557 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（制動(dòng)與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)）（有exb圖+中英文翻譯+開題報(bào)告）
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
題目大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（制動(dòng)與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)）
2013年5月30日
大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
Formula SAE自1978年在美國第一次舉辦以來，現(xiàn)已成為一項(xiàng)頂尖的國際賽事。按比賽規(guī)定，賽車必須在加速，制動(dòng)和操控性能方面表現(xiàn)出色。其中，為保障車輛和駕駛?cè)藛T的安全，賽車的制動(dòng)與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
本文主要闡述了Formula SAE賽車的制動(dòng)與行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。本次設(shè)計(jì)參照上代及其他參賽團(tuán)體的賽車，進(jìn)行了整體優(yōu)化。本文在分析大賽規(guī)則及往屆成型賽車的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算分析設(shè)計(jì)出制動(dòng)與行走系統(tǒng)的總體方案。其中，制動(dòng)系統(tǒng)以制動(dòng)器為核心，設(shè)計(jì)出制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)（踏板裝置）及制動(dòng)操縱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（II型液壓雙回路）。行走系統(tǒng)以輪胎為核心，依次進(jìn)行輪輞、輪轂、立柱的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)在分析研究國外經(jīng)典賽車基礎(chǔ)上，參照實(shí)物及經(jīng)典模型，利用UG對各零件進(jìn)行三維建模和裝配，利用CAD、CAXA等軟件建立模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉分析，保證設(shè)計(jì)的合理性及優(yōu)良性。
最后，本次設(shè)計(jì)運(yùn)用UG等軟件，對制動(dòng)系統(tǒng)中的連接件、緊固件、制動(dòng)盤、制動(dòng)踏板、制動(dòng)油路等和行走系統(tǒng)中的立柱、輪轂、輪輞進(jìn)行了仿真及有限元分析，并制造出樣件，對樣件裝車試驗(yàn)，取得良好效果。最終本設(shè)計(jì)的結(jié)果，確保了本賽車具有出色的制動(dòng)性和在極限工況下的安全性。
關(guān)鍵詞：賽車，制動(dòng)及行走系統(tǒng)，優(yōu)化，仿真，有限元分析
I
COLLEGE STUDENTS'FORMULA RACING
BRAKE AND WALKING SYSTEM DESIGN
ABSTRACT
Formula SAE held in the United States for the first time since 1978, has now become a top international event. The car's design must be in acceleration, braking and handling performance. Among them, in order to guarantee the safety of the vehicle and driver, braking and walking system design is especially important.
This article mainly elaborated the Formula SAE racing car brake and walking system design process. Design with reference to the parent group and other participants of the car, on the whole optimization. Based on the analysis of the competition rules and past molding car, on the basis of analysis by calculation braking and walking system overall scheme are given. Among them, the braking system to brake as the core, designed the brake operating mechanism and brake control driving mechanism. Walking system to tire as the core, in turn to carry on the rim, hub, pillar design. Refer to physical objects and the classic case in design process, the parts to make use of UG three-dimensional modeling and assembly, optimize the braking control drive mechanism, using CAD, CAXA, such as motion interference analysis, to ensure the rationality of the design and the optimal benign.
Using software such as UG, the design of the braking system of the fittings, fasteners, brake pedal, brake disc and walking system such as columns, in the hub, rim has carried on the simulation and finite element analysis, to ensure that this car has good brake and safety under limit conditions.
KEY WORDS:car, brake and walking system, optimization, simulation, finite element analysis
II
符 號 說 明
輪缸活塞直徑,mm
主缸活塞直徑,mm
地面制動(dòng)力,N
制動(dòng)踏板力,N
車輪與地面的附著力,N
汽車前軸靜負(fù)荷,N
汽車后軸靜負(fù)荷,N
質(zhì)心高度,mm
軸距,mm
汽車質(zhì)心離前軸的水平距離,mm
汽車質(zhì)心離后軸的水平距離,mm
汽車總質(zhì)量,kg
車輪有效半徑,mm
車輪滾動(dòng)半徑,mm
制動(dòng)器對車輪的制動(dòng)力矩,N·m
管路液壓,MPa
主缸工作容積,mm3
單個(gè)輪缸工作容積,mm3
汽車行駛速度m/s
制動(dòng)踏板行程,mm
地面對前軸的法向反力,N
地面對后軸的法向反力,N
制動(dòng)力分配系數(shù)
同步附著系數(shù)
制動(dòng)輪缸的活塞行程,mm
踏板機(jī)構(gòu)及制動(dòng)主缸的機(jī)械效率
III
目 錄
第一章 概述 1
§1.1 大學(xué)生方程式賽車簡介 1
§1.2 制動(dòng)系統(tǒng)的重要性 1
§1.3 行走系統(tǒng)的功用 1
