FASE大學(xué)生方程式制動系統(tǒng)設(shè)計說明

1、 畢業(yè)設(shè)計說明書FSAE方程式賽車制動系統(tǒng)設(shè)計43 / 50FSAE方程式賽車制動系統(tǒng)設(shè)計摘 要:Formula SAE學(xué)生賽車比賽是由美國車輛工程師學(xué)會于1979年創(chuàng)立， 2011年在中國舉辦第一屆中國大學(xué)生方程式賽車，本次設(shè)計將依照大賽賽規(guī)進(jìn)行設(shè)計。本說明書介紹了大學(xué)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、國現(xiàn)在對FSAE制動的研究現(xiàn)狀以與本次設(shè)計的目標(biāo)。然后對制動系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行初步的計算設(shè)計。在得出初步的制動參數(shù)后進(jìn)行制動器材的選擇，再結(jié)合實際制動部件的詳細(xì)參數(shù)對制動系統(tǒng)進(jìn)

2、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 student

3、s,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 circu

4、it, 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 sof

5、tware 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(biāo)21.5大學(xué)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)41.5.4制動燈41.

6、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52.1.2盤式制動器52.3 制動管路的布置方案選擇62.4液壓制動主缸的選擇83制動過程力學(xué)理論研究93.1車輪上所受制動力93.2制動距離與制動減速度113.3制動強度，利用附著系數(shù)與同步附著系數(shù)133.3.1制動強度133.3.2利用附著系數(shù)133.3.3同步附著系數(shù)143.4理想制動力分配144制動系統(tǒng)的初步設(shè)計與計算174.1預(yù)計算174.1.1法向反力計算174.1.2制動力矩預(yù)計算184.1.3制動卡鉗活塞直徑預(yù)計算194.1.4 制動卡鉗的選擇204.1.5 制動主缸的確定

7、214.2 其它制動部件的選擇224.2.1制動盤224.2.2制動管路224.2.3制動儲液罐234.2.4制動燈開關(guān)和超行程開關(guān)244.2.5制動踏板的設(shè)計254.3 制動總體布置圖265 制動設(shè)計優(yōu)化275.1制動力分配比優(yōu)化275.2制動設(shè)計檢驗295.3優(yōu)化函數(shù)圖分析306制動有限元分析336.1有限元簡介336.2制動系統(tǒng)ansys分析356.3分析與改進(jìn)39主要參考文獻(xiàn)40致411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個月以的本科生或研究生舉辦的一項學(xué)生方程式賽車比賽，要求在一年的時間制造出一輛在加速、剎車、操控

8、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，F(xiàn)SAE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(xué)生方程式汽車大賽是中國汽車工程學(xué)會與其合作會員單位，在學(xué)習(xí)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)，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

9、判對該車進(jìn)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(xué)的理論知識運用于實踐中。同時，還學(xué)習(xí)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(xué)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以與焊接、定位、

10、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

11、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(xué)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(jìn)行分析和評價的指標(biāo)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；

12、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，雖然國車隊在設(shè)計時都進(jìn)行了大量的理論就算和模型分析，但由于國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(xué)生賽車，但其速度也具有一定的危險性，因此出于安全與性能考慮，國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(biāo)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

13、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(xué)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。 FSAE賽規(guī)要求：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

14、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(jìn)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) FSAE大賽對超行程開關(guān)的要求： 1、賽車必須裝有制動踏板超行程開關(guān)。當(dāng)制動系統(tǒng)失效時

15、引起制動踏板的行程超出正常圍時，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、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、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 本次大賽對制動燈的要求如下： 1、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）

16、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(dāng)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。鼓式制動器分為型鼓式制動器和外束型鼓式制動器兩種結(jié)構(gòu)型式。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

17、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型鼓式結(jié)構(gòu)，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

18、）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)與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：僅在盤得側(cè)具有液壓缸，故軸向尺寸小，制動器能進(jìn)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)元件與

