FSAE方程式賽車制動系統(tǒng)_設(shè)計畢業(yè)設(shè)計說明書.doc

鹽城工學院2013屆學本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 畢業(yè)設(shè)計說明書fsae方程式賽車制動系統(tǒng)設(shè)計專 業(yè) 汽車服務(wù)工程 學生姓名 班 級 b汽車09 學 號 091010 指導(dǎo)教師 完成日期 2013年6月10日 47fsae方程式賽車制動系統(tǒng)設(shè)計摘 要: formula sae學生賽車比賽是由美國車輛工程師學會于1979年創(chuàng)立， 2011年在中國舉辦第一屆中國大學生方程式賽車，本次設(shè)計將依照大賽賽規(guī)進行設(shè)計。本說明書介紹了大學生方程式賽車制動的設(shè)計，首先簡述了fsae賽事，汽車制動系的設(shè)計意義、國內(nèi)現(xiàn)在對fsae制動的研究現(xiàn)狀以及本次設(shè)計的目標。然后對制動系統(tǒng)進行方案選擇，主要包括制動器油路的布置，制動方式的選擇，然后通過賽車本身的一些參數(shù)對制動系統(tǒng)進行初步的計算設(shè)計。在得出初步的制動參數(shù)后進行制動器材的選擇，再結(jié)合實際制動部件的詳細參數(shù)對制動系統(tǒng)進行驗證，同時，利用這些數(shù)據(jù)在proe中建立模型，最后將模型導(dǎo)入ansys中，對其施加載荷，模擬實際工作時受力情況，找出受力點，結(jié)合軟件最終設(shè)計出符合比賽要的制動系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：fsae ；制動；ansysdesign of braking system for fsae carabstract: formula sae race was founded in 1979 by the american cars institute of engineers. in 2011 , china held the first formula one for chinese college students, the design would be for design of the provisions of the chinese calendar. this paper will introduce the fsae events, the design of automobile brake system, the research status of fsae brake and the aim of design. then we will choose the scheme of brake system, mainly including layout of brake circuit, braking mode ,and then by the basic dates of car, i started to make the general design of the braking system. by caculting,i got some dates,then i would select the right components through these dates .after that i established the model in proe. at last putting the model in ansys ,i used the software to analyse the force condition. above all, the aim of designing the right braking system meeting the rules of fsae would come true. keywords :fsae; braking; ansys目錄1緒論11.1 fsae賽事介紹11.2制動系統(tǒng)的研究意義21.3 fsae制動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀21.4本次制動系統(tǒng)的預(yù)期目標21.5大學生方程式賽車制動系統(tǒng)規(guī)則和要求31.5.1制動系統(tǒng)概況31.5.2制動測試31.5.3制動踏板超行程開關(guān)31.5.4制動燈41.6本次制動系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)42 制動系統(tǒng)的方案分析與選擇42.1制動器形式方案分析42.1.1 鼓式制動器42.1.2盤式制動器92.2 制動驅(qū)動機構(gòu)的形式選擇102.2.1簡單制動系統(tǒng)102.2.2動力制動系統(tǒng)112.2.3 伺服制動系統(tǒng)122.3 制動管路的布置方案選擇122.4液壓制動主缸的選擇143制動過程力學理論研究153.1車輪上所受制動力153.2制動距離與制動減速度173.3制動強度，利用附著系數(shù)與同步附著系數(shù)183.3.1制動強度183.3.2利用附著系數(shù)193.3.3同步附著系數(shù)203.4理想制動力分配214制動系統(tǒng)的初步設(shè)計與計算224.1預(yù)計算224.1.1法向反力計算224.1.2制動力矩預(yù)計算244.1.3制動卡鉗活塞直徑預(yù)計算244.1.4 