第二章 制動(dòng)系設(shè)計(jì) 3
§2.1 制動(dòng)系應(yīng)滿足的主要要求 3
§2.2 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)型式及選擇 3
§2.2.1 鼓式制動(dòng)器 4
§2.2.2 盤式制動(dòng)器 5
§2.3 制動(dòng)系的主要參數(shù)及其選擇 7
§2.3.1 制動(dòng)力與制動(dòng)力分配系數(shù) 7
§2.3.2 同步附著系數(shù) 10
§2.3.3 制動(dòng)器最大制動(dòng)力矩 10
§2.3.4 制動(dòng)器因數(shù) 11
§2.3.5 制動(dòng)器的機(jī)構(gòu)參數(shù)與摩擦系數(shù) 11
第三章 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
§3.1 摩擦襯塊磨損特性的計(jì)算 13
§3.2 制動(dòng)器的熱容量和溫升的核算 14
§3.3 盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算 16
§3.4 駐車制動(dòng)計(jì)算 17
第四章 制動(dòng)器主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
§4.1 制動(dòng)盤 19
§4.2 制動(dòng)鉗 19
§4.3 制動(dòng)塊 20
§4.4 摩擦材料 21
§4.5 制動(dòng)輪缸 21
§4.6 制動(dòng)器間隙的調(diào)整方法及相應(yīng)機(jī)構(gòu) 21
第五章 制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算 23
IV
§5.1 制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式選擇 23
§5.2 制動(dòng)管路的分路系統(tǒng) 25
§5.3 液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 26
§5.3.1 制動(dòng)輪缸直徑與工作容積 26
§5.3.2 制動(dòng)主缸直徑與工作容積 27
§5.3.3 制動(dòng)踏板力與踏板行程 28
§5.3.4 制動(dòng)主缸的形式 29
第六章 行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30
§6.1 汽車行駛系統(tǒng)概述 30
§6.1.1 輪胎 31
§6.1.2 輪輞 31
§6.1.3 輪轂 32
§6.1.4 立柱 33
§6.2 強(qiáng)度校核 34
§6.2.1 制動(dòng)盤緊固螺栓的校核 34
§6.2.2 輪轂螺栓的校核 35
第七章 結(jié) 論 37
參考文獻(xiàn) 38
致 謝 40
附 錄 41
VI
第一章 概述
§1.1 大學(xué)生方程式賽車簡介
目前，中國汽車工業(yè)已處于大國地位，但還不是強(qiáng)國。從制造業(yè)大國邁向產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國已成為中國汽車人的首要目標(biāo)，而人才的培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國目標(biāo)的基礎(chǔ)保障之一。
大學(xué)生方程式賽車活動(dòng)是以院系的形式組織學(xué)生參與賽事，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、制造能力、成本控制能力和團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，使學(xué)生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺；同時(shí)通過活動(dòng)創(chuàng)造學(xué)術(shù)競爭氛圍，為院校間提供交流平臺，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設(shè)的提升。
大賽在提高和檢驗(yàn)汽車行業(yè)院校學(xué)生的綜合素質(zhì)，為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展積蓄人才,增進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研三方的交流與互動(dòng)合作等方面具有十分廣泛的意義。
§1.2 制動(dòng)系統(tǒng)的重要性
汽車作為陸地上的現(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減速，又可以保證停車后的汽車駐留原地不動(dòng)。由此可見汽車制動(dòng)系對于汽車行駛的安全性和停車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、汽車車速的提高以及車流密度的增大，對汽車制動(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，制動(dòng)系是汽車非常重要的組成部分，從而對汽車制動(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。
§1.3 行走系統(tǒng)的功用
汽車行走系統(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)汽車行駛的驅(qū)動(dòng)力，并使驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)變成汽車在地面上的移動(dòng)。
2、傳遞并承受路面作用于車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車身造成的沖擊和振動(dòng)，保證汽車行駛平順性，且與汽車轉(zhuǎn)向系很好地配合工作，實(shí)現(xiàn)汽車行駛方向的正確控制，以保證汽車操縱穩(wěn)定性。
4、支承汽車的全部重量。
42
第二章 制動(dòng)系設(shè)計(jì)
§2.1 制動(dòng)系應(yīng)滿足的主要要求
設(shè)計(jì)制動(dòng)系時(shí)應(yīng)滿足的主要要求：
1、具有足夠的制動(dòng)效能；
2、作可靠；
3、在任何速度下制動(dòng)時(shí)，汽車都不應(yīng)喪失操縱性和方向穩(wěn)定性 ；
4、防止水和污泥進(jìn)入制動(dòng)器工作表面；
5、制動(dòng)能力的熱穩(wěn)定性良好 ；
6、操縱輕便，并具有良好的隨動(dòng)性；
7、制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)系產(chǎn)生的噪聲盡可能小，同時(shí)力求減少散發(fā)出對人體有害的石棉纖維等物質(zhì)，以減少公害；
8、作用滯后性應(yīng)盡可能短；
9、摩擦襯塊應(yīng)有足夠的使用壽命；
10、摩擦副磨損后，應(yīng)有能消除因磨損而產(chǎn)生間隙的機(jī)構(gòu)，且調(diào)整間隙工作容易，最好設(shè)置自動(dòng)調(diào)整間隙機(jī)構(gòu)；
11、當(dāng)制動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的任何元件發(fā)生故障并使其基本功能遭到破壞時(shí)，汽車制動(dòng)系應(yīng)有音響或光信號等報(bào)警提示。
§2.2 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)型式及選擇
制動(dòng)器主要有摩擦式、液力式和電磁式等幾種形式。電磁式制動(dòng)器雖有作用滯后性好、易于連接而且接頭可靠等優(yōu)點(diǎn)，但因成本高，只在一部分總質(zhì)量較大的商用車上用作車輪制動(dòng)器或緩速器；液力式制動(dòng)器一般只用作緩速器。目前廣泛使用的仍為摩擦式制動(dòng)器。
