关于制动器入门讲解.docx
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关于制动器入门讲解
11制动系
11.1制动原理
11.1.1制动过程中的功能转化（如图11.1）
行驶中的车辆具有动能，动能取决于车辆的重量和行驶速度。
发动机为车辆提供动力以用来汽车从静止到加速到指定速度，但是当车辆减速或停车时需要部分或全部地消耗这一动力。
因此，制动器的作用就是在任意时间将车辆所具有的动能通过摩擦的方式转化为热能消耗。
（见图11.1）.
通过动能定理，即能量守恒原则，也可由下面的等式得出：
Uk：
汽车具有动能（J）m：
汽车质量（Kg）V：
汽车车速（m/s）
使汽车制动所做的功，由下式所给出：
Uw：
制动所做的功（J）F：
平均制动力（N）s：
制动距离（m）
当车辆制动停车时，制动鼓所做的功必须与汽车制动前初始动能相等，所以有如下关系：
可求平均制动力
图11.1制动示意图
Speedreduction-车速变化曲线brakeapplied-开始制动carstops-停车
例题（图11.1）一辆质量为800kg的汽车以36km/h的车速行驶，试确定如下内容：
a）汽车所具有的动能；
b）当制动距离为20米时的平均制动力大小。
b）制动时做功=汽车动能的变化量
11.1.2制动距离与制动效率
车辆制动也就是意味着汽车产生一个阻止车轮转动的力，从而降低车速或者停车。
这种用来停车或减速的力或阻力被称为制动力。
汽车所产生的制动力与汽车总质量的百分比称为制动效率，也就是：
当制动力与制动车辆的总质量相等时，制动效率视为100%。
因为地面附着力不足、车辆在下下坡或制动系失效，所以制动效率通常总是小于100%
制动效率与摩擦力与摩擦表面所承受负荷的比即摩擦系数相类似.
例如：
:
摩擦系数=
其中：
μ=摩擦系数η=制动效率F=摩擦力N=正常负载
因此制动效率等于100%等同于摩擦系数为一。
11.1.3制动距离的确定（图11.1）
一辆汽车制动器的制动性能可以通过假设制动效能100%的方式进行粗略估算。
例如
其中U=汽车制动的初始速度（m/s）V=制动终了速度（m/s）g=重力加速度（
）s=制动距离（m）
如果汽车末速度为零（例如V=0）
将km/h转换m/s;
例如计算行驶速度60km/h的汽车的最小制动停车距离：
停车距离
11.1.4制动效率的确定（图11.1）
制动效率由动能定理和使汽车静止时做功推导而出。
令F=制动力（N）μ=摩擦系数η=制动效率W=汽车重力（N）U=制动初速度（m/s）m=汽车质量s=制动距离（m）η=制动效率
由功能转换能量守恒，
例如使行驶速度为60km/h的汽车在20米制动停车的制动器制动效率。
图11.1是关于各种不同车速度和制动效率情况下的制动距离的表格
11.1.5附着因数
汽车的旋转车轮轮胎胎面对制动距离有很大影响。
表11.1各种车速与制动效率下的制动距离
车速不同制动效率下的制动距离（m）
表11.2不同路面与路面情况下的附着系数。
车辆减速阻力与汽车垂直负荷之间的关系被称为附着系数。
（μa）.这个与在一个表面滑过而产生的摩擦系数μ非常相似，但是对于制动轮来说，是由于受到与转动方向相反的最大制动阻力所确定的。