制動卡鉗的選擇254.1.5 制動主缸的確定264.2 其它制動部件的選擇274.2.1制動盤274.2.2制動管路284.2.3制動儲液罐294.2.4制動燈開關(guān)和超行程開關(guān)304.2.5制動踏板的設(shè)計304.3 制動總體布置圖315 制動設(shè)計優(yōu)化325.1制動力分配比優(yōu)化325.2制動設(shè)計檢驗345.3優(yōu)化函數(shù)圖分析356制動有限元分析376.1有限元簡介376.2制動系統(tǒng)ansys分析396.3分析與改進43主要參考文獻45致謝46fsae大學生方程式賽車制動系統(tǒng)設(shè)計1緒論1.1 fsae賽事介紹 formula sae，是由各國sae，即汽車工程師協(xié)會舉辦的面向在讀或畢業(yè)7個月以內(nèi)的本科生或研究生舉辦的一項學生方程式賽車比賽，要求在一年的時間內(nèi)制造出一輛在加速、剎車、操控性方面有優(yōu)異的表現(xiàn)并且足夠穩(wěn)定耐久，能夠成功完成規(guī)則中列舉的所有項目業(yè)余休閑賽車。自1981年創(chuàng)辦以來，fsae已發(fā)展成為每年由7個國家舉辦的9場賽事所組成，并有數(shù)百支來自全球頂級高校的車隊參與的青年工程師盛會。 中國大學生方程式汽車大賽是中國汽車工程學會及其合作會員單位，在學習和總結(jié)美、日、德等國家相關(guān)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國國情，精心打造的一項全新賽事。fsae活動由各高等院校汽車工程或與汽車相關(guān)專業(yè)的在校學生組隊參加。fsae要求各參賽隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，自行設(shè)計和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車，并攜該車參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。比賽過程中，參賽隊不僅要闡述設(shè)計理念，還要由評審裁判對該車進行若干項性能測試項目。在比賽過程中，參賽隊員能充分將所學的理論知識運用于實踐中。同時，還學習到組織管理、市場營銷、物流運輸、汽車運動等多方面知識，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團隊合作精神，成為符合社會需求的全面人才。毫無疑問，對于對汽車的了解僅限于書本和個人駕乘體驗的大學生而言，組成一個團隊設(shè)計一輛純粹而高性能的賽車并將它制造出來，是一段極具挑戰(zhàn)，同時也受益頗豐的過程。在天馬行空的幻想、大腦一片空白的開始、興奮的初步設(shè)計、激烈的爭執(zhí)、毫無方向的采購和加工、無可奈何的妥協(xié)、令人抓狂的一次次返工、絞盡腦汁的解決難題之后，參與者能獲得的不僅僅是catia ，ug ，ansys以及焊接、定位、機加工技能,更有汽車工程師的基本素養(yǎng)和豐富實踐經(jīng)驗。 與此同時，管理和運營整個團隊讓未來的企業(yè)管理者接受了一次難度十足的鍛煉。fsae賽事也給了汽車廠商發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀人才和創(chuàng)意想法的機會。1.2制動系統(tǒng)的研究意義汽車是現(xiàn)代交通工具中用得最多、最普遍、也是運用得最方便的交通工具。汽車制動系統(tǒng)是汽車底盤上的一個重要系統(tǒng)，它是制約汽車運動的裝置，而制動器又是制動系統(tǒng)中直接作用制約汽車運動的一個關(guān)鍵裝置，是汽車上最重要的安全部件。汽車的制動性能直接影響汽車的行駛安全性。隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和車流密度的日益增大，人們對汽車的安全性、可靠性的要求越來越高，而制動系系統(tǒng)優(yōu)劣很大程度上決定了車輛行駛的安全性，因此為汽車配備一套十分可靠的制動系統(tǒng)保證人們的安全是每個車輛設(shè)計者宗旨。本次畢業(yè)設(shè)計題目為大學生方程式賽車制動系統(tǒng)設(shè)計，以設(shè)計出滿足組委會要求并且利于提升賽車性能為目的。1.3 fsae制動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀賽車制動時，由于車輛受到與行駛方向相反的外力，所以才導(dǎo)致汽車的速度逐步減小到0，對這一過程中車輛受力情況的分析有助于制動系統(tǒng)的分析和設(shè)計，因此制動過程受力情況分析是車輛試驗和設(shè)計的基礎(chǔ)，由于這一過程較為復(fù)雜，因此一般在實際中只能建立簡化模型分析通過ansys等有限元軟件來模擬實際受力情況。通常對車輛制動系統(tǒng)進行分析和評價的指標為：1）制動效能：即制動距離與制動減速度；2）制動效能的恒定性：即熱衰退性；3）制動時汽車方向的穩(wěn)定性。 