汽車設(shè)計課程設(shè)計

轎車后輪制動器設(shè)計

學(xué)院：機械工程學(xué)院

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目錄

緒論.....................................................1

第1章制動系統(tǒng)概述.....................................2

第2章鼓式制動器的設(shè)計計算............................6

第3章制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算.............................9

第4章制動器主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計......................11

第5章制動器操縱系統(tǒng)..................................13

緒論

汽車的制動器是汽車的主要性能之一，它為汽車安全行駛提供了重要保

證。隨著高速公路的迅速發(fā)展和汽車車速的提高，設(shè)計一套可靠、穩(wěn)定的制

動系統(tǒng)將給駕駛者和乘客的人身財產(chǎn)安全提供有力的保障。改善汽車的制動

性也始終是汽車設(shè)計、制造和使用部門的重要任務(wù)。

鼓式制動器也叫塊式制動器，是靠制動塊在制動輪上壓緊來實現(xiàn)剎車的。

鼓式制動是早期設(shè)計的制動系統(tǒng)，其剎車鼓的設(shè)計1902年就已經(jīng)使用在馬車

上了，直到1920年左右才開始在汽車工業(yè)廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在鼓式制動器的主流

是內(nèi)張式，它的制動塊（剎車蹄）位于制動輪內(nèi)側(cè)，在剎車的時候制動塊向外

張開，摩擦制動輪的內(nèi)側(cè)，達到剎車的目的。近三十年中，鼓式制動器在轎

車領(lǐng)域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動器。但由于成本比較低，仍然在一些

經(jīng)濟類轎車中使用，主要用于制動負荷比較小的后輪和駐車制動。

1

第1章制動系統(tǒng)概述

1.1制動系統(tǒng)概述

人們?yōu)榱藵M足生活和工作的需要，希望汽車的行駛速度盡可能快，但必

須以保證行駛安全為前提。汽車除能高速行駛外，在即將轉(zhuǎn)向、行經(jīng)不平路

面、兩車交會、遇到障礙或危險時，都需減低車速。有時需要在盡可能短的

距離內(nèi)將車速降到很低甚至為零。如果汽車不具備這些性能，高速行駛就不

可能實現(xiàn)。汽車在長下坡時，在重力作用下，有不斷加速到危險程度的趨勢。

此時應(yīng)當(dāng)將車速限制在一定的安全值以內(nèi)，并保持穩(wěn)定。此外，對已停駛的

汽車的汽車，應(yīng)使之可靠地駐留原地不動，使行駛中的汽車減速甚至停車，

使下坡行駛的汽車速度保持穩(wěn)定，以及使已停駛的汽車保持不動等作用統(tǒng)稱

為制動。對汽車起制動作用的只能是作用在汽車上的、方向與汽車行駛方向

相反的外力。作用在行駛汽車上的滾動阻力、上坡阻力、空氣阻力都能對汽

車起制動作用。但這些外力的大小都是隨機不可控制的。因此汽車上必須裝

設(shè)一系列專門裝置，以便駕駛者能根據(jù)道路和交通等情況，通過外界在汽車

某些部分（主要是車輪）施加一定的力，對汽車進行一定程度的強制制動。

這種可控制的對汽車進行制動的外力稱為制動力。

1.1.1制動系統(tǒng)的工作原理

一般制動系的工作原理可用圖1T所示的一種簡單的液壓制動系示意圖

來說明：

一個以內(nèi)圓面為工作表面的金屬的制動鼓8固定在車輪輪轂上，隨車輪一同

旋轉(zhuǎn)。在固定不動的制動底板11上，有兩個支撐銷12,支承著兩個弧形制動

2

蹄10的下端。制動蹄的外圓面上又裝有一般是非金屬的摩擦片9.制動底板上

海裝有液壓制動輪缸6,用油管5與裝在車架上的液壓制動主缸4相連通。主

缸中的活塞3可由駕駛員通過制動踏板機構(gòu)來操縱。制動系不工作時，制動

鼓的內(nèi)圓面與制動蹄摩擦片的外圓面之間保持有一定的間隙，使車輪和制動

鼓可以自由旋轉(zhuǎn)。要使行駛中的汽車減速，駕駛員應(yīng)踩下制動踏板1,通過推

桿2和主缸活塞3,使主缸內(nèi)的油液在一定壓力下流入輪缸6,并通過兩個輪

缸活塞7推使兩制動蹄10繞支承銷12轉(zhuǎn)動，上端向兩邊分開而使其摩擦片9

壓緊在制動鼓的內(nèi)圓面上。這樣，不旋轉(zhuǎn)的制動蹄就對旋轉(zhuǎn)著的制動鼓作用

一個摩擦力矩Mu,其方向與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反。制動鼓將該力矩傳到車輪后，

