轿车的制动系统毕业设计.doc

1 引言
随着交通业的迅速发展，轿车越来越普及，人们对轿车的安全性、可靠性的要求越来越高，为保证人身和车辆的安全，研发更为安全有效的轿车制动系统更是当前的热点。
1.1 制动系统设计的意义
汽车是现代交通工具中用得最多，也是最方便的交通运输工具。汽车制动系统是汽车底盘上的一个重要系统，它是制约汽车运动的装置。而制动器又是制约汽车运动的一个关键装置，在车辆的安全方面扮演着至关重要的角色。它不仅是衡量汽车好坏的一个指标，重要的是它还直接关系到交通和人身安全，因此制动性能是车辆非常重要的性能之一，改善汽车的制动性能始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务，对于开拓市场，增加汽车销量也有重要作用。随着交通业的迅速发展，轿车越来越普及，人们对轿车的安全性、可靠性的要求越来越高，为保证人身和车辆的安全，研发更为安全有效的轿车制动系统更是当前的热点。本次毕业设计即为轿车制动系统设计。
1.2 制动系统研究现状
当车辆制动时，车辆受到与行驶方向相反的外力，才能使汽车的速度逐渐减小至0，对制动过程车辆的受力情况分析是车辆试验和设计的基础，由于这一过程较为复杂，因此一般在实际中只能建立简化模型分析，通常人们主要从三个方面来对制动过程进行分析和评价:1)制动效能:即制动距离与制动减速度；2)制动效能的恒定性:即抗热衰退性；3)制动时汽车的方向稳定性；
目前汽车制动系统种类很多，形式多样，传统的制动系统结构主要有机械式、气动式、液压式、气-液混合式。其工作原理基本都一样，都是利用制动装置，用工作时产生的摩擦热来消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速直至停车的目的。对于轿车，要求制动系统制动平顺，制动距离更短，制动过程中避免因制动效能过高而导致车轮抱死的情况，以满足轿车的安全性和乘客舒适性。
目前，对于整车制动系统的研究主要通过路试或台架进行，由于在汽车道路试验中车轮扭矩不易测量，因此，多数有关传动系统制动系统的试验均通过间接测量来进行汽车在道路上行驶，其车轮与地面的作用力是汽车运动变化的根据，在汽车道路试验中,如果能够方便地测量出车轮上扭矩的变化，则可为汽车整车制动系统性能研究提供更全面的试验数据和性能评价。
1.3 本次制动系统设计要求
本次制动系统应达到的目标：
1）具有良好的制动效能
2）具有良好的制动效能的稳定性
3）制动时汽车操纵稳定性好
4）制动效能的热稳定性好
本次制动系统设计要求：
制定出制动系统的结构方案，对设计出的制动系统的各项指标进行评价分析。
2 制动系统方案论证分析与选择
2.1 型式确定
制动器主要有摩擦式、液力式、电池式等几种形式，现在广泛应用的是摩擦式制动器。摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，可分为鼓式、盘式和带式三种。应用最广泛的为鼓式和盘式。
鼓式制动器是最早形式汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛应用于各类汽车上。鼓式制动器分为单向双领蹄制动器、双向双领蹄制动器、领从蹄制动器、双从蹄制动器、单向增力式制动器、双向增力式制动器。单向双领蹄制动器和双向双领蹄制动器因结构都较为复杂，因此生产成本较高。领从式应用较广，在乘用车和总质量较小的商用车的后轮制动用得较多，双从制动效能最低，很少采用。单向增力式只有一个轮缸，不适合双回路机构。双向增力式制动效能稳定行较差。股选用领从式制动器。
盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两类，钳盘又分为固定钳和浮动钳，
1）钳盘式
钳盘式制动器按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等。
