轎車盤式制動器設(shè)計(jì)及優(yōu)化畢業(yè)論文

I轎車盤式制動器設(shè)計(jì)及優(yōu)化摘 要盤式制動器主要用于行車制動，其制動效能穩(wěn)定，在汽車中得到廣泛的應(yīng)用。首先通過了解制動器的設(shè)計(jì)要求，對盤式制動器進(jìn)行初始設(shè)計(jì)；然后再對盤式制動器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)通過對摩擦片的中心圓半徑、摩擦片直徑、制動盤的直徑、活塞直徑、制動盤厚度、油缸內(nèi)的油壓等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以制動時(shí)間、制動盤的厚度、制動盤的溫升作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立盤式制動器的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。選用合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，編寫 MATALB 程序，通過優(yōu)化程序的運(yùn)行，得到最終優(yōu)化結(jié)果，從而得出盤式制動器較合理的尺寸。關(guān)鍵詞：盤式制動器；轎車；設(shè)計(jì)；優(yōu)化IIDesign and Optimization of Disk Brake on CarABSTRACTDisc brakes are mainly used to brake when vehicle is steering. Due to stability of disk brakes, they are widely used on vehicles. First through understanding the design requirements of brake, do the initial design of disk brake；second doing the optimal design for disk brake. In this design, it optimizes the design through the optimal design of the radius of center circle of friction sheet, the diameter of friction sheet, the diameter of disc drake, the diameter of piston, the deep of dish brake, the oil pressure in oil jar and so on, and taking the time of braking, the deep of disc brake, the temperature of disk brake as the aim of optimization, then establish the disk brake optimal designs mathematical function model. selecting a reasonable optimal designs tools and raddle program by MATLAB. Passing the optimal programs operation, get the eventually optimal result, so we can conclude the reasonable dimension of disc brake.Keyboard: Disc brake; Car; Design; OptimizationIII目 錄前言 .11 汽車制動系概述 .21.1 汽車制動器 .21.2 浮動鉗式盤式制動器 .31.3 盤式制動器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 .42 盤式制動器的設(shè)計(jì) .52.1 制動器主要零部件的設(shè)計(jì) .52.2 盤式制動器工作間隙的調(diào)整 .62.3 摩擦襯片（襯塊）的磨損特性計(jì)算 .73 鉗盤式制動器的優(yōu)化設(shè)計(jì) .83.1 概述 .83.2 建立盤式制動器優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 .83.2.1 選取設(shè)計(jì)變量 .103.2.2 