I
FORMULA RACING BRAKE AND WALKING
SYSTEM DESIGN
ABSTRACT
Formula-SAE launched in the USA in 1980, Formula-SAE is now an international competition for Society of Automotive Engineers student members to form teams for the purpose of designing, building and competing in a small high-performance race car.
The article discusses how to design a Formula SAE car's braking system。My design uses a dual hydraulic disc front after-hours circuit brake system program.How does it work is using the friction between the non-rotating components which are connected to the body (or frame) and the rotation components which are connected to the wheels (or drive shaft) to prevent wheel spin or turn the trend.
That is, from the brake pedal for pedal force by Rod and master cylinder piston, the master cylinder oil flows into the wheel cylinders under some pressure, And through the wheel cylinder piston that brake lining clamping brake friction torque, so as to produce the braking force to the wheels to speed up to park.
As the quality of the car itself is small, many places are not design by the conventional method ，I mainly uses the market research methods, firstly I selected some similar models ，combinating their braking systems and the actual car,I repeatedly verified. by the limit of complete braking algorithm the minimum size of the brake disc.At the same time in extreme conditions,I verified the strength on several dangerous section of parts ,to meets the requirements. At the same time I made use of UG software modeling.
KEY WORD: Formula SAE, racing, brake,design
II
常 用 符 號(hào) 表
L 汽車(chē)軸距, m
ma 汽車(chē)滿載時(shí)總質(zhì)量，kg
G1 滿載前軸負(fù)荷，N
hg 質(zhì)心高度，mm
L1 質(zhì)心距前軸距,mm
L2 質(zhì)心距后軸距,mm
Re 車(chē)輪有效半徑,mm
Rr 車(chē)輪滾動(dòng)半徑,mm
Z1 地面對(duì)前軸的法向反力,N
Z2 地面對(duì)后軸的法向反力,N
Ff1 前軸車(chē)輪的制動(dòng)器制動(dòng)力,N
Ff2 后軸車(chē)輪的制動(dòng)器制動(dòng)力,N
FB1 前軸車(chē)輪的地面附著力,N
FB2 后軸車(chē)輪的地面附著力,N
a 制動(dòng)減速度
g 重力加速度
輪胎與地面的附著力
FB 汽車(chē)承受的總的地面制動(dòng)力
Tf 制動(dòng)器對(duì)車(chē)輪的制動(dòng)力矩
V 汽車(chē)行駛速度
β 制動(dòng)力分配系數(shù)
地面附著系數(shù)
δ 制動(dòng)輪缸的活塞行程,mm
dw 輪缸直徑,mm
Vm 主缸工作容積,
III
目 錄
第一章 概述 1
§1.1制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義 1
§1.2制動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 1
§1.3大學(xué)生方程式賽車(chē)制動(dòng)規(guī)則和要求 2
§1.3.1 制動(dòng)系統(tǒng)概況 2
§1.3.2 制動(dòng)測(cè)試 2
第二章 制動(dòng)系統(tǒng)方案論證分析與選擇 3
§2.1 制動(dòng)器形式方案分析 3
§2.1.1 鼓式制動(dòng)器 3
§2.1.2 盤(pán)式制動(dòng)器 4
§2.2 制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)形式選擇 5
§2.2.1 簡(jiǎn)單制動(dòng)系 6
§2.2.2 動(dòng)力制動(dòng)系 6
§2.2.3 伺服制動(dòng)系 7
§2.3 液壓分路系統(tǒng)的形式的選擇 7
§2.4 液壓制動(dòng)主缸的設(shè)計(jì)方案 9
第3章 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 11
§3.1 制動(dòng)器主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
§3.2 制動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)數(shù)值 11
§3.2.1 同步附著系數(shù)的分析 12
§3.2.2 地面對(duì)前、后輪的法向反作用力 12
§3.2.3 盤(pán)式制動(dòng)器主要參數(shù)確定 13
第四章 盤(pán)式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
§4.1 盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算 16
§4.2制動(dòng)力與制動(dòng)力分配系數(shù) 17
§4.3 制動(dòng)器熱容量和溫升的核算 21
§4.4摩擦襯片磨損特性的計(jì)算 22
第五章 液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
§5.1 制動(dòng)輪缸直徑與工作容積 24
V
§5.2 制動(dòng)主缸直徑與工作容積 25
§5.3 制動(dòng)踏板力與踏板行程 26
§5.4 制動(dòng)性能計(jì)算 28
第六章 行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29
§6.1 汽車(chē)行駛系統(tǒng)概述 29
§6.1.1 輪轂的設(shè)計(jì) 30
§6.1.2 立柱的設(shè)計(jì) 30
§6.2制動(dòng)盤(pán)座體的設(shè)計(jì) 32
§6.2.2 銷(xiāo)的校核 34
§6.2.3 花鍵的校核 38
第七章 結(jié) 論 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 44
附 錄 45
VI
第一章 概 述
§1.1 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義
汽車(chē)是現(xiàn)代交通工具中用得最多、最普遍、也是運(yùn)用得最方便的交通工具。汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是汽車(chē)底盤(pán)上的一個(gè)重要系統(tǒng)，它是制約汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的裝置，而制動(dòng)器又是制動(dòng)系中直接作用制約汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵裝置，是汽車(chē)上最重要的安全件。汽車(chē)的制動(dòng)性能直接影響汽車(chē)的行駛安全性。隨著公路業(yè)的迅速發(fā)展和車(chē)流密度的日益增大，人們對(duì)安全性、可靠性的要求越來(lái)越高，為保證人身和車(chē)輛安全，必須為汽車(chē)配備十分可靠的制動(dòng)系統(tǒng)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為大學(xué)生方程式賽車(chē)制動(dòng)系與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
