基于SUV制動器結構設計的制動性能分析

摘 要：如今人們更加注重汽車的行駛安全性，所以一套可靠、安全性強的系統更能提高其人身安全。對于SUV，在較差路況行駛的概率要比正常轎車高得多，所以更需要制動效能更強的制動器。文章通過多種對比，并將其各自的優缺點以及實用性羅列出來，最終決定使用浮動鉗式更符合SUV的使用。并對其制動效能以及制動極限做出計算以及驗算。最終通過CAD繪制了其零件圖以及裝配圖。

關鍵詞：制動器；結構設計；CAD制圖；制動性能分析

1 概述

在汽車一出現的時候制動系統就是必須具備的，并且有著必不可少的作用。隨著人類生活水平的提高以及科技的進步，制動系統在車上顯得越來越重要。所以制動系統也有很多種類型可供選擇，機械式、氣動式、液壓式、氣-液混合式都是比較傳統的結構形式。這幾種結構形式的制動器都是利用摩擦片與運動件的摩擦來降低車輛的行駛速度，使汽車得以減速以及平穩地停車。近年來，很多新的結構形式的制動系統被發明出來，因為傳統的結構形式的制動原理已經達不到人類對制動器性能的使用標準。并且傳統結構形式的制動原理與如今即將盛行的新能源汽車已經無法相對匹配了。例如電動汽車無法使用真空助力器，因為沒有發動機提供的真空源。所以更多形式的制動系統將被發明并且運用于車輛上。

1.1 制動系統的概述

汽車制動系統是能讓汽車在正常的行駛中能平穩地使汽車停止，使汽車平穩的停在坡道或平地上；在下坡行駛時刻控制車輛的車速以保證行駛安全。

在這個科技飛快進步的社會，人類汽車的制動系統也都做了很大的改進，因為制動系統的好壞直接影響了駕駛與乘坐者的安全性。所以對制動系統的設計也更加的嚴謹先進。

現在汽車上搭載的不是鼓式就是盤式制動器。其中熱穩定性較高的是盤式制動器，被普遍的用于汽車上。文章以SUV制動器的結構設計作為中心，基本能代表大部分SUV的制動器的設計。

1.2 設計的意義

制動器在汽車上面是必不可少的。所以制動器的設計在汽車上來說絕對是最被重視的，由于科技的發展，車速也變得越來越高，所以制動器的工作效果也得到人們的重視，這直接關系到車輛的駕駛以及駕駛乘坐者的安全。所以汽車制動器的設計在汽車上是非常重要的。

（1）通過對SUV以及其他車型的剎車要求的對比，以及對制動系統的對比，使用更加符合SUV行駛的制動器結構。

（2）通過設計方法提出SUV汽車制動系統的設計方法，對制動系統進行設計計算及分析，把缺陷消除在萌芽當中。

2 制動器主要零部件結構設計

2.1 制動盤

制動盤是通過添加Cr，Ni等合金的鑄鐵制造而成。全盤式制動盤為平整的圓形，鉗盤式制動盤為類似于帽子的形狀。

制動盤除了受制動塊的作用力之外還承受著熱負荷。在工作時為了降低其溫度，可增加其散熱能力，可用中間通風的形式來增加其散熱性，在緊急或者長距離制動中可以起到良好的散熱作用，從而降低制動器的熱衰退，增強制動器的制動較能。通風盤由于中間通風槽的存在厚度會較大，所以質量較大、制造用料也會較多。

制動盤的工作平面應制造平整、打磨光亮，在制造過程中應注意制動盤工作面的跳動量以及注意制動盤內外兩面是否平行。

2.2 制動鉗

制動鉗的可用制造材料較多，只要剛度達到要求均可以使用，例如用鋁合金壓鑄。制動鉗可以是成式的，也可以是分段式的，兩種形式都應該考慮更換制動塊時不影響制動鉗。制動鉗體必須具有很高的剛強度硬度。而油缸的加工也可分為嵌入式和直接加工式。活塞與制動鉗鉗體都應該具備一定的剛性，所以都做了特殊的處理加強其剛度，當制動鉗采用鋁合金時，要解決制動液的能量吸收問題。所以活塞與摩擦襯快的接觸面積不宜過大。

2.3 制動塊

制動塊的背板和摩擦材料塊應該緊緊地牢固地連接。制動塊形狀為不規則。制動塊背板的材料是剛。通常情況下背板后會有減震棉用來減小制動時產生的震動以及尖叫聲。摩擦襯塊應具有一定的厚度，因為剎車作用時的摩擦力與高溫使得其磨損得很快。一般情況下，各類汽車之間的摩擦塊都有一定的要求，文章中的SUV汽車的摩擦襯塊的厚度保持在7.5mm～16mm之間即可。一般摩擦襯塊的摩擦皮達到一定的厚度不能保證其工作性能時，會通過指示燈提醒車主注意剎車片厚度。