確立目標(biāo)函數(shù) .113.2.3 確立約束條件 .113.3 選用合適的算法求解 .123.4 優(yōu)化結(jié)果比較 .124 結(jié)束語 .135 謝辭 .14參考文獻(xiàn) .15附錄 A 外文翻譯 原文部分 .16附錄 B 外文翻譯 譯文部分 .19附錄 C 優(yōu)化設(shè)計(jì)程序 .22華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)1前 言2006 年我國汽車產(chǎn)銷量雙雙突破 700 萬輛，分別達(dá)到 727.97 萬輛和 721.6 萬輛，同比增長 27.32%和 25.13%。在目前巨大的市場需求導(dǎo)引下，2007 年我國汽車產(chǎn)銷量將繼續(xù)保持較高增長速度，行業(yè)競爭將更加激烈，個(gè)性化需求特征越來越明顯。各汽車生產(chǎn)廠商為適應(yīng)市場的需求變化，就必須努力提高現(xiàn)有的汽車生產(chǎn)、設(shè)計(jì)水平、降低生產(chǎn)成本，更大程度地去滿足顧客的個(gè)性化需求。汽車作為一種最廣泛的交通運(yùn)輸工具，在現(xiàn)代社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日常生活中發(fā)揮著十分重要的作用。汽車工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，汽車工業(yè)的發(fā)展水平在很大程度上反映了一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和科技水平?？茖W(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步是現(xiàn)代大工業(yè)的特點(diǎn)，這一點(diǎn)在汽車工業(yè)中表現(xiàn)得尤為突出，汽車既是資金密集又是技術(shù)密集的工業(yè)產(chǎn)品。汽車的設(shè)計(jì)和制造涉及到很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，可以說，汽車產(chǎn)品是人類智慧結(jié)晶。先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)造就了現(xiàn)代化的汽車，現(xiàn)代汽車工業(yè)反過來又刺激了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。汽車質(zhì)量是汽車生產(chǎn)企業(yè)的生命線，其中安全性能尤為重要。汽車制動系統(tǒng)是汽車行駛的一個(gè)重要主動安全系統(tǒng)，其性能的好壞對汽車的行駛安全有著重要影響。隨著汽車的行駛速度和路面情況復(fù)雜程度的提高，更加需要高性能長壽命的制動系統(tǒng)。其中汽車制動器是汽車制動系統(tǒng)的制動執(zhí)行裝置，制動器的性能直接影響到汽車制動系統(tǒng)的可靠性，因此對汽車汽車制動器的安全性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)能比較好地把現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和經(jīng)過長期實(shí)踐驗(yàn)證的設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)合起來。這種技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，它的推廣應(yīng)用，對促進(jìn)我國設(shè)計(jì)工作現(xiàn)代化起到重要作用。雖然機(jī)械設(shè)計(jì)中采用最優(yōu)化技術(shù)的歷史很短，但其進(jìn)展的速度卻是十分的驚人的。無論在機(jī)構(gòu)綜合、通用機(jī)械零部件設(shè)計(jì)，還是在各種專業(yè)機(jī)械和工藝裝備的設(shè)計(jì)都由于采用了最優(yōu)化技術(shù)而取得了顯著成果。汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法的推廣和普及，大大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。