§1.1.1 制動(dòng)系統(tǒng)的重要性
汽車(chē)作為陸地上的現(xiàn)代重要交通工具，有許多保證其使用性能的大部件，即所謂“總成”組成，制動(dòng)系就是其中一個(gè)重要的總成。它既可以使行駛中的汽車(chē)減速，又可以保證停車(chē)后的汽車(chē)駐留原地不動(dòng)。由此可見(jiàn)汽車(chē)制動(dòng)系對(duì)于汽車(chē)行駛的安全性和停車(chē)的可靠性起著重要的保證作用。
當(dāng)今，隨著高速公路網(wǎng)的不斷擴(kuò)展、汽車(chē)車(chē)速的提高以及車(chē)流密度的增大，對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系的工作可靠性要求顯得日益重要。因?yàn)橹挥兄苿?dòng)性能良好、制動(dòng)系工作可靠的汽車(chē)才能充分發(fā)揮出其高速行駛的動(dòng)力性能并保證行駛的安全性。由此可見(jiàn)，制動(dòng)系是汽車(chē)非常重要的組成部分，從而對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算也就顯得非常重要了。
§1.1.2 行走系統(tǒng)的功用
汽車(chē)行走系統(tǒng)的功用是：
1、將發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩變?yōu)橥苿?dòng)汽車(chē)行駛的驅(qū)動(dòng)力，并使驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)變成汽車(chē)在地面上的移動(dòng)。
2、傳遞并承受路面作用于車(chē)輪上的各向反力及其所形成的力矩。
3、盡可能緩和不平路面對(duì)車(chē)身造成的沖擊和振動(dòng)，保證汽車(chē)行駛平順性，且與汽車(chē)轉(zhuǎn)向系很好地配合工作，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行駛方向的正確控制，以保證汽車(chē)操縱穩(wěn)定性。
4、支承汽車(chē)的全部重量。
§1.2制動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
車(chē)輛在形式過(guò)程中要頻繁進(jìn)行制動(dòng)操作，由于制動(dòng)性能的好壞直接關(guān)系到交通和人身安全，因此制動(dòng)性能是車(chē)輛非常重要的性能之一，改善汽車(chē)的制動(dòng)性能始終是汽車(chē)設(shè)計(jì)制造和使用部門(mén)的重要任務(wù)。當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，由于車(chē)輛受到與行駛方向相反的外力，所以才導(dǎo)致汽車(chē)的速度逐步減小到0，對(duì)這一過(guò)程中車(chē)輛受力情況的分析有助于制動(dòng)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，因此制動(dòng)過(guò)程受力情況分析是車(chē)輛試驗(yàn)和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，由于這一過(guò)程較為復(fù)雜，因此一般在實(shí)際中只能建立簡(jiǎn)化模型分析，通常人們從三個(gè)方面來(lái)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)：
1、制動(dòng)效能：即制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度；
2、制動(dòng)效能的恒定性：即熱衰退性；
3、制動(dòng)時(shí)汽車(chē)方向的穩(wěn)定性；
目前，對(duì)于整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的研究主要通過(guò)路試或臺(tái)架進(jìn)行，由于在汽車(chē)道路試驗(yàn)中車(chē)輪扭矩不易測(cè)量，因此，多數(shù)有關(guān)制動(dòng)系的試驗(yàn)均通過(guò)間接測(cè)量來(lái)進(jìn)行汽車(chē)在道路上的行駛，其車(chē)輪與地面的作用力是汽車(chē)運(yùn)動(dòng)變化的根據(jù)，在汽車(chē)道路試驗(yàn)中，如果能夠方便地測(cè)量出車(chē)輪上扭矩的變化，則可為汽車(chē)整車(chē)制動(dòng)性能研究提供更全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和性能評(píng)價(jià)。
§1.3大學(xué)生方程式賽車(chē)制動(dòng)規(guī)則和要求
§1.3.1 制動(dòng)系統(tǒng)概況
賽車(chē)必須配備有剎車(chē)系統(tǒng)。并且作用于所有四個(gè)車(chē)輪上，而且只被一個(gè)控制器控制。
1、它必須有兩套獨(dú)立的液壓回路，以防系統(tǒng)泄漏或失效時(shí)，至少在兩輪上還保持有有效的制動(dòng)力。每個(gè)液壓回路必須有其專屬的儲(chǔ)油罐（可用獨(dú)立儲(chǔ)油罐或用原廠的儲(chǔ)油罐）。
2、單個(gè)剎車(chē)作用時(shí)，有限的滑移差是可以接受的。
3、剎車(chē)系統(tǒng)必須在以下的測(cè)試中，能夠抱死所有四個(gè)輪。
4、線控制動(dòng)是禁止的。
5、沒(méi)有保護(hù)的塑料剎車(chē)線是禁止的。
6、剎車(chē)系統(tǒng)必須裝有碎片護(hù)罩，以防傳動(dòng)系失效或小碰撞（引起的碎片破壞制動(dòng)系統(tǒng)）。
7、從側(cè)面看，安裝在賽車(chē)簧上（簧上質(zhì)量：指懸架支撐的質(zhì)量）部分上的剎車(chē)系統(tǒng)的任何部分都不可以伸到車(chē)架或者承載式車(chē)身的下表面以下。
§1.3.2 制動(dòng)測(cè)試
制動(dòng)系統(tǒng)將在動(dòng)態(tài)中測(cè)試。測(cè)試時(shí)，賽車(chē)將首先在制動(dòng)檢查官規(guī)定的直賽道上加速，在直道末端，帶車(chē)必須制動(dòng)至靜止，并且要求四輪抱死且不跑偏。
19
第二章 制動(dòng)系統(tǒng)方案論證分析與選擇
§2.1 制動(dòng)器形式方案分析
汽車(chē)制動(dòng)器幾乎均為機(jī)械摩擦式，即利用旋轉(zhuǎn)元件和固定元件兩工作表面間的摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力矩使汽車(chē)減速或停車(chē)。一般摩擦式制動(dòng)器按旋轉(zhuǎn)元件的形狀分為鼓式和盤(pán)式兩大類。
§2.1.1 鼓式制動(dòng)器
鼓式制動(dòng)器是最早形式汽車(chē)制動(dòng)器，當(dāng)盤(pán)式制動(dòng)器還沒(méi)有出現(xiàn)前，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類汽車(chē)上。鼓式制動(dòng)器又分為內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器和外束型鼓式制動(dòng)器兩種結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器的摩擦元件是一對(duì)帶有 圓弧形摩擦蹄片的制動(dòng)蹄，后者則安裝在制動(dòng)底板上，而制動(dòng)底板則緊固在前橋的前梁或后橋橋殼半軸套管的凸緣上，其旋轉(zhuǎn)的摩擦元件作為制動(dòng)鼓。車(chē)輪制動(dòng)器的制動(dòng)鼓均固定在輪轂上。制動(dòng)時(shí)，利用制動(dòng)鼓的圓柱內(nèi)表面與制動(dòng)蹄摩擦蹄片的外表面作為一對(duì)摩擦表面在制動(dòng)鼓上產(chǎn)生摩擦力矩，故又稱為蹄式制動(dòng)器。外束型鼓式制動(dòng)器的固定摩擦元件是帶有摩擦片且剛度較小的制動(dòng)帶，其旋轉(zhuǎn)摩擦元件為制動(dòng)鼓，并利用制動(dòng)鼓的外圓柱表面與制動(dòng)帶摩擦片的內(nèi)圓弧作為一對(duì)摩擦表面，產(chǎn)生摩擦力矩作用于制動(dòng)鼓，故又稱為帶式制動(dòng)器。在汽車(chē)制動(dòng)系中，帶式制動(dòng)器曾僅用作一些汽車(chē)的中央制動(dòng)器，通常所說(shuō)的鼓式制動(dòng)器就是指這種內(nèi)張型鼓式結(jié)構(gòu)，鼓式制動(dòng)器按蹄的類型分為:
1、領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器；
2、雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器；
3、雙向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器；
4、單向增力式制動(dòng)器。
圖2-1 雙向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器
但由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題使它在制動(dòng)過(guò)程中散熱和排水性能差，容易導(dǎo)致制動(dòng)效率下降。因此，在轎車(chē)領(lǐng)域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤(pán)式制動(dòng)器。但由于成本低，仍然在一些經(jīng)濟(jì)型車(chē)中使用，主要用于制動(dòng)負(fù)荷比較小的后輪和駐車(chē)制動(dòng)。
§2.1.2 盤(pán)式制動(dòng)器
盤(pán)式制動(dòng)器按摩擦副中定位原件的結(jié)構(gòu)不同可分為鉗盤(pán)式和全盤(pán)式兩大類。
圖2-2 盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖
一、鉗盤(pán)式
鉗盤(pán)式制動(dòng)器按制動(dòng)鉗的結(jié)構(gòu)形式不同可分為定鉗盤(pán)式制動(dòng)器、浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器等。
1、定鉗盤(pán)式制動(dòng)器：這種制動(dòng)器中的制動(dòng)鉗固定不動(dòng)，制動(dòng)盤(pán)與車(chē)輪相連并在制動(dòng)鉗體開(kāi)口槽中旋轉(zhuǎn)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：除活塞和制動(dòng)塊外無(wú)其他滑動(dòng)件，易于保證制動(dòng)鉗的剛度；結(jié)構(gòu)及制造工藝與一般鼓式制動(dòng)器相差不多，容易實(shí)現(xiàn)鼓式制動(dòng)器到盤(pán)式制動(dòng)器的改革，能很好地適應(yīng)多回路制動(dòng)系的要求。
2、浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器：這種制動(dòng)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：僅在盤(pán)得內(nèi)側(cè)具有液壓缸，故軸向尺寸小，制動(dòng)器能進(jìn)一步靠近輪轂；沒(méi)有跨越制動(dòng)盤(pán)的油道或油管，液壓缸冷卻條件好，所以制動(dòng)液汽化的可能性??；成本低；浮動(dòng)盤(pán)的制動(dòng)塊可兼用駐車(chē)制動(dòng)。
二、全盤(pán)式
在全盤(pán)制動(dòng)器中，摩擦副的旋轉(zhuǎn)元件及固定元件均為圓盤(pán)形，制動(dòng)時(shí)各盤(pán)摩擦表面全部接觸，其作用原理與摩擦式離合器相同。由于這種制動(dòng)器散熱條件較差，其應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有鉗盤(pán)式制動(dòng)器廣泛。
盤(pán)式制動(dòng)器與鼓式制動(dòng)器相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、制動(dòng)效能穩(wěn)定性好；
2、制動(dòng)力矩與汽車(chē)運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)；
3、易于構(gòu)成雙回路，有較高的可靠性和安全性；
4、尺寸小、質(zhì)量小、散熱好；
5、制動(dòng)襯塊上壓力均勻，襯塊磨損均勻；
6、更換襯塊工作簡(jiǎn)單容易。
7、襯塊與制動(dòng)盤(pán)間的間隙小，縮短了制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間。
8、易于實(shí)現(xiàn)間隙自動(dòng)調(diào)整。
綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)最終確定本次設(shè)計(jì)采用前后盤(pán)式制動(dòng)器，且均為浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器。
§2.2 制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)形式選擇
根據(jù)動(dòng)力源的不同，制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為簡(jiǎn)單制動(dòng)、動(dòng)力制動(dòng)及伺服制動(dòng)三大類型。而力的傳遞方式又有機(jī)械式、液壓式、氣壓式、氣壓-液壓式的區(qū)別。
§2.2.1 簡(jiǎn)單制動(dòng)系
a） b）
圖2-3 駐車(chē)制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖（a）、人力液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖（b）
簡(jiǎn)單制動(dòng)系即人力制動(dòng)系，是靠司機(jī)作用于制動(dòng)踏板上或手柄上的力作為制動(dòng)力源。而傳力方式有機(jī)械式和液壓式兩種（如圖2-3）。
機(jī)械式的靠桿系或鋼絲繩傳力，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造假低廉，工作可靠，但機(jī)械效率低，因此僅用于中、小型汽車(chē)的駐車(chē)制動(dòng)裝置中。
液壓式的簡(jiǎn)單制動(dòng)系統(tǒng)通常稱為液壓制動(dòng)系，用于行車(chē)制動(dòng)裝置。其優(yōu)點(diǎn)是作用滯后時(shí)間短（0.1-0.3s),工作壓力大（可達(dá)10MPa-12MPa),缸徑尺寸小，可布置在制動(dòng)器內(nèi)部作為制動(dòng)蹄的張開(kāi)機(jī)構(gòu)或制動(dòng)塊的壓緊機(jī)構(gòu)，使之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、質(zhì)量小、造價(jià)低。但其有限的力傳動(dòng)比限制了它在汽車(chē)上的適用范圍。另外，液壓管路在過(guò)渡受熱時(shí)會(huì)形成氣泡而影響傳輸，即產(chǎn)生所謂“氣阻”使制動(dòng)效能降低甚至失效；而當(dāng)氣溫過(guò)低時(shí)（-25攝氏度和更低時(shí)），由于制動(dòng)液的粘度增大，使工作的可靠性降低，以及當(dāng)有局部損壞時(shí)，使整個(gè)系統(tǒng)都不能繼續(xù)工作，液壓式簡(jiǎn)單制動(dòng)系曾廣泛用于轎車(chē)、輕型及以下的貨車(chē)和部分中型貨車(chē)上。但由于操作較沉重，不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車(chē)提高操作輕便性的要求，故當(dāng)前僅多用于微型汽車(chē)上，在轎車(chē)和輕型汽車(chē)已經(jīng)極少采用。
§2.2.2 動(dòng)力制動(dòng)系
動(dòng)力制動(dòng)系是以發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力形成的氣壓或液壓勢(shì)能作為汽車(chē)制動(dòng)的全部力源進(jìn)行制動(dòng)，而司機(jī)作用于制動(dòng)踏板或手柄上的力僅用于對(duì)制動(dòng)回路中控制元件的操縱。在簡(jiǎn)單制動(dòng)系中的踏板力與其行程間的發(fā)比例關(guān)系在動(dòng)力制動(dòng)系中便不復(fù)存在。