摩擦式制動(dòng)器是利用固定元件與旋轉(zhuǎn)元件工作表面間的摩擦而產(chǎn)生制動(dòng)力矩使汽車減速或停車。其按摩擦副結(jié)構(gòu)形式不同，可分為鼓式、盤式和帶式三種。帶式制動(dòng)器只用作中央制動(dòng)器；鼓式和盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式有多種，如下所示：
圖2-1 制動(dòng)器類型[4]
§2.2.1 鼓式制動(dòng)器
鼓式制動(dòng)器是最早形式汽車制動(dòng)器，當(dāng)盤式制動(dòng)器還沒有出現(xiàn)前，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類汽車上。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。在汽車制動(dòng)系中，帶式制動(dòng)器曾僅用作一些汽車的中央制動(dòng)器，通常所說的鼓式制動(dòng)器就是指這種內(nèi)張型鼓式結(jié)構(gòu)。各式鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡圖如下所示：
圖2-2 鼓式制動(dòng)器簡圖[4]
(a)領(lǐng)從蹄式(用凸輪張開)；(b)領(lǐng)從蹄式(用制動(dòng)輪缸張開)；(c)雙領(lǐng)從蹄式(非雙向，平衡式)；(d)雙向雙領(lǐng)從蹄式；(e)單向增力式；(f)雙向增力式
§2.2.2 盤式制動(dòng)器
按摩擦副中固定元件的結(jié)構(gòu)不同，盤式制動(dòng)器分為鉗盤式和全盤式制動(dòng)器兩大類。
一、鉗盤式
鉗盤式制動(dòng)器的固定摩擦原件是制動(dòng)塊，裝在與車軸連接且不能繞車軸軸線旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)鉗中。
按制動(dòng)鉗的結(jié)構(gòu)形式不同可分為定鉗盤式制動(dòng)器、浮鉗盤式制動(dòng)器等。
(1) (2) (3)
圖2-3 鉗盤式制動(dòng)器的示意圖[4]
(1)固定鉗式 (2)滑動(dòng)鉗式 (3)擺動(dòng)鉗式
1、固定鉗式
制動(dòng)鉗固定不動(dòng)，制動(dòng)盤兩側(cè)均有液壓缸。制動(dòng)時(shí)僅兩側(cè)液壓缸中的制動(dòng)塊向盤面移動(dòng)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：除活塞和制動(dòng)塊外無其他滑動(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、浮動(dòng)鉗式
滑動(dòng)鉗式：制動(dòng)鉗可以相對制動(dòng)盤作軸向滑動(dòng)，其中只在制動(dòng)盤的內(nèi)側(cè)置有液壓缸，外側(cè)的制動(dòng)塊固裝在鉗體上。具有以下優(yōu)點(diǎn)：僅在盤的內(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；沒有跨越制動(dòng)盤的油道或油管，液壓缸冷卻條件好，所以制動(dòng)液汽化的可能性?。怀杀镜?；浮動(dòng)盤的制動(dòng)塊可兼用駐車制動(dòng)。
制動(dòng)鉗的安裝位置可以在車軸之前或之后。由圖2-4可見，制動(dòng)鉗位于車軸后，能使制動(dòng)時(shí)輪轂軸承的合成載荷F減小；制動(dòng)鉗位于車軸前，則可避免輪胎向鉗內(nèi)甩濺污泥。
(a) (b)
圖2-4 制動(dòng)鉗的位置對輪轂軸承載荷的影響[4]
(a)制動(dòng)鉗位于車軸之前;(b)制動(dòng)鉗位于車軸之后
1—車輪；2—制動(dòng)盤；3—輪轂；
—路面法向反力；—制動(dòng)力；，—與的合力及相應(yīng)的支承反力
，—制動(dòng)襯塊對制動(dòng)盤的摩擦力及相應(yīng)的支承反力；
—輪轂軸承的徑向合力
二、全盤式
全盤式制動(dòng)器中摩擦副的旋轉(zhuǎn)原件及固定原件均為圓盤形，制動(dòng)時(shí)各盤摩擦表面全部接觸，作用原理如同離合器，故又稱離合器式制動(dòng)器。由于這種制動(dòng)器散熱條件較差，其應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有鉗盤式制動(dòng)器廣泛。
與鼓式制動(dòng)器比較，盤式制動(dòng)器有如下優(yōu)點(diǎn)：
1、熱穩(wěn)定性好；
2、水穩(wěn)定性好；
3、易于構(gòu)成雙回路制動(dòng)系統(tǒng)，使系統(tǒng)有較高的可靠性和安全性；
4、尺寸小、質(zhì)量小、散熱好；
5、壓力在制動(dòng)襯塊上分布均勻，故襯塊磨損也均勻；
6、更換襯塊簡單容易；
7、襯塊與制動(dòng)盤之間的間隙?。?.05~0.15mm），從而縮短了制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間；
8、易于實(shí)現(xiàn)間隙自動(dòng)調(diào)整。
在本次設(shè)計(jì)中，我們選擇滑動(dòng)浮鉗盤式。
§2.3 制動(dòng)系的主要參數(shù)及其選擇
整車參數(shù)：汽車軸距：=1680mm
車輪滾動(dòng)半徑：=247mm
汽車總質(zhì)量:=302kg 取=10N/kg
滿載時(shí)前軸負(fù)荷：N
滿載時(shí)后軸負(fù)荷：N
滿載時(shí)質(zhì)心高度：=300mm
質(zhì)心距前軸的距離：=840mm
質(zhì)心距后軸的距離：=840mm
對汽車制動(dòng)性能有著重要影響的制動(dòng)系參數(shù)有：制動(dòng)力及其分配系數(shù)、同步附著系數(shù)、制動(dòng)強(qiáng)度、附著系數(shù)利用率、最大制動(dòng)力矩與制動(dòng)器因數(shù)等。
§2.3.1 制動(dòng)力與制動(dòng)力分配系數(shù)
汽車制動(dòng)時(shí)，如果忽略路面對車輪的滾動(dòng)阻力矩和汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩，則任一角速度的車輪，器力矩平衡方程式為
（2-1）
式中，--制動(dòng)器對車輪作用的制動(dòng)力矩，即制動(dòng)器的摩擦力矩，其方向與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反，N/m。
--地面作用于車輪上的制動(dòng)力，即地面與輪胎之間的摩擦力，又稱為地面制動(dòng)力，其方向與汽車行駛方向相反，N。
--車輪有效半徑，m。
令
（2-2）
并稱之為制動(dòng)器制動(dòng)力，它是在輪胎周緣克服制動(dòng)器摩擦力矩所需的力。與地面制動(dòng)力的方向相反，當(dāng)車輪角速度時(shí)，大小亦相等，且僅由制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。即取決于制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、摩擦副的摩擦系數(shù)及車輪有效半徑等，并與制動(dòng)踏板力即制動(dòng)系的液壓成正比。當(dāng)加大踏板力以加大時(shí)，和均隨之增大。但地面制動(dòng)力受著附著條件的限制，其值不可能大于附著力即
（2-3）
或
（2-4）
當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力和地面制動(dòng)力達(dá)到附著力值時(shí)，車輪即被抱死并在地面上滑移。此后制動(dòng)力矩即表現(xiàn)為靜摩擦力矩，而即成為與相平衡以阻止車輪再旋轉(zhuǎn)的周緣力的極限值。當(dāng)制動(dòng)到以后，地面制動(dòng)力達(dá)到附著力值后就不再增大，而制動(dòng)器制動(dòng)力由踏板力的增大使摩擦力矩增大而繼續(xù)上升（見圖2-4）。