19、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一樣。由于這種制動器散熱條件較差，其應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。2.3 制動管路的布置方案選擇 圖2-1 常見制動管路布置圖雙軸汽車的雙回路制動系統(tǒng)

20、有常見的幾種分路形式，如圖2-61)圖2-1 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(dāng)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(fù)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2-1 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

21、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(fù)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(fù)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2-1 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2-1 d為LL型，由兩個獨立的問路分別為兩

22、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- 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一樣，且剩余的總制動力可達(dá)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)量以與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

23、，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，F(xiàn)SAE賽車本身前部空間小，布置比較緊湊，因此國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2-2單缸制動主缸圖2-3串聯(lián)雙缸制動主缸3制動過程力學(xué)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(dāng)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，使得卡鉗活塞推動摩擦墊片，形成摩擦力矩阻止車輪的

24、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(dá)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

25、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，地面制動力以與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(dāng)踏板力在0之間是， 有 = ，制動器制動力等于地面制動力。當(dāng)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

26、與行駛安全直接有關(guān)的一項制動效能指標(biāo)，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

27、，以與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，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

28、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

29、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。 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

30、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(dá)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，F(xiàn)u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(dāng)汽

31、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)心的布置以與軸距的設(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(dāng)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)以與一些參考文獻(xiàn)中獲得的經(jīng)驗參數(shù)進(jìn)行計算，

32、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(yuǎn) = 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(dāng)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）

33、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(dāng)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 = 1881.6

34、15;0.8×0.24= 361.27 N·m0R = 240.8 N·m （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)計算再由公式（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

35、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，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，活塞部直徑為28mm （

36、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，其徑為18mm這種單缸制動主缸在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)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，所以國市場找不到符合我們要求的制動盤

37、，而向國外購買費用又較高，制動盤可以自行設(shè)計，結(jié)合輪輞直徑以與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，以與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.

38、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，在賽車高速行駛時，其慣性較大，若固定不牢，則存在安全隱患，所以采用了圖4-9較小的儲液罐，但需要經(jīng)常檢查儲液情況，防止制動系統(tǒng)出問題。 圖4-8 制動儲液罐 圖4-9 制動儲液罐4.2.4制動燈開關(guān)和超行程開關(guān)根據(jù)賽規(guī)要求賽車在制動系統(tǒng)中必須具備兩大開關(guān)。首先，在賽車制動時必須讓后方車手清楚的看到前方制動的信號，一次，這個開關(guān)必須在車手一才下制動踏板就被觸發(fā)，而在而在平時則一直處于閉合狀態(tài)，由此在經(jīng)過研究后，選用了微動

39、開關(guān)，在功能上完全符合我們的要求。對于超行程開關(guān)，組委會的要，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，并且重復(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。圖4-10 微動開關(guān) 圖4-11 超行程開關(guān)4.2.5制動踏板的設(shè)計 由于FSAE賽車的特殊性，制動踏板必須自行設(shè)計，在結(jié)合賽車手坐姿，以與其踩踏的尺寸后，通過三維設(shè)計軟件，初步設(shè)計了踏板，其杠桿放大比為6,為了減輕重量踏板材料為7075高強度鋁合金，如圖4-12所示。圖4-12 制動踏板4.3 制動總體布置圖在結(jié)合以上的初步計算和選取材料后，在PROE中設(shè)計了制動的總體

40、布置，如圖4-13圖4-13 制動布置總圖5 制動設(shè)計優(yōu)化5.1制動力分配比優(yōu)化合適的制動力分配比對制動效果的影響是極其重要的。通常，車輛只有在四輪同時達(dá)到最大摩擦極限時才能達(dá)到最大制動減加速度；相反，不合適的制動力分配比將導(dǎo)致車輛因前（后）輪提前抱死而發(fā)生車輛側(cè)滑、轉(zhuǎn)向失效。制動力分配比同時受到車輛的重量分布和減加速度的制約。存在兩種調(diào)節(jié)制動力分配比的方式：第一種是適合于串聯(lián)雙活塞的主缸使用的比例閥，另一種是適合于兩個獨立主缸使用的平衡桿機構(gòu)。由于我們使用的兩個獨立主缸，所以我們制作了平衡桿機構(gòu)，以用于制動分配比的調(diào)節(jié)。然而，無論采取哪種方式，制動分配比的調(diào)節(jié)應(yīng)先從偏向于前輪先抱死的比例開始