動(dòng)力制動(dòng)系有氣壓制動(dòng)系、氣頂液式制動(dòng)系和全液壓動(dòng)力制動(dòng)系3種。
1、氣壓制動(dòng)系
氣壓制動(dòng)系是動(dòng)力制動(dòng)系最常見(jiàn)的型式，由于可獲得較大的制動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，且主車(chē)與被拖的掛車(chē)以及汽車(chē)列車(chē)之間制動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接和斷開(kāi)均很方便，因此被廣用于總質(zhì)量為8t以上尤其是15t以上的載貨汽車(chē)、越野汽車(chē)和客車(chē)上，但氣壓制動(dòng)系必須采用空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣筒、制動(dòng)閥等裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、輪廓尺寸大、造價(jià)高；管路中氣壓的產(chǎn)生和撤除均較慢，作用滯后時(shí)間較長(zhǎng)（0.3s-0.9s),因此，當(dāng)制動(dòng)閥到制動(dòng)氣室和儲(chǔ)氣罐的距離較遠(yuǎn)時(shí)，有必要加設(shè)啟動(dòng)的第二控制元件--繼動(dòng)閥（即加速閥）以及快放閥；管路工作壓力較低（一半為0.5MPa-0.9MPa)。因而制動(dòng)器室的直徑達(dá)，只能置于制動(dòng)器之外，在通過(guò)桿件及凸輪或鍥塊驅(qū)動(dòng)制動(dòng)蹄，使非簧載質(zhì)量增大；另外制動(dòng)氣室排氣時(shí)也有較大噪聲。
2、氣頂液式制動(dòng)系
氣頂液式制動(dòng)系是動(dòng)力制動(dòng)系的另一種型式，即利用氣壓系統(tǒng)作為普通的液壓制動(dòng)系統(tǒng)主缸的驅(qū)動(dòng)力源的一種制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它兼有液壓制動(dòng)和氣壓制動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)。由于其氣壓系統(tǒng)的管路短，故作用滯后時(shí)間也較短。顯然，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、造價(jià)高，故主要用于重型汽車(chē)上，一部分總質(zhì)量為9t-11t的中型汽車(chē)上也有所采用。
3、全液壓動(dòng)力制動(dòng)系
全液壓動(dòng)力制動(dòng)系除具有一般液壓制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有操作輕便、制動(dòng)反應(yīng)快、制動(dòng)能力強(qiáng)、受氣阻影響較小、易于采用制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置和防滑移裝置，及可與動(dòng)力轉(zhuǎn)向、液壓懸架、舉升機(jī)構(gòu)及其他輔助設(shè)備共同液壓泵和儲(chǔ)油等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密件多，對(duì)系統(tǒng)的密封性要求也較高，故并未得到廣泛應(yīng)用，目前僅用于某些高級(jí)轎車(chē)、大型客車(chē)以及極少數(shù)的重礦用自卸汽車(chē)上。
§2.2.3 伺服制動(dòng)系
圖2-4 真空助力伺服制動(dòng)系統(tǒng)圖
1.制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)；2.控制閥；3.真空伺服氣室；4.制動(dòng)主缸；5.儲(chǔ)液罐；6.制動(dòng)燈液壓開(kāi)關(guān)；7.真空單向閥；8.真空管；9.感載比閥；10~13.制動(dòng)輪缸。
伺服制動(dòng)系是在人力液壓制動(dòng)系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套除其他能源提供的助力裝置，使人力與動(dòng)力可兼用，即兼用人力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力作為制動(dòng)能源的制動(dòng)系，在正常情況下，其輸出工作壓力主要由動(dòng)力伺服系統(tǒng)產(chǎn)生，而在動(dòng)力伺服系統(tǒng)失效時(shí)，仍可全由人力驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的制動(dòng)力。因此，在中級(jí)以上的轎車(chē)及輕、中型客、貨汽車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用。如圖2-4為目前汽車(chē)廣泛配備的真空助力伺服制動(dòng)系統(tǒng)。
根據(jù)賽規(guī)及經(jīng)驗(yàn)要求，確定本次設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單液壓制動(dòng)。
§2.3 液壓分路系統(tǒng)的形式的選擇
圖2-5 液壓分路系統(tǒng)形式
為了提高制動(dòng)工作的可靠性，應(yīng)采用分路系統(tǒng)，即全車(chē)的所有行車(chē)制動(dòng)器的液壓或氣壓管路分為兩個(gè)或更多的相互獨(dú)立的回路，其中一個(gè)回路失效后，仍可利用其他完好的回路起制動(dòng)作用。
雙軸汽車(chē)的雙回路制動(dòng)系統(tǒng)有以下常見(jiàn)的物種分路形式(如圖2-5所示)：
1、一軸對(duì)一軸（II）型，前軸制動(dòng)器與后橋制動(dòng)器各用一個(gè)回路。
交叉型（X），前軸的一側(cè)車(chē)輪制動(dòng)器與后橋的對(duì)側(cè)車(chē)輪制動(dòng)器同屬一個(gè)回路。
2、一周半對(duì)半軸（HI）型，兩側(cè)前制動(dòng)器的板書(shū)輪缸和全部后制動(dòng)器輪缸屬于一個(gè)回路，其余的前輪缸則屬另一回路。
3、半軸一輪對(duì)半軸一輪（LL)型，兩個(gè)回路分別對(duì)兩側(cè)前輪制動(dòng)器的半數(shù)輪缸和一個(gè)后輪制動(dòng)器起作用。
4、雙半軸對(duì)雙半軸（HH）型，每個(gè)回路均只對(duì)每個(gè)前、后制動(dòng)器的半數(shù)輪缸起作用。
II型管路布置較為簡(jiǎn)單，可與傳統(tǒng)的但輪崗鼓式制動(dòng)器配合使用，成本較低，目前在各類汽車(chē)特別是商用車(chē)商用得最廣泛。對(duì)于這種形式，若后制動(dòng)回路失效，則一旦前輪抱死即極易喪失轉(zhuǎn)彎制動(dòng)能力。對(duì)于采用前輪驅(qū)動(dòng)因而前制動(dòng)器強(qiáng)于后制動(dòng)器的乘用車(chē)，當(dāng)前制動(dòng)回路失效而單用后橋制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力將嚴(yán)重不足（小于正常情況下的一半），并且，若后橋負(fù)荷小于前軸負(fù)荷，則踏板力過(guò)大時(shí)易使后橋車(chē)輪抱死而汽車(chē)側(cè)滑。
X型的結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單。直行制動(dòng)時(shí)任一回路失效，剩余的總制動(dòng)力都能保持正常值的50%。但是，一旦某一管路損壞造成制動(dòng)力不對(duì)稱，此時(shí)前輪將朝制動(dòng)力大的一邊繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，使汽車(chē)喪失穩(wěn)定性。因此，這種方案適用于主銷(xiāo)偏移距為負(fù)值（達(dá)20mm)的汽車(chē)上。這時(shí)，不平衡的制動(dòng)力使車(chē)輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)，改善了汽車(chē)的穩(wěn)定性。