由于，制動的實際情況收很多因素的影響，雖然國內(nèi)車隊在設(shè)計時都進行了大量的理論就算和模型分析，但由于國內(nèi)fsae起步晚，而國外專業(yè)生產(chǎn)啟動部件技術(shù)相對成熟，雖然是學生賽車，但其速度也具有一定的危險性，因此出于安全及性能考慮，國內(nèi)車隊大多向國外購買制動部件，主要向wilwood ，apracing兩家制動車廠商購買，這兩家廠商的制動器，在各方面性能都很不錯，其熱衰退性更是表現(xiàn)突出。 1.4本次制動系統(tǒng)的預(yù)期目標1)具有良好的制動效能，制動響應(yīng)靈敏，在預(yù)期的距離實現(xiàn)賽車的制動；2）具有良好的制動效能穩(wěn)定性，避免制動時出現(xiàn)跑偏 ；3）制動時汽車操縱穩(wěn)定性好，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時賽車制動依舊靈敏，并且不影響轉(zhuǎn)向機構(gòu)；4)制動效能熱穩(wěn)性好，盡量降低溫度度制動效能的影響。1.5大學生方程式賽車制動系統(tǒng)規(guī)則和要求1.5.1制動系統(tǒng)概況 賽車必須配備有剎車系統(tǒng)。并且直接作用于所有四個車輪上，而且只被一個控制器控制。1）它必須有兩套獨立的液壓回路，以防系統(tǒng)泄漏或失效時，至少在兩輪上還保持有有效的制動力。每個液壓回路必須有其專屬的儲液罐（可用獨立儲液罐或用原廠的儲液罐）。2）單個剎車作用時，有限的滑移差是可以接受的。3）剎車系統(tǒng)必須在以下的測試中，能夠抱死所有四個輪。4）禁止使用線控制動。5）禁止使用沒有保護的塑料制動管路6）剎車系統(tǒng)必須裝有碎片護罩，以防傳動系失效或小碰撞（引起的碎片破壞制動系統(tǒng)）。7）從側(cè)面看，安裝在賽車簧上（簧上質(zhì)量：指懸架支撐的質(zhì)量）部分上的剎車系統(tǒng)的任何部分都不可以伸到車架或者承載式車身的下表面以下。8）制動踏板必須設(shè)計能承受2000n 的力而不損壞制動系統(tǒng)和踏板機構(gòu)。通過賽會任何官員在正常坐姿下施加在踏板上的最大踩踏力檢測。9）制動踏板必須由鋁合金，鋼或者鈦加工而成。1.5.2制動測試 賽車的制動系統(tǒng)將被進行動態(tài)測試，測試時，賽車將首先在制動檢查官規(guī)定的直道上加速，在直道末端，賽車必須制動至靜止，并要求四輪抱死且不跑偏。1.5.3制動踏板超行程開關(guān) 1）賽車必須裝有制動踏板超行程開關(guān)。當制動系統(tǒng)失效時引起制動踏板的行程超出正常范圍時，該開關(guān)必須能夠使發(fā)動機熄火。該開關(guān)必須能夠切斷點火系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的電源。2）重復(fù)的作用該開關(guān)不能恢復(fù)上述系統(tǒng)的電源。并且該開關(guān)不能被車手重置。3）該開關(guān)必須為模擬電路元器件，不能通過可編程邏輯控制器、ecu，或有相似功能的數(shù)字控制器來替代。1.5.4制動燈 1）制動燈必須為紅色，至少15 瓦（或等同于15 瓦），且從后方清晰可見。如果使用了led（發(fā)光二極管）制動燈，則必須在非常強的日光下也清晰可見。2) 制動燈的安裝高度必須在車輪中心線和車手肩膀高度之間，且接近賽車中心線。1.6本次制動系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)（1） 制動系統(tǒng)方案的分析與選擇。（2） 制動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的選擇與理論計算。（3） 制動各部件部件的選取與計算。（4） 制動各項效能的分析（5） 制動系統(tǒng)零部件有限元分析。2 制動系統(tǒng)的方案分析與選擇 2.1制動器形式方案分析 汽車制動器幾乎均為機械摩擦式，即利用旋轉(zhuǎn)元件和固定元件兩工作表面間的摩擦產(chǎn)生的制動力矩使汽車減速或停車。一般摩擦式制動器按旋轉(zhuǎn)元件的形狀分為鼓式和盤式兩大類。2.1.1 鼓式制動器 鼓式制動器是最早形式汽車制動器，當盤式制動器還沒有出現(xiàn)前，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類汽車上。鼓式制動器分為內(nèi)張型鼓式制動器和外束型鼓式制動器兩種結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)張型鼓式制動器的摩擦元件是一對帶有 圓弧形摩擦蹄片的制動蹄，后者則安裝在制動底板上，而制動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鼓。車輪制動器的制動鼓均固定在輪轂上。制動時，利用制動鼓的圓柱內(nèi)表面與制動蹄摩擦蹄片的外表面作為一對摩擦表面在制動鼓上產(chǎn)生摩擦力矩，故又稱為蹄式制動器。外束型鼓式制動器的固定摩擦元件是帶有摩擦片且剛度較小的制動帶，其旋轉(zhuǎn)摩擦元件為制動鼓，并利用制動鼓的外圓柱表面與制動帶摩擦片的內(nèi)圓弧作為一對摩擦表面，產(chǎn)生摩擦力矩作用于制動鼓，故又稱為帶式制動器。