根據(jù)汽車制動(dòng)時(shí)的整車受力分析，考慮到制動(dòng)時(shí)的軸荷移動(dòng)，可求得地面對前、后軸車輪的法向反力，為：
（2-5）
汽車總的地面制動(dòng)力為
（2-6）
由以上兩式可求得前、后軸車輪附著力為
（2-7）
上式表明：汽車在附著系數(shù)為任意確定值的路面上制動(dòng)時(shí)，各軸附著力即極限制動(dòng)力并非為常數(shù)，而是制動(dòng)強(qiáng)度或總制動(dòng)力的函數(shù)。當(dāng)汽車各車輪制動(dòng)器的制動(dòng)力足夠時(shí)，根據(jù)汽車前、后軸的軸荷分配，前、后車輪制動(dòng)器制動(dòng)力的分配、道路附著系數(shù)和坡度情況等，制動(dòng)過程可能出現(xiàn)的情況有三種，即：
1、前輪先抱死拖滑，然后后輪再抱死拖滑；
2、后輪先抱死拖滑，然后前輪再抱死拖滑；
3、前、后輪同時(shí)抱死拖滑。
在以上三種情況中，顯然是最后一種情況的附著條件利用的最好。賽事也規(guī)定必須前、后輪同時(shí)抱死。
由式（2-6）（2-7）不難求得在任何附著系數(shù)的路面上，前、后車輪同時(shí)抱死即前、后軸車輪附著力同時(shí)被充分利用的條件是：
（2-8）
由式（2-8）可知，前、后車輪同時(shí)抱死時(shí)，前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力，是的函數(shù)。
由式（2-8）中消去，得
（2-9）
將上式繪成以，為坐標(biāo)的曲線，即為理想的前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線，簡稱曲線，如圖2-5所示。如果汽車前、后制動(dòng)器的制動(dòng)力，能按曲線的規(guī)律分配，則能保證汽車在任何附著系數(shù)的路面上制動(dòng)時(shí)，都能使前、后車輪同時(shí)。
圖2-5 制動(dòng)力與踏板力的關(guān)系[4] 圖2-6 某載貨汽車的曲線與線[4]
同步附著系數(shù)：線與曲線交點(diǎn)處所對應(yīng)的路面附著系數(shù)。
汽車滿載時(shí)的同步附著系數(shù)=1。
同步附著系數(shù)下，前后輪同時(shí)抱死時(shí)的制動(dòng)器制動(dòng)力：
N
N
制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)：
§2.3.2 同步附著系數(shù)
附著條件的利用情況可用附著系數(shù)利用率來表示：
（2-10）
式中，——汽車總的地面制動(dòng)力；
——汽車所受重力；
——制動(dòng)強(qiáng)度。
當(dāng)時(shí)，，，利用率最高。
§2.3.3 制動(dòng)器最大制動(dòng)力矩
應(yīng)合理地確定前、后輪制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，以保證汽車良好的制動(dòng)效能和穩(wěn)定性。
最大的制動(dòng)力是在汽車附著質(zhì)量被完全利用的條件下獲得的。對于選取較大值得各類汽車，應(yīng)從保證汽車制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性出發(fā)，來確定各軸的最大制動(dòng)力矩。當(dāng)時(shí)，相應(yīng)的極限制動(dòng)強(qiáng)度，故所需的前軸和后軸的最大制動(dòng)力矩為：
N·m
N·m
單個(gè)前輪和后輪所需的最大制動(dòng)力制動(dòng)力矩為：
N·m
N·m
制動(dòng)器所能產(chǎn)生的最大制動(dòng)力矩：
N·m
由此可知，該設(shè)計(jì)能夠滿足汽車安全制動(dòng)的要求。
§2.3.4 制動(dòng)器因數(shù)
（2-11）
式中，——制動(dòng)器的摩擦力矩；
——制動(dòng)盤的總用半徑；
——輸入力，一般取加于兩制動(dòng)塊的壓緊力的平均值為輸入力。
對于鉗盤式制動(dòng)器，設(shè)兩側(cè)制動(dòng)塊對制動(dòng)盤的壓緊力均為，則制動(dòng)盤在其兩側(cè)工作面的作用半徑上所受的摩擦力為，此處為盤與制動(dòng)襯塊間的摩擦系數(shù)，于是鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)器因數(shù)為：
§2.3.5 制動(dòng)器的機(jī)構(gòu)參數(shù)與摩擦系數(shù)
1、 制動(dòng)盤的直徑Ｄ
當(dāng)輸入力一定時(shí)，制動(dòng)盤的直徑越大，則制動(dòng)力矩亦愈大，散熱性能愈好。但直徑的尺寸受輪輞內(nèi)徑的限制，而且的增大也使制動(dòng)盤的質(zhì)量增大，使汽車非懸掛質(zhì)量增大，而不利于汽車的行駛平順性。制動(dòng)盤與輪輞之間應(yīng)有相當(dāng)?shù)拈g隙，此間隙一般不應(yīng)小于20～30，本次設(shè)計(jì)根據(jù)具體情選 ，以利于散熱通風(fēng)，也可避免輪輞過熱而損壞輪胎。一般制動(dòng)盤直徑是輪輞直徑的70%～79%。
二、摩擦片的摩擦系數(shù)
選擇摩擦片時(shí)不僅希望其摩擦系數(shù)高些，更要求其熱穩(wěn)定性好，受溫度和壓力的影響小。各種摩擦材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定值約為0.3～0.5，少數(shù)可達(dá)0.7。設(shè)計(jì)計(jì)算制動(dòng)器時(shí)一般取0.3～0.35。一般說來，摩擦系數(shù)愈高的材料其耐磨性愈差。本設(shè)計(jì)選取。
三、摩擦襯塊的面積
由摩擦襯塊外半徑與內(nèi)半徑的比值不大于1.5。所以取mm、mm。如果比值過大工作時(shí)襯塊的外緣與內(nèi)側(cè)圓周速度相差很多，摩擦不均勻，接觸面積減小，最后將導(dǎo)致制動(dòng)力矩變化大。
在確定摩擦襯塊工作面積時(shí)，根據(jù)制動(dòng)襯塊單位面積占有的汽車的質(zhì)量，在1.6～3.5kg/cm2，取cm2。
第三章 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算
§3.1 摩擦襯塊磨損特性的計(jì)算
摩擦襯塊的磨損受溫度、摩擦力、滑磨速度、制動(dòng)盤的材質(zhì)及加工情況，以及襯塊本身材質(zhì)等許多因素的影響，因此在理論上計(jì)算磨損性能極為困難。但試驗(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。
從能量的觀點(diǎn)來說，汽車制動(dòng)過程即是汽車的機(jī)械能的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槎纳⒌倪^程。在制動(dòng)強(qiáng)度很大的緊急制動(dòng)過程中，制動(dòng)器幾乎承擔(dān)了汽車全部動(dòng)能耗散的任務(wù)。此時(shí)，由于制動(dòng)時(shí)間很短，實(shí)際上熱量還來不及逸散到大氣中就被制動(dòng)器所吸收，致使制動(dòng)盤溫度升高。這就是所謂制動(dòng)器的能量負(fù)荷。能量負(fù)荷越大，則襯片的磨損越嚴(yán)重。
制動(dòng)器的能量負(fù)荷常以比能量耗散率作為評價(jià)指標(biāo)。比能量耗散率又稱單位功負(fù)荷，它表示單位時(shí)間內(nèi)襯片單位摩擦面積耗散的能量，通常所用的計(jì)量單位為W/㎜2。
雙軸汽車的單個(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
（3-1）
式中，——汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；
——汽車總質(zhì)量；
,——汽車制動(dòng)初速度和終速度，m/s；計(jì)算時(shí)轎車取km/h（27.8m/s）；
——制動(dòng)時(shí)間，s；