HI、HH、LL型結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜。LL型和HH型在任一回路失效時(shí)，前后制動(dòng)力比值均與正常情況下相同，剩余總制動(dòng)力可達(dá)正常值的50%左右。HI型單用一軸半回路時(shí)剩余制動(dòng)力較大，但此時(shí)與LL型一樣，緊急制動(dòng)情況下后輪很容易先抱死。
綜合以上各個(gè)管路的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇II型管路。
§2.4 液壓制動(dòng)主缸的設(shè)計(jì)方案
圖2-6 串聯(lián)雙腔主缸
為了提高汽車(chē)行駛的安全性，并根據(jù)交通法則的要求，現(xiàn)代汽車(chē)的行駛制動(dòng)系統(tǒng)都采用了雙回路制動(dòng)系統(tǒng)。雙回路制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)主缸為串聯(lián)雙缸制動(dòng)主缸（如圖2-6），單缸制動(dòng)主缸已經(jīng)被淘汰。
儲(chǔ)存罐中的油經(jīng)每一腔的進(jìn)油螺栓和各自旁通孔、補(bǔ)償孔流入主缸的前、后腔。在主缸前、后工作腔內(nèi)產(chǎn)生的油壓分別經(jīng)各自的出油閥和各自的管路傳到前、后輪制動(dòng)器的輪缸。
主缸不工作時(shí)，前、后工作腔內(nèi)的活塞頭部與皮碗正好位于前、后腔內(nèi)各自的旁通孔和補(bǔ)償孔之間。
當(dāng)踏下制動(dòng)踏板時(shí)，踏板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)推桿推動(dòng)后缸活塞前移，到皮碗掩蓋住旁通孔后，此腔液壓升高。在后腔液壓和后腔彈簧力的作用下，推動(dòng)前缸活塞向前移動(dòng)，前腔壓力也隨之升高。當(dāng)繼續(xù)下踩制動(dòng)踏板時(shí)，前、后腔的液壓繼續(xù)升高，使前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)。
撤除踏板力后，制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)、主缸前后腔活塞和輪缸活塞，在各自的復(fù)位彈簧作用下回位，管路中的制動(dòng)液借其壓力推開(kāi)回油閥門(mén)流回主缸。于是接觸制動(dòng)。
當(dāng)迅速放開(kāi)制動(dòng)踏板時(shí)，由于油液的粘性和管路阻力的影響，油液不能及時(shí)流回主缸并填充因活塞右移而讓出的空間，因而在旁通孔開(kāi)啟之前，壓油腔中產(chǎn)生一定的真空度。此時(shí)進(jìn)油腔液壓高于壓油腔，因而進(jìn)油腔的油液便從前、后缸活塞的前密封皮碗的邊緣與缸壁間的間隙流入各自的壓油腔以填補(bǔ)真空。與此同時(shí)，儲(chǔ)液室中的油液經(jīng)補(bǔ)償孔流入各自的進(jìn)油腔?；钊耆珡?fù)位后，旁通孔已開(kāi)放，由制動(dòng)管路繼續(xù)流回主缸而顯多余的油液便可經(jīng)前、后缸的旁通孔流回儲(chǔ)液室。液壓系統(tǒng)中因密封不良而產(chǎn)生的制動(dòng)液漏泄，和因溫度變化而引起的制動(dòng)液膨脹或收縮，都可以通過(guò)補(bǔ)償孔和旁通孔得到補(bǔ)償。
若與前腔連接的制動(dòng)管路損壞漏油時(shí)，則在踩下制動(dòng)踏板時(shí)只后腔中能建立液壓，前腔中無(wú)壓力。此時(shí)在液壓差作用下，前腔活塞迅速前移到前缸活塞前端頂?shù)街鞲左w上。此后，后缸工作腔中液壓方能升高到制動(dòng)所需的值。
若與后腔連接的制動(dòng)管路損壞漏油時(shí)，則在踩下制動(dòng)踏板時(shí)，起先只是后缸活塞前移，而不能推動(dòng)前缸活塞，因后缸工作腔中不能建立液壓。但在后缸活塞直接頂觸前缸活塞時(shí)，前缸活塞前移，使前缸工作腔建立必要的液壓而制動(dòng)。
由此可見(jiàn)，采用這種主缸的雙回路液壓制動(dòng)系，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)中任一回路失效時(shí)，串聯(lián)雙缸制動(dòng)主缸的另一腔仍能夠工作，只是所需踏板行程加大，導(dǎo)致汽車(chē)制動(dòng)距離增長(zhǎng)，制動(dòng)力減小。由于比賽規(guī)定每個(gè)液壓制動(dòng)回路必須有其專用的儲(chǔ)液罐（可以使用獨(dú)立的儲(chǔ)液罐，也可以使用廠家生產(chǎn)的內(nèi)部被分隔開(kāi)的儲(chǔ)液罐），市場(chǎng)上目前很少有匹配的，大多是車(chē)隊(duì)自己制作的,容積大概是2到3（為制動(dòng)主缸工作容積），現(xiàn)暫定，具體容積將根據(jù)賽車(chē)總體情況而定。
第三章 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
§3.1 制動(dòng)器主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、制動(dòng)盤(pán)
制動(dòng)盤(pán)一般用珠光體灰鑄鐵制成，或用添加Cr或Ni等合金鑄鐵制成。制動(dòng)盤(pán)在工作時(shí)不僅承受著制動(dòng)塊作用的法向力和切向力，而且承受著熱負(fù)荷。為了改善冷卻效果，鉗盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)有的鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤(pán)這樣可大大地增加散熱面積，降低溫升約20-30%，但盤(pán)得整體厚度較厚。而一般不帶通風(fēng)盤(pán)的汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)，其厚度約在10-13mm之間。本次設(shè)計(jì)采用的材料為HT250。 .
2、制動(dòng)鉗
制動(dòng)鉗由可鍛鑄鐵KTH370-12或球墨鑄鐵QT400-18制造，也有用輕合金制造的，例如用鋁合金壓鑄。
3、制動(dòng)塊
制動(dòng)塊由背板和摩擦襯快組成，兩者直接牢固地壓嵌或鉚接或粘結(jié)在一起。
4、摩擦材料
制動(dòng)摩擦材料應(yīng)具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，抗熱衰退性要好，不應(yīng)在溫升到某一數(shù)值以后摩擦系數(shù)突然急劇下降，材料應(yīng)有好的耐磨性，低的吸水（油、制動(dòng)液）率，低的壓縮率、低的熱傳導(dǎo)率和低的熱膨脹率，高的抗壓、抗剪切、抗彎曲性能和耐沖擊性能，制動(dòng)時(shí)應(yīng)不產(chǎn)生噪聲、不產(chǎn)生不良?xì)馕?、?yīng)盡量采用污染小對(duì)人體無(wú)害的摩擦材料。當(dāng)前，制動(dòng)器廣泛采用模壓材料。
5、制動(dòng)輪缸
制動(dòng)輪缸采用單活塞式制動(dòng)輪缸（如圖3-1），其在制動(dòng)器中布置方便。輪缸的缸體由灰鑄鐵HT250制成。其缸簡(jiǎn)為通孔，需鏜磨。活塞由鋁合金制造。輪缸的工作腔由裝在活塞上的橡膠密封圈或靠在活塞內(nèi)端面處得橡膠皮碗密封。本次設(shè)計(jì)采用的是HT250.
1. 放氣閥；2.橡膠護(hù)罩；3.進(jìn)油管接頭；4.皮碗；5.缸體；6.調(diào)整螺釘（頂塊）；7.防護(hù)罩；8.活塞
圖3-1 單活塞式制動(dòng)輪缸結(jié)構(gòu)圖
§3.2 制動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)分析
在制動(dòng)器設(shè)計(jì)中預(yù)先給定的整車(chē)參數(shù)如下：
汽車(chē)軸距L=1580㎜；
滿載時(shí)的總質(zhì)量ma=305㎏（其中車(chē)手65kg，車(chē)240kg）;
滿載時(shí)質(zhì)心高度hg=300㎜;
質(zhì)心距前軸距L1=821.6㎜;
質(zhì)心距后軸距L2=758.4㎜;
車(chē)輪的滾動(dòng)半徑re=314㎜.
§3.2.1 同步附著系數(shù)的分析
圖3-2 前輪先抱死
1、當(dāng)時(shí)：制動(dòng)時(shí)總是前輪先抱死，這是一種穩(wěn)定工況，但喪失了轉(zhuǎn)向能力（如圖3-2）；
圖3-3 后輪先抱死
2、當(dāng)時(shí)：制動(dòng)時(shí)總是后輪先抱死，這是容易發(fā)生后軸策劃而使汽車(chē)喪失方向穩(wěn)定性（如圖3-3）；
3、當(dāng)時(shí)：制動(dòng)時(shí)汽車(chē)前后輪同時(shí)抱死，是一種穩(wěn)定工況，但也喪失了轉(zhuǎn)向能力。