表11.2是一些各种常见路面的附着系数。
11.2制动蹄片与制动盘原理
11.2.1自增力式制动蹄（图.11.2）
鼓式制动器有两个内部半圆形制动蹄与同种摩擦材料的制动鼓相匹配。
制动蹄片安装在支撑板上，有些时候被称为转矩板,在蹄片下端用支撑销货支撑钉连接，同时在蹄片上端由凸轮或液力增压轮连接缸。
在图11。
2中，轮缸简化成两个相反箭头和摩擦衬片通过蹄片中部的两个小段区域表示。
当鼓旋转的顺时针方向旋转，产生推力Fe，当制动鼓顺时针旋转轮缸产生一个推力Fe将制动蹄上端推开与制动鼓接触产生一个反作用力N以抵抗蹄片的张力。
由于摩擦蹄片与制动鼓之间存在滑动摩擦，在两个接触表面之间产生一个沿切线方向的摩擦力
。
在右边蹄片（图.11.2）上端产生推力Fe与制动鼓产生的摩擦力或阻力有与制动鼓旋转相同的趋势，从而有助于提高蹄片上部的轮缸推力。
有增加制动蹄上端推力的推力称为主动伺服，提供这种自供或伺服功效的制动蹄称为领蹄。
例如
其中FL=领蹄所受合力
同理考虑左侧制动蹄（图11.2）由于阻止或消除上端车速的力Fe而产生摩擦力或阻力Ft有旋转相反的趋势。
这将导致制动蹄端部有效力小于轮缸的输入力。
因此减小蹄的端部受力使之小于初始输入力被称为被动伺服，故有这种趋势的制动蹄称为从蹄。
例如
其中Ft=从蹄所受合力
自增力式机构运转受到摩擦面温度，湿度，涉水，摩擦系数和制动鼓旋转速度影响。
改变制动鼓旋转方向时使原本领从蹄性质互换，因此领蹄和从蹄分别变化成从蹄和领蹄。
图11.2中制动蹄布置位置被称为领从蹄式制动器。
是对蹄片端部施加轻微的激励而不是在蹄片中部进行加载。
从蹄
领蹄
旋转方向
图11.2制动鼓与制动蹄的受力
11.2.2从动轮与制动鼓所受转矩（图.11.2）
从动轮最大转矩受到车轮打滑限制，如下式给出
其中Tw：
车轮转矩（牛/米）μa：
附着系数
W：
车轮垂直载荷（牛）R:
车轮滚动半径（米）
同理，可以推导出主动轮上所要产生制动力矩与制动鼓与摩擦蹄片间的摩擦力的关系，如下式给出：
其中TB:
制动力矩（牛/米）μ：
蹄片与制动鼓间摩擦系数
N：
制动鼓与蹄片间压力（牛）r：
制动鼓半径（米）
当车轮与制动鼓上转矩等于打滑时极限转矩，但是二者作用方向相反此时二者大小视为相等。
例如:
TB=Tw
μNr=μaWR
所以有制动鼓与蹄片间力N=
例题一个滚动半径为0.2米承受负载为5000N的车轮，在附着系数0.8的特定道路行驶。
如果制动鼓的半径为0.1m，蹄片与制动鼓之间的摩擦系数为0.4，试确定制动蹄片和制动鼓之间的径向力。
11.2.3制动蹄与制度因素（图.11.2）
如果打算将制动器设计成用较小操纵力产生一个高的制动效果，这是说，需要安装自增力或伺服机构。
这个设计以获得较稳定的制动性能为目的，但也会由于摩擦不均而影响到输出扭矩。
采用带有小型自增力的制动器需要高的操纵力来实现高的制动效果，使操纵更稳定同时摩擦力变化对于制动性能影响也更小。
可以增加制动蹄的制动效果的自增力或伺服机构是制动蹄的影响因素。
施加在制动蹄外缘的切向力Ft与轮缸施加在制动蹄上的力Fe之比定义为影响因素S。
不同安装组合的制动蹄比如领从蹄，双领蹄，双从蹄等会额外长生一个个别因数总和的制动因子B。
.
