汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 制動(dòng)系是汽車的一個(gè)重要的組成部分。它直接影響汽車的行駛安全性。為了保證汽車有良好的制動(dòng)效能，應(yīng)該合理地確定汽車的制動(dòng)性能及制動(dòng)系結(jié)構(gòu)。 7.1 制動(dòng)動(dòng)力學(xué) 7.1.1 穩(wěn)定狀態(tài)下的加速和制動(dòng) 加速力和制動(dòng)力通過輪胎和地表的接觸面從車輛傳送到路面。慣性力作用于車輛的重心，引起一陣顛簸。在這個(gè)過程中當(dāng)剎車時(shí)，前后輪的負(fù)載各自增加或減少；而當(dāng)加速時(shí)，情況正好相反。制動(dòng)和加速的過程只能通過縱向的加速度ax加以區(qū)分。下面，我們先來分析一輛雙軸汽車的制動(dòng)過程。 最終產(chǎn)生結(jié)果的前后輪負(fù)載和，在制動(dòng)過程中，圖7.1隨著靜止平衡和制動(dòng)減速的條件而變?yōu)椋?

2、 （7.1a） （7.1b） 設(shè)作用于前后軸的摩擦系數(shù)分別為fV和fh,那么制動(dòng)力為： （7.2a） （7.2b） 圖7.1雙軸汽車的剎車過程 它們的總和便是作用于車輛上的減速力。 （7.3） 對于制動(dòng)過程，fV和fh是負(fù)的。如果要求兩軸上的抓力相等，這種相等使 fV＝fh＝ax/g，理想的制動(dòng)力分配是：

3、 （7.4） （7.5） 這是一個(gè)拋物線Fxh(Fxv)和參數(shù)ax的參數(shù)表現(xiàn)。在圖7.1的右半部分，顯示了一輛普通載人汽車的理想制動(dòng)力分配。實(shí)踐中，向兩邊分配制動(dòng)力通常被選用來防止過早的過度制動(dòng)，或是由剎車片摩擦偏差而引起的后輪所死，因?yàn)楹筝嗘i死后將幾乎無法抓地，車輛將會(huì)失去控制。然而防抱死剎車系統(tǒng)將會(huì)減輕這個(gè)問題。 當(dāng)然，每一個(gè)負(fù)載狀態(tài)都有它各自的理想制動(dòng)力分配。如果所有負(fù)載狀態(tài)都必須由一個(gè)固定的分配去應(yīng)對，那么最重要的條件往往就是空車載司機(jī)的情況。雖然，固定的分配在更多負(fù)載時(shí)無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的制動(dòng)力分配，b線顯示了當(dāng)后軸的制動(dòng)

4、力未超過理想值直到最大減速度為0.8g時(shí)的制動(dòng)力分配情況。彎曲的分配曲線可通過如下方法應(yīng)用。 圖 7.2 半掛車的剎車過程 情況（c）使用一個(gè)后軸限壓閥，情況（d）使用減壓閥。那些負(fù)載變化巨大的車輛，比如說卡車，或火車站貨車及很多前輪驅(qū)動(dòng)車，都有減壓閥，并且?guī)в幸粋€(gè)可變的突變點(diǎn)，具體要看靜止時(shí)的軸上負(fù)載（所謂的“制動(dòng)力調(diào)節(jié)器”）。 在一輛雙軸車上，輪子在制動(dòng)中的負(fù)載只取決于減速度，而不取決于設(shè)定的制動(dòng)力分配。但這對于有三個(gè)或以上軸的車輛來說并不適用。例如拖車，圖7.2，高度協(xié)調(diào)了拖車接點(diǎn)的hk,h1和h2,拖拉機(jī)和拖車的重心，設(shè)定的制動(dòng)力分配決定了連接力Fxk和F2k，從而決定了