這對于那些面臨著要進(jìn)行多型號小批量生產(chǎn)并且客戶的要求在不斷地改變的企業(yè)來說，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)將大大減少設(shè)計(jì)的工作量并節(jié)省從客戶發(fā)單到開始生產(chǎn)的時(shí)間，從而增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。本設(shè)計(jì)以小轎車為例進(jìn)行汽車盤式制動器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且前后輪都使用盤式制動器為前提條件的。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是“轎車盤式制動器設(shè)計(jì)及優(yōu)化” ，首先對盤式制動器進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，然后建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，編寫程序，通過程序運(yùn)行后得到盤式制動器的合理結(jié)構(gòu)尺寸。吳健：轎車盤式制動器設(shè)計(jì)及優(yōu)化21 汽車制動系概述制動系的功用是使汽車以適當(dāng)?shù)臏p速度降速行駛直至停車，在下坡行駛時(shí)使汽車保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定車速，使汽車可靠地停在原地或坡道上。汽車制動系直接影響著汽車行駛的安全性和停車的可靠性。隨著高速公路的迅速發(fā)展和車速的提高以及車流密度的日益增大，為了保證行車安全、停車可靠，汽車制動系的工作可靠性顯得日益重要。也只有制動性能良好、制動系工作可靠的汽車，才能充分發(fā)揮其制動性能。制動系至少有行車制動裝置和駐車制動裝置。前者用來保證第一項(xiàng)功能和在不長的坡道上行駛時(shí)保證第二項(xiàng)功能，而后者則用來保證第三項(xiàng)功能。除此之外，有些汽車還設(shè)有應(yīng)急制動和輔助制動裝置。應(yīng)急制動裝置利用機(jī)械力源(如強(qiáng)力壓縮彈簧)進(jìn)行制動。在某些采用動力制動或伺服制動的汽車上，一旦發(fā)生蓄壓裝置壓力過低等故障時(shí)，可用應(yīng)急制動裝置實(shí)現(xiàn)汽車制動。同時(shí)，在人力控制下它還能兼作駐車制動用。輔助制動裝置用在山區(qū)行駛的汽車上，利用發(fā)動機(jī)排氣制動或電渦流制動等的輔助制動裝置，可實(shí)現(xiàn)汽車下長坡時(shí)持續(xù)地減速或保持穩(wěn)定的車速，并減輕或者解除行車制動裝置的負(fù)荷。行車制動裝置和駐車制動裝置，都由制動器和制動驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩部分組成。任何制動系都是由以下 4 個(gè)部分組成：（1）供能裝置。包括供給、調(diào)節(jié)制動所需能量以及改善傳能介質(zhì)的各個(gè)部件。（2）控制裝置。包括產(chǎn)生制動作用和控制制動效能的各個(gè)部件。（3）傳動裝置。包括將制動能量傳到制動器的各個(gè)部件及管路，如制動主缸、輪缸及連接管路。（4）制動器。產(chǎn)生阻礙車輛運(yùn)動或運(yùn)動趨勢的力的部件。一般通過固定元件與旋轉(zhuǎn)元件工作表面之間的摩擦作用來實(shí)現(xiàn)。較完善的制動系還應(yīng)具有制動力調(diào)節(jié)裝置、報(bào)警裝置、壓力保護(hù)裝置等附加裝置。1.1 汽車制動器汽車制動器幾乎都是機(jī)械摩擦式的，即是利用固定元件與旋轉(zhuǎn)元件工作表面間的摩擦而產(chǎn)生制動力矩使汽車減速或停車的。輔助制動裝置是利用發(fā)動機(jī)排氣或其他緩速措施對下長坡的汽車進(jìn)行減緩或穩(wěn)定車速外。汽車制動器按其在汽車上的位置分為車輪制動器和中央制動器，前者是安裝在車輪處，后者則安裝在傳動系的某軸上，例如變速器第二軸的后端或傳動軸的前端。車輪制動器主要用作行車制動裝置，有的也兼作駐車制動之用；而中央制動器則僅用于駐車制動，當(dāng)然也可起應(yīng)急制動的作用。摩擦式制動器按其旋轉(zhuǎn)元件的形狀又可分為鼓式和盤式兩大類。鼓式制動器又分為內(nèi)張型鼓式制動器和外束型鼓式制動器。由于外束型鼓式制動器通常簡稱為帶式制動器，而且在汽車上已很少采用，所以內(nèi)張型鼓式制動器通常簡稱為鼓式制動器，而通常所說的鼓式制動器即是內(nèi)張型鼓式結(jié)構(gòu)。