分析表明，汽車(chē)在同步系數(shù)為的路面上制動(dòng)（前后輪同時(shí)抱死）時(shí)，其制動(dòng)減速度為，即q=,q為制動(dòng)強(qiáng)度。而在其他附著系數(shù)的路面上制動(dòng)時(shí)，達(dá)到前輪或者后輪即將抱死的制動(dòng)強(qiáng)度q<,這表明只有在的路面上，地面的附著條件才可以得到充分利用。
根據(jù)相關(guān)資料查出賽車(chē)使用熱熔輪胎一般大于1，故取=1.1。
§3.2.2 地面對(duì)前、后輪的法向反作用力
圖3-4 汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的受力分析
如圖3-4，若在不同附著系數(shù)φ的路面上，前、后輪同時(shí)抱死（不論是同時(shí)抱死或分別先后抱死），此時(shí)或。
地面作用于前、后輪的法向反作用力為
（3-1）
（3-2）
前后輪同時(shí)抱死制動(dòng)時(shí)地面對(duì)前、后輪法向反作用力的變化如表3.1所示
表3.1 前后輪同時(shí)抱死地面對(duì)前、后輪法向反作用力的變化
φ
0
1474
1662
47%
53%
0.1
1533
1603
49%
51%
0.2
1592
1544
51%
49%
0.3
1650
1486
53%
47%
0.4
1709
1427
55%
46%
0.5
1768
1368
56%
44%
0.6
1827
1309
58%
42%
0.7
1886
1250
60%
40%
0.8
1944
1192
62%
38%
0.9
2003
1133
64%
36%
1.0
2062
1074
66%
34%
分析易知：地面附著系數(shù)φ值越大，同時(shí)抱死時(shí)，前輪分得的載荷就越大。
此現(xiàn)象可以由試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，如圖3-5所示，隨著地面附著系數(shù)φ值的增大，越來(lái)越大，而在兩輪同時(shí)抱死時(shí) 有成立。
圖3-5 理想的前、后制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線
§3.2.3 盤(pán)式制動(dòng)器主要參數(shù)確定
一、制動(dòng)盤(pán)直徑D
制動(dòng)盤(pán)直徑D應(yīng)盡可能取大些，這時(shí)制動(dòng)盤(pán)的有效半徑得到增加，可以降低制動(dòng)鉗的夾緊力，減少襯塊的單位壓力和工作溫度。受輪輞直徑的限制，制動(dòng)盤(pán)的直徑通常選擇為輪輞直徑的70％～79％。總質(zhì)量大于2t的汽車(chē)應(yīng)取上限。 這里去制動(dòng)盤(pán)的直徑D為輪輞直徑的百分之70%，即mm.根據(jù)市場(chǎng)情況，取D=230mm。
二、制動(dòng)盤(pán)厚度的選擇
制動(dòng)盤(pán)厚度對(duì)制動(dòng)盤(pán)質(zhì)量和工作時(shí)的溫升有影響。為使質(zhì)量小些，制動(dòng)盤(pán)厚度不宜取得大；為了降低溫度，制動(dòng)盤(pán)厚度又不宜取得過(guò)小。制動(dòng)盤(pán)可以做成實(shí)心的，或者為了散熱通風(fēng)的需要在制動(dòng)盤(pán)中間鑄出通風(fēng)孔道。一般實(shí)心制動(dòng)盤(pán)厚度可取為10～20mm，通風(fēng)式制動(dòng)盤(pán)厚度取為20～50mm，采用較多的是20～30mm。在高速運(yùn)動(dòng)下緊急制動(dòng), 制動(dòng)盤(pán)會(huì)形成熱變形, 產(chǎn)生顫抖。為提高制動(dòng)盤(pán)摩擦面的散熱性能, 大多把制動(dòng)盤(pán)做成中間空洞的通風(fēng)式制動(dòng)盤(pán), 這樣可使制動(dòng)盤(pán)溫度降低20 %～30 %。這里制動(dòng)器采用實(shí)心制動(dòng)盤(pán)設(shè)計(jì)，h=10 mm厚度 。
三、摩擦襯塊內(nèi)半徑R1和外半徑R2
摩擦襯塊（如圖3-6所示）是指鉗夾活塞推動(dòng)擠壓在制動(dòng)盤(pán)上的摩擦材料。摩擦襯塊分為摩擦材料和底板,兩者直接壓嵌在一起。摩擦襯塊外半徑只與內(nèi)半徑及推薦摩擦襯塊外半徑與內(nèi)半徑的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作時(shí)襯塊的外緣與內(nèi)側(cè)圓周速度相差較多，磨損不均勻，接觸面積減少，最終導(dǎo)致制動(dòng)力矩變化大。因?yàn)橹苿?dòng)器直徑D等于230mm,則摩擦塊mm取，所以mm。
圖3-6 摩擦襯塊
四、有效半徑Re
對(duì)于常見(jiàn)的具有扇形摩擦表面的襯塊，若其徑向?qū)挾炔缓艽?，則R等于平均半徑或有效半徑，在實(shí)際中已經(jīng)足夠精確。
平均半徑為
mm
式中，和為摩擦襯塊扇形表面的內(nèi)半徑和外半徑。
有效半徑是扇形表面的面積中心至制動(dòng)盤(pán)中心的距離，如下式所示（推導(dǎo)見(jiàn)離合器設(shè)計(jì)）
mm （3-3）
式中，.
因?yàn)?,故，越小，則兩者差值越大。
應(yīng)當(dāng)指出，若過(guò)小，即扇形的徑向?qū)挾冗^(guò)大，襯塊摩擦面上各不同半徑處得滑磨速度相差太遠(yuǎn)，磨損不均勻，因?yàn)閱挝粔毫Ψ植季鶆蜻@一假設(shè)條件不能成立，則上述計(jì)算方法也就不適用。值一般不應(yīng)小于0.65。
五、摩擦襯塊工作面積
對(duì)于盤(pán)式制動(dòng)器襯塊工作面積A，推薦根據(jù)制動(dòng)襯塊單位面積占有的汽車(chē)質(zhì)量在范圍內(nèi)選用。單個(gè)前輪摩擦塊,則單個(gè)前輪制動(dòng)器A=46;單個(gè)后輪摩擦塊，則單個(gè)后輪制動(dòng)器A=30.能夠滿足β的要求。
六、摩擦襯塊摩擦系數(shù)f
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)=0.35～0.40 已無(wú)大問(wèn)題。因此，在假設(shè)的理想條件下計(jì)算制動(dòng)器的制動(dòng)力矩。另外，在選擇摩擦材料時(shí)應(yīng)盡量采用減少污染和對(duì)人體無(wú)害的材料。所選擇摩擦系數(shù)=0.4。
第四章 盤(pán)式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算
§4.1 盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算
盤(pán)式制動(dòng)器的計(jì)算如下面簡(jiǎn)圖所示，若襯塊的摩擦表面與制動(dòng)盤(pán)接觸良好，且各處的單位壓力分布均勻則盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為
Tf=2fNR ﹙4-1﹚
式中：f——摩擦系數(shù)；
N——單側(cè)制動(dòng)塊對(duì)制動(dòng)盤(pán)的壓緊力；
R——作用半徑,已算出Re=97。
圖4-1 盤(pán)式制動(dòng)器的計(jì)算用簡(jiǎn)圖
制動(dòng)盤(pán)單側(cè)壓緊力的確定，即制動(dòng)輪缸對(duì)制動(dòng)襯塊的壓緊力。
則單側(cè)壓緊力為 （4-2）
式中:p——考慮制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置作用下的輪缸或管路液壓，取p=8Mpa。
dw——制動(dòng)主缸活塞直徑，取dw=32mm。
制動(dòng)輪缸的截面積
（4-3）
則 N=6434 N
摩擦襯塊的摩擦系數(shù)：f=0.4
制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩為：
=499.2 N·M （4-4）
§4.2制動(dòng)力與制動(dòng)力分配系數(shù)
一、制動(dòng)力分配系數(shù)
汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，若忽略路面對(duì)車(chē)輪的滾動(dòng)阻力矩，和汽車(chē)回轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩，則對(duì)任一角速度﹥0的車(chē)輪，其力矩平衡方程為
（4-5）
地面制動(dòng)力FB受附著條件的限制其值不可能大于附著力F,即
FB≤F=Z
或
（4-6）
式中：——輪胎與地面的附著系數(shù)，取=1.1.