5、各軸上力的分布。 這里建立的制定過程等式仍然有效，對于加速，加速度為正值。 7.2、制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配的總布置設(shè)計(jì)硬點(diǎn)或輸入?yún)?shù) 新車型總體設(shè)計(jì)時(shí)能夠基本估算如下基本設(shè)計(jì)參數(shù), 這些參數(shù)作為制動(dòng)系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù). 已知參數(shù) A車型 B車型 軸距（mm） 1840 2450 整車整備質(zhì)量（Kg） 830 922 滿載質(zhì)量（Kg） 1410 1502 空載時(shí)質(zhì)心距前軸中心線的距離（mm） 864.6 1242 空載時(shí)質(zhì)心高度（mm） 500 500 滿載時(shí)質(zhì)心距前軸中心線的距離（mm） 978.7 1462 滿載時(shí)質(zhì)心高度（m

6、m） 730 730 7.3、理想的前、后制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線 7.3.1 基本理論 (1) 地面對前、后車輪的法向反作用力 在分析前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配比例以前，首先了解地面作用于前、后車輪的法向反作用力。 圖7.3.1 由圖7.3.1，對后輪接地點(diǎn)取力矩得 式中： ——地面對前輪的法向反作用力； ——汽車重力； ——汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離； ——汽車質(zhì)量； ——汽車質(zhì)心高度； ——汽車減速度。 對前輪接地點(diǎn)取力矩，得 式中 ——地面對后輪的法向反作用力； ——汽車質(zhì)心至前軸中心線的距離。 則可求得地面法

7、向反作用力為 （7.3.1） (2) 前、后制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線 在任何附著系數(shù)的路面上，前、后車輪同時(shí)抱死的條件是：前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力之和等于附著力；并且前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分別等于各自的附著力，即： 消去變量，得 （7.3.2） 7.3.2 計(jì)算算例與計(jì)算結(jié)果 由上述結(jié)果可以分別得出車型A和車型B的前、后車輪同時(shí)抱死時(shí)前、后制動(dòng)器制動(dòng)力的關(guān)系曲線——理想的前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線，簡稱I曲線。 (1) 車型B的I曲線 下圖為車型B空載和滿載時(shí)候的I曲線 （N） (2) 車型A的I曲線 下圖

8、分別為車型A空載、滿載的I曲線 （N） 7.4、前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力矩的確定 7.4.1車型B制動(dòng)器的制動(dòng)力矩計(jì)算 車型B所采用的為：前面為盤式制動(dòng)器，后面為鼓式制動(dòng)器。下面就兩種制動(dòng)器分別進(jìn)行制動(dòng)力矩的計(jì)算。 已知制動(dòng)總泵的參數(shù)如下： 總泵缸徑 22.22mm 總泵壓力 87.7Kgf (1) 盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩計(jì)算 (a) 基本參數(shù) 缸徑 51.1mm 摩擦塊面積 35.9cm2 摩擦塊厚度 10mm 摩擦塊有效厚度 9mm 有效半徑 97.7mm 制動(dòng)盤厚度 12mm (b) 計(jì)算依據(jù) 假定襯塊的摩擦表面

9、全部與制動(dòng)盤接觸，且各處單位壓力分布均勻，則制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為： 式中——摩擦系數(shù)； ——單側(cè)制動(dòng)塊對制動(dòng)盤的壓緊力； ——作用半徑 (c) 計(jì)算結(jié)果 下面為盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系曲線。 （Nm） 由上圖可以看出，當(dāng)摩擦系數(shù)在0.35～0.42之間時(shí)，盤式制動(dòng)器所能提供的摩擦力矩在1205Nm～1447Nm之間。當(dāng)f＝0.38時(shí)，鼓式制動(dòng)器提供的摩擦力矩為1309Nm。 (2) 鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩計(jì)算 (a) 基本參數(shù) 缸徑 19.05mm 制動(dòng)鼓直徑 220mm 制動(dòng)蹄片包角 110 制動(dòng)蹄片寬度 40mm (b)