盤式制動器的旋轉(zhuǎn)元件是一個(gè)垂向安放且以兩側(cè)面為工作面的制動盤，其固定摩擦元件一般是位于制動盤兩側(cè)并帶有摩擦片的制動塊。當(dāng)制動盤被兩側(cè)的制動塊夾緊時(shí)，摩擦表面便產(chǎn)生作用于制動盤上的摩擦力矩。盤式制動器常用作轎車的車輪制動器，也可用作各種汽車的中央制動器。摩檫式制動器按摩檫副結(jié)構(gòu)形式不同，可分為鼓式、盤式和帶式三種。帶式制動器只華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)3用于中央制動器；鼓式和盤式制動器的結(jié)構(gòu)形式有多種，如圖 1 所示：制動器鼓 式 盤 式 帶 式領(lǐng)從蹄式單向雙領(lǐng)蹄式雙向雙領(lǐng)從蹄式雙從蹄式單向增力式雙向增力式鉗盤式 全盤式固定鉗式 浮動鉗式滑動鉗式 擺動鉗式圖 1 制動器的分類1.2 浮動鉗式盤式制動器浮動鉗式盤式制動器的制動鉗體是浮動的。其浮動方式有兩種，一種是制動鉗體可作平行滑動；另一種是制動鉗體可繞一支承銷擺動(見圖 2)。因而有滑動鉗式盤式制動器和擺動鉗式盤式制動器之分。但它們的制動油缸均為單側(cè)的，且與油缸同側(cè)的制動塊總成是活動的，而另一側(cè)的制動塊總成則固定在鉗體上。制動時(shí)在油液壓力作用下，活塞推動活動制動塊總成壓靠到制動盤，而反作用力則推動制動鉗體連同固定制動塊總成壓向制動盤的另一側(cè)，直到兩制動塊總成受力均等為止。對擺動鉗式盤式制動器來說，鉗體不是滑動而是在與制動盤垂直的平面內(nèi)擺動。這樣就要求制動摩擦襯塊應(yīng)預(yù)先做成楔形的( 摩擦表面對背面的傾斜角為 6左右)。在使用過程中，摩擦襯塊逐漸磨損到各處殘存厚度均勻(一般約為 l mm)后即應(yīng)更換。浮動鉗式盤式制動器只在制動盤的一側(cè)裝油缸，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，易于布置，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，可以將制動器進(jìn)一步移近輪轂，同一組制動塊可兼用于行車和駐車制動。浮動鉗由于沒有跨越制動盤的油道或油管，減少了受熱機(jī)會，單側(cè)油缸又位于盤的內(nèi)側(cè)，受車輪遮蔽較少使冷卻條件較好，另外，單側(cè)油缸的活塞比兩側(cè)油缸的活塞要長，也增大了油缸的散熱面積，因此制動液溫度比用固定鉗時(shí)低 3050，氣化的可能性較小。但由于制動鉗體是浮動的，必須設(shè)法減少滑動處或擺動中心處的摩擦、磨損和噪聲。吳健：轎車盤式制動器設(shè)計(jì)及優(yōu)化4圖 2 浮動鉗式盤式制動器工作原理圖1.3 盤式制動器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用與鼓式制動器相比，盤式制動器的優(yōu)點(diǎn)如下 ：4（1）熱穩(wěn)定性較好。這是因?yàn)橹苿颖P對摩擦襯塊無摩擦增力作用；另外，制動摩擦襯塊的尺寸不大，其工作表面的面積僅為制動盤面積的 12%16%，故熱散性好。（2）水穩(wěn)定性較好。這是因?yàn)橹苿右r塊對制動盤的單位壓力高，易將沾附的水?dāng)D出，同時(shí)離心力也易將沾水甩掉，再加上襯塊對盤的擦拭作用，制動器出水后只需一兩次制動即能恢復(fù)正常；而鼓式制動器則需經(jīng)過甚至十余次制動方能恢復(fù)正常的制動效能。（3）制動穩(wěn)定性好。由于盤式制動器的制動力矩與其制動油缸的活塞推力及摩擦系數(shù)成線性關(guān)系，還由于無自行增勢作用，因此在制動過程中制動力矩增長較緩和，與鼓式制動器相比，能保證高的制動穩(wěn)定性。（4）制動力矩與汽車前進(jìn)和后退的行駛狀態(tài)無關(guān)。（5）在輸出同樣大小的制動力矩條件下，盤式制動器的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量比鼓式的要小。（6）盤式制動器的摩擦襯塊比鼓式制動器的摩擦襯片在磨損后更易更換，結(jié)構(gòu)也較簡單，維修、保養(yǎng)容易。（7）制動盤與摩擦襯塊的間隙?。?.05mm0.15mm） ，因此縮短了油缸活塞的操作時(shí)間，并使制動驅(qū)動機(jī)構(gòu)的力傳動比有增大的可能。（8）制動盤的熱膨脹不會像制動鼓那樣引起制動踏板行程損失，這也使得間隙調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)可以簡化。