——制動(dòng)減速度，m/s2 ,計(jì)算時(shí)??；
，——前、后制動(dòng)襯塊的摩擦面積；
——制動(dòng)力分配系數(shù)。
在緊急制動(dòng)到時(shí)，并可近似地認(rèn)為，則有
（3-2）
根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算得到
s
W/mm2
W/mm2
乘用車的盤式制動(dòng)器在km/h和的條件下，比能量耗散率應(yīng)不大于6.0W/mm2 。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衡量。
單個(gè)車輪制動(dòng)器的比摩擦力為
（3-3）
式中，——單個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩；
——制動(dòng)盤有效半徑；
——單個(gè)制動(dòng)器的襯塊的摩擦面積，cm2。
則盤式制動(dòng)器的比摩擦力為
N/mm2
因此滿足要求。
§3.2 制動(dòng)器的熱容量和溫升的核算
應(yīng)核算制動(dòng)器的熱容量和溫升是否滿足如下條件
（3-4）
式中，——各制動(dòng)盤的總質(zhì)量；
——與各制動(dòng)盤相連的受熱金屬件（如輪轂、輪輻、輪輞、制動(dòng)鉗體等）的總質(zhì)量；
——制動(dòng)盤材料的比熱容，對鑄鐵=482J/（kg·K）,對鋁合金=880J/（kg·K）；
——與制動(dòng)盤相連的受熱金屬件的比熱容；
——制動(dòng)盤的溫升；（一次由km/h到完全停車的強(qiáng)烈制動(dòng)，溫升不應(yīng)超過15o）；
——滿載汽車制動(dòng)時(shí)由動(dòng)能轉(zhuǎn)變的熱能，因制動(dòng)過程迅速，可以認(rèn)為制動(dòng)產(chǎn)生的熱能全部為前、后制動(dòng)盤所吸收，并按前、后軸制動(dòng)力的分配比率分配給前、后制動(dòng)器，即
（3-5）
式中，——汽車制動(dòng)時(shí)的初速度，可取= =144㎞/h=40m/s
——汽車制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)，=0.6875
求得，
J
J
已知，=0.5kg;=7kg
Δt=15oC=15k
則每個(gè)制動(dòng)器的熱容量：
J
對于前軸的單個(gè)車輪：
J
對于后軸的單個(gè)車輪：
因此，此制動(dòng)器滿足熱容量和溫升的要求。
§3.3 盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算
盤式制動(dòng)器的計(jì)算用簡圖如圖 所示，今假設(shè)襯塊的摩擦表面與制動(dòng)盤接觸良好，且各處的單位壓力分布均勻則盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為
（3-6）
式中，——摩擦系數(shù)；
——單側(cè)制動(dòng)塊對制動(dòng)盤的壓緊力(見圖3-1)
——作用半徑。
圖3-1 盤式制動(dòng)器的計(jì)算用圖[4] 圖3-2 鉗盤制動(dòng)器的作用半徑計(jì)算用[4]
對于常見的扇形摩擦襯塊，如果其徑向尺寸不大，則取為平均半徑或有效半徑已足夠精確。如圖3-2所示，平均半徑為
（3-7）
mm
式中：,—扇形摩擦襯塊的內(nèi)半徑和外半徑。
根據(jù)圖3-2所示，在任一單元面積上的摩擦力對制動(dòng)盤中心的力矩為，式中為襯塊與制動(dòng)盤之間的單位面積上的壓力，則單側(cè)制動(dòng)塊作用于制動(dòng)盤上的制動(dòng)力矩為
（3-8）
單側(cè)襯塊給制動(dòng)盤的總摩擦力為
（3-9）
得有效半徑為
（3-10）
令，則有
（3-11）
由上述給出的參數(shù)可求出
將,,代入式(3-11)得
mm
由上述知:
制動(dòng)盤單側(cè)壓緊力的確定，即制動(dòng)輪缸對制動(dòng)襯塊的壓緊力。
則單側(cè)壓緊力為 （3-12）
式中,——考慮制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置作用下的輪缸或管路液壓，取MPa
制動(dòng)輪缸的截面積
m2 （3-13）
則 N
摩擦襯塊的摩擦系數(shù):
制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩為：
N·m
§3.4 駐車制動(dòng)計(jì)算
汽車在上坡路上停駐時(shí)的受力簡圖如下圖所示：
圖3-3 汽車在上坡路上停駐時(shí)的受力簡圖[4]
由上圖可得出汽車在上坡停駐時(shí)的后軸車輪的附著力為
（3-14）
同樣可求出汽車下坡時(shí)的后軸車輪的附著力為
（3-15）
根據(jù)后軸車輪附著力與后軸車輪駐車制動(dòng)的制動(dòng)力相等的條件可求的汽車在上坡路和下坡路上停駐時(shí)的坡度極限傾角，，即由
（3-16）
求得汽車在上坡時(shí)可能停駐的極限上坡傾角為
o
汽車在下坡時(shí)可能停駐的極限下坡傾角為
o
一般要求各類汽車的最大停駐坡度不應(yīng)小于16o～20o。
駐車制動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，在安裝制動(dòng)器的空間、制動(dòng)驅(qū)動(dòng)力源等條件允許的范圍內(nèi)，應(yīng)力求后橋上駐車制動(dòng)力矩接近于所確定的極限值，并保證小坡路上能停駐的坡度不小于法規(guī)的規(guī)定值。
第四章 制動(dòng)器主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
§4.1 制動(dòng)盤
制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)形狀有平板形和禮帽形兩種。后一種的圓柱部分長度取決于不支持村。為了改善冷卻，有的鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤，可大大增加散熱面積，但盤的整體厚度較大。
制動(dòng)盤工作表面的加工精度應(yīng)達(dá)到下述要求：平面度公差為0.012mm，表面粗糙度值為0.7~1.3μm，兩摩擦表面的平行度公差不應(yīng)大于0.05mm，制動(dòng)盤的端面圓跳動(dòng)公差不應(yīng)大于0.03mm。通常制動(dòng)盤采用摩擦性能良好的珠光體灰鑄鐵制造。為保證足夠的強(qiáng)度和耐磨性能，其牌號不應(yīng)低于HT250。本設(shè)計(jì)采用的為摩托車制動(dòng)盤，參照材料選用40Cr。
一、制動(dòng)盤直徑
本次設(shè)計(jì)，所選輪輞直徑為13英寸，由汽車設(shè)計(jì)手冊得制動(dòng)盤直徑通常為選擇輪輞直徑的70％~79％，即231.14mm~260.858mm,根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)選擇制動(dòng)盤直徑mm。
二、制動(dòng)盤厚度
對制動(dòng)盤質(zhì)量和工作溫度有影響，為使質(zhì)量小些，制動(dòng)盤厚度不宜過大；為了減少溫升，制動(dòng)盤厚度不宜過小，本設(shè)計(jì)選擇mm。
§4.2 制動(dòng)鉗
制動(dòng)鉗由可鍛灰鑄鐵KTH370-12或球墨鑄鐵QT400-18制造，也有用輕合金制造的，可做成整體的（圖4-1），也可做成兩半并由螺栓連接。其外緣留有開口，以便不必拆下制動(dòng)鉗便可檢查或更換制動(dòng)塊。制動(dòng)鉗體應(yīng)有高的強(qiáng)度和剛度。一般多在鉗體中加工出制動(dòng)油缸，也有將單獨(dú)制造的油缸裝嵌入鉗體中的。為了減少傳給制動(dòng)液的熱量，多將杯形活塞的開口端頂靠制動(dòng)塊的背板（圖4-1、圖4-2）。有的活塞的開口端部切成階梯狀，形成兩個(gè)相對且在同一個(gè)平面內(nèi)的小半圓環(huán)形端面?；钊设T鋁合金或鋼制造。為了提高耐磨損性能，活塞的工作表面金星鍍鉻處理。當(dāng)制動(dòng)鉗體由鋁合金制造時(shí)，減少傳給制動(dòng)液的熱量成為必須解決的問題。為此，應(yīng)減小活塞與制動(dòng)塊背板的接觸面積，有時(shí)也可采用非金屬活塞。