定钳盘式制动器：这种制动器中的制动钳固定不动，制动盘与车轮相连并在制动钳体开口槽中旋转。具有以下优点：除活塞和制动块外无其他滑动件，易于保证制动钳的刚度；结构及制造工艺与一般鼓式制动器相差不多，容易实现鼓式制动器到盘式制动器的改革，能很好地适应多回路制动系的要求。
浮钳盘式制动器：这种制动器具有以下优点：仅在盘得内侧具有液压缸，故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近轮毂；没有跨越制动盘的油道或油管，液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；成本低；浮动盘的制动块可兼用驻车制动。
2）全盘式
在全盘制动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。由于这种制动器散热条件较差，其应用远远没有钳盘式制动器广泛。
盘式制动器特点为（1）完全防止尘污和锈蚀（封闭的多片全盘式制动器除外）。（2）兼作驻车制动器时，所需附加的手驱动机构比较复杂。（3）在制动驱动机构中必须装有助力器（4）因为衬块工作面积小，所以磨损快，使用寿命短，需要用高材质的衬块等缺点。
盘式制动器与鼓式制动器相比，有以下优点：
1）制动效能稳定性好；
2）制动力矩与汽车运动方向无关；
3）易于构成双回路，有较高的可靠性和安全性；
4）尺寸小、质量小、散热好；
5）制动衬块上压力均匀，衬块磨损均匀；
6）更换衬块工作简单容易。
7）衬块与制动盘间的间隙小，缩短了制动协调时间。
8）易于实现间隙自动调整。
轿车要求制动系统制动平顺，制动距离更短，满足汽车的安全性和乘员舒适性，因此选用前盘式鼓式。鼓式选择领从蹄式、盘式选择钳盘式。
2.2 制动管路的确定
为提高制动的可靠行，汽车上均采用多个制动管路。制动管路有一轴对一轴型，前轴制动器和后桥制动器各用一个回路。交叉型，前轴的一侧车轮制动器和后桥的对侧车轮制动器同属一个回路。一轴半对半轴型，两侧前制动器的半数轮缸和全部后制动器轮缸属一个回路，其于的前轮轮缸则属另一回路。半轴一轮对半轴一轮即两个回路分别对两侧前轮制动器的半数轮缸和一个后轮制动器起作用，在任一回路失效时，前后制动力比值均与正常情况下相同，剩余总制动力可以达到正常值的一半。双半轴对双半轴型，每个回路均只对每个前后制动器的半数轮缸起作用。
综合以上各个回路的优缺点本次设计选择的制动管路是交叉型，即X型。因为它结构简单，一回路失效时仍能保持50%的制动效能，并且制动力的分配系数和同步附着系数没有变化，保证了制动时与整车负荷的适应性，此时前后各有一侧车轮有制动作用，使制动力不对称，导致前轮将朝制动器作用的一侧绕主销转动，使汽车失去方向稳定行。所以，值得注意的就是采用这种方案的汽车其主销偏移距应取负值，这样不平衡的制动力使车轮反向转动，改善了汽车的方向稳定行。
2.3 制动驱动机构的结构型式选择
根据动力源的不同，制动驱动器可分为简单制动，动力制动、伺服制动。而力的传递方式又有机械式、液压式、气压式、气压-液压式的区别。
（1）简单制动有机械式和液压式两种。机械式结构简单，造价低廉，工作可靠，但机械效率低，因此仅适用于中小汽车的驻车制动装置中。液压式曾广泛用于轿车，轻型及以下的货车和部分中型货车上，但由于其操纵较沉重，不能适应现代汽车提高操纵轻便性的要求，故当前仅用于微型汽车上，在轿车和轻型汽车上已极少采用。
（2）动力制动有气压制动，气顶液式制动，全液压制动3种。气压制动是动力制动最常见型式，由于可获得较大的制动驱动力，且主车与被拖的挂车以及汽车列车之间制动驱动系统的连接结构简单，因此被广泛用于总质量8t以上的载货汽车，越野车和客车上。气顶液式制动系统结构复杂，质量大，造价高，故主要用于重型汽车上，一部分总质量为9~11t的中型汽车上也有所采用。全液压制动结构复杂，精密件多，对系统的密封性要求也较高，故并未得到广泛应用，目前仅用于某些高级轿车，大型客车以及少数的重型矿用自卸汽车上。