10、 計(jì)算依據(jù) 在摩擦襯片表面取一橫向微元面積，由鼓作用在微元面積上的法向力為： 對于緊蹄： 對于松蹄： 其中 (c) 計(jì)算結(jié)果 下圖為鼓式制動(dòng)器所能提供的制動(dòng)力矩——摩擦系數(shù)曲線。 （Nm） 由上圖可以看出，摩擦系數(shù)在0.35～0.42之間時(shí)，制動(dòng)力矩在524Nm～706.53Nm之間。當(dāng)f＝0.38時(shí)，鼓式制動(dòng)器提供的摩擦力矩為598.316Nm。 (3) 確定同步附著系數(shù) 通過上述關(guān)于制動(dòng)器的制動(dòng)力矩的計(jì)算，可以得到前、后制動(dòng)器之間的制動(dòng)力分配的比例： 通過這個(gè)曲線與I曲線的交點(diǎn)處的附著系數(shù)為同步附著系數(shù)。

11、7.4.2確定車型A的制動(dòng)器制動(dòng)力矩 (1) 基本原理 選定同步附著系數(shù)φ0，確定為0.7。 并用下列計(jì)算前、后輪制動(dòng)力矩的比值。 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，計(jì)算出前輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩Mμ1max；在根據(jù)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Mμ2max。 (2) 基本參數(shù) 已知參數(shù) CH6370 軸距（mm） 2450 整車整備質(zhì)量（Kg） 870 滿載質(zhì)量（Kg） 1502.2 空載時(shí)質(zhì)心距前軸中心線的距離（mm） 1242 空載時(shí)質(zhì)心高度（mm） 500 滿載時(shí)質(zhì)心距前軸中心線的距離

12、（mm） 1462 滿載時(shí)質(zhì)心高度（mm） 730 同步附著系數(shù) 0.7 (3) 計(jì)算結(jié)果 所得參數(shù) CH6370 0.619 滿載時(shí)前輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩Mμ1max 1771.7Nm 滿載時(shí)后輪制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩Mμ2max 1124 Nm 應(yīng)急制動(dòng)時(shí)，后橋制動(dòng)力矩 1430Nm 前橋制動(dòng)力矩 2323 Nm 7.4.3 車型A的制動(dòng)器改進(jìn)結(jié)果 前橋制動(dòng)力矩為2323 Nm，后橋制動(dòng)力矩1430Nm。即所采用的盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩為2323/2 =1161.5Nm，鼓式制動(dòng)器為1430/2=715Nm。 通過確定前、后輪制動(dòng)器的

13、最大制動(dòng)力矩，可以用7.3中提及的公式，用改變制動(dòng)分泵的直徑來改變原來制動(dòng)器的制動(dòng)力矩。 可以得出制動(dòng)分泵改變情況如下： 摩擦系數(shù)f 改動(dòng)后盤式制動(dòng)器輪缸直徑（m） 改動(dòng)后鼓式制動(dòng)器輪缸直徑（m） 0.38 0.048 0.021 在車型A上，前橋采用盤式制動(dòng)器，后橋采用鼓式制動(dòng)器。盤式制動(dòng)器的缸徑為48mm，鼓式制動(dòng)器的缸徑為21mm。 7.5、比例閥的設(shè)計(jì) 由于，對于具有固定比值的前、后制動(dòng)器制動(dòng)力的制動(dòng)系特性，其實(shí)際制動(dòng)力分配曲線與理想的制動(dòng)力分配曲線相差很大，附著效率低。因此，現(xiàn)代汽車均裝有制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度，載荷等因素來改變前、后制動(dòng)器制動(dòng)力的比值

14、，使之接近于理想制動(dòng)力分配曲線，滿足制動(dòng)法規(guī)的要求。 7.5.1 基本參數(shù) 空載 滿載 質(zhì)量（Kg） 992 1502 軸荷分配（Kg） 489/503 606/896 質(zhì)心至前軸中心線的距離（m） 1.218 1.445 質(zhì)心至后軸中心線的距離（m） 1.232 1.005 質(zhì)心高度（m） 0.5 0.73 0.7g前后軸荷分配（N） 5834/3201 9109/5612 0.8 g前后軸荷分配（N） 6019/3017 9548/5174 由上述參數(shù)，用前面討論過的盤式、鼓式制動(dòng)器的計(jì)算方法，可以得出以下結(jié)果： 前

