汽车设计课程设计轿车后轮制动器设计.doc

目 录
第1章 概述 1
1.1 鼓式制动器的简介 1
1.2 鼓式制动器的组成固件 1
1.3 鼓式制动器的工作原理 1
1.4 鼓式制动器的产品特性 2
1.5 设计基本规定和整车性能参数 2
第2章 鼓式制动器的设计计算 2
2.1 车辆前后轮制动力的分析 2
2.2 前、后轮制动力分派系数 的拟定 5
2.3 制动器最大制动力矩 6
第3章 制动器结构设计与计算 6
3.1 制动鼓壁厚的拟定 6
3.2 制动鼓式厚度n 6
3.3 动蹄摩擦衬片的包角β和宽度b 7
3.4 P的作用线至制动器中心的距离 7
3.5 制动蹄支销中心的坐标位置是k与c 8
3.6摩擦片摩擦系数 8
第4章 制动器重要零部件的结构设计 8
4.1 制动鼓 8
4.2 制动蹄 8
4.3 制动底板 9
4.4 制动蹄的支承 9
4.5 制动轮缸 9
4.6 制动器间隙 9
第5章 校核 10
5.1 制动器的热量和温升的核算 10
5.2 制动器的摩擦衬片校核 11
5.3驻车制动计算 11

第1章 概述
1.1鼓式制动器的简介
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。鼓式制动是初期设计的制动系统，其刹车鼓的设计192023就已经使用在马车上了，直到192023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，达成刹车的目的。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，重要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。
1.2 鼓式制动器的组成固件
鼓式制动器的旋转元件是制动鼓，固定元件是制动蹄。制动时制动蹄鼓式制动器在促动装置作用下向外旋转，外表面的摩擦片压靠到制动鼓的内圆柱面上，对鼓产生制动摩擦力矩。
凡对蹄端加力使蹄转动的装置统称为制动蹄促动装置，制动蹄促动装置有轮缸、凸轮和楔。
以液压制动轮缸作为制动蹄促动装置的制动器称为轮缸式制动器；以凸轮作为促动装置的制动器称为凸轮式制动器；用楔作为促动装置的制动器称为楔式制动器。
鼓式制动器比较复杂的地方在于，许多鼓式制动器都是自作用的。 当制动蹄与鼓发生接触时，会出现某种楔入动作，其效果是借助更大的制动力将制动蹄压入鼓中。楔入动作提供的额外制动力，可让鼓式制动器使用比盘式制动器所用的更小的活塞。但是，由于存在楔入动作，在松开制动器时，必须使制动蹄脱离鼓。这就是需要一些弹簧的因素。弹簧有助于将制动蹄固定到位，并在调节臂驱动之后使它返回。
1.3 鼓式制动器的工作原理
在轿车制动鼓上，一般只有一个轮缸，在制动时轮缸受到来自总泵液力后，轮缸两端活塞会同时顶向左右制动蹄的蹄端，作用力相等。但由于车轮是旋转的，制动鼓作用于制动蹄的压力左右不对称，导致自行增力或自行减力的作用。因此，业内将自行增力的一侧制动蹄称为领蹄，自行减力的一侧制动蹄称为从蹄，领蹄的摩擦力矩是从蹄的2～2.5倍，两制动蹄摩擦衬片的磨损限度也就不同样。
为了保持良好的制动效率，制动蹄与制动鼓之间要有一个最佳间隙值。随着摩擦衬片磨损，制动蹄与制动鼓之间的间隙增大，需要有一个调整间隙的机构。过去的鼓式制动器间隙需要人工调整，用塞尺调整间隙。现在轿车鼓式制动器都是采用自动调整方式，摩擦衬片磨损后会自动调整与制动鼓间隙。当间隙增大时，制动蹄推出量超过一定范围时，调整间隙机构会将调整杆（棘爪）拉到与调整齿下一个齿接合的位置，从而增长连杆的长度，使制动蹄位置位移，恢复正常间隙。
轿车鼓式制动器一般用于后轮（前轮用盘式制动器）。鼓式制动器除了成本比较低之外，尚有一个好处，就是便于与驻车（停车）制动组合在一起，凡是后轮为鼓式制动器的轿车，其驻车制动器也组合在后轮制动器上。这是一个机械系统，它完全与车上制动液压系统是分离的：运用手操纵杆或驻车踏板（美式车）拉紧钢拉索，操纵鼓式制动器的杠件扩展制动蹄，起到停车制动作用，使得汽车不会溜动；松开钢拉索，回位弹簧使制动蹄恢复原位，制动力消失。
1.4 鼓式制动器的产品特性
优点
鼓式制动器造价便宜，并且符合传统设计。 四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车所有负荷的70%-80%，前轮制动力要比后轮大，后轮起辅助制动作用，因此轿车生产厂家为了节省成本，就采用前盘后鼓的制动方式。但是对于重型车来说，由于车速一般不是很高，刹车蹄的耐用限度也比盘式制动器高，因此许多重型车至今仍使用四轮鼓式的设计。
缺陷
鼓式制动器的制动效能和散热性都要差许多，鼓式制动器的制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控。而由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。制动块和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。此外，鼓式制动器在使用一段时间后，要定期调校刹车蹄的空隙，甚至要把整个刹车鼓拆出清理累积在内的刹车粉。
1.5设计基本规定和整车性能参数
整车性能参数
驱动形式 4X2前轮
轴距 2471mm
轮距前/后 1429X1442mm
整备质量 1060kg
空载时前后轴分派负载 60%
最高车速 180km/h
最大爬坡度 35%
制动距离（初速度30km/h） 5.6m
最小转向直径 11m
最大功率/转速 74/5800kW/rpm
最大转矩/转速 150/4000N·m/rpm
轮胎型号 185/60R14T
手动5档
具体设计任务
1） 查阅汽车制动的相关资料，更具后轮的制动规定，拟定后轮鼓式制动器的结构。
2） 在的路面上制动时，计算地面制动力，制动器制动力，制动力矩等
3） 设计制动操纵机构（涉及驻车制动操纵机构），对制动主缸，制动轮缸进行选型，绘制液压管路图等。
4） 绘制所有零件图和装配图