（3）伺服制动系统分真空伺服制动系统，气压伺服制动系统，液压伺服制动。真空伺服制动是利用发动机进气管中节气门后的真空度作动力源。一般的柴油车若采用伺服制动系统时，则需要专门的真空源——由发动机驱动的真空泵和喷雾器构成。气压伺服制动是由发动机驱动的空气压缩机提供压缩空气作为动力源，伺服的气压一般0.6MPA—0.7 MPA。气压伺服制动系统的组成部分比真空伺服复杂的多。真空伺服制动用于总质量在1.1t—1.35t以上的轿车及装载质量在6t以下的轻中型载货汽车上；气压伺服制动系统则广泛用于装载质量为6t—12t的中重型载货汽车以及少数高级轿车上。液压伺服制动系统是以发动机驱动液压油泵产生的高压油液为伺服能源，且基本上均为助力式的。由于这种制动系统的工作压力很高，因此可大大地减小伺服机构尺寸，且制动反应快，但对零部件的加工精密度和密封性能要求很高。其仅用于高级轿车。
通过以上对各种制动驱动机构型式的比较分析，衡量其优缺点，及其适用的车型最后选定液压伺服制动系统为本次设计的制动驱动机构。
2.4 部件型式的确定
（1）制动主缸，制动主缸由灰铸铁制造，也可以用低碳钢冷挤成型；活塞可用灰铸铁，铝合金或中碳钢制造。主缸的作用是将驾驶员踩到制动踏板上的压力传递到四个车轮的制动器以使汽车停止。主缸将驾驶员在踏板上的机械压力转变为液压力，在车轮制动器处液压力转变为机械力。主缸利用液体不可压缩原理，将驾驶员的踏板运动传送到车轮制动器。主缸由储液罐和主缸体构成。储液罐提供处缸工作的制动液。现在的所有储液罐都是分体设计，即两个独立的活塞有两个独立的储液区域。分体设计分别分别为前轮和后轮，或一个前轮一个后轮的液压系统供液，以防一个液压系统失效影响另一个液压系统。本设计采用双体设计的液压主缸，即双缸液压主缸。
（2）制动轮缸，后轮鼓式制动器制动轮缸是液压活塞式制动蹄张开机构。其机构简单，在车轮制动器中布置方便。轮缸的缸体由灰铸铁HT250制成，其缸体为通孔，需搪磨，活塞由铝合金制造，活塞外端压有钢制的开槽顶块，以支撑插入槽中的制动蹄腹板的橡胶密封圈或靠在活塞内端面处的橡胶皮碗密封。
（3）制动鼓，制动鼓的材料与摩擦衬片的材料相匹配，应能保证具有高的摩擦系数并使工作表面磨损均匀故我选用由钢板冲压成型的辐板与铸铁鼓筒部分铸成一体的组合式制动鼓。制动鼓选用T行钢碾压成的制动蹄。制动底板是除制动鼓外制动器各零件的安装基体，应保证各安装零件相互间的正确位置，制动底板承受着制动器工作时的制动反力矩，故应有足够的刚度，为此我选用具有凹凸起伏形状的钢板冲压成型的制动底板。摩擦材料采用模压。材料，它是以石棉纤维为主并与树胶粘结剂，调整摩擦性能的填充剂与噪声消除剂等混合后，在高温下模压成型的。模压材料的挠性较差故应安衬片或衬块规格模压，其优点是可以选用各种不同的聚合树脂配料，是衬片或衬块具有不同的摩擦性能或其他性能。
综合以上特点总结出制动鼓选材应该有足够的强度，刚度和热容量，与摩擦衬片材料相配合，又应当有较高的摩擦因数。
2.5 液压分路系统的形式的选择

图1 液压分路系统形式
为了提高制动工作的可靠性，应采用分路系统，即全车的所有行车制动器的液压或气压管路分为两个或更多的相互独立的回路，其中一个回路失效后，仍可利用其他完好的回路起制动作用。
双轴汽车的双回路制动系统有以下常见的物种分路形式(如图1所示)：
1）一轴对一轴（II）型，前轴制动器与后桥制动器各用一个回路。
2）交叉型（X），前轴的一侧车轮制动器与后桥的对策车轮制动器同属一个回路。
3）一周半对半轴（HI）型，两侧前制动器的板书轮缸和全部后制动器轮缸属于一个回路，其余的前轮缸则属另一回路。
4）半轴一轮对半轴一轮（LL)型，两个回路分别对两侧前轮制动器的半数轮缸和一个后轮制动器起作用。
5）双半轴对双半轴（HH）型，每个回路均只对每个前、后制动器的半数轮缸起作用。
II型管路布置较为简单，可与传统的但轮岗鼓式制动器配合使用，成本较低，目前在各类汽车特别是商用车商用得最广泛。对于这种形式，若后制动回路失效，则一旦前轮抱死即极易丧失转弯制动能力。对于采用前轮驱动因而前制动器强于后制动器的乘用车，当前制动回路失效而单用后桥制动时，制动力将严重不足（小于正常情况下的一半），并且，若后桥负荷小于前轴负荷，则踏板力过大时易使后桥车轮抱死而汽车侧滑。
