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第4章 制动器
4.1 机械式制动器
4.1.1盘式制动器的概述
在平时我们经常看到的汽车制动系统的制动器是机械式的，机械式制动器主要有两种一种是鼓式制动器另一种是盘式制动器。其中在轿车的制动系统中，由于鼓式制动器的一些缺点，鼓式制动器正在逐渐被盘式制动器所取代。盘式制动器的工作方式是利用制动摩擦片与制动盘之间的摩擦力来使车辆减速或停止，实施制动时，汽车的动能会转化成大量的热能。在此过程中损耗了不少的能量。
盘式制动器按摩擦副中的固定摩擦元件的结构，分为钳盘式和全盘式制动器两大类。本次设计我采用的是较为流行的钳盘式制动器，如图4-1所示，因为一般轿车上大多数采用钳盘式制动器。盘式制动器又称为碟式制动器，顾名思义是取其形状而得名

图4-1 盘式制动器
它由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。盘式制动器有液压型的，由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，很多轿车采用的盘式制动器有如图4-2所示的平面式制动盘、如图4-3所示的打孔式制动盘以及如图4-4所示的划线式制动盘，其中划线式制动盘的制动效果和通风散热能力均比较好。

图4-2 平面式制动盘

图4-3 打孔式制动盘

图4-4 划线式制动盘
盘式制动器沿制动盘向施力，制动轴不受弯矩，径向尺寸小。其大多应用于轿车上，且现在大部分轿车用于全部车轮制动，只有少数轿车用作前轮制动。盘式制动盘主要组成就是由制动盘和摩擦衬块。制动时，油液被压入内、外两轮缸中、其活塞在液压作用下将两制动块压紧制动盘，产生摩擦力矩而制动。此时，轮缸槽中的矩形橡胶密封圈的刃边在活塞摩擦力的作用下产生微量的弹性变形。放松制动时，活塞和制动块依靠 密封圈的弹力和弹簧的弹力回位。由于矩形密封圈刃边变形量很微小，在不制动时，摩擦片与盘之间的间隙每边只有0.1mm左右，它足以保证制动的解除。又因制动盘受热膨胀时，其厚度只有微量的变化，故不会发生“托滞”现象。矩形橡胶密封圈除起密封作用外，同时还起到活塞回位和自动调整间隙的作用。如果制动块的摩擦片与盘的间隙磨损加大，制动时密封圈变形达到极限后，活塞仍可继续移动，直到摩擦片压紧制动盘为止。解除制动后，矩形橡胶密封圈将活塞推回的距离同磨损之前相同，仍保持标准值。
盘式制动器一般无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦系数的影响较小，即效能较稳定；浸水后效能降低较少，而且只须经一两次制动即可恢复正常；在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量一般较小；制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会象制动鼓的热膨胀那样使制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大；较容易实现间隙自动调整，其他保养修理作业也较简便。
⑴热稳定性较好。因为摩擦衬块尺寸不长，其工作表面的面积仅为制动盘面积的12%～6%，故散热性较好。
⑵水稳定性较好。因为制动衬块对盘的单位压力高，易将水挤出，同时在离心力的作用下沾水后也易于甩掉，再加上衬块的擦拭作用，因而，出水后只需经一、二次制动即能恢复正常；而鼓式制动器则需经过十余次制动方能恢复正常制动效能。
⑶制动力矩与汽车前进和后退行驶无关。
⑷在输出同样大小的制动力矩的条件下，盘式制动器的质量和尺寸比鼓式要小。
⑸盘式的摩擦衬块比鼓式的摩擦衬片在磨损后更易更换，结构也较简单，维修保养容易。
⑹制动盘与摩擦衬块间的间隙小(0.05～0.15mm)，这就缩短了油缸活塞的操作时间，并使制动驱动机构的力传动比有增大的可能。
⑺制动盘的热膨胀不会像制动鼓热膨胀那样引起制动踏板行程损失，这也使间隙自动调整装置的设计可以简化。
盘式制动器也有自己的缺陷。例如对制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦片的耗损量较大，成本贵，而且由于摩擦片的面积小，相对摩擦的工作面也较小，需要的制动液压高，必须要有助力装置的车辆才能使用是效能较低，故用于液压制动系统时所需制动促动管路压力较高，一般要用伺服装置。制动比较粗暴。两个粘有摩擦衬面的摩擦盘能在花键轴上来回滑动，是制动器的旋转部分。当制动时，能在极短时间使车辆停止。再加上压盘上球槽的倾斜角不可能无限大，所以制动不平顺。