在汽車制動系中，帶式制動器曾僅用作一些汽車的中央制動器，通常所說的鼓式制動器就是指這種內(nèi)張型鼓式結(jié)構(gòu)，鼓式制動器按蹄的類型分為1) 領(lǐng)從蹄式制動器如圖2-1所示，若圖上方的旋向箭頭代表汽車前進時制動鼓的旋轉(zhuǎn)方向（制動鼓正向旋轉(zhuǎn)），則蹄1為領(lǐng)蹄，蹄2為從蹄。汽車倒車時制動鼓的旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)榉聪蛐D(zhuǎn)，則相應(yīng)得使領(lǐng)蹄與從蹄也就相互對調(diào)了。這種當制動鼓正、反反向旋轉(zhuǎn)時總具有一個領(lǐng)蹄和一個從蹄的內(nèi)張型鼓式制動器稱為領(lǐng)從蹄使制動器。領(lǐng)蹄所受的摩擦力使蹄壓得更緊，即摩擦力矩具有增勢作用，故又稱為增勢蹄；而從蹄所受的摩擦力使蹄有離開制動鼓的趨勢，即摩擦力矩具有減勢作用，故又稱為減勢蹄。增勢作用使領(lǐng)蹄所受的法向反力增大，而減勢作用使從蹄所受的法向反力減小。領(lǐng)從蹄式制動器的效能及穩(wěn)定性均處于中等水平，但由于其在汽車前進與倒車時的制動性能不變，且結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，也便于駐車制動機構(gòu)，故這種結(jié)構(gòu)仍廣泛用于中、重型載貨汽車的前、后輪制動器及轎車的后輪制動器。圖2-1 領(lǐng)從蹄式制動器2) 雙領(lǐng)蹄式制動器若在汽車前進時兩制動蹄均為領(lǐng)蹄的制動器，則稱為雙領(lǐng)蹄使制動器（如圖2-2所示）。顯然，當汽車倒車時這種制動器的兩制動蹄又都變?yōu)閺奶愎仕挚煞Q為雙向領(lǐng)蹄式制動器。如圖所示，兩制動蹄各用一個單活塞制動輪缸推動，兩套制動蹄、制動輪缸等機件在制動底板上是以制動底板中心作對稱布置的，因此，兩蹄對制動鼓的作用的合力恰好相互平衡，故屬于平面式制動器。雙領(lǐng)蹄式制動器有高的正向制動效能，但倒車時則變?yōu)殡p從蹄式，使制動效能大降，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于中級轎車的前輪制動器，這是因為這類汽車前進制動時，前軸的動軸荷及附著力大于后軸，而倒車時則相反。圖2-2 雙領(lǐng)從蹄式制動器3) 雙向雙領(lǐng)蹄式制動器 當制動鼓正向和反向旋轉(zhuǎn)時，兩制動助均為領(lǐng)蹄的制動器則稱為雙向雙領(lǐng)蹄式制動器（如圖2-3所示）。它也屬于平衡式制動器。由于雙向雙領(lǐng)蹄式制動器在汽車前進及倒車時的制動性能不變，因此廣泛應(yīng)用于中、輕型載貨汽車和部分轎車的前后輪，但用作后輪制動器時，則需另設(shè)中央制動用于駐車制動。圖2-3 雙向雙領(lǐng)蹄式制動器 4) 單向增力式制動器單向增力式制動器如圖2-4所示兩蹄下端以頂桿相連接，第二制動蹄支承在其上端制動地板上的支承銷上，由于制動時兩蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居于一種非平衡式的制動器。單向增力式制動器在汽車前進制動時的制動效能很高，且高于前述的各種制動器，但在倒車制動時，其制動效能卻是最低的。因此，它用于少數(shù)輕、中型貨車和轎車上作為前輪制動器。圖2-4 單向增力式制動器5）雙向增力式制動器將單向增力式制動器的單活塞式制動輪缸換用雙活塞式制動輪缸，其上端的支承銷也作為兩蹄共用的，則稱為雙向增力式制動器(如圖2-5所示)。對雙向增力式制動器來說不論汽車前進制動或倒退制動，該制動器均為增力式制動器。雙向增力式制動器在大型高速轎車上用的較多，而且常常將其作為行車制動與駐車制動功用的制動器，但行車制動是由液壓經(jīng)制動輪缸產(chǎn)生制動蹄的張開力進行制動，而駐車制動則是用制動操縱手柄通過鋼索拉繩及杠桿等機械操縱系統(tǒng)進行操縱。雙向增力式制動器也廣泛用于汽車的中央制動器，因為駐車制動要求制動器正向、反向的制動效能都很高，而且駐車制動若不用于應(yīng)急制動時也不會產(chǎn)生高溫，故其熱衰退問題并不突出。但由于結(jié)構(gòu)問題使它在制動過程中散熱和排水性能差，容易導(dǎo)致制動效率下降。因此，在轎車領(lǐng)域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動器。但由于成本低，仍然在一些經(jīng)濟型車中使用，主要用于制動負荷比較小的后輪和駐車制動。圖2-5 雙向增力式制動器2.1.2盤式制動器盤式制動器按摩擦副中定位原件的結(jié)構(gòu)不同可分為鉗盤式和全盤式兩大類。1）鉗盤式鉗盤式制動器按制動鉗的結(jié)構(gòu)形式不同可分為定鉗盤式制動器、浮鉗盤式制動器等。定鉗盤式制動器：這種制動器中的制動鉗固定不動，制動盤與車輪相連并在制動鉗體開口槽中旋轉(zhuǎn)。具有以下優(yōu)點：除活塞和制動塊外無其他滑動件，易于保證制動鉗的剛度；結(jié)構(gòu)及制造工藝與一般鼓式制動器相差不多，容易實現(xiàn)鼓式制動器到盤式制動器的改革，能很好地適應(yīng)多回路制動系的要求。