Z——地面對(duì)車(chē)輪的法向反力
此時(shí)為前后輪都抱死，有：
（4-7）
汽車(chē)質(zhì)量：m=305㎏ 取g=10N/㎏，=1.1
則汽車(chē)總的地面制動(dòng)力： FB=mg=3355N
汽車(chē)的軸距： L=1580㎜
滿載時(shí)前軸負(fù)荷： G1=G·45％=3050×45％=1509.75N
滿載時(shí)后軸負(fù)荷： G2=G·55％=3050×55％=1845.25N
質(zhì)心高度： hg=300㎜
質(zhì)心距前軸距： L1=821.6㎜
質(zhì)心距后軸距： L2=758.4㎜
圖4-2 制動(dòng)時(shí)的賽車(chē)受力圖
上圖所示為汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的整車(chē)受力情況，并對(duì)后軸車(chē)輪的接地點(diǎn)取力矩，得平衡式為
（4-8）
對(duì)前軸車(chē)輪的接地點(diǎn)取力矩，得平衡式為
（4-9）
式中：Z1——汽車(chē)制動(dòng)時(shí)水平地面對(duì)前軸車(chē)輪的法向反力，N；
Z2——汽車(chē)制動(dòng)時(shí)水平地面對(duì)后軸車(chē)輪的法向反力，N；
——汽車(chē)制動(dòng)減速度，m/s2。
根據(jù)上述汽車(chē)制動(dòng)的整車(chē)受力分析，考慮到汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的軸荷轉(zhuǎn)移及G=mg，式中g(shù)為重力加速度﹙m/s2﹚，則可求汽車(chē)制動(dòng)時(shí)水平地面對(duì)前后軸車(chē)輪的法向反力Z1，Z2分別為：
（4-10）
（4-11）
若在附著系數(shù)為的地面上制動(dòng)，按大賽要求，前后輪需要同時(shí)抱死，此時(shí)汽車(chē)總的地面制動(dòng)力FB等于汽車(chē)前后軸車(chē)輪的總的附著力F，亦等于作用于質(zhì)心的制動(dòng)慣性力，即有
FB= F=G=
或
（4-12）
將（4-12）帶入（4-10）、（4-11），則得水平地面作用于前、后軸車(chē)輪的法向反作用力的另一表達(dá)式：
（4-13）
（4-14）
由上式可得：
2101.0
949.0
則
Ff1=fB1=Z1=2311.1N
Ff2=fB2=Z2=1043.9N
目前大多數(shù)兩軸汽車(chē)的前、后制動(dòng)器制動(dòng)力之比值為一定值，并以前制動(dòng)器制動(dòng)力Ff1與汽車(chē)的總的制動(dòng)器制動(dòng)力Ff之比來(lái)表明分配的比例，稱為汽車(chē)制動(dòng)力分配系數(shù)β，即
0.69
式中：Ff1——前軸車(chē)輪的制動(dòng)器制動(dòng)力；
Ff2——后軸車(chē)輪的制動(dòng)器制動(dòng)力；
fB1——前軸車(chē)輪的地面制動(dòng)力；
fB2——后軸車(chē)輪的地面制動(dòng)力。
由上式可得，賽車(chē)前后輪同時(shí)抱死時(shí)的實(shí)際路面附著系數(shù)：
所以：，根據(jù)制動(dòng)力分配曲線可知，賽車(chē)制動(dòng)時(shí)，后輪略先抱死，符合設(shè)計(jì)要求。
式中：L——賽車(chē)軸距；
b——質(zhì)心距后軸線的距離；
——質(zhì)心高度。
二、汽車(chē)車(chē)輪產(chǎn)生的附著力矩：
汽車(chē)前軸產(chǎn)生的附著力矩
725.7 N·M
汽車(chē)后軸產(chǎn)生的附著力矩
327.8 N·M
前后軸單個(gè)車(chē)輪產(chǎn)生的附著力矩
326.9 N·M
163.9N·M
制動(dòng)器所能產(chǎn)生的最大制動(dòng)力矩為：
=499.2N·M
由
由此可知，該設(shè)計(jì)能夠滿足汽車(chē)安全制動(dòng)的要求。
§4.3 制動(dòng)器熱容量和溫升的核算
核算制動(dòng)器的熱容量和溫升，需要看是否滿足下列條件
（4-15）
式中：——各制動(dòng)盤(pán)的總質(zhì)量；
——與各制動(dòng)盤(pán)相連的受熱金屬件﹙如輪轂、輪輻、輪輞、制動(dòng)鉗體等﹚的總質(zhì)量;
——制動(dòng)盤(pán)材料的比熱容，對(duì)鑄鐵c=482J/﹙㎏·K﹚,對(duì)鋁合金c=880J/﹙㎏·K﹚；
——與制動(dòng)盤(pán)相連的受熱金屬件的比熱容；
——制動(dòng)盤(pán)的溫升；
L——滿載時(shí)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)由動(dòng)能轉(zhuǎn)變的熱能。
由于制動(dòng)過(guò)程迅速，可以認(rèn)為汽車(chē)產(chǎn)生的熱能全部由前、后制動(dòng)盤(pán)所吸收，并按前、后軸制動(dòng)力的分配比率分配給前、后制動(dòng)器，即
（4-16）
（4-17）
式中: ——汽車(chē)制動(dòng)的初速度，可取= =144㎞/h=40m/s
β——汽車(chē)制動(dòng)器的制動(dòng)力分配系數(shù)，β=0.69
求得：
J
J
已知：=0.5㎏；=7.5㎏
=15℃=15k
則每個(gè)制動(dòng)器的熱容量：
J
對(duì)于前軸的單個(gè)車(chē)輪：
J
對(duì)于后軸的單個(gè)車(chē)輪：
J
因此，此制動(dòng)器滿足熱容量和溫升的要求。
§4.4摩擦襯片磨損特性的計(jì)算
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(pán)）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，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。
雙軸汽車(chē)的單個(gè)前輪制動(dòng)器及單個(gè)后輪制動(dòng)器的比能量耗散率分別為
（4-18）
（4-19）
（4-20）
式中：δ——汽車(chē)回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；
,——汽車(chē)初速度和終速度，m/s；計(jì)算時(shí)轎車(chē)取=100㎞/h﹙27.8m/s﹚；
t——制動(dòng)時(shí)間，s；
j——制動(dòng)減速度，m/s,計(jì)算時(shí)取j=g；
A1,A2——前、后制動(dòng)襯塊的摩擦面積；
β——制動(dòng)力分配系數(shù)。
在緊急制動(dòng)到=0時(shí)，并可近似地認(rèn)為δ=1，則有
s
根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算得到
3.11
2.14
盤(pán)式制動(dòng)器的比能量耗散率e1、e2均不大于，因此滿足要求。
磨損特性指標(biāo)也可以用襯塊的比摩擦力即單位摩擦面積的摩擦力來(lái)衡量。
單個(gè)車(chē)輪制動(dòng)器的比摩擦力為
（4-21）
式中：——單個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩；
R——制動(dòng)盤(pán)有效半徑；
A——單個(gè)制動(dòng)器的襯塊的摩擦面積，=23㎝2，=15㎝2
則盤(pán)式制動(dòng)器的比摩擦力為
0.003<<0.48 N/㎜2
因此滿足要求。
46
第五章 液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
為了確定制動(dòng)主缸即制動(dòng)輪缸的直徑、制動(dòng)踏板力、踏板機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比﹙根據(jù)賽會(huì)規(guī)定和賽車(chē)實(shí)際情況，不用采用增壓和助力裝置﹚，必須進(jìn)行如下的設(shè)計(jì)計(jì)算。
§5.1 制動(dòng)輪缸直徑與工作容積
制動(dòng)輪缸對(duì)制動(dòng)塊的作用力P與輪缸直徑dw及制動(dòng)輪缸中的液壓p之間有如下關(guān)系式：
（5-1）
式中：p——考慮制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置作用下的輪缸或管路液壓，一般p=8MPa～12MPa,但根據(jù)賽車(chē)具體情況取p=8MPa。