4.1.2 钳盘式制动器的设计
钳盘式制动器结构组成主要有两部分制动盘和摩擦衬片，在这里我们着重讲述制动盘的设计。
⑴ 制动盘材料的选用
从制动盘的使用上看 ,它同轮毂装配在一起 ,其功能就是通过与制动衬片进行干摩擦,将高速行驶的车辆的动能 ,转换成热能。这部分热能全部蓄积在制动盘上 ,并同时很快由其散发到大气中去。热能的蓄积使得制动盘的温度升高 ,车辆的载重量越大 ,行驶的速度越快 ,刹车越性。作为与人的生活息息相关的汽车 ,人们在感受它的方便之时 ,也重在享受它的舒适 ,特别对于客车而言更是如此。由于汽车在制动时 ,强烈的干摩擦会产生振动 ,并伴随着强烈的振鸣声,长期以来,会使人极为不适,也加速了汽车的损坏,因此 ,自然要求制动构件的振动衰减能力大 ,有抑制产生振鸣的效果。综上所述,从使用的要求出发 ,需要制动盘具有的质是 :高的蓄热性、好的导热性、耐磨损能力强、高的强度、好的抗热裂性、抗振动衰减和抑制振鸣效果好等。根据查看有关资料我倾向于选择灰铸铁作为制动盘的材料。一是灰铸铁最最经济的材料之一 ,无论从原材料的冶炼 ,还是从产品的生产,都体现出价格低廉的经济性。二是制作较容易,生产环节少， 质量便于控制,成品率高,易于实现机械化。三是本身的性能特征 ,接近于制动盘的使用要求 ,通过合金化热处理等较易操作的方法,可实现对性能较大的改善 ,从而满足一些特殊的性能要求 ,达到理想的制动盘材质。
⑵制动盘的参数的确定
①制动盘直径D
制动盘直径D希望尽可能大，这时制动盘的有效半径得以增大，就可以降低制动钳的夹紧力，降低摩擦衬块的单位压力和工作温度。但制动盘直径D受轮辋直径的限制。通常，制动盘的直径D选择为轮辋直径的70%左右，而总质量大于2t的汽车应取其上限。
本次设计的电动车车的轮辋直径为20英寸（508mm），且总质量：M=1100kg
所以根据设计的要求制动盘直径取D=302mm。
②制动盘的厚度h
制动盘厚度h直接影响着制动盘质量和工作时的温升。为使质量不至于太大，制动盘厚度应取得适当小些；为了降低制动工作时的温升，制动盘厚度又不能过小。制动盘可以制成 实心的，而为了通风散热，又可以在制动盘工作面之间铸出通风孔道。 这里选用通风式制动盘，制动盘厚度取h=26mm。

③摩擦衬块内半径R1和外半径R2
在一般制动器的设计中常推荐摩擦衬块的外半径R2与内半径R1的比值不大于1.5。若此值偏大，工作时摩擦衬块外缘与内缘的圆周速度相差较大，其磨损就会不均匀，接触面积将减小，最终会导致制动力矩变化大。如图4-5所示，因为制动器直径D等于302mm,则摩擦块取外半径R2=150mm,内半径R2/R1=1.5则R1=100mm。

图4-5 摩擦衬块
④制动衬块工作面积A
推荐根据制动摩擦衬块单位面积的汽车质量1.6Kg/cm2~3.5Kg/cm2范围内选取。乘用车的总质量：M=1100kg，前轮的载重为：M1=385kg，
则3853.5×4cm2材料的摩擦系数的稳定值约为0.35～0.40。在假设的理想条件下计算制动器的制动力矩，使计算结果接近实际可取：f=0.35。
(3)制动器主要零部件的结构设计
①制动盘
盘式制动器的刹车盘分为实心盘（单片盘）和风道盘（双片盘）。实心盘式我们比较容易理解，说白了，就是实心的。风道盘，顾名思义具有透风功效。如图4-6所示，从外表看，它在圆周上有许多通向圆心的洞空，称为风道。汽车在行使中通过风道处空气对流，达到散热的目的的，比实心式散热效果要好许多。大部分轿车都是前驱电动汽车也不列外，前盘使用频率计磨损较大，故采用前风道盘，后实心盘（单片盘）。当然也有前后都是风道盘的，但制造成本并不会差的离谱。

图4-6 风道盘

②制动钳
制动钳由可锻铸铁KTH370-12或球墨铸铁QT400-18制造，也有用轻合金制造的，例如用铝合金压铸，如图4-7所示。

图4-7 制动钳模型

③制动块
制动块由背板和摩擦衬快组成，两者直接牢固地压嵌或铆接或粘结在一起。
④摩擦材料
制动摩擦材料应具有稳定的摩擦系数，抗热衰退性要好，不应在温升到某一数值以后摩擦系数突然急剧下降，材料应有好的耐磨性，低的吸水（油、制动液）率，低的压缩率、低的热传导率和低的热膨胀率，高的抗压、抗剪切、抗弯曲性能和耐冲击性能，制动时应不产生噪声、不产生不良气味、应尽量采用污染小对人体无害的摩擦材料。当前，制动器广泛采用模压材料。
⑤制动轮缸
制动轮缸采用单活塞式制动轮缸，其在制动器中布置方便。轮缸的缸体由灰铸铁HT250制成。其缸简为通孔，需镗磨。活塞由铝合金制造。活塞外端压有钢制的开槽顶快，以支承插槽中的制动蹄，极端部或端部接头。轮缸的工作腔由装在活塞上的橡胶密封圈或靠在活塞内端面处得橡胶皮碗密封。

本次设计钳盘式制动器为定钳盘式制动器，其结构基本如图4-8所示。

图4-8 定盘式制动器的结构图a

图4-8 定钳盘式制动器b

4.2 电磁场式制动器
电磁式制动器在欧美等西方国家应用的范围较广，其根本原理就是利用电磁原理来控制制动器的分合。本次设计采用的同样是利用电磁的原理来设计制动器但其余一般的电磁式制动器有区别，主要在于其实利用电动机的原理来实现工作的。
电动机是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈也就是定子绕组产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁场方向方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。本次设计的行星齿轮的内齿轮其外部有齿槽可以缠绕大量线圈与做成磁场的车轮内圈设计形成一个类似电动机工作装置。如图4-9所示，在轮毂内行星齿轮的内齿轮缠绕线圈可以作为电动机的转子，而车轮内圈可以设计成一个恒定的磁场。在汽车由高速状态制动时，此时驱动电机断电,行星减速装置和车轮都仍还在转动,且此时内齿轮的转速低于车轮的转速,如果此时给内齿轮的线圈通反向电流,则内齿轮就会产生与车轮磁场相反的磁场,使得内齿轮的转动与车轮转动的方向形势相反,在此过程中和中心轮连接的轴就会产生反转力矩作用在车轮,使得车轮减速。

图4-9 内齿轮外齿槽a

图4-9 内齿轮外槽b