第2章 鼓式制动器的设计计算
2.1 车辆前后轮制动力的分析
汽车制动时，假如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:

式中：—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；
—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；
—车轮有效半径，m。
令
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。与地面制动力的方向相反，当车轮角速度>0时，大小亦相等，且仅由制动器结构参数所决定。即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，和均随之增大。但地面制动力受着附着条件的限制，其值不也许大于附着力，
即≤
或
式中 ——轮胎与地面间的附着系数；
Z——地面对车轮的法向反力。制动力与踏板力的关系

当制动器制动力和地面制动力达成附着力值时，车轮即被抱死并在地面上滑移。此后制动力矩即表现为静摩擦力矩，而即成为与相平衡以阻止车轮再旋转的周缘力的极限值。当制动到=0以后，地面制动力达成附着力值后就不再增大，而制动器制动力由于踏板力的增大使摩擦力矩增大而继续上升（如图所示）。
根据轴距可以判断出=1236mm =1235mm
根据汽车制动时的整车受力分析，考虑到制动时的轴荷转移，可求得地面对前、后轴车轮的法向反力Z1，Z2为：
＝（1235+）＝5427.83N
＝（1236－）＝4960.10N
汽车受力图
式中 G——汽车所受重力；
L——汽车轴距；
——汽车质心离前轴距离；
——汽车质心离后轴距离；
——汽车质心高度；
g——重力加速度；
——汽车制动减速度。
汽车总的地面制动力为

式中 q（）——制动强度，亦称比减速度或比制动力；
，——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