由于車輪與路面間有附著作用，車輪對路面作用一個向前的作用力Fu,同時

路面也對車輪作用一個向后的反作用力，即制動力FB.制動力FB由車輪經(jīng)車

橋和懸架傳給車架及車身，迫使整個汽車減速。制動力愈大，汽車減速度也

愈大。當(dāng)放開制動踏板時，回位彈簧13即將制動蹄拉回原位，摩擦力矩Mu

和制動力FB消失，制動作用及終止。圖1T所示的制動系中，由制動鼓8、

摩擦片9和制動蹄10所構(gòu)成的系統(tǒng)產(chǎn)生了一個制動力矩以阻礙車輪轉(zhuǎn)動，該

系統(tǒng)稱為制動器。上述這種用以使行駛中的汽車減低速度甚至停車的制動系

稱為行車制動系，是在行車過程中經(jīng)常使用的。用來使已停駛的汽車駐留原

地不動的另一套裝置則稱為駐車制動系。這兩個制動器是每一個汽車都必須

具備的。此外，許多國家還規(guī)定汽車必須具有第二制動系，其作用是在行車

制動系失效的情況下保證汽車仍能實現(xiàn)減速或停車。經(jīng)常在山區(qū)行駛的汽車,

若單靠行車制動系來達到下長坡是穩(wěn)定車速的目的，則可能導(dǎo)致行車制動系

3

的制動器過熱而降低制動效能，甚至完全失效。所以山區(qū)用汽車還應(yīng)具備主

要在下坡時用以穩(wěn)定車速的輔助制動系。

1.1.2制動系統(tǒng)設(shè)計要求：

設(shè)計制動系時應(yīng)滿足如下土要要求：

1）足夠的制動能力。行車制動能力，用一定制動初速度下的制動減速度和

制動距離兩項指標評定;駐坡能力是指汽車在良好路面上能可靠地停駐的最

大坡度。

2）工作可靠。行車制動至少有兩套獨立的制動器的管路。當(dāng)其中一套管路

失效時，另一套完好的管路應(yīng)保證汽車制動能力不低于沒有失效時規(guī)定值的

30%。行車和駐車制動裝置可以有共同的制動器，而驅(qū)動機構(gòu)各自獨立。

3）用任何速度制動標準，汽車都不應(yīng)當(dāng)喪失操縱性和方向穩(wěn)定性。

4）防止水和污泥進入制動器工作表面。

5）要求制動能力的熱穩(wěn)定性良好。

6）操縱輕便，并有良好的隨動性。

7）制動時制動系產(chǎn)生的噪聲盡可能小，同時力求減少散發(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）摩擦襯片應(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)生間隙的機構(gòu)，且調(diào)整間隙工作

容易，最好設(shè)置自動調(diào)整間隙機構(gòu)。

11）當(dāng)制動驅(qū)動裝置的任何元件發(fā)生故障并使其基本功能遭到破壞時，汽車

制動系應(yīng)裝有音響或光信號等報警裝置。

4

1.2制動器類型的選擇

鼓式制動器分為領(lǐng)從蹄式、雙領(lǐng)蹄式、雙向雙領(lǐng)蹄式、雙從蹄式、單向增力

式、雙向增力式等幾種,見下圖的a-f.

由于雙領(lǐng)蹄式和單向增力式一般適用于前輪,所以不采用。從經(jīng)濟性和通用

性方面考

慮，決定較

為常見的領(lǐng)

從蹄式制動

器。設(shè)計零

件結(jié)構(gòu)示意

圖如右：

I怏加塊2撲，初汕川“3和JR/*I5!AiWM排N內(nèi)州就

5介4：1小力如H外?即MG陽，。加工“7F1。M

第2章鼓式制動器的設(shè)計計算

2.1整車性能參數(shù)

整備質(zhì)量1360kg驅(qū)動型式4X2前輪

軸距2550空載前軸負荷60%60%

前輪距1429后輪距1422

簫高車速180kmh180km/h最大爬坡度35%

最小轉(zhuǎn)向直徑11m變速器不動5擋

輪胎型號185/60R14T制動距離5.6m(30km/h)