41、。在駕駛員適應(yīng)前輪先抱死這種比例后，逐漸調(diào)節(jié)比例直到后輪抱死，記錄下這個比例，這個比例是最接近最佳制動分配比的值。 已知數(shù)據(jù)：（1）車輛滿載總重W = 320 kg（2）車輛有效滾動半徑 R = 240mm（3）制動盤有效半徑r = 110mm（4）主缸活塞直徑d = 18mm（5）制動卡鉗活塞直徑D = 34mm（6）軸距l(xiāng) = 1600mm（7）整車質(zhì)心高h(yuǎn) = 260mm, 距前軸的距離lf =848 mm，據(jù)后軸的距離lb = 752 mm 最佳制動分配通過以下步驟計算得出首先，需要估計出一個最大減加速度值以計算制動時車重在前后軸上的分配。對于既要在干路面又要在濕路面行走的車輛，這樣的

42、計算要進(jìn)行兩次以找到最佳制動力分配比的調(diào)節(jié)圍。下面是相關(guān)計算公式： 前軸質(zhì)量分配計算公式：= （5-1）其中，：以一定的減加速度（a/g）制動時分配在前軸上的重量：以一定速度行駛無制動但考慮空氣動力效應(yīng)時分配在前軸上的重量 ：車輛總重 （a/g）：減加速度，以g為單位值，其大小可從處于高速病具有空氣下壓作用是的3g到在冰面上行駛時的0.1g h：車輛相對于地面的質(zhì)心高 l：軸距后軸重量分配計算公式 （5-2） 其中：以一定的減速度（a/g）制動時分配在前軸上的重量 ：以一定的速度行駛無制動但考慮空氣動力效應(yīng)時分配在后軸上的重量從上面的公式可見，當(dāng)減加速度（當(dāng)(a / g)較小時）較低時，前后軸

43、重量分配幾乎與靜止時的分配比一樣。對于較高的減加速度，式中第二項成為決定因素，較低的質(zhì)心和較長的軸距可以直到減小這一項影響的作用。 其次，輪胎參數(shù)對制動摩擦因數(shù)有很大的影響。輪胎制動摩擦因數(shù)隨著載荷的增加而減小，正是由于這個原因，最大的更傾向于出現(xiàn)在后軸上（載荷較?。＜词骨昂筝喌脑O(shè)計都是一樣的，這種現(xiàn)象發(fā)生的存在的可能性也較大 一旦得到了正常行駛制動時的值，制動力F = Wbrake的×effective可以計算得到。直線行駛制動時左右輪的制動力分配應(yīng)該保證相等，以使每個輪子的制動力時整個軸上制動力的一半，要得到輪子上的制動力，用式(5-3)計算： (5-3)其中，P 制動管路壓力

44、 Fx 單個輪子水平方向的制動力 R/r 輪胎有效滾動半徑與制動盤有效作用半徑之比 Ac 制動卡鉗活塞總作用面積pad 制動塊摩擦因素要產(chǎn)生這壓力，要以一定的比例放大踏板力后作用在主缸的活塞上。假設(shè)系統(tǒng)是非助力的，主缸活塞面積已知，踏板力已知，用式（5-4）可用于計算單個主缸所需的放大比例。對于雙主缸系統(tǒng)，平衡桿的比例也應(yīng)加以考慮。 (5-4)其中，踏板放大比例，其值為6主缸活塞部面積踏板力，根據(jù)國家規(guī)定的要求不能大于500N結(jié)合第三章制動力理想分配條件： （5-5）代入計算，最后確定制動力分配比為，即前軸分配60%制動力，后軸分配40%的制動力5.2制動設(shè)計檢驗根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可得假設(shè)踏板的踩