制动因子=制动因素总和
B=（SL+ST）,2SL,2ST与（SP+SS）
11.2.4制动蹄的布置（图11.3（a-c））
领从蹄式制动器（图.11.3（a））
如果单缸双活塞式制动轮缸安装在两个蹄片端部同时将一端固定则另一端受到相反推力，领蹄张开时与制动鼓转动方向相同，同时从蹄与转动方向相反获得制动力很小于。
这样布置制动蹄可以在汽车前进倒退时获得相同的制动效果。
后轮制动器一般选用领从蹄式，可以将手动制动与之合并简化系统。
支点
从蹄
领蹄
伸缩弹簧
滚动方向
双向作用
轮缸
领从蹄式制动器
双领蹄式制动器（图11.3（b））
安装一队单作用活塞缸分别向制动鼓旋转的相反方向张开，当液压缸工作时，制动鼓摩擦衬片产生的制动力将制动蹄拉向与制动轮缸推力方向相同，使两个蹄片分别有各自动力源。
制动蹄这样布置的制动器称为双领蹄式制动器。
倒车时，由于制动力与轮缸推力相反而降低，两个制动蹄都为从蹄。
双领蹄式制动器仍旧是轻型商用车前轮制动最常用的形式。
双领蹄式制动器
单作用
轮缸
旋转方向
双从蹄式制动器（图.11.3（c））
如果将两个相互独立的制动轮缸位置上下对调安装，轮缸活塞有抵消制动鼓旋转趋势，故而制动衬片阻力会大大降低即起到被动伺服的效果。
这样布置的制动器称为双从蹄式制动器。
这种布置适合对制动效能稳定性要求较高的车辆并且伺服辅助增压器可以给制动蹄端部输入力以补偿由于从蹄损失阻力。
双从蹄式制动器的一个缺点是需要采用较高的液压管路压力以实现双领蹄式制动器的制动效果。
方向
双从蹄式制动器
双向自增力式制动器（图.11.3（d））
将双向作用液压缸用螺栓固定在支撑板背面和活塞给相邻蹄片传递推力，相对蹄片末端通过浮动调节链环连接。
当对前驱的车辆的制动踏板上施加力时，活塞移动的同时蹄片与旋转的制动鼓接触。
当制动蹄承受与制动鼓旋转方向相同活塞推力时被称为主蹄和第一蹄，当拉动制动鼓时，通过浮动调节链环将一个较大力传到相邻制动蹄。
第二个制动蹄被称为第二蹄，其初始运动与制动鼓推压很难靠住定位销，这个是容许活塞在轮缸内浮动以适应任何有可能的必要集中化。
在这样条件下混合第一蹄圆周力和第二蹄本身产生力使发生巨大挤压和自身环绕的效果远远超过两个活塞轮各自作用缸造成的效果。
制动器在汽车前进和后天都能起同样的作用。
双向自增力式制动器制动效果非常不错，但是制动蹄片性能对制动时温度和湿度的变化十分敏感。
由于第二蹄做更多的功所以磨损比第一蹄要严重，为保证两个制动蹄片寿命相当，一般尽量使用厚的第二蹄和相对较薄的主蹄。
相互配合。
支撑钉
第一蹄
双作用轮缸
浮动铰链
双向自增力式制动器
第二蹄
旋转方向
11.2.5盘式制动器工作原理（图11.4（a,bandc））
盘式制动器一般包括一个一个圆形制动盘，旋转轮毂和横跨制动盘与悬浮的液压缸连接件即卡钳，短轴或半轴套管。
（图.11.4（b））.卡钳包含一个对活塞和摩擦垫，其中，当刹车卡钳施加夹紧力夹紧制动盘盘，使活塞按照制动踏板作用力大小产生相应的液压实现减少速度。
卡钳对制动盘每一侧的夹紧力N（图.11.4（bandc））乘以通过制动盘和制动钳接触处的摩擦系数μ等于以制动钳活塞在制动盘盘的两侧上的摩擦力F=μN。
如果所得的摩擦力的作用通过该中心的摩擦衬片，则平均距离等于制动盘受力中心与制动盘中心的中心之间的距离，
即