最大功率/轉(zhuǎn)速74kw/5800rpm最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速150N.m4000rpm

2.2車輛前后輪制動力的分析

汽車制動時，如果忽略路面對車輪的滾動阻力矩和汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性

力矩，則任一角速度＞0的車輪，其力矩平衡方程為：

〃-趨4=0

式中：與—制動器對車輪作用的制動力矩，即制動器的摩擦力矩，其

方向與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反，N,m；

心一地面作用于車輪上的制動力，即地面與輪胎之間的摩擦力，又稱

為地面制動力，其方向與汽車行駛方向相反，N；

北一車輪有效半徑，mo

令”上

并稱之為制動器制動力，它是在輪胎周緣克服制動器摩擦力矩所需的力，

因此又稱為制動周緣力。號與地面制動力與的方向相反，當(dāng)車輪角速度。＞0

時，大小亦相等，且燈僅由制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。即尸/取決于制動器的結(jié)

構(gòu)型式、尺寸、摩擦副的摩擦系數(shù)及車輪有效半徑等，并與制動踏板力即制

動系的液壓或氣壓成正比。當(dāng)加大踏板力以加大77,號和心均隨之增大。但

地面制動力/受著附著條件的限制，其值不可能大于附著力々，

即七夕

或FB2=Fp=Z(p

式中中——輪胎與地面間的附著系數(shù)；

Z——地面對車輪的法向反力。

當(dāng)制動器制動力Ff和地面制動

力《達到附著力々值時，車輪即被抱

死并在地面上滑移。此后制動力矩77

即表現(xiàn)為靜摩擦力矩，而號=〃匕即

成為與七相平衡以阻止車輪再旋轉(zhuǎn)的

周緣力的極限值。當(dāng)制動到口=0以后,

地面制動力/達到附著力々值后就

不再增大，而制動器制動力號由于踏制動力與踏板力的關(guān)系

板力尼的增大使摩擦力矩T,增大而繼

續(xù)上升(如圖所示)。

取前后軸到重心的距離￡i=1275mmZ2=1275mm,重心高550mm

汽車總的地面制動力為

r_r_Gdu

FB-FB、+電—--Gq

gdt

du

式中q（9=嬴）制動強度，亦稱比減速度或比制動力;

FB、,FB,---前后軸車輪的地面制動力。

由以上兩式可求得前、后軸車輪附著力為

1hr

。=（G個+七十）9=7W+

乙1—J1—1

jh「

%=(G六七十)。=了(一叱)。

LL

上式表明：汽車在附著系數(shù)。為任意確定值的路面上制動時.，各軸附著力

即極限制動力并非為常數(shù)，而是制動強度q或總制動力Fp的函數(shù)。當(dāng)汽車各

車輪制動器的制動力足夠時一，根據(jù)汽車前、后軸的軸荷分配，前、后車輪制

動器制動力的分配、道路附著系數(shù)和坡度情況等，制動過程可能出現(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得最好。

心+%=%+弓=OG(1)

7

F’JFjFBIIFB2=w+鳴）3-娛）

（2）

式中的一一前軸車輪的制動器

制動力，

Ffi=FBI=收［;

Ff2——后軸車輪的制動器制動

力，

Ff2=FB2=（PZ2；

FBI----前軸車輪的地面制動力；

FB2---后軸車輪的地面制動力；某轎車的I曲線和尸線

Z\,z2---地面對前、后軸車輪

的法向反力；

G----汽車重力；

乙，L2----汽車質(zhì)心離前、后軸距離；

4——汽車質(zhì)心高度。

同步附著系數(shù)選取（P=O.7,則：

F=F+Ff、=FB、+FR,=^G=0.7X1360X9.8=9329.6N

由式⑴、式B⑵不fi噓求彳導(dǎo)在原何附著系數(shù)夕的路面上，前、后車輪同時抱

死即前、后軸車輪附著力同時被充分利用的條件。

由式（2）得：/Ffi2=（Z2+帆）/&-皿）=1.865

則心1=6073.2N,F?2=3256.4N

FB2即為所求的后輪地面制動力。

2.3前、后輪制動力分配系數(shù)4的確定

根據(jù)公式：/?=（L2+^Oxhg）/L

得：/3=（1275+0.7x550）/2550=0.65

式中為：同步附著系數(shù)

L,：汽車重心至后軸中心線的距離

L：軸距

hg:汽車質(zhì)心高度

2.4制動器制動力矩

制動器所能產(chǎn)生的制動力矩，受車輪的計算力矩所制約，即

Tf、=F3

了「Ff3

8

式中Ff、刖軸制動器的制動力，F(xiàn)八=Z[(p;

Fh后軸制動器的制動力，F(xiàn)f]=Z2(p;

々為車輪的有效半徑，所選車輪為185/60R14T,則輪高為

111mm,輪輜|半徑為14英寸=355.6mm。所以車輪有效半徑為288.8mm.