（9）易于構(gòu)成多回路制動驅(qū)動環(huán)境，使系統(tǒng)有較好的可靠性與安全性，以保證汽車在任何車速下各車輪都能均勻一致地平穩(wěn)制動。（10）能方便地實(shí)現(xiàn)制動器磨損警報(bào)，以便能及時(shí)地更換摩擦襯塊。盤式制動器的主要缺點(diǎn)是難于完全防止塵污和銹蝕（但封閉的多片式全盤式制動器除外） ；兼作駐車制動器時(shí)，所需附加的駐車制動驅(qū)動機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，因此，有的汽車采用前輪為盤式后輪為鼓式的制動系統(tǒng)；另外，由于無自行增力作用，制動效能較低，中型轎車若采用時(shí)需有加力裝置。盤式制動器尤其是浮動鉗式盤式制動器已十分廣泛地用于轎車的前輪。與鼓式后輪制動器配合，也可使后輪制動器較容易地附加駐車制動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，兼作駐車制動器之用，有些高性能轎車的前后輪均采用了盤式制動器，主要是為了保持制動力分配系數(shù)的穩(wěn)定。華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)52 盤式制動器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中制動器采用的結(jié)構(gòu)型式為浮動鉗式盤式制動器。2.1 制動器主要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算過程和算法參考文獻(xiàn)1P54、P79P81 ，制動器結(jié)構(gòu)簡圖見圖 2（a） 。(1) 制動盤制動盤直徑 希望盡量大些，這時(shí)制動盤的有效半徑得以增大，就可以降低制動鉗D的夾緊力，降低摩擦襯塊的單位壓力和工作溫度，但制動盤直徑 受到輪輞直徑的限制。D通常，制動盤的直徑 選擇為輪輞直徑的 70%79%，而總質(zhì)量大于 2t 的汽車應(yīng)取其上限。根據(jù)所已知輪胎半徑 =350mm，查 GBT2978-1997,選用輪胎型號為 215/82SR14。r輪輞直徑為 14in=355.6mm（1in=2.54mm ）制動盤直徑 mm mm7.0635D9.2489.0取 D=256mm。制動盤厚度 直接影響著制動盤質(zhì)量和工作時(shí)的溫升。為使質(zhì)量不致太大，制動盤厚a度應(yīng)取得適當(dāng)小些，為了降低制動工作時(shí)的溫升，制動盤厚度又不宜過小。采用不帶通風(fēng)槽的制動盤（實(shí)心盤） ，其厚度約在 10mm13mm 之間。選取制動盤的厚度 =12mm制動盤采用珠光體灰鑄鐵制成，其結(jié)構(gòu)形式采用禮帽形（用于鉗盤式制動器） 。制動盤的工作表面應(yīng)光潔平整，制造時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制表面的跳動量、兩側(cè)表面的平行度（厚度差）及制動盤的不平衡量。制動盤兩側(cè)表面不平行度不應(yīng)大于 0.008mm；盤的表面擺度差不應(yīng)大于 0.1mm；制動盤表面粗糙度不應(yīng)大于 0.06mm。(2) 制動鉗制動鉗采用灰鑄鐵 QT400-18 制造，做成整體的，在鉗體中加工出制動油缸。為了減少傳給制動液的熱量，將杯形活塞的開口端頂靠制動塊的背板?；钊设T鋁合金制造。為了提高其耐磨損性能，活塞的工作表面進(jìn)行鍍鉻處理。當(dāng)制動鉗體由鋁合金制造時(shí)，減少傳給制動液的熱量則成為必須解決的問題。為此，應(yīng)減小活塞與制動塊背板的接觸面積，有時(shí)也采用非金屬活塞。取活塞直徑 為 48mm。PD制動鉗在汽車上的安裝位置在車軸后方，位于車軸后可減小制動時(shí)輪轂軸承的合成載荷 。1(3) 制動塊制動塊由背板和摩擦襯片構(gòu)成，兩者直接牢固地壓嵌在一起，襯塊設(shè)計(jì)為長圓形的?；钊麘?yīng)能壓住盡量多的制動塊面積，以免襯塊發(fā)生卷角而引起尖叫聲。汽車摩擦襯塊的厚度取為 14mm，襯片工作半徑為 105mm。該盤式制動器裝有摩擦襯塊磨損到極限裝置的報(bào)警裝置（見圖 3） ，以便能及時(shí)更換摩擦襯塊。摩擦襯塊工作面積 。推薦根據(jù)制動摩擦襯塊單位面積占有的汽車質(zhì)量在A1.6kg/cm 3.5kg/cm 范圍內(nèi)選取。22吳?。恨I車盤式制動器設(shè)計(jì)及優(yōu)化6根據(jù)要求計(jì)算摩擦襯塊面積取值范圍： cm ； cm ；14.96.4382