15、 后 空載 0.7g時(shí)理想制動(dòng)力（N） 4084 2241 輸入壓力（MPa） 8.595 滿載 0.7g時(shí)理想制動(dòng)力（N） 6377 3929 輸入壓力（MPa） 8.595 7.5.2 GMZ1的校核 經(jīng)GZM1調(diào)節(jié)后，汽車在空、滿載時(shí)的狀態(tài)如下： 后 空載 輸出壓力（MPa） 2.495 制動(dòng)器所輸出的制動(dòng)力（N） 1513 滿載 輸出壓力（MPa） 8.595 制動(dòng)器所輸出的制動(dòng)力（N） 5174 如下圖： 那么可以得出，空載的時(shí)候，經(jīng)比例閥調(diào)節(jié)后，后面的制動(dòng)器提供的制動(dòng)力是小于當(dāng)時(shí)情況下的地面所

16、能提供的制動(dòng)力的；滿載的時(shí)候，經(jīng)比例閥調(diào)節(jié)后，后面的制動(dòng)器提供的制動(dòng)力是大于當(dāng)時(shí)情況下的地面所能提供的制動(dòng)力的。 7.5.3 GZM2的校核 經(jīng)GZM2調(diào)節(jié)后，結(jié)果如下： 后 空載 輸出壓力（MPa） 2.885 制動(dòng)器所輸出的制動(dòng)力（N） 1749 滿載 輸出壓力（MPa） 8.595 制動(dòng)器所輸出的制動(dòng)力（N） 5174 同樣，空載的時(shí)候，經(jīng)比例閥調(diào)節(jié)后，后面的制動(dòng)器提供的制動(dòng)力是小于當(dāng)時(shí)情況下的地面所能提供的制動(dòng)力的；滿載的時(shí)候，經(jīng)比例閥調(diào)節(jié)后，后面的制動(dòng)器提供的制動(dòng)力是大于當(dāng)時(shí)情況下的地面所能提供的制動(dòng)力的。 7.5

17、.4新曲線 通過上面的計(jì)算可以看出，GZM1和GZM2可以滿足0.7g時(shí)空載時(shí)的要求，但是不滿足在滿載時(shí)候的要求。那么，理想的調(diào)節(jié)曲線如下： 可以得出實(shí)際的新曲線，如下： 上圖中，1、4為GZM2曲線，2、3為新曲線。 比較上述圖表，我們可以得出以下結(jié)論； 如下表對照可得： 空載狀態(tài) GMZ1調(diào)節(jié)后 GMZ2調(diào)節(jié)后 新曲線 理想調(diào)節(jié)狀態(tài) 輸入壓力（MPa） 8.595 8.595 8.595 8.595 輸出壓力（MPa） 2.495 2.885 3.696 3.696 制動(dòng)器提供的制動(dòng)力（N） 1513 1749 2241

18、 2241 減速度 6.07 6.326 6.86 6.86 制動(dòng)距離 40.7 39 36 36 滿載狀態(tài) GMZ1調(diào)節(jié)后 GMZ2調(diào)節(jié)后 新曲線 理想調(diào)節(jié)狀態(tài) 輸入壓力（MPa） 8.595 8.595 8.595 8.595 輸出壓力（MPa） 8.595 8.595 7 6.48 制動(dòng)器提供的制動(dòng)力（N） 5174 5174 4244 3929 減速度 6.86 6.86 6.86 6.86 制動(dòng)距離 36 36 36 36 新曲線更貼近理想的調(diào)節(jié)狀態(tài)，也更能充分的利用地面附著系數(shù)。 7