圖4-1 固定鉗式盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖[4]
1—盤；2—制動(dòng)鉗體；3—油缸及活塞；4—摩擦襯塊；5—制動(dòng)塊定位銷
圖4-2 浮動(dòng)鉗式盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)總圖[4]
1—制動(dòng)塊；2—制動(dòng)盤；3—活塞；4—制動(dòng)鉗體
§4.3 制動(dòng)塊
制動(dòng)塊由背板和摩擦襯塊構(gòu)成，兩者直接壓嵌在一起。襯塊多為扇面形，也有矩形、正方形和長圓形的?；钊麘?yīng)能壓住盡可能多的制動(dòng)塊面積，以免襯塊發(fā)生卷角而引起尖叫聲。制動(dòng)塊背板由鋼板制成。賽車中不需要安裝報(bào)警裝置。
§4.4 摩擦材料
摩擦襯塊的材料應(yīng)滿足如下要求：
1、具有一定的穩(wěn)定的摩擦因數(shù)；
2、具有良好的耐磨性；
3、要有盡可能小的壓縮率和膨脹率；
4、制動(dòng)時(shí)不易產(chǎn)生噪聲，對環(huán)境無污染；
5、應(yīng)采用對人體無害的摩擦材料；
6、有較高的耐擠壓強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，以及足夠的抗剪切能力；
7、應(yīng)將摩擦襯塊的熱傳導(dǎo)率應(yīng)控制在一定范圍。
由金屬纖維、粘結(jié)劑和摩擦性能調(diào)節(jié)劑組成的半金屬摩阻材料，具有較高的耐熱性和耐磨性，特別是因?yàn)闆]有石棉粉塵的公害，近來得到廣泛的應(yīng)用。
粉末冶金無機(jī)質(zhì)金屬摩阻材料是以銅粉或鐵粉為主要成分（占質(zhì)量的60%～80%），加上石墨、陶瓷粉等非金屬粉末作為摩擦系數(shù)調(diào)整劑，用粉末冶金法制成。其抗熱衰退性和抗水衰退性能好，但造價(jià)高，適用于高性能轎車和行駛條件惡劣的貨車等制動(dòng)器負(fù)荷重的汽車。
本設(shè)計(jì)采用半金屬摩阻材料。
§4.5 制動(dòng)輪缸
是液壓制動(dòng)系采用的活塞式制動(dòng)蹄張開機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，在車輪制動(dòng)器中布置方便。輪缸的缸體由灰鑄鐵HT250制造。其缸筒為通孔，需鏜磨。活塞由鋁合金制造。多數(shù)制動(dòng)輪缸有兩個(gè)等直徑活塞。
§4.6 制動(dòng)器間隙的調(diào)整方法及相應(yīng)機(jī)構(gòu)
為了保證制動(dòng)盤在不制動(dòng)時(shí)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)盤與制動(dòng)襯塊之間，必須保持一定的間隙。此間隙量應(yīng)盡可能小，因?yàn)橹苿?dòng)系的許多工作性能受次間隙影響而變化。使用中因磨損會增大此間隙，過分大的間隙會帶來許多不良的后果：制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)作用的時(shí)間增長；各制動(dòng)器因磨損不同，間隙不一樣大，結(jié)果導(dǎo)致各制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)作用的時(shí)間不同，即同步制動(dòng)性能變壞；增加了壓縮空氣或制動(dòng)液的消耗量，并使制動(dòng)踏板或手柄行程增大。為保證制動(dòng)盤和制動(dòng)襯塊之間在使用期間始終有初設(shè)定的間隙量，要求采用間隙自動(dòng)調(diào)整裝置。
圖4-3 盤式制動(dòng)器的活塞密封圈[4]
a)制動(dòng)狀態(tài) b）不制動(dòng)狀態(tài)
1-活塞 2-制動(dòng)鉗 3-密封圈
盤式制動(dòng)器使用最簡單的間隙自調(diào)方式，是利用制動(dòng)鉗中的橡膠密封圈的極限彈性變形量，來保持制動(dòng)時(shí)為消除設(shè)定間隙所需的活塞設(shè)定行程Δ（圖4-3）。當(dāng)襯塊磨損而導(dǎo)致所需的活塞行程大于Δ時(shí)，活塞可在液壓作用下克服密封圈的摩擦力，繼續(xù)前移到實(shí)現(xiàn)完全制動(dòng)為止?；钊c密封圈之間這一不可恢復(fù)的相對位移便補(bǔ)償了過量間隙。
若盤式制動(dòng)器的設(shè)定間隙較大，用密封圈便不可靠，而應(yīng)采用專門的間隙調(diào)整裝置。圖4-4所示為波舍爾（Porshe）乘用車的制動(dòng)器間隙自調(diào)裝置。
圖4-4 盤式制動(dòng)器的間隙自調(diào)裝置[4]
1-活塞2-制動(dòng)盤3-擋圈 4-彈簧罩5-摩擦環(huán)片6-摩擦銷7-隔環(huán)8-壓縮彈簧9-隔套
第五章 制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算
§5.1 制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式選擇
制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將來自駕駛員或其他力源的力傳給制動(dòng)器，使之產(chǎn)生制動(dòng)力矩。根據(jù)制動(dòng)力源的不同，制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般可分為簡單制動(dòng)、動(dòng)力制動(dòng)和伺服制動(dòng)三大類。
一、簡單制動(dòng)系
簡單制動(dòng)單靠駕駛員施加的踏板力或手柄力作為制動(dòng)力源，亦稱人力制動(dòng)。其中，又有機(jī)械式和液壓式兩種。機(jī)械式完全靠桿系傳力，由于機(jī)械效率低，傳動(dòng)比小，潤滑點(diǎn)多，且難以保證前、后軸制動(dòng)力的正確比例和左、右輪制動(dòng)力的均衡，所以在汽車的行車制動(dòng)裝置中已被淘汰。但因其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作可靠（故障少），還廣泛地應(yīng)用于中、小型汽車的行車制動(dòng)裝置中。
液壓式簡單制動(dòng)（通常簡稱為液壓制動(dòng)系）用于行車制動(dòng)裝置。液壓制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：作用滯后時(shí)間短(0.1~0.3s)，工作壓力高(可達(dá)10~12MPa)，因輪缸尺寸小，可以安裝在制動(dòng)器內(nèi)部，直接作為制動(dòng)蹄張開機(jī)構(gòu)（或制動(dòng)塊壓緊機(jī)構(gòu)），而不需要制動(dòng)臂等傳動(dòng)件，使之結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量??；機(jī)械效率較高（液壓系統(tǒng)有自潤滑作用）。液壓制動(dòng)的主要缺點(diǎn)是：過度受熱后，部分制動(dòng)液汽化，在管路中形成氣泡，即產(chǎn)生所謂“氣阻”，嚴(yán)重影響液壓傳輸，使制動(dòng)效能降低，甚至完全失效，液壓制動(dòng)曾被廣泛應(yīng)用在乘用車和總質(zhì)量不大的商用車上。
二、動(dòng)力制動(dòng)系
動(dòng)力制動(dòng)即利用由發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化而成，并表現(xiàn)為氣壓或液壓形式的勢能作為汽車制動(dòng)的全部力源。駕駛員施加于踏板或手柄上的力，僅用回路中控制元件的操縱。因此，簡單制動(dòng)中的踏板力和踏板行程之間的反比例關(guān)系，在動(dòng)力制動(dòng)中便不復(fù)存在，從而可使踏板力較小，同時(shí)又有適當(dāng)?shù)奶ぐ逍谐獭?