因此，摩擦式制动器的转矩（图.11.4（a））将等于两倍的摩擦力（两侧）和制动衬片位于制动盘的旋转中心的距离。
即制动力矩是
摩擦衬片
活塞
压力中心
制动盘
正视图
后视图
空气流量
卡钳
摩擦衬片
活塞
通风盘
活塞
摩擦衬片金属背面
卡钳
衬片
侧视图
前端
制动盘
力的传递
制动力与衬片
摩擦力
支撑力
后边缘
例，如果摩擦衬片受压力的中心与制动盘旋转中心相距0.12m并且两个摩擦面之间的摩擦系数为0.35，确定为产生制动转矩84N*m所需的夹紧力。
11.2.6盘式制动器的校正（图.11.4）
当最开初对制动盘施加载荷时摩擦衬片具有均匀的压力，但前缘和后端之间边缘出现一个小的倾斜倾向时引起的摩擦衬片滑动。
此外，从内到外垫边缘的磨损率是不一样的。
考虑制动盘配合情况，因此将进行如下两部分的研究：
1由于衬片的厚度使衬片/盘接触面和与衬片背板相邻内部卡钳之间的有一个小的偏移量（图11.4（三））。
因此，与一对制动衬片与盘产生产生倾斜的趋势相比，在后缘与前缘更难。
这实际上提供一个非常小的自增力的伺服机构，产生结果是在前缘处的摩擦衬片磨损率比在后缘处高。
2制动盘是沿着弧线距离旋转，因为它扫过衬片面积从内到外逐渐成比例增加。
因此摩擦速度，由于这个完成的工作，从内到外制动力增加，同时与衬片的温度和单位面积上的磨损增加有关，从盘中心的径向距离逐渐变大。
11.2.7盘式制动器冷却（图.11.4）
制动盘与摩擦衬片的冷却主要是通过空气对流实现的，同时有一部分的热量由轮毂传导出去。
汽车的制动盘和固定衬片接触的摩擦面之间通过获取来自鼓,蹄内侧之间的那些汽车正面的气流和汽车的空气循环实现冷却。
因此在连续作用指导下盘式制动器比鼓式制动器更加稳定。
衬片和制动盘的高一致性和均匀的压力使盘式制动器与鼓式制动器相比，相同的热应力和变形情况下可承受更高的温度。
因此与鼓式相比盘式变形小，盘式制动器可以承受更高温度。
制动盘的另一个特征是沿着衬片扩展，不像鼓式制动器沿着远离蹄片方向扩展。
因此过热的时候，盘式制动降低了踩踏制动踏板的动作而鼓式制动器需要增加踩踏次数。
通风式制动盘可以大大提高旋转式制动盘的冷却能力（图.11.4（b））。
这些铸铁铸造的制动盘以两个环形肋板通过径向叶片来充当散热器。
冷却时离心力推动空气通过径向通道形成的叶片从内入口外出口。
通风盘式提供了更多暴露在外的表面积，比相同质量的实心盘的对流散热能力提升了70％。
在正常的操作条件下通风盘摩擦衬片大约可以将温度降低至实心的制动盘三分之二。
使衬片的寿命大大增加与较低的工作温度，但对有材料的摩擦衬片的性能的效果非常小。
在低转速下通风式车轮对制动盘的冷却速度有非常小的影响。
在较高的速度下可迫使空气流经朝向制动盘及衬片的通风口，当车轮的内侧和外侧之间存在压力差时制动盘的冷却速度能够提高多达10％。
制动盘和衬片暴露在外面，水和污物容易侵入大大增加垫的磨损降低耐久性。
除去防尘盖会增加制动盘和摩擦衬片的冷却速度，但也会使暴露在外的制动盘与摩擦衬片受到泥浆，灰尘和沙砾的侵蚀。
这将降低摩擦副的摩擦性能。
如果必须在较低的工作温度但易磨损与牺牲温度保证制动寿命间做一个选择一个较低的工作温度在污染的光盘和焊盘或更高的工作温度的牺牲，通常会被优先赞成保护制动盘并在其上喷涂耐磨涂料。
11.2.8制动因素与制动稳定性间的关系（图.11.5）
对比不同的制动蹄和制动盘的布置可以得到制动蹄的因数基本原理，S，在不同摩擦面的摩擦系数时输出转矩相应的变化（图1.5）。