X型的结构也很简单。直行制动时任一回路失效，剩余的总制动力都能保持正常值的50%。但是，一旦某一管路损坏造成制动力不对称，此时前轮将朝制动力大的一边绕主销转动，使汽车丧失稳定性。因此，这种方案适用于主销偏移距为负值（达20mm)的汽车上。这时，不平衡的制动力使车轮反向转动，改善了汽车的稳定性。
HI、HH、LL型结构都比较复杂。LL型和HH型在任一回路失效时，前后制动力比值均与正常情况下相同，剩余总制动力可达正常值的50%左右。HI型单用一轴半回路时剩余制动力较大，但此时与LL型一样，紧急制动情况下后轮很容易先抱死。
综合以上各个管路的优缺点，最终选择X型管路。
2.6 液压制动主缸的设计方案
为了提高汽车行驶的安全性，并根据交通法则的要求，现代汽车的行驶制动系统都采用了双回路制动系统。双回路制动系统的制动主缸为串联双缸制动主缸，单缸制动主缸已经被淘汰。
储存罐中的油经每一腔的进油螺栓和各自旁通孔、补偿孔流入主缸的前、后腔。在主缸前、后工作腔内产生的油压分别经各自的出油阀和各自的管路传到前、后轮制动器的轮缸。
主缸不工作时，前、后俩工作腔内的活塞头部与皮碗正好位于前、后腔内各自的旁通孔和补偿孔之间。
当踏下制动踏板时，踏板传动机构通过推杆推动后缸活塞前移，到皮碗掩盖住旁通孔后，此腔液压升高。在后腔液压和后腔弹簧力的作用下，推动前缸活塞向前移动，前腔压力也随之升高。当继续下踩制动踏板时，前、后腔的液压继续升高，使前、后轮制动器制动。
撤除踏板力后，制动踏板机构、主缸前后腔活塞和轮缸活塞，在各自的复位弹簧作用下回位，管路中的制动液借其压力推开回油阀门流回主缸。于是接触制动。
当迅速放开制动踏板时，由于油液的粘性和管路阻力的影响，油液不能及时流回主缸并填充因活塞右移而让出的空间，因而在旁通孔开启之前，压油腔中产生一定的真空度。此时进油腔液压高于压油腔，因而进油腔的油液便从前、后缸活塞的前密封皮碗的边缘与缸壁间的间隙流入各自的压油腔以填补真空。与此同时，储液室中的油液经补偿孔流入各自的进油腔。活塞完全复位后，旁通孔已开放，由制动管路继续流回主缸而显多余的油液便可经前、后缸的旁通孔流回储液室。液压系统中因密封不良而产生的制动液漏泄，和因温度变化而引起的制动液膨胀或收缩，都可以通过补偿孔和旁通孔得到补偿。
若与前腔连接的制动管路损坏楼有时，则在踩下制动踏板时只后腔中能建立液压，前腔中无压力。此时在液压差作用下，前腔活塞迅速前移到前缸活塞前端顶到主缸体上。此后，后缸工作腔中液压方能升高到制动所需的值。
若与后腔连接的制动管路损坏漏油时，则在踩下制动踏板时，起先只是后缸活塞前移，而不能推动前缸活塞，因后缸工作腔中不能建立液压。但在后缸活塞直接顶触前缸活塞时，前缸活塞前移，使前缸工作腔建立必要的液压而制动。
由此可见，采用这种主缸的双回路液压制动系，当制动系统中任一回路失效时，串联双缸制动主缸的另一腔仍能够工作，只是所需踏板行程加大，导致汽车制动距离增长，制动力减小，大大的提高了工作的可靠性。
3 制动性能分析
3.1 制动性能评价指标
汽车的制动性主要由下列三方面来评价：
1）制动效能，即制动距离与制动减速度。
2）制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。
3）制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。
3.2 制动效能
制动效能是指在良好路面上，汽车以一定初速度制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度。制动效能是制动性能中最基本的评价指标。制动距离越小，制动减速度越大，汽车的制动效能就越好。
3.3 制动效能的恒定性