浮鉗盤式制動器：這種制動器具有以下優(yōu)點：僅在盤得內(nèi)側(cè)具有液壓缸，故軸向尺寸小，制動器能進一步靠近輪轂；沒有跨越制動盤的油道或油管，液壓缸冷卻條件好，所以制動液汽化的可能性??；成本低；浮動盤的制動塊可兼用駐車制動。2）全盤式在全盤制動器中，摩擦副的旋轉(zhuǎn)元件及固定元件均為圓盤形，制動時各盤摩擦表面全部接觸，其作用原理與摩擦式離合器相同。由于這種制動器散熱條件較差，其應(yīng)用遠遠沒有鉗盤式制動器廣泛。盤式制動器與鼓式制動器相比，有以下優(yōu)點：1）制動效能穩(wěn)定性好；2）制動力矩與汽車運動方向無關(guān)；3）易于構(gòu)成雙回路，有較高的可靠性和安全性； 4）尺寸小、質(zhì)量小、散熱好；5）制動襯塊上壓力均勻，襯塊磨損均勻；6）更換襯塊工作簡單容易。7）襯塊與制動盤間的間隙小，縮短了制動協(xié)調(diào)時間。8）易于實現(xiàn)間隙自動調(diào)整。綜合以上優(yōu)缺點最終確定本次設(shè)計采用前后盤式制動器，且均為浮鉗盤式制動器。2.2 制動驅(qū)動機構(gòu)的形式選擇根據(jù)動力源的不同，制動驅(qū)動機構(gòu)可分為簡單制動、動力制動及伺服制動三大類型。2.2.1簡單制動系統(tǒng) 簡單制動系即人力制動系，是靠四級作用于制動踏板上或手柄上的力作為制動力源。而傳力方式有機械式和液壓式兩種。機械式的靠桿系或鋼絲繩傳力，其結(jié)構(gòu)簡單，造假低廉，工作可靠，但機械效率低，因此僅用于中、小型汽車的駐車制動裝置中。液壓式的簡單制動系統(tǒng)通常稱為液壓制動系，用于行車制動裝置。其優(yōu)點是作用滯后時間短（0.1-0.3s),工作壓力大（可達10mpa-12mpa),缸徑尺寸小，可布置在制動器內(nèi)部作為制動蹄的張開機構(gòu)或制動塊的壓緊機構(gòu)，使之結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、質(zhì)量小、造價低。但其有限的力傳動比限制了它在汽車上的適用范圍。另外，液壓管路在過渡受熱時會形成氣泡而影響傳輸，即產(chǎn)生所謂“氣阻”使制動效能降低甚至失效；而當氣溫過低時（-25攝氏度和更低時），由于制動液的粘度增大，使工作的可靠性降低，以及當有局部損壞時，使整個系統(tǒng)都不能繼續(xù)工作，液壓式簡單制動系曾廣泛用于轎車、輕型及以下的貨車和部分中型貨車上。但由于操作較沉重，不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車提高操作輕便性的要求，故當前僅多用于微型汽車上，在轎車和輕型汽車已經(jīng)極少采用。2.2.2動力制動系統(tǒng) 動力制動系是以發(fā)動機動力形成的氣壓或液壓勢能作為汽車制動的全部力源進行制動，司機作用于制動踏板或手柄上的力僅用于對制動回路中控制元件的操縱。在簡單制動系中的踏板力與其行程間的發(fā)比例關(guān)系在動力制動系中便不復(fù)存在。動力制動系有氣壓制動系、氣頂液式制動系和全液壓動力制動系3種。1)氣壓制動系 氣壓制動系是動力制動系最常見的型式，由于可獲得較大的制動驅(qū)動力，且主車與被拖的掛車以及汽車列車之間制動驅(qū)動系統(tǒng)的連接裝置結(jié)構(gòu)簡單、連接和斷開均很方便，因此被廣用于總質(zhì)量為8t以上尤其是15t以上的載貨汽車、越野汽車和客車上，但氣壓制動系必須采用空氣壓縮機、儲氣筒、制動閥等裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、輪廓尺寸大、造價高；管路中氣壓的產(chǎn)生和撤除均較慢，作用滯后時間較長（0.3s-0.9s),因此，當制動閥到制動氣室和儲氣罐的距離較遠時，有必要加設(shè)啟動的第二控制元件-繼動閥（即加速閥）以及快放閥；管路工作壓力較低（一半為0.5mpa-0.9mpa)。因而制動器室的直徑達，只能置于制動器之外，在通過桿件及凸輪或鍥塊驅(qū)動制動蹄，使非簧載質(zhì)量增大；另外制動氣室排氣時也有較大噪聲。2)氣頂液式制動系氣頂液式制動系是動力制動系的另一種型式，即利用氣壓系統(tǒng)作為普通的液壓制動系統(tǒng)主缸的驅(qū)動力源的一種制動驅(qū)動機構(gòu)，它兼有液壓制動和氣壓制動的主要優(yōu)點。由于其氣壓系統(tǒng)的管路短，故作用滯后時間也較短。顯然，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、造價高，故主要用于重型汽車上，一部分總質(zhì)量為9t-11t的中型汽車上也有所采用。3)全液壓動力制動系全液壓動力制動系除具有一般液壓制動系統(tǒng)的優(yōu)點外，還具有操作輕便、制動反應(yīng)快、制動能力強、受氣阻影響較小、易于采用制動力調(diào)節(jié)裝置和防滑移裝置，及可與動力轉(zhuǎn)向、液壓懸架、舉升機構(gòu)及其他輔助設(shè)備共同液壓泵和儲油等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密件多，對系統(tǒng)的密封性要求也較高，故并未得到廣泛應(yīng)用，目前僅用于某些高級轎車、大型客車以及極少數(shù)的重礦用自卸汽車上。