輪缸直徑應(yīng)在GB 7524—87標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸系列里選取，輪缸直徑的尺寸系列為
14.5，16，17.5，19，20.5，22，﹙22.22﹚，﹙23.81﹚，24，﹙25.40﹚，26，28，﹙28.58﹚，30，32，35，38，42，46，50，56㎜。
經(jīng)過(guò)查取取=32㎜
一個(gè)輪缸的工作容積
（5-2）
式中：——一個(gè)輪缸活塞的直徑；
N——輪缸的活塞數(shù)目；
輪缸活塞在完全制動(dòng)時(shí)的行程：
其中：δ1是消除制動(dòng)塊與制動(dòng)盤(pán)間的間隙所需的輪缸活塞行程，取δ1=0.7。
δ2由于摩擦襯塊變形而引起的輪缸活塞行程，取δ1=0.3。
δ2，δ3是對(duì)于鼓式制動(dòng)器而言的，這里不予考慮。
則
mm
則單個(gè)輪缸的工作容積，n=1
全部輪缸的工作容積，其中：m——輪缸的數(shù)目，m=4
則
§5.2 制動(dòng)主缸直徑與工作容積
制動(dòng)主缸的直徑應(yīng)符合GB 7524—87標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸系列，主缸直徑的尺寸系列為
14.5，16，17.5，19，20.5，22，﹙22.22﹚，﹙23.81﹚，24，﹙25.40﹚，26，28，﹙28.58﹚，30，32，35，38，42，46㎜。
制動(dòng)主缸應(yīng)有的工作容積
（5-3）
式中：——制動(dòng)軟管在液壓下變形而引起的容積增量。
在設(shè)計(jì)中考慮軟管變形，轎車(chē)制動(dòng)主缸的工作容積可取為。
則
㎜3
主缸活塞直徑dm和活塞行程sm可由下式確定：
（5-4）
一般
；λ=0.8～1.2
取主缸活塞行程:sm=1.2dm
則
所以
得
dm=15.56㎜
取
dm=19㎜
所以 ㎜
§5.3 制動(dòng)踏板力與踏板行程
圖4-1踏板機(jī)示意圖
制動(dòng)踏板力Fp可用下式驗(yàn)算：
（5-5）
式中：dw——制動(dòng)主缸活塞直徑；
P——制動(dòng)管路液壓；
——制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，=；
R1,R2——見(jiàn)下圖；
圖4-2液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算用簡(jiǎn)圖
η——制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)及制動(dòng)主缸的機(jī)械效率，可取η=0.85～0.95；在本設(shè)計(jì)中取η=0.95。
在踏板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，如上圖取R1=25㎜,R2=200㎜；
則踏板機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比取為
制動(dòng)踏板力Fp為
298.3N
制動(dòng)踏板的工作行程為
（5-6）
式中：——主缸中推桿與活塞間的間隙；
——主缸活塞空行程。
由于本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)賽車(chē)，賽車(chē)本身要求制動(dòng)要靈敏，所以，均不宜過(guò)大。取=0.6；
則
§5.4 制動(dòng)性能計(jì)算
制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能體現(xiàn)在制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間等。
已知：地面摩擦系數(shù)f=1.1
賽車(chē)最大速度v=150㎞/h=41.7m/s
計(jì)算制動(dòng)減速度取最大速度的80％，即
m/s
制動(dòng)時(shí)，汽車(chē)四個(gè)輪子已全部抱死
則，汽車(chē)的制動(dòng)減速度為
（5-7）
式中：g——重力加速度，這里取g=10
由上式可計(jì)算制動(dòng)時(shí)間t為
（5-8）
式中：——開(kāi)始制動(dòng)是的初速度，取m/s；
——制動(dòng)終了速度。
所以制動(dòng)結(jié)束后汽車(chē)的制動(dòng)距離為
第六章 行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
§6.1 汽車(chē)行駛系統(tǒng)概述
汽車(chē)作為一種地面交通工具，其行駛系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)形式，在很大程度上取決于汽車(chē)經(jīng)常行駛路面的性質(zhì)。絕大多數(shù)汽車(chē)還是經(jīng)常行駛在比較堅(jiān)實(shí)的路面上的，其行使系統(tǒng)中直接與路面接觸的路面是車(chē)輪，因而稱為輪式汽車(chē)行駛系統(tǒng)，這樣的汽車(chē)便是輪式汽車(chē)。
輪式汽車(chē)行駛系統(tǒng)一般由車(chē)架、車(chē)橋、車(chē)輪和懸架組成，如下圖所示就是汽車(chē)行駛系總成布置。
圖6-1 汽車(chē)行駛系的組成
1-前懸架 2-車(chē)架 3-后懸架 4-驅(qū)動(dòng)橋
5-后輪 6-前輪 7-從動(dòng)橋
本文對(duì)賽車(chē)行駛系統(tǒng)的研究主要是輪胎及其配套部分，即輪轂、立柱和制動(dòng)部分。
圖6-2 賽車(chē)行駛系統(tǒng)的組成示意圖
§6.1.1 輪轂的設(shè)計(jì)
賽車(chē)的輪轂通常是指固定輪輞和制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)組建的輪胎中心的心軸。
賽車(chē)對(duì)操縱靈活性、行駛安全性的要求要比一般的汽車(chē)高很多，因此輪轂的設(shè)計(jì)原則就是在保證安全的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省整車(chē)整備質(zhì)量。由于本賽車(chē)采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)的方式，前輪轂設(shè)計(jì)和后輪轂設(shè)計(jì)必然不同。后輪轂設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮與傳動(dòng)軸的配合，為此，本設(shè)計(jì)將輪轂中心掏空，并按照傳動(dòng)軸的外花鍵類型與尺寸，設(shè)計(jì)出相配套的內(nèi)花鍵，同時(shí)，傳動(dòng)軸與輪轂配合的末端用一個(gè)特制的螺母進(jìn)行防松固定。前輪轂在設(shè)計(jì)時(shí)則不需要考慮這些問(wèn)題。
另外根據(jù)第一代賽車(chē)的參賽經(jīng)歷，反應(yīng)出來(lái)前輪輪轂軸承內(nèi)圈卡不住，轉(zhuǎn)向晃動(dòng)的比較厲害的問(wèn)題，在這代賽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，前輪輪轂軸承的設(shè)計(jì)采用了雙薄螺母壓緊軸承內(nèi)圈的方法。
§6.1.2 立柱的設(shè)計(jì)
賽車(chē)上的立柱指的是與賽車(chē)懸架相連接，承載汽車(chē)主要重量的模塊。立柱上有兩個(gè)用來(lái)連接球頭軸承的定位孔，這兩個(gè)定位孔的連接線就是主銷(xiāo)，是賽車(chē)上轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)的回轉(zhuǎn)中心 。主銷(xiāo)通常意義上有兩個(gè)重要的角度，分為主銷(xiāo)內(nèi)傾角和主銷(xiāo)外傾角。主銷(xiāo)內(nèi)傾角，是將主銷(xiāo)（即轉(zhuǎn)向軸線）的上端向內(nèi)傾斜的角度。從汽車(chē)的前面看去，主銷(xiāo)軸線與通過(guò)前輪中心的垂線之間形成一個(gè)夾角，即主銷(xiāo)內(nèi)傾角，主銷(xiāo)內(nèi)傾的作用是使車(chē)輪轉(zhuǎn)向后能及時(shí)自動(dòng)回正和轉(zhuǎn)向輕便。賽車(chē)主銷(xiāo)內(nèi)傾角通常為3-8 。主銷(xiāo)后傾角是指主銷(xiāo)（即轉(zhuǎn)向軸線）的上端略向后傾斜的角度。從汽車(chē)的側(cè)面看去，主
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