19、.6、總泵的校核 由于相對與原車，前、后制動(dòng)器輪缸直徑發(fā)生了變化，因此需要校核原車總泵的容積是否滿足改動(dòng)后的容積要求。 7.6.1基本參數(shù) 改動(dòng)前， 盤式制動(dòng)器輪缸缸徑，容積； 鼓式制動(dòng)器輪缸缸徑，容積； 總泵的缸徑為，前腔容積，后腔容積； 改動(dòng)后， 盤式制動(dòng)器輪缸缸徑，容積； 鼓式制動(dòng)器輪缸缸徑，容積； 總泵的缸徑為；前腔容積，后腔容積； 改 動(dòng) 前 盤式制動(dòng)器輪缸缸徑 51.1mm 鼓式制動(dòng)器輪缸缸徑 19.05mm 總泵的缸徑為 22.22mm 前活塞位移 16.5 mm 后活塞位移 12 mm 改 動(dòng) 后 盤式制動(dòng)器輪缸缸徑

20、 48 mm 鼓式制動(dòng)器輪缸缸徑 21 mm 7.6.2基本理論 如果原總泵的前、后腔容量滿足制動(dòng)器的需要，那么就認(rèn)為原總泵是滿足要求的，反之，就認(rèn)為是不滿足。 7.6.3校核結(jié)果 參數(shù) 結(jié)果 2個(gè)盤式制動(dòng)器所需制動(dòng)液（mL） 1.08 2個(gè)鼓式制動(dòng)器所需制動(dòng)液（mL） 5.542 總泵前腔容積（mL） 6.398 總泵后腔容積（mL） 4.653 由上可以得出，前、后腔的容積是滿足前、后制動(dòng)器的需要的。 7.7法規(guī)要求 7.7.1 GB12676-1999法規(guī)要求 由于GB12676-1999制動(dòng)法規(guī)要求

21、 發(fā)動(dòng)機(jī)脫開的0型試驗(yàn)性能要求。 空、滿載試驗(yàn)車輛分別按6.6.2.1a）和6.6.2.2a）規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行，在規(guī)定的車速下，各類車輛試驗(yàn)結(jié)果必須達(dá)到下表規(guī)定的最低性能要求。 車輛類型 試驗(yàn)車制動(dòng)初速度v，Km/h 制動(dòng)距離Smax，m 充分發(fā)出的平均減速度MFDDmin，m/s2 最大控制力，N M1 80 5.8 500 那么其規(guī)定的制動(dòng)距離為：50.667m。

22、 下面為車型A在GB12676-1999法規(guī)要求下，其制動(dòng)距離和充分發(fā)出的平均減速度。 制動(dòng)距離（m） 36 充分發(fā)出的平均減速度MFDDmin，m/s2 6.86 由上可以得出，是符合GB12676-1999法規(guī)要求的。 7.8 GB 7258-1997法規(guī)要求 GB 7258-1997法規(guī)要求：汽車、無軌電車和四輪農(nóng)用運(yùn)輸車的行車制動(dòng)，必須采用雙管路或多管路，當(dāng)部分管路失效時(shí)，剩余制動(dòng)效能仍能保持原規(guī)定值的30％以上。 下面為車型A前失效和后失效的情況下，剩余制動(dòng)效能占原規(guī)定值的比

23、值。 前失效時(shí)，剩余制動(dòng)效能占原規(guī)定值的比值 38.6％ 后失效時(shí)，剩余制動(dòng)效能占原規(guī)定值的比值 61.4％ 可以看出，是符合GB 7258-1997法規(guī)要求的。 7.9、結(jié)論 通過上面的分析可以得到： 7.9.1 理論曲線 下面為前、后制動(dòng)器匹配后，整車的理想I曲線和曲線。 7.9.1匹配參數(shù) 同步附著系數(shù) 0.7 前、后制動(dòng)器制動(dòng)力矩比值 0.619 (1) 制動(dòng)系統(tǒng)重新匹配的結(jié)果 摩擦系數(shù) 0.38 盤式制動(dòng)器輪缸直徑 48mm 鼓式制動(dòng)器輪缸直徑 21mm 總泵缸徑 22.22mm (2) GP閥特性曲線 GP閥的特性曲線上圖。 29