氣壓制動(dòng)是應(yīng)用最多的動(dòng)力制動(dòng)之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是：操縱輕便，工作可靠，不易出故障，維修保養(yǎng)方便；此外，其氣源除供制動(dòng)外，還可用于其他裝置使用。其主要缺點(diǎn)是：必須有空氣壓縮機(jī)、儲氣筒、制動(dòng)閥等裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、成本高；管路中壓力的建立和撤出都較慢，即作用滯后時(shí)間較長（0.3~0.9s），因而增加了空駛距離和停車距離，為此，在制動(dòng)閥到制動(dòng)氣室和儲氣筒的距離過遠(yuǎn)的的情況下，有必要加設(shè)啟動(dòng)的第二級元件—繼動(dòng)閥以及快放閥；管路工作壓力低，一般為0.5~0.7MPa，因而制動(dòng)氣室的直徑必須設(shè)計(jì)的大些。由于主、掛車的摘和掛都很方便，所以汽車列車也多用氣壓制動(dòng)。
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)力源而構(gòu)成的氣頂液制動(dòng)，也是動(dòng)力制動(dòng)。它兼有液壓制動(dòng)和氣壓制動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)；因氣壓系統(tǒng)的管路短，作用滯后時(shí)間也較短。但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，成本高，所以主要用在總質(zhì)量較大的商用車上。
全液壓動(dòng)力制動(dòng)，用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵產(chǎn)生的液壓作為制動(dòng)力源，有閉式（常壓式）與開式（常流式）兩種。
開式（常流式）系統(tǒng)在不制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)液在無負(fù)荷狀況下由油泵經(jīng)制動(dòng)閥到儲液罐不斷地循環(huán)流動(dòng)；而在制動(dòng)時(shí)，則借助于閥的節(jié)流而產(chǎn)生所需的液壓進(jìn)入輪缸。
閉式（常壓式）回路因平時(shí)保持著高液壓，故又稱常壓式。它對制動(dòng)操縱的反應(yīng)比開式的快，但對回路的密封要求較高。當(dāng)油泵出故障時(shí)，開式的將立即補(bǔ)氣之動(dòng)作用，而閉式的還有可能利用回路中的蓄能器的液壓繼續(xù)進(jìn)行若干次制動(dòng)。故目前汽車用的全液壓動(dòng)力制動(dòng)系多用閉式（常壓式）的。
全液壓動(dòng)力制動(dòng)系除具有一般液壓制動(dòng)系統(tǒng)的有點(diǎn)外，還具有操縱輕便，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)備共用液壓泵和儲油罐等優(yōu)點(diǎn)。但其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，精密件多，對系統(tǒng)的封閉性要求也較高，故并未得到廣泛應(yīng)用。
各種形式的動(dòng)力制動(dòng)在動(dòng)力系統(tǒng)失效時(shí)，制動(dòng)作用即全部喪失。
三、伺服制動(dòng)系
伺服制動(dòng)的制動(dòng)能源是人力和發(fā)動(dòng)機(jī)并用。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；在動(dòng)力伺服系統(tǒng)失效時(shí)，還可以全靠人力驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，以產(chǎn)生一定程度的制動(dòng)力。因此，從排量1.6L以上的乘用車到各種商用車，都廣泛采用伺服制動(dòng)。
按伺服力源的不同，伺服制動(dòng)有真空伺服制動(dòng)、空氣伺服制動(dòng)和液壓伺服制動(dòng)三類。
真空伺服制動(dòng)系是利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中節(jié)氣門后的真空度(負(fù)壓，一般可達(dá)0.05~0.07MPa)作動(dòng)力源，一般的柴油車若采用真空伺服制動(dòng)系時(shí)，則需有專門的真空源—由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的真空泵或噴吸器構(gòu)成。氣壓伺服制動(dòng)系是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)提供壓縮空氣作為動(dòng)力源，伺服氣壓一般可達(dá)0.6~0.7MPa。故在輸出力相等時(shí)，氣壓伺服氣室直徑比真空伺服氣室直徑小得多。且在雙回路制動(dòng)系中，如果伺服系統(tǒng)也是分立式的，則氣壓伺服比真空伺服更適宜，因此后者難于使各回路真空度均衡。但氣壓伺服系統(tǒng)的其他組成部分卻較真空伺服系統(tǒng)復(fù)雜得多。真空私服制動(dòng)多用于總質(zhì)量在1.1t~1.35t以上的乘用車和載質(zhì)量在6t以下的商用車，空氣伺服制動(dòng)則廣泛用于載質(zhì)量為6~12t的商用車，以及少數(shù)幾種排量在4.0L以上的乘用車上。
本設(shè)計(jì)中采用液壓式的動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)來作為制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案。
§5.2 制動(dòng)管路的分路系統(tǒng)
根據(jù)賽事要求，賽車制動(dòng)系統(tǒng)采用液壓制動(dòng)。
為了提高制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作可靠性，保證行車安全，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，即應(yīng)是雙回路系統(tǒng)。雙軸汽車的液壓式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙回路系統(tǒng)有多種形式，其中常見的有五種，分別是II、X、HI、LL、HH型。
圖5-1 液壓回路系統(tǒng)的形式[4]
1、一軸對一軸（II）型，如圖a所示，前軸制動(dòng)器與后橋制動(dòng)器各用一個(gè)回路（“II型”是其形象的簡稱，下同）。
2、交叉（X）型，如圖b所示，前軸的一側(cè)車輪制動(dòng)器與后橋的對側(cè)車輪制動(dòng)器同屬一個(gè)回路。
3、一軸對半半軸（HI）型，如圖c所示，兩側(cè)前軸制動(dòng)器的半數(shù)輪缸和全部后制動(dòng)器的輪缸屬于一個(gè)回路，其余的前輪缸則屬于另一個(gè)回路。
4、半軸一輪對半軸一輪（LL）型，如圖d所示，兩個(gè)回路分別對兩側(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。
5、雙半軸對雙半軸（HH）型，如圖e所示，每個(gè)回路均只對每個(gè)前、后制動(dòng)器的半數(shù)輪缸起作用。
II型管路的布置較為簡單，可與傳統(tǒng)的單輪缸盤式制動(dòng)器配合使用，成本較低，目前在各類汽車特別是商用車上用得最廣泛對于這種形式，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。
X型的結(jié)構(gòu)也很簡單，一回路失效時(shí)仍能保持50%的制動(dòng)效能，并且制動(dòng)力的分配系數(shù)和同步附著系數(shù)沒有變化，保證了制動(dòng)時(shí)與整車負(fù)荷的適應(yīng)性。此時(shí)前，后各有一側(cè)車輪有制動(dòng)作用，使制動(dòng)力不對稱，導(dǎo)致前輪將朝制動(dòng)起作用車輪的一側(cè)繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，使汽車失去方向穩(wěn)定性。因此，采用這種分路方案的汽車，其主銷偏移距應(yīng)取負(fù)值（至20mm），這樣，不平衡的制動(dòng)力使車輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)，改善了汽車的方向穩(wěn)定性，多用于中、小型轎車。
HI、LL、HH型的結(jié)構(gòu)均較II型、X型復(fù)雜。LL型和HH型在任意回路失效時(shí)，前、后制動(dòng)力比值均與正常情況相同，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。
綜合上述情況，本設(shè)計(jì)中選用II型回路系統(tǒng)。