上式表白：汽车在附着系数为任意拟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或总制动力的函数。当汽车各车轮制动器的制动力足够时，根据汽车前、后轴的轴荷分派，前、后车轮制动器制动力的分派、道路附着系数和坡度情况等，制动过程也许出现的情况有三种，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运用得最佳。
= （1）
1
2
1
2
I线（空载）
线
0
Fb1/KN
某轿车的I曲线和线
FB2/KN
j=0.7
B
Ⅱ线（满载）
（2）
式中 ——前轴车轮的制动器制动力，
；
——后轴车轮的制动器制动力，
；
——前轴车轮的地面制动力；
——后轴车轮的地面制动力；
，——地面对前、后轴车轮的法向反力；
G ——汽车重力；
，——汽车质心离前、后轴距离；
——汽车质心高度。
因所设计的轿车为轻型轿车后轮鼓式制动器，而现代轿车的行使状况
较好，特别是高级公路的高速规定，同步附着系数可选取j=0.7，则：
===7271.6N
由式(1)、式(2)不难求得在任何附着系数的路面上，前、后车轮同时抱死即前、后轴车轮附着力同时被充足运用的条件。
由式（2）得：/=
由式（1）（2）得/= 2.904 （3）
则=4767.6N,=2504N
2.2 前、后轮制动力分派系数的拟定
根据公式：=（L+hg）/L
得：=（1235+0.7550）/2471=0.656
式中 ：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
2.3制动器最大制动力矩
制动器所能产生的制动力矩，受车轮的计算力矩所制约，即
=1466.1N*m
=770.0N*m
式中 ——前轴制动器的制动力，；
——后轴制动器的制动力，；
一个车轮制动器应有的最大制动力矩为按上列公式计算结果的半值。
则后轮制动器应有的最大力矩为 385N*m

第3章 制动器结构设计与计算
3.1 制动鼓壁厚的拟定
当输入力P一定期，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的尺寸受到轮辋内径的限制，并且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。制动鼓与轮辋之间应有相称的间隙，此间隙一般不应小于20～30mm，以利于散热通风，也可避免由于轮辋过热而损坏轮胎。由此间隙规定及轮辋的尺寸即可求得制动鼓直径D的尺寸。此外，制动鼓直径D与轮辋直径之比的一般范围为：
轿车 D／=0.64～0.74
货车 D／=0.70～0.83
轿车轮辋为14in，得到=14×25.4=355.6mm（1 in=25.4mm）
表3-1
轮辋直径/in
12
13
14
15
16
制动鼓内径/mm
轿车
180
200
240
260
----
货车
220
240
260
300
320
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
制动鼓壁厚的选取重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，但实验表白，壁厚从11mm增至20mm，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=10mm。
3.3 制动蹄摩擦衬片的包角β和宽度b
摩擦衬片的包角可在=90°～120°范围内选取，实验表白，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。再减小虽有助于散热，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，并且易使制动作用不平顺，甚至也许发生自锁。
本次设计摩擦衬片的包角取110°。
摩擦衬片宽度b较大可以减少单位压力、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。此外，根据国外记录资料可知，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，即

式中是以弧度(rad)为单位，当A，R，拟定后，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

汽车类别
汽车总质量
m/t
单个制动器的衬片摩擦面积

轿车
0.9~1.5
1.5~2.5
100~200
200~300

3.4摩擦衬片起始角
鼓式制动器重要几何参数

摩擦衬片起始角如图所示。一般是将衬片布置在制动蹄外缘的中央，并令。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=35
3.5 开力P的作用线至制动器中心的距离
在保证制动轮缸或凸轮可以布置于制动鼓内的条件下，应使距离尽也许地大，以提高其制动效能。初步设计时可暂定左右。
则a=92mm
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是应尽也许地小，以使尺寸c尽也许地大，初步设计可暂定c=0.8R左右。
则c=92mm
3.7 摩擦片摩擦系数
选择摩擦片时不仅希望其摩擦系数要高些，更规定其热稳定性要好，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减少制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的规定，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=0.35～0.40已无大问题。因此，在假设的抱负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=0.3。