45、踏力為最大的500N，則可計算出前后卡鉗的夾緊力，為前后卡鉗夾緊力 = 6422.2 N （5-6） = 4281.4 N 取卡鉗與制動盤的摩擦因素的較小值0.5，顯然卡鉗與制動盤的摩擦力大于地面的摩擦了，因而完全符合比賽要求的抱死條件，故制動系統(tǒng)設(shè)計合理。5.3優(yōu)化函數(shù)圖分析通過以上公式，通過變化踏板力，改變制動主缸的推進(jìn)行程，以與制動減速度，可得到一系列函數(shù)圖象，從而得出平衡桿的制動力分配。以上計算中，忽略了液壓系統(tǒng)的損失，事實上，這個損失所占比例很小，是可以忽略不計的 圖5-1 前后軸載荷分析圖 制動時減加速度增加，將導(dǎo)致前軸承載增加，大于后軸所承載的重量，這也是制動點頭的原因，如圖5-

46、2圖5-2 前后輪制動力隨制動強度變化的趨勢 圖5-3 前后輪制動力對比圖 結(jié)合圖5-3可知前后輪制動力在開始階段大小接近，隨著減加速度的逐漸增加，前輪制動力加速增大且大于后輪制動力許多；并且可以看到在圖5.3.1同樣的現(xiàn)象，后輪制動力會達(dá)到一個極值點后開始緩慢減小。圖5-4 制動力與制動強度變化關(guān)系 要產(chǎn)生足夠的制動力，需要設(shè)計合適放大比例的踏板總成，如圖5-4所示為踏板力與制動強度的變化關(guān)系?？梢?，踏板力隨著減加速度的增大面增大，但其大小不可超過500N ，這是常人的最大腳踏力的典型值，否則可能會造成“力不從心”的結(jié)果，甚至出現(xiàn)事故,因此，要經(jīng)過反復(fù)驗算并結(jié)合實際進(jìn)行設(shè)計，以滿足要求.優(yōu)化

47、結(jié)論:在行車制動時，前輪所需的制動力大于后輪，且隨著減加速度的增加而增加；根據(jù)反復(fù)計算的數(shù)據(jù)與實際情況的綜合考慮得出一組優(yōu)化的制動力分配比，以這些值為基準(zhǔn)，對車輛的制動系統(tǒng)進(jìn)行制動力分配比的實際調(diào)節(jié)以達(dá)到一個滿意值。當(dāng)然，對于不同的路面狀況將會有不同的值，在進(jìn)行不同路況前調(diào)節(jié)到所對應(yīng)的最佳制動力分配比值，可較好地發(fā)揮制動系統(tǒng)的制動效能。我們的實現(xiàn)方式是通過平衡桿機構(gòu)實現(xiàn)。這些計算數(shù)據(jù)對平衡桿的設(shè)計制作具有指導(dǎo)性的意義；同時，根據(jù)計算數(shù)據(jù)，還可以對踏板的放大比例進(jìn)行優(yōu)化以便于駕駛員的操作，以在滿足的比賽要求的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮制動效能。6制動有限元分析6.1有限元簡介有限元法也叫有限單元法(fini

48、te element method,簡稱FEM )，是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種彈性力學(xué)問題的數(shù)值求解方法。五十年代初，它首先應(yīng)用于連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中，用以求得結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、固有頻率以與振型。由于這種方法的有效性，有限單元法的應(yīng)用己從線性問題擴展到非線性問題，分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料，從連續(xù)體擴展到非連續(xù)體。有限元法最初的思想是把一個大的結(jié)構(gòu)劃分為有限個稱為單元的小區(qū)域，在每一個小區(qū)域里，假定結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力都是簡單的，小區(qū)域的變形和應(yīng)力都容易通過計算機求解出來，進(jìn)而可以獲得整個結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。事實上，當(dāng)劃分的區(qū)域足夠小