§5.3 液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
§5.3.1 制動(dòng)輪缸直徑與工作容積
制動(dòng)輪缸對制動(dòng)塊的作用力P與輪缸直徑及制動(dòng)輪缸中的液壓之間有如下關(guān)系式：
（5-1）
式中,——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=8MPa~12MPa,但根據(jù)賽車具體情況取=6MPa。
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﹚，30，32，35，38，42，46，50，56mm
經(jīng)過查取取mm。
一個(gè)輪缸的工作容積
（5-2）
式中，——一個(gè)輪缸活塞的直徑；
——輪缸的活塞數(shù)目；
輪缸活塞在完全制動(dòng)時(shí)的行程：
（5-3）
其中，是消除制動(dòng)塊與制動(dòng)盤間的間隙所需的輪缸活塞行程，取。
由于摩擦襯塊變形而引起的輪缸活塞行程，取。
，是對于鼓式制動(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
mm3
全部輪缸的工作容積，其中：——輪缸的數(shù)目，
則
mm3
§5.3.2 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﹚，30，32，35，38，42，46mm。
制動(dòng)主缸應(yīng)有的工作容積
（5-4）
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，轎車制動(dòng)主缸的工作容積可取為。
則
mm3
主缸活塞直徑和活塞行程可由下式確定：
（5-5）
一般
；
取主缸活塞行程:
則
mm3
得 mm
取 mm
所以 mm
§5.3.3 制動(dòng)踏板力與踏板行程
制動(dòng)踏板力可用下式驗(yàn)算：
（5-6）
式中，——制動(dòng)主缸活塞直徑；
——制動(dòng)管路液壓；
——制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，；
,——見下圖5-1；
圖5-1 液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算用簡圖
式中，——制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)及制動(dòng)主缸的機(jī)械效率，可取--；在本設(shè)計(jì)中取。
將踏板的傳動(dòng)比定在6.5，這樣從人機(jī)工程學(xué)的角度可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，車手對制動(dòng)器的操控性最佳，取mm。
則
mm
制動(dòng)踏板力為
N
制動(dòng)踏板的工作行程為
（5-7）
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，賽車本身要求制動(dòng)要靈敏，所以，均不宜過大。取；
則
mm
§5.3.4 制動(dòng)主缸的形式
圖5-2 串聯(lián)雙腔制動(dòng)主缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6]
現(xiàn)代汽車制動(dòng)主缸的形式有單腔和串聯(lián)雙腔制動(dòng)主缸，根據(jù)大賽要求，每個(gè)液壓回路必須有其專屬的儲油罐，因此初步確定采用串聯(lián)雙腔形式的制動(dòng)主缸，但考慮賽車的總體布局和空間問題，不排除采用并聯(lián)單腔制動(dòng)主缸的可能。
制動(dòng)主缸由灰鑄鐵制造，也可以采用低碳鋼冷擠成形；活塞可由灰鑄鐵、鋁合金或中碳鋼制造。
第六章 行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
§6.1 汽車行駛系統(tǒng)概述
汽車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經(jīng)常行駛路面的性質(zhì)。絕大多數(shù)汽車還是經(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輪，因而稱為輪式汽車行駛系統(tǒng)，這樣的汽車便是輪式汽車[17]。
輪式汽車行駛系統(tǒng)一般由車架、車橋、車輪和懸架組成，如下圖所示就是汽車行駛系總成布置。
圖6-1 汽車行駛系的組成[4]
1-前懸架 2-車架 3-后懸架 4-驅(qū)動(dòng)橋 5-后輪 6-前輪 7-從動(dòng)橋
本文對賽車行駛系統(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 賽車行駛系統(tǒng)的組成
§6.1.1 輪胎
鑒于Formula SAE 的賽道特性，賽車在比賽中的速度相對較低，行使時(shí)間也比較短。而且參賽賽車的車重也比較輕。由于以上這些原因，希望輪胎能夠在盡量短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到其工作溫度，以盡快實(shí)現(xiàn)最大抓地力。一般來說只有專業(yè)的賽車用熱融胎符合這方面的要求。本次設(shè)計(jì)采用美國Hoosier公司的44150賽道用競賽級雨胎。
§6.1.2 輪輞
參賽賽車的輪輞選擇了鋁合金三片式輪轂。三片式輪輞由三個(gè)部分組成，外側(cè)輪圈、內(nèi)側(cè)輪圈和輻板。其結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。
圖6-3 三片式輪輞結(jié)構(gòu)
選擇三片式輪輞的好處在于可以根據(jù)需要選擇輪輞的偏置值。這里的偏置值的定義為輪輞的安裝面到輪胎中心截面的距離，向內(nèi)為正，向外為副。為了充分利用輪輞內(nèi)的空間，參賽賽車選擇了-46mm 的輪輞偏置。
輪輞的外側(cè)輪圈、內(nèi)側(cè)輪圈為自行設(shè)計(jì)制造的，材料為T6061-T6鋁合金，直徑為13英寸，寬度為7英寸，符合Hoosier44150輪胎對輪輞的需要。輻板也是自行設(shè)計(jì)制造的，材料為T6061-T6鋁合金。輪輞為輻板式，采用鑄造工藝加工而成，目的是減輕車輪的重量和利于制動(dòng)轂的散熱。中心連接孔的數(shù)量為4個(gè)，連接孔邊緣倒出和輪輞固定螺帽帽檐相同的錐度，外側(cè)的16個(gè)安裝孔攻有M6內(nèi)螺紋。裝配后的輪輞如圖6-4所示。
圖6-4 輪輞
§6.1.3 輪轂
賽車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。
圖6-5 賽車后輪輪轂
賽車對操縱靈活性、行駛安全性的要求要比一般的汽車高很多，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)簡單，節(jié)省整車整備質(zhì)量。由于本賽車采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)的方式，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設(shè)計(jì)一個(gè)特制的螺母進(jìn)行防松固定。
根據(jù)第二代賽車的參賽經(jīng)歷，前輪輪轂軸承內(nèi)圈卡不住，轉(zhuǎn)向晃動(dòng)問題嚴(yán)重，這代賽車設(shè)計(jì)時(shí)，前輪輪轂軸承的設(shè)計(jì)采用了開口螺母壓緊軸承內(nèi)圈的方法。另外，考慮到輪胎的快拆，之前賽車的輪輞用四個(gè)圓柱銷定位一個(gè)大螺母鎖緊，但這種方式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繁瑣，益處不大，本次設(shè)計(jì)將4個(gè)輪輞螺栓的一端均勻固定在輪轂上，使的輪轂結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量減輕，輪輞安裝方便。
圖6-6 賽車前輪輪轂
§6.1.4 立柱
賽車上的立柱指的是與賽車懸架相連接，承載汽車主要重量的模塊。立柱上有兩個(gè)用來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，是賽車上轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)的回轉(zhuǎn)中心 。主銷通常意義上有兩個(gè)重要的角度，分為主銷內(nèi)傾角和主銷外傾角。主銷內(nèi)傾角，是將主銷（即轉(zhuǎn)向軸線）的上端向內(nèi)傾斜的角度。從汽車的前面看去，主銷軸線與通過前輪中心的垂線之間形成一個(gè)夾角，即主銷內(nèi)傾角，主銷內(nèi)傾的作用是使車輪轉(zhuǎn)向后
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