2.2.3 伺服制動系統(tǒng) 伺服制動系是在人力液壓制動系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套除其他能源提供的助力裝置，使人力與動力可兼用，即兼用人力和發(fā)動機動力作為制動能源的制動系，在正常情況下，其輸出工作壓力主要由動力伺服系統(tǒng)產(chǎn)生，而在動力伺服系統(tǒng)失效時，仍可全由人力驅(qū)動液壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的制動力。因此，在中級以上的轎車及輕、中型客、貨汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。按伺服系統(tǒng)能源的不同，又有真空伺服制動系、氣壓伺服制動系和液壓伺服制動系之分，其伺服能源分別為真空能（負氣壓能）、氣壓能和液壓能。 考慮到fsae賽車在體積和質(zhì)量上都相對較小，采用簡單的液壓制動在性能上都能達到賽規(guī)的要求，最后確定本次設(shè)計采用簡單液壓制動。2.3 制動管路的布置方案選擇 圖2-6 常見制動管路布置圖雙軸汽車的雙回路制動系統(tǒng)有常見的幾種分路形式，如圖2-61)圖2-6 a稱為ii型，這種回路前后分開，其特點是管路布置最為簡單，可與傳統(tǒng)的單輪缸(或單制動氣室)鼓式制動器相配合，成本較低。這種分路布置方案在各類汽車上均有采用，但在貨車上用得最廣泛。這一分路方案總后輪制動管路失效，則一旦前輪制動抱死就會失去轉(zhuǎn)彎制動能力。對于前輪驅(qū)動的轎車，當前輪管路失效而僅由后輪制動時，制動效能將明顯降低并小于正常情況下的一半，另外，由于后橋負荷小于前軸，則過大的踏板力會使后輪抱死而導(dǎo)致汽車甩尾。2）圖2-6 b稱為x型，交叉式，這種布置后輪制動管路呈對角連接的兩個獨立的回路系統(tǒng)，即前軸的一側(cè)車輪制動器與后橋的對側(cè)車輪制動器同屬于一個回路。其特點是結(jié)構(gòu)也很簡單，一回路失效時仍能保持50的制動效能，并且制動力的分配系數(shù)和同步附著系數(shù)沒有變化，保證了制動時與整車負荷的適應(yīng)性。此時前、后各有一側(cè)車輪有制動作用，使制動力不對稱，導(dǎo)致前輪將朝制動起作用車輪的一側(cè)繞主銷轉(zhuǎn)動，使汽車失去方向穩(wěn)定性。因此，采用這種布置方案的汽車，其主銷偏移距應(yīng)取負值(至20 mm)，這樣，不平衡的制動力使車輪反向轉(zhuǎn)動，改善了汽車的方向穩(wěn)定性。3）圖2-6 c為hi型，其左、右前輪制動器的半數(shù)輪缸與全部后輪制動器輪缸構(gòu)成一個獨立的回路，而兩前輪制動器的另半數(shù)輪缸構(gòu)成另一回路，可看成是一軸半對半個軸的分路型式4）圖2-6 d為ll型，由兩個獨立的問路分別為兩側(cè)前輪制動器的半數(shù)輪缸和一個后輪制動器所組成。5）圖2-6 e為hh型，由兩個獨立的回路均由每個前、后制動器的半數(shù)缸所組成，即前、后半個軸對前、后半個軸的分路型式，由于hi ,ll，hh型的機構(gòu)比較復(fù)雜，ll型與hh型在任一回路失效時，前、后制動力的比值均與正常情況下相同，且剩余的總制動力可達到正常值的50左占。hl型單用回路，即一軸半時剩余制動力較大，但此時與ll型一樣，在緊急制動時后輪極易先抱死。綜合上述管路布置特點，結(jié)合fsae賽車本身在體積和質(zhì)量以及實際操作性最終選擇x型回路布置。2.4液壓制動主缸的選擇制動主缸主要分為單缸和串聯(lián)雙缸，如下圖2-7，2-8結(jié)合賽規(guī)要求必須使用兩個制動主缸，若使用單缸制動主缸，則相對的一組輪公用一條主管路：若使用串聯(lián)雙缸則可以一個輪對應(yīng)一條管路，顯然制動性能上串聯(lián)雙缸要比單缸有優(yōu)勢，但雙缸的管路較多，而且體積也相對大，fsae賽車本身前部空間小，布置比較緊湊，因此國內(nèi)外的車隊一至選擇單缸制動主缸，主要購買的是wilwood等廠家的產(chǎn)品，其體積和性能要求都很滿足賽車要求。圖2-7單缸制動主缸 圖2-8串聯(lián)雙缸制動主缸3制動過程力學理論研究 3.1車輪上所受制動力 如圖3-1所示在良好的硬路面上制動時車輪的受力情況 圖3-1 制動車輪受力分析當駕駛員踩下制動踏板時，踏板上的力通過傳動機構(gòu)到各車輪的制動卡鉗，使得卡鉗內(nèi)活塞推動摩擦墊片，形成摩擦力矩阻止車輪的轉(zhuǎn)動，稱這種作用在車輪上的摩擦力矩為制動器制動力矩，由于車輪與路面間有附著作用，車輪對路面間有附著作用，車輪對路面作用一個向前的圓周力，稱為制動器制動力其大小為公式（3-1） = (3-1)式中 ：制動器制動力矩； r：車輪半徑由上式可知，制動器的制動力取決于卡鉗與制動盤的間的摩擦力。同時路面對車輪作用一個向后的作用了,稱為地面制動力，這個力由車輪經(jīng)過車軸和懸架傳達到車架和車身，迫使整個汽車產(chǎn)生一定的減速度地面制動力越大，制動減速度越大，制動距離就越短。如忽略滾動阻力矩和減速時的慣性，則地面制動力與制動力矩應(yīng)有以下關(guān)系,如公式（3-2） = （3-2）地面制動力取決于兩個摩擦副的摩擦力，一個是卡鉗和制動盤的摩擦力，一個是地面和輪胎間的摩擦力。 