故后輪制動力矩為940.4N*m

由于選取的鼓式制動器為雙向雙領(lǐng)蹄式有兩個輪缸，所以每個輪缸上

產(chǎn)生的制動力矩為M/4=235.lN*m

進而求得兩蹄上的張開力F0=235.1/D(D為制動鼓內(nèi)徑)。

第3章制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

3.1制動鼓壁厚的確定

當(dāng)輸入力P一定時，制動鼓的直徑愈大，則制動力矩亦愈大，散熱性

能亦愈好。但直徑D的尺寸受到輪雍I內(nèi)徑的限制，而且D的增大也使制動鼓

的質(zhì)量增大，使汽車的非懸掛質(zhì)量增大，而不利于汽車的行駛平順性。制動

鼓與輪輛之間應(yīng)有相當(dāng)?shù)拈g隙，此間隙一般不應(yīng)小于20?30mm,以利于散熱

通風(fēng)，也可避免由于輪雍]過熱而損壞輪胎。由此間隙要求及輪雍I的尺寸即可

求得制動鼓直徑D的尺寸。另外，制動鼓直徑D與輪輛直徑之比的一般范

圍為：

轎車D/。,=0.64?0.74轎車輪雍I為14in,得到a=14X

25.4=355.6mm(1in=25.4mm)

表3-1

輪輛苜［徑/in1213141516

制動轎車180200240260—

鼓內(nèi)徑貨車220240260300320

/mm

參考上表并結(jié)合實際情況，取D/。.=0.65。得到制動鼓內(nèi)徑D=230mm,所

以制動鼓半徑為115mm。

3.2制動鼓式厚度n

制動鼓壁厚的選取主要是從剛度和強度方面考慮。壁厚取大些也有助于

增大熱容量，但試驗表明，壁厚從11mm增至20nm1,摩擦表面平均最高溫度變

化并不大。一般鑄造制動鼓的壁厚：轎車為7-12mm,中、重型貨車為13?

18mm。

由于本設(shè)計的對象是轎車，所以選取制動鼓的厚度為n=10mmo

3.3制動蹄摩擦襯片的包角B和寬度b

9

摩擦襯片的包角￡可在，=90°?120。范圍內(nèi)選取，試驗表明，摩擦襯片

包角￡=90。?100。時，磨損最小，制動鼓溫度也最低，且制動效能最高。再

減小〃雖有利于散熱，但由于單位壓力過高將加速磨損?！ㄒ话阋膊灰舜笥?/p>

120°,因過大不僅不利于散熱，而且易使制動作用不平順，甚至可能發(fā)生自

鎖。

本次設(shè)計摩擦襯片的包角〃取110°。

摩擦襯片寬度b較大可以降低單位壓力、減少磨損，但過大則不易保證

與制動鼓全面接觸。通常是根據(jù)在緊急制動時使其單位壓力不超過2.5MPa的

條件來選擇襯片寬度b的。設(shè)計時應(yīng)盡量按摩擦片的產(chǎn)品規(guī)格選擇b值。另

外，根據(jù)國外統(tǒng)計資料可知，單個鼓式車輪制動器總的襯片摩擦面積隨汽車

總質(zhì)量的增大而增大，而單個摩擦襯片的摩擦面積A又決定于制動鼓半徑R、

襯片寬度b及包角/7,即A=Rb/3

式中￡是以弧度(rad)為單位，當(dāng)A,R,￡確定后，由上式也可初選襯片

寬b的尺寸。制動器各蹄摩擦襯片總摩擦面積愈大，則制動時產(chǎn)生的單位面

積正壓力愈小，從而磨損亦愈小。摩擦襯片的摩擦面積A取200cm:襯片寬b

為45mm。見表

汽車總質(zhì)量單個制動器的襯片摩擦面積

汽車類別m/1ZA/cm2

轎車0.9~1.5100^200

1.5~2.5200^300

3.4摩擦襯片起始角A,

鼓式制動器主要幾何參數(shù)

10

摩擦襯片起始角自如圖所示。一般是將襯片布置在制動蹄外緣的中央，

并令鳳=90。-（尸/2）。有時為了適應(yīng)單位壓力的分布情況，將襯片相對于最大

壓力點對稱布置，以改善制動效能和磨損的均勻性。則片=35。

3.5開力P的作用線至制動器中心的距離c

在保證制動輪缸或凸輪能夠布置于制動鼓內(nèi)的條件下，應(yīng)使距離a盡可能

地大，以提高其制動效能。取a=0.857?