49、，每個區(qū)域的變形和應(yīng)力總是趨于簡單，計算的結(jié)果也就越接近真實情況。理論上可以證明，當(dāng)單元數(shù)目足夠多時，有限單元解將收斂于問題的精確解，但是計算量相應(yīng)增大.為此，實際工作中總是要在計算量和計算精度之間找到一個平衡點。有限元法中的相鄰的小區(qū)域通過邊界上的結(jié)點聯(lián)接起來，可以用一個簡單的插值函數(shù)描述每個小區(qū)域的變形和應(yīng)力，求解過程只需要計算出結(jié)點處的應(yīng)力或者變形，非結(jié)點處的應(yīng)力或者變形是通過函數(shù)插值獲得的，換句話說，有限元法并不求解區(qū)域任意一點的變形或者應(yīng)力。大多數(shù)有限元程序都是以結(jié)點位移作為基本變量，求出結(jié)點位移后再計算單元的應(yīng)力，這種方法稱為位移法。有限元法本質(zhì)上是一種微分方程的數(shù)值求解方法，認(rèn)識

50、到這一點以后，從70年代開始，有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從固體力學(xué)領(lǐng)域擴展到其它需要求解微分方程的領(lǐng)域，如流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等。有限元法在工程中最主要的應(yīng)用形式是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如結(jié)構(gòu)形狀的最優(yōu)化，結(jié)構(gòu)強度的分析，振動的分析等等。有限元法在超過五十年的發(fā)展歷史中，解決了大量的工程實際問題，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。有限元法的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)設(shè)計趨于理性，設(shè)計出的產(chǎn)品越來越精細(xì)，尤為突出的一點是，產(chǎn)品設(shè)計過程的樣機試制次數(shù)大為減少，產(chǎn)品的可靠性大為提高。壓力容器的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和形狀優(yōu)化，機床切削過程中的振動分析與減振，汽車試制過程中的碰撞模擬，發(fā)動機設(shè)計過程中的減振降噪分析，武器設(shè)

51、計過程中爆轟過程的模擬、彈頭形狀的優(yōu)化等等，都是目前有限元法在工程中典型的應(yīng)用。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展和在工程實際中的應(yīng)用，有限元法被證明是一種行之有效的工程問題的模擬仿真方法，解決了大量的工程實際問題，為工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動作用。但是有限元法本身并不是一種萬能的分析、計算方法，并不適用于所有的工程問題。對于工程中遇到的實際問題，有限元法的使用取決于如下條件:產(chǎn)品實驗或制做樣機成本太高，實驗無法實現(xiàn)，而有限元計算能夠有效地模擬出實驗效果、達(dá)到實驗?zāi)康?，計算成本也遠(yuǎn)低于實驗成本時，有限元法才成為一種有效的選擇。有限元法經(jīng)過多年的發(fā)展，其基本的數(shù)值算法都已經(jīng)固定下來，商業(yè)化的軟件也超過1000種。在這些大大小小的有限元軟件中，其基本的、核心的算法都是一樣的，沒有太大的不同，甚至很多軟件核心部分的代碼都是一樣的，它們主要的不同表現(xiàn)在一下幾個方面。 有限元法求解問題，概括起來可以分為以下幾個步驟: (l)計算對象的離散化:將要分析的計算模型分割成有限個單元，單元之間設(shè)置連接節(jié)點，并使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性，然后構(gòu)成單元集合體以代替原計算對象，并將彈性體邊界約束用邊界上節(jié)點約束去代替。 (2)單元分析:即用固體力學(xué)理論研究單元的性質(zhì)，從建立單元位移模式入手，導(dǎo)出計算單元的應(yīng)變、應(yīng)力、單元剛度矩陣和單元等效節(jié)點載荷向量的計算公式，討論單元平衡條件，建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移