制動器的制動力與踏板力成正比，但地面制動力受車輪與地面之間的附著力的限制，如圖3-2所示，為制動器制動力，地面制動力以及踏板力三者之間的關(guān)系 圖3-2 地面制動力，制動器制動力與附著力關(guān)系當踏板力在0之間是， 有 = ，制動器制動力等于地面制動力。當大于踏板力時，制動器制動力隨踏板力成成正比例繼續(xù)增長，而地面制動力由于受地面附著力限制不再增長，固有公式（3-3）關(guān)系 = （3-3） 即可得到最大的地面制動力為 = （3-4）式中，為作用在輪胎上的地面垂直反作用力之和 為附著系數(shù)此時，車輪即抱死不轉(zhuǎn)。出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象3.2制動距離與制動減速度制動距離是與行駛安全直接有關(guān)的一項制動效能指標，制動減速度是反映地面制動力的大小，是決定制動距離的一項重要因素。通常制動距離是駕駛員開始踩踏板到完全停車的距離。圖3-3為汽車減速度a，行駛速度v，和行駛距離s的時間歷程。a為經(jīng)過簡化后的制動減速度曲線，對這一加速度求其時間的積分，即可得到圖b速度時間歷程圖，再積分得到圖c制動過程所走的路程圖。制動時間格為、，由四段路程組成、 圖3-3 制動減速度，制動速度，距離與時間關(guān)系是駕駛員接到制動停車信號后的反應(yīng)時間，一般需要0.4s1.5s，這與駕駛員反應(yīng)快慢和不同處境有關(guān)，這段時間內(nèi)汽車仍以原來的初速度行駛。實在反應(yīng)時間后從加速踏板移動到制動踏板所需要的換位時間，以及消除制動裝置間隙和克服彈簧變形所需的結(jié)合時間，然后才開始制動壓力的增長。這些時間的總和為,取0.20.45s，這段時間內(nèi)，將腳從加速踏板移開后，由發(fā)動機阻力矩和汽車行駛阻力，將會出現(xiàn)一定的減速度為制動器起作用時間，隨著駕駛員踩踏板的動作，踏板力迅速增大，制動力也隨之增大到最大。制動器增力時間大約為0.2s。減速度增大到，速度減到。為制動持續(xù)時間，此時減速度保持，速度由減到零。駕駛員松開踏板，但制動力消除還需要一段時間。從以上分析可見，制動距離是停車距離中的一部分 制動距離： （3-5） 停車距離： （3-6） = 通常，發(fā)動機阻力矩引起的減速度和式中最后三項可忽略不計，簡化后的 停車距離為式（3-7） （3-7）3.3制動強度，利用附著系數(shù)與同步附著系數(shù)3.3.1制動強度 汽車制動過程中所產(chǎn)生的制動減速度，可表示為式（3-8） = （3-8） 其中z為制動強度，制動強度z可以評價制動減速度大小，是無量綱的值。 上面一提到地面制動力由于受到附著力限制，其最大值為式（3-9） （3-9） 所以最大制動強度 3.3.2利用附著系數(shù) 上式中路面提供的附著系數(shù)可稱為利用附著系數(shù)，利用附著系數(shù)就是汽車制動時路面提供的要利用的附著系數(shù) 汽車制動過程中，一般出現(xiàn)三種情況（1） 前輪先抱死拖滑。然后后輪抱死拖滑：z （2） 后輪先抱死拖滑，然后前輪抱死拖滑：z （3） 前后輪同時抱死拖滑：z = 從以上3種情況可知，制動強度總是小于等于利附著系數(shù)。，在（1），（2）情況中沒有充分利用地面提供的附著系數(shù)，所以制動強度小于小于附著系數(shù)，而在第三種情況中，充分利用了路面提供的附著系數(shù)，故制動強度等于利用附著系數(shù)。 顯然，制動強度越接近于利用附著系數(shù)，地面的附著條件發(fā)揮的越充分，汽車的制動力分配的合理程度越高。通常以利用附著系數(shù)與制動強度關(guān)系曲線來描述制動力分配的合理。如圖3-4 圖3-4 最理想的情況是利用附著系數(shù)總是等于制動強度這一關(guān)系，即圖中的對角線 利用附著系數(shù)可以分為為前后軸： 前軸的利用附著系數(shù)： （3-10） bf是前軸的地面制動力 wf，是前軸的動載荷 后軸同理3.3.3同步附著系數(shù) 同步附著系數(shù)是汽車制動時前后輪同時抱死是路面的附著系數(shù)，可用0表示，前后制動力為固定比值的汽車，只有一個或者兩個同步附著系數(shù)，但前后制動力變比值的汽車，至少有兩個以上的同步附著系數(shù)。對于前后制動力為固定比值的汽車來說，其同步附著系數(shù)取決于汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其表達式為式（3-11） （3-11） 式中，l為軸距 為制動力分配系數(shù)， fu1前輪制動力之和，fu前后制動器制動力之和 b質(zhì)心到后軸距離 h質(zhì)心高度3.4理想制動力分配 定義一下參數(shù)： wf,，wb制動時前后輪法向反作用力 wfj ，wbj靜止時前后輪法向作用力 w 汽車總重 l 軸距，la質(zhì)心距前軸的距離，lb質(zhì)心距后軸的距離 a 汽車減速度 br、bb 前，后地面制動力 h質(zhì)心高度 當汽車制動時，前后軸載荷為式（3-12），（3-13） （3-12） （3-13） 從這里可以得出制動時載荷的轉(zhuǎn)移量，式（3-14） （3-14） 從中可以看出，載荷偏移量是 車輛出現(xiàn)點頭的原因，要去除或者減輕這一現(xiàn)象在于質(zhì)心的布置以及軸距的設(shè)定，因此制動性能的優(yōu)劣一由汽車本身的總體布置決定。