对于大多数套管及衬片之间的摩擦系数在0.35和0.45的范围内，不难看出，在工作范围内的摩擦系数由小到大的顺序排列时制动蹄因子大致如下表11.3。
通过比较表明，单个或两个从动蹄的转矩输出（制动蹄因数）只有约单个或两个领蹄式制动器的三分之一，而且领从蹄式制动器是双从蹄的两倍，也约为双领蹄布置的三分之二。
（图11.5）制动盘与摩擦衬片的性能与两蹄式制动器布置是非常类似的，但相比下具有较高的摩擦系数，盘式制动片的制动因数比的双从蹄式制动器上升速度更快。
总体而言，双向作用的制动蹄相对于所有其他的安装布置具有优越的制动效能，约为双从蹄的5倍，将近双领蹄式制动器的两倍。
相反，制动器衬套或衬片的稳定性，即，制动蹄或衬片的性能大致保持相同的制动蹄的因素，如果有系数中的小变化，可能由于潮湿或摩擦材料的温度增加，变化以倒序的顺序如表11.3所示。
一般来说，具有非常高的制动因数的制动器是不稳定的，两个摩擦表面之间的摩擦系数的轻微地增加或减少，都产生一个比较大制动因数（输出扭矩）的变化。
具有低摩擦因数的布置往往产生一个相当大的变化的摩擦系数才能保证输出转矩的一致。
由于较高制动因数产生不稳定的布置，大多数汽车设计师前轮刹车选择的是双领蹄或盘和衬片式，并在后轮采用领从蹄式制动器。
然后，他们依赖于真空或液压伺服援助或全功率气动工作。
因此，例如，具有一个复合式的领从蹄式制动器提供相对高的领蹄制动因素。
但只有中等程度的稳定性，不如一个拥有相对低的制动因素的从蹄制动器可以提供非常稳定的制动。
每一种制动器的制动蹄的布置可以通过另一个进行可靠性和作用的补偿。
领从蹄式制动器由于容易改装手制动并且在施加手制动时可以额外产生增力效果，而盘式制动器无法实现这一效果，需要施加更大的拉紧力以实现车轮的锁止故此十分受后轮制动器的青睐。
双作用（5.0）
双领蹄（3.0）
领从蹄（2.2）
单领蹄（1.6）
盘式（1.2）
双从蹄（1.2）
单从蹄（0.55）
操纵范围
制动因数
S
摩擦系数μ
图11.5不同制动器相应制动因数与摩擦系数曲线
11.2.9制动摩擦衬片与制动盘材料性能
摩擦水平（图11.6）
摩擦水平（图11.6）现代的摩擦材料的平均摩擦系数是在0.3和0.5之间。
应足够高的摩擦系数，以限制制动踏板力并尽量减少商用车辆上的凸轮推杆，但不是越高越好，在极端情况下会引起轮毂锁止或停止使其无法旋转。
应当使用与制动蹄或制动盘所产生自身激励相匹配的最合适的摩擦材料。
磨损
摩擦强度
摩擦系数μ
劣质材料
磨损因数
温度对摩擦系数的影响
温度
优质材料
热衰退（图.11.6）
这是的衬片或衬套材料的性能是随摩擦过程温度的增加摩擦系数保持不变。
衬片所能吸收的最大制动扭矩取决于制动时车辆总重量，车轴载荷，前后轴制动比和所能达到最大速度。
当制动盘与制动鼓在正常工作温度范围内工作时，优质的材料应保持其的摩擦系数不变。
在较高的温度范围内的摩擦系数可以减少，希望它逐渐减小，因为当车辆正在行驶长下坡或连续启停的旅途工作时一旦摩擦系数的快速下降将严重降低了制动能力。
在摩擦下降的后果是水制动器反应迟缓需要施加更大的刹车踏板力以实现制动。
已经确定，工作温度上升引起摩擦系数变化部分是由于衬片在加热过程中粘合剂树脂发生化学变化导致摩擦衬片材料固化。
衰退后的回复能力（图.11.6）