制动效能的恒定性主要指的是抗热衰退性能。汽车在高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。因为制动过程中实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收转换为热能，所以制动器温度升高后能保持在冷态时的制动效能，已成为设计制动器时要考虑的一个重要问题。
3.4 制动时汽车方向的稳定性
制动时汽车的方向稳定性，常用制动时汽车给定路径行驶的能力来评价。若制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力。则汽车将偏离原来的路径。
制动过程中汽车维持直线行驶，或按预定弯道行驶的能力，称为方向稳定性。影响方向稳定性包括制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力三种情况。制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力时，汽车将偏离给定的行驶路径。因此，常用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价汽车制动时的方向稳定性，对制动距离和制动减速度两指标测试时都要求了其实验通道的宽度。
方向稳定性是从制动跑偏、侧滑以及失去转向能力方面来考验。
制动跑偏的原因有两个：
1）汽车左右车轮，特别是转向轴左右车轮制动器制动力不相等。
2）制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上不协调（相互干涉）。
前者是由于制动调整误差造成的，是非系统的。而后者是属于系统性误差。侧滑是指汽车制动时某一轴的车轮或两轴的车轮发生横向滑动的现象。最危险的情况时高速制动时后轴发生侧滑。防止后轴发生侧滑应使前后轴同时抱死或前轴先报死后轴始终不抱死。
4.结 论
本次毕业设计即为轿车制动系统设计。通过查阅相关的资料，运用专业基础理论和专业知识，确定轿车制动系统的设计方案，达到以下要求：具有足够的制动效能以保证汽车的安全性；本系统采用X型双回路的制动管路以保证制动的可靠性；采用真空助力器使其操纵轻便；同时在材料的选择上尽量采用对人体无害的材料，最后对制动性能分析，所设计的汽车制动系统基本达到了预期的目标。

参 考 文 献
[1] 王国权.汽车设计课程设计指导书.北京：机械工业出版社，2010
[2] 裴保纯.汽车是如何奔跑的：图解汽车构造与原理.北京：机械工业出版社，2010
[3] 裴保纯，纪宇贵.汽车底盘及电气系统专项维修图解进阶.北京：人民邮电出版社,2010
[4] 刘峥，王建昕，等.汽车发动机原理.北京，清华大学出版社，2011
[5] 余志生.汽车理论（第5版）/普通高等教育“十五”国爱级规划教材·面向21世纪课程教材.北京，机械工业出版社，2009
[6] 陈家瑞，马天飞. 汽车构造(下册)第五版. 北京：人民交通出版社, 2005
[7] 刘涛.汽车设计.北京：北京大学出版社，2008
[8] 林玉祥.机械工程图学习题集. 北京：科学出版社，2008

致 谢
时光飞逝，美好的学生生涯就要结束，这三年来忙碌的工作与学习虽然过程很枯燥乏味，但是让我的生活更加充实，尤其是最后的毕业设计让我体会到学习的快乐与成绩。当然由于经验的匮乏，毕业设计难免有许多考虑不周全的地方，而且没有辅导老师的督促指导，我也不可能完成这次设计，在此诚心感谢三年来帮助我的老师、同学和家人。
感谢一起奋斗的同学们，因为有了大家的共同奋斗和勉励，才有了毕业设计的顺利完成，希望各位都能顺利毕业，以一颗积极的心态来迎接未来的挑战。

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105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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