則a=97.8mm

3.6制動蹄支銷中心的坐標位置是k與c

如圖所示，制動蹄支銷中心的坐標尺寸k是應(yīng)盡可能地小，以使尺寸c

盡可能地大，取c=0.85%則c=97.8mm

3.7摩擦片摩擦系數(shù)了

選擇摩擦片時不僅希望其摩擦系數(shù)要高些，更要求其熱穩(wěn)定性要好，受溫度

和壓力的影響要小。不能單純地追求摩擦材料的高摩擦系數(shù)，應(yīng)提高對摩擦

系數(shù)的穩(wěn)定性和降低制動器對摩擦系數(shù)偏離正常值的敏感性的要求，后者對

蹄式制動器是非常重要的。各種制動器用摩擦材料的摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值約為

0.3-0.5,少數(shù)可達0.7。一般說來，摩擦系數(shù)愈高的材料，其耐磨性愈差。

所以在制動器設(shè)計時并非一定要追求高摩擦系數(shù)的材料。當(dāng)前國產(chǎn)的制動摩

擦片材料在溫度低于250℃時，保持摩擦系數(shù)7=0.35?0.40已無大問題。因

此，在假設(shè)的理想條件下計算制動器的制動力矩，取/=0.3可使計算結(jié)果接

近實際。因此取y=0.3。

第4章制動器主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1制動鼓

制動鼓應(yīng)具有非常好的剛性和大的熱容量，制動時其溫升不應(yīng)超過極

限值。制動鼓的材料應(yīng)與摩擦襯片的材料向匹配，以保證具有高的摩擦系

數(shù)并使工作表面摩擦均勻。

輕型貨車和一些轎車則采用鋼板沖壓成形的輻板與鑄鐵鼓筒部分鑄

成一體的組合制動鼓；帶有灰鑄鐵內(nèi)鼓筒的鑄鋁合金制動鼓在轎車上得到

了日益廣泛的應(yīng)用；鑄鐵內(nèi)鼓筒與鋁合金也是鑄到一起的，這中內(nèi)鑲一層

珠光體組織的灰鑄鐵作為工作表面，其耐磨性和散熱性都很好，而且減少

11

了質(zhì)量。

本設(shè)計采用的制動鼓材料：鑄鐵內(nèi)鼓筒與鋁合金鑄到一起

4.2制動蹄

轎車制動蹄管飯采用T形型鋼碾壓或鋼板沖壓一焊接制成。制

動蹄的結(jié)構(gòu)尺寸和斷面形狀應(yīng)保證其剛度好，單小型車用鋼板制的

制動蹄腹板上有時開有一、兩條徑向槽，使蹄的彎曲剛度小些，以

便使制動蹄摩擦襯片與制動鼓之間的接觸壓力均勻，因而使襯片的

磨損較為均勻，并可減少制動時的尖叫聲。

制動蹄腹板和翼緣的厚度，轎車的約為3m摩擦片的厚度

多為4.5mm~5mm。

本設(shè)計制動蹄選用：T形45號鋼

制動蹄腹板厚度：5mm

制動蹄翼緣厚度：5mm

摩擦襯片厚度：5mm

4.3制動底板

制動底板是除制動鼓外制動器各零件的安裝基體，應(yīng)保證各安

裝零件相互間的正確位置。制動底板承受著制動器工作時的制動反

力矩，因此它應(yīng)該有足夠的剛度。剛度不足會使制動力矩減小，踏

板行程增大，襯片磨損也不均勻。

4.4制動蹄的支承

為了使具有支承銷的一個自由度的制動蹄的工作表面與制動鼓

的工作表面同軸心，應(yīng)使支承位置可調(diào)。

4.5制動輪缸

制動輪缸的剛起由灰鑄鐵HT250制成。其缸筒為通孔，需鏈磨。

活塞由鋁合金制造?；钊舛藟河袖撝频拈_