这是衡量的摩擦材料的能力的一部分，冷却后衬片温度下降到正常温度时摩擦系数恢复能力。
即使受到反复严酷的加热后，质量好材料其摩擦系数仍将恢复到原来水平，但是劣质材料可能恢复不到原来水平甚至摩擦系数可能被永久改变。
恢复能力变差主要是由于化学成分发生分解造成的。
这可能会导致衬片硬化，开裂，剥落，碳化，甚至燃烧。
如果衬片使用热塑性粘合剂树脂保护摩擦面，可能会扭曲摩擦材料的性能
耐磨性（图.11.6）
摩擦材料的寿命，也就是衬片和衬套的寿命，很大的程度上取决于摩擦速度和所受压力。
耐磨性很大程度上受到工作温度的影响。
在温度范围的上限，衬套或衬片的材料大的结构被削弱，因此，有剪切和撕裂作用增加的接触面会导致更高的磨损率。
抗摩擦速度（图.11.7）
两摩擦表面之间的摩擦系数在理论上应是不依赖于速度，但已被发现，过高的速度往往稍微降低的摩擦系数，特别是在较高的工作温度范围。
劣质摩擦材料可能会表现出高的摩擦系数，低摩擦速度，这可能会导致当车辆停下来时抖动和抢挡，但在摩擦速度的增加时摩擦杆遭受了较快的下降。
温度
图11.7不同温度下抗摩擦速度对于摩擦性能
抗压力的强度（图.11.8）
由摩擦系数的定义，摩擦系数不应受摩擦表面的压力的影响，但摩擦材料一般都是用树脂粘合剂固定在一起的，摩擦表面之间的压力会降低摩擦效能。
人们已经发现，在相对低的压力下从较低压力不断增加摩擦性能显著降低，但在压强变高的摩擦效能的下降变的小得多。
一个压力稳定衬片里将产生于踏板力成正比的减速，但对于一个给定的制动性能的压敏材料将需要一个相对较大的踏板力。
盘式制动器在高摩擦压力时操纵更好的，当以相当压力进行操纵时蹄片性能恶化。
劣质材料
优质材料
摩擦压力
图11.8摩擦压力对摩擦系数影响
抗水污染（图.11.9）
所有摩擦材料在一定程度上涉水后会受影响。
因此，摩擦性能的安全界限应该是在潮湿的条件下，优质摩擦材料应该迅速并逐步（在干燥过程不能正常工作）恢复原来的摩擦性能的能力。
质量差的材料恢复非常缓慢或有过度恢复发展的倾向（这是最初湿润的摩擦系数低干燥期间过分干燥在当衬片干燥完全再次下降）。
过分恢复可能会导致制动过度，甚至在某些驾驶条件下，车轮锁止。
耐潮湿敏感
受到大气潮湿，湿度或下结露的影响可能会增加摩擦系数发生前几种情况概率，结果导致刹车噪声和短时间内抢先制动。
湿度敏感的摩擦材料不应使用制动器，摩擦材料应具有高的自持力。
摩擦材料
用于衬片或衬块的材料通常具有它们的优点和局限性。
烧结金属往往具有较长的使用寿命，但具有相对低的摩擦系数。
混合金属的陶瓷材料具有高得多的摩擦系数，但是是非常坚硬，因此必须被截断段。
他们往往是用在使用条件非常苛刻的制动鼓与制动盘上，他们可以承受比石棉材料跟高磨损。
一些产生含少量石棉和更柔软的金属，如含锌黄铜或含铝颗粒的摩擦材料。
非石棉材料，现已被杜邦公司控制的凯夫拉尔纤维，高强度的芳族聚酰胺纤维。
一个制造商使用这种高强度纤维浆形式为主体的摩擦材料,而另一个制造商使用以熔融鼓风炉渣纤维钢筋与凯夫拉尔为主体的混合主体。
一些非石棉材料在冬季气温操纵时摩擦系数剧烈减少,如果不是迎合刹车设计,这种材料可能不适合夜间驻车制动。
过分恢复
恢复良好
恢复缓慢
图11.9水污染摩擦材料后停车一段时间摩擦性能恢复影响
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