3 制動器的熱容量和溫升的核算

3.1 制動器的熱容量與溫升

式中：md——各制動盤的總質量，取md=12kg；mh——與制動盤連接金屬件的總質量，取mh=24kg；Cd——與制動盤材料的比熱容，對鑄鐵c=482J；Ch——制動器中金屬元件比熱容，取ch=482J；△t——制動盤的溫升，取△t=14℃；

Q——汽車的制動能全部轉換為汽車個剎車盤的熱能的總和。

其中：ma——汽車總質量ma=1545kg；Va——制動前一刻汽車行駛的速度Va=20m/s；？茁——汽車制動器制動力分配系數。？茁=0.69；

所以

3.2 強度校核

由上式得出的結果后，可算出？子

式中：f——支架所受的力；n——螺栓的數量，此處n=2；d——螺栓的直徑。

因為？子？燮[？子]，所以螺栓的強度符合要求。

本次采用組成為灰鑄鐵制成的制動盤、鑄鐵制成的制動鉗、以石棉為主要材料的摩擦襯塊并且摩擦襯塊與制動器背板緊密牢固地連接在一起。該制動器的熱容量和溫升也達到設計要求。

4 制動器的設計計算

4.1 制動盤直徑D

當制動盤的直徑增大的時候，就可以降低制動鉗對制動塊施加的力，減少制動塊的磨損以及制動器溫度的升高。但制動盤直徑D受輪輞直徑的限制。通過對設計資料查閱與輪轂尺寸之間的關系。所以輪轂為18英寸所以輪轂直徑18×25.4=457.2mm，取輪轂直徑為457mm。

由于輪轂直徑為457mm，還應考慮制動盤不影響車輪的正常運轉，使車輪能平穩的轉動。所以根據輪轂尺寸可得直徑d=320mm

4.2 制動盤厚度h

制動盤的h受兩個因素的制約：質量。現在汽車都流行輕量化，節能、省油又能達到預想的工作狀態，所以制動盤的厚度不應過厚。溫度。由于溫度的升高會使制動效能衰退，所以制動盤厚度又不應過薄。

綜合上面兩個影響因素，決定使用通風式制動盤，與普通實心盤不同的是通風盤中間留出了通風道，由于通風道的存在，所以厚度也應偏厚。大部分車型采用厚度為20mm～30mm的制動盤。所以此設計中選用通風盤式制動器且其厚度為25mm。

5 制動器制動力分配曲線分析

5.1 制動力分配曲線

對于很多車輛來說，在不同的路面狀況、不同的外力因素、坡度等原因而產生的汽車前后輪的制動器制動力不均，當剎車系統具備把輪胎抱死的條件時，汽車各輪之間可能存在以下關系：（1）前輪先抱死拖滑，然后后輪抱死拖滑。（2）后輪先抱死拖滑，然后前輪抱死拖滑。（3）前、后輪同時抱死拖滑。

所以，前后輪的運動狀態影響著汽車的行駛穩定性，各制動力之間也存在著影響。所以設計制動系統時也應多考慮制動力的分配問題。

由上述計算可繪出此曲線：

由曲線可得，在I與β的交點處，表示車輛四個輪胎在同一刻全部抱死拖滑。

當β處于I上面時，表示前軸連接的輪胎優先于后軸連接的輪胎抱死。

當β處于I下面時，表示后軸連接的輪胎優先于前軸連接的輪胎抱死。

從圖1可驗證出各尺寸與其分配符合設計。

當一輛汽車擁有優秀的剎車系統時，其剎車所用時間肯定短，剎車所用距離也將較小。

5.2 制動減速度計算

假設汽車在理想路面上行駛，并且假設在真空無摩擦時，此時汽車剎車使用的力都由制動系統提供。所以j=M總/rr×m

式中M總：汽車前、后輪制動力矩的總合

M總=M？滋1+M？滋2=2581.2+1438.6=4019.8Nm

r——滾動半徑r=325mm；Ga——汽車總重Ga=2050kg

代入數據得j=4019.8/（0.325×2050）=6.03m/s=6.03m/s2

符合相關文件對減速度的要求。

5.3 制動距離計算

制動距離S=1/3.6（t12+t112/2）Va+Va2/254？鬃

其中，t12：活塞被回位彈簧作用時間，取0.1s；t112：制動力增長過程所需時間取0.2s

故S=1/3.6（0.1+0.2/2）30+302/254×0.6=7.2m

所以可得汽車理論上從開始剎車到汽車停止的最長距離是：

ST=0.1V+V2/150

所以取速度為30公里/小時，ST=0.1+302/150=9m，S

本次設計采用了浮動鉗盤式制動器，通過計算以及驗算，其制動力、制動效能、駐車制動符合國家對汽車制動的評價指標。所以本次設計基本達到預期要求。

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