第4章 制动器重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。
中型，重型载货汽车和中型、大型客车多采用灰铸铁HT200或合金铸铁制造的制动鼓；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，并且减少了质量。
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
轿车和微型，轻型载货汽车的制动蹄管饭采用T形型钢碾压或钢板冲压--焊接制成；大吨位载货汽车的制动蹄则多采用铸铁、铸钢或铸铝合金制成。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3mm~5mm；货车的约为5mm~8mm。摩擦片的厚度，轿车的多为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，应保证各安装零件互相间的对的位置。制动底板承受着制动器工作时的制动反力矩，因此它应当有足够的刚度。刚度局限性会使制动力矩减小，踏板行程增大，衬片磨损也不均匀。
本设计底板的材料：45号钢
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。
本设计采用支承销由45号钢制造并高频淬火。
其支座为可锻铸铁（KTH370—12）或球墨铸铁（QT400—18）件。
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，需镗磨。活塞由铝合金制造。活塞外端压有钢制的开槽顶块，以支承插入槽中的制动蹄腹板端部或端部接头。轮缸的工作腔由装在活塞上的橡胶密封圈或靠在活塞内的橡胶皮碗密封。
4.6制动器间隙
制动鼓(制动盘)与摩擦衬片(摩擦衬块)之间在未制动的状态下应有工作作间隙，以保证制动鼓(制动盘)能自由转动。一般，鼓式制动器的设定间隙为0.2～0.5mm；盘式制动器的为0.1～0.3mm。此间隙的存在会导致踏板或手柄的行程损失，因而间隙量应尽量小。考虑到在制动过程中摩擦副也许产生机械变形和热变形，因此制动器在冷却状态下应有的间隙应通过实验来拟定。此外，制动器在工作过程中会由于摩擦衬片(衬块)的磨损而加大，因此制动器必须设有间隙调整机构。
为了保持良好的制动效率，制动蹄与制动鼓之间要有一个最佳间隙值。随着摩擦衬片磨损，制动蹄与制动鼓之间的间隙增大，需要有一个调整间隙的机构。过去的鼓式制动器间隙需要人工调整，用塞尺调整间隙。现在轿车鼓式制动器都是采用自动调整方式，摩擦衬片磨损后会自动调整与制动鼓间隙。当间隙增大时，制动蹄推出量超过一定范围时，调整间隙机构会将调整杆（棘爪）拉到与调整齿下一个齿接合的位置，从而增长连杆的长度，使制动蹄位置位移，恢复正常间隙。
鼓式制动器的间隙调整是通过凸轮轴和制动气室之间的连接杆系—— 制动臂实现的，在制动臂的内部有一蜗轮和蜗杆副，通过调整蜗杆转动蜗轮带动凸轮转动，消除摩擦副间的多余间隙。

第5章 校核
5.1 制动器的热容量和温升的核算
应核算制动器的热容量和温升是否满足如下条件：

式中 ——制动鼓的总质量；初选=18kg
——与制动鼓相连的受热金属件(如轮毂、轮辐、轮辋、制动鼓等)的总质量；初选=28kg
——制动鼓材料的比热容，对铸铁=482J／(kg·K)，对铝合金
c=880J／(kg·K)；=482J／(kg·K)
——制动鼓的温升(一次由=30km／h到完全停车的强烈制动，初选=13℃ 温升不应超过15℃)
=288236 J／K
L——满载汽车制动时由动能转变的热能，因制动过程迅速，可以认为制动生成的热能所有为前、后制动器所吸取，并按前、后轴制动力的分派比率分派给前、后制动器，即

式中 ——满载汽车总质量；=1060+75X5=1435kg
——汽车制动时的初速度，可取；
——汽车制动器制动力分派系数，=0.656
=105903 J／K
=55534.5 J／K
+=105903+55534.5=161437.5J/K
而288236 J／K161437.5 J／K 符合规定
所以制动器的热容量与升温符合规定。
5.2 制动器的摩擦衬片校核
为了保证所设计的合理性，可以使制动器达成设计的目的,一定要满足:
4rP>
建议取液压泵产生的推力为F=4000N, 由于摩擦衬片所受的压力之和P=2F
P=2F=2×4000N=8000N
4rP=4×0.3×0.115×8000=1104N
=2504×0.3=751.2N
P——摩擦衬片所受的压力
——摩擦衬片的摩擦因数
r——制动鼓内径
——后轮的制动力矩
——车轮有效半径。
所以 4rP>
因此,所取的液压泵的推力符合条件。
5.3 驻车制动计算
车也许停驻的极限上坡路倾斜角

=
=22.5
式中：：车轮与轮面摩擦系数，取0.7；
：汽车质心至前轴间距离；
：轴距;
：汽车质心高度。
最大停驻坡高度应不小于16%～20%，故符合规定。
汽车也许停驻的极限下坡路倾斜角

=
=17
最大停驻坡高度应不小于16%～20%，故符合规定。

参考文献：
[1] 王国权，汽车设计，北京，机械工业出版社，2023.
[2] 刘永臣，汽车构造，北京.国防工业出版社，2023.
[3] 詹友刚，PROE设计教程，北京，机械工业出版社，2023.
[4] 王望予，汽车设计，吉林：机械工业出版社, 2023
[5] 黄金陵，汽车车身设计，北京，机械工业出版社，2023
[6] 田晋跃，现代汽车新技术概念，北京，北京大学出版社，2023