地面總制動力為式（3-15） （3-15）又結(jié)合附著條件 （3-16）故充分制動時 （3-17）所以當汽車在任何附著系數(shù)的路面上，前后輪同時抱死的條件是式（3-18） （3-18）代入計算可得式（3-19） （3-19）4制動系統(tǒng)的初步設(shè)計與計算4.1預(yù)計算根據(jù)已參數(shù)以及一些參考文獻中獲得的經(jīng)驗參數(shù)進行計算，獲得理論上的數(shù)據(jù)為零部件的選購提供依據(jù)。已知數(shù)據(jù)：（1）車輛滿載總重w = 3136n （2）車輛有效滾動半徑r = 240mm （3）軸距l(xiāng)=1600mm （4）質(zhì)心位置：質(zhì)心高h = 260mm,距前軸距離lf = 848mm，距后軸距離lb = 752mm4.1.1法向反力計算法向反力計算原理與相關(guān)公式； 當減速度為8m/s2 時，地面對前后軸的法向反力為式（4-1），（4-2） = 1881.6n （4-1） =1254.4n （4-2）其中，wf以一定的速度行駛無制動但考慮到空氣動力效應(yīng)時分配在前軸的重量 wb一一定速度行駛無制動，但考同樣考慮空氣動力效應(yīng)時分配在后軸上的重量 （a/g）減加速度以“g”為單位值，其大小可取從出于高速并具有下壓作用是的3g到冰面上行駛的0.1g，這取a/g的值為0.8，即制動減速度為8m/s2 假定賽車制動力分配系數(shù)，用式（3-22）計算 = =0.6 （4-3） 結(jié)合圖4-1與計算結(jié)果，可知當制動減速度在8m/s2時，前后軸的軸荷分配分別為60%，40% 圖4-1 前后軸載荷與制動強度關(guān)系4.1.2制動力矩預(yù)計算同步附著系數(shù)0的計算，同步附著系數(shù)的大小取決于汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其式為（4-1） 0 = =0.8 （4-1）制動器最大制動力矩 對選取較大0的賽車，應(yīng)從保證制動時的穩(wěn)定性出發(fā)，來確定各軸的最大制動力矩，計算如式 0r = 1881.60.80.24= 361.27 nm 0r = 240.8 nm （4-2） 其中為前軸最大制動力矩 為后軸最大制動力矩 q為制動強度，即a/g，這里取0.8 r為車輪有效滾動半 0為同步附著系數(shù)4.1.3制動卡鉗活塞直徑預(yù)計算 再公式（4-3）計算出單個制動卡鉗對制動盤的壓緊力nf = = 4105.34 n （4-3）nb = 2736.36 n其中tf為前后軸最大制動力矩 n單側(cè)制動塊對制動盤的壓緊力為制動塊與制動盤之間的摩擦因素，通常取0.350.40之間，這里取0.4 r為制動盤半徑，根據(jù)輪輞在尺寸，設(shè)計制動盤直徑為220mm根據(jù)單側(cè)制動塊對制動盤的壓緊力，計算制動卡鉗活塞直徑，如式（4-4） df 2 = 0.0289m = 32.2 mm （4-4） db 26.4 mm 其中，d為制動卡鉗活塞直徑 p為制動軟路所承受的壓力，通常不能超過10mpa12mpa，這里取5 mpa通過以上計算，可得出所選擇的制動卡鉗活塞直,即前制動卡鉗活塞直徑要大于32.2mm，后制動卡鉗直徑要大于26.4 mm。4.1.4 制動卡鉗的選擇 根據(jù)以上計算，選購了圖4-2的制動卡鉗，其活塞直徑為34 mm，內(nèi)部直徑為28mm 圖4-2 制動卡鉗 圖4-3 卡鉗摩擦片 4.1.5 制動主缸的確定 已知條件： （1）制動卡鉗為雙活塞，活塞內(nèi)部直徑為28mm （2）制動卡鉗與制動盤間隙一般取0.1mm0.3mm，這里取0.2mm (3) 制動主缸的行程s通常取5mm10mm，這里取5mm 制動時，卡鉗所需要的制動液體積v(d)，如式（4-4）v(d)= = 123.08 m3 （4-4）制動主缸一個行程所需要的體積v（d），式（4-5） v（d）= （4-5） 由于 v（d v(d) 計算得 d 11.2 mm 結(jié)合設(shè)計計算，我們選擇了圖4-4所示的制動主缸，其內(nèi)徑為18mm這種單缸制動主缸在性能上遠遠滿足賽車制動性能的要求 圖4-4 制動主缸4.2 其它制動部件的選擇 4.2.1制動盤 由于，賽車輪輞不同于汽車輪輞的尺寸，所以國內(nèi)市場找不到符合我們要求的制動盤，而向國外購買費用又較高，制動盤可以自行設(shè)計，結(jié)合輪輞直徑以及制動卡鉗的布置位置，最后定制動盤的直徑為220mm，厚度為4mm，對于制動盤來講，散熱問題是一個不得不考慮的問題，雖然盤式制動器由于本身散熱性能比較好，但為提高制動性，我們在制動盤上設(shè)計了散熱孔，如圖4-5所示 圖4-4 制動盤4.2.2制動管路 制動系統(tǒng)的管路主要分三類，制動軟管，制動銅管，以及連接儲液罐和制動主缸的橡膠軟管，這里主要對，制動銅管和制動軟管的要求比較高，制動銅管要能夠承受至少10mpa的液壓，制動軟管連接制動卡鉗和分流裝置，如圖4-5,4-6,4-7所示 圖4-5 橡膠軟管 圖4-6 制動銅管 圖4-7 制動軟管4.2.3制動儲液罐 對于制動儲液罐，起初的設(shè)計選取的是如圖4-8的相對較大的儲液罐，考慮要排空氣來測試制動系統(tǒng)安全性，但實際使用過程中，較大的制動液罐比較笨拙，也沒有必要裝很多的制動液，在賽車高速行駛