汽车制造与装配专业毕业设计1.docx
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汽车制造与装配专业毕业设计1
汽车制造与装配专业毕业设计
标
题：
汽车制动性能检测工艺设计
摘
要
随着交通事故发生率的急剧增加，如今汽车的安全性能已经成为人们所关注的热点，由于汽车制动性能直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。
改善汽车的制动性能，始终是汽车设计制造和使用部门首要任务。
本文首先以汽车制动性理论知识为基础，包括汽车制动性的主要评价方法、制动时车轮受力、制动效能及其恒定性、制动时汽车的方向稳定性、前后制动器制动力的比例关系等；然后利用mATLAB软件对汽车制动性能相关指标进行仿真编程以及调试；最后进行实例分析，建立FSAE赛车制动模型，结合车辆制动系统设计经验取制动力分配比的初值为0.4，选取设计变量，构建目标函数，设置约束条件，运行程序进行仿真分析，得出FASE赛车的制动距离为44.791m、最佳制动分配比为0.6223、制动减速度6.88m/以及同步附着系数为0.695。
由仿真结果证明，所得结果满足系统使用要求，对赛车制动系统设计具有一定的指导作用。
关键词：
制动性能，建模，mATLAB，FSAE赛车
1.
汽车制动性能检测概述
.1汽车制动性主要评价指标
汽车的制动是指汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定和在下长坡时能维持一定车速的能力。
它主要由制动效能、制动效能的恒定性、制动时汽车的方向稳定性三方面来评价。
（1）制动效能
制动效能，指汽车在良好的路面上以一定初速度和规定的踏板力开始制动，
在最短的时间内停车的一种能力，是制动性能级墓本的评价指标。
一般用制动距
离、制动减速度、制动力等表示。
（2）制动效能的恒定性
制动效能的恒定性，指抗热衰退性能和抗水衰退性能，主要指抗热衰退性能。
其中，抗热衰退性能指汽车离速行驶制动或下长坡制动时随制动器温度升离而保持摩擦力矩不下降的能力；抗水衰退性能指汽车涉水后对制动效能的保持能力。
（3）制动时汽车的方向德定性
制动时汽车的方向稳定性是指汽车在制动过程中不发生跑偏、侧淆或丧失转
向功能而按驾驶人给定方向行驶的能力。
.2制动时车轮的受力
.2.1地面制动力
制动时地面对车轮的切向反作用力——FX
.2.2制动器制动力
制动时制动器制动产生的力————FT1FT2
.2.3地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系
地面制动力Fμ、制动器制动力FX及附着力Fφ之间的关系。
.附着力——地面对轮胎切向反作用力的极限值Fφ。
2.附着力取决于轮胎与路面之间的摩擦作用及路面的抗剪强度。
3.硬路面上附着系数φ与滑移率s的关系
（1）制动过程中车轮的三种运动状态
第一阶段：
纯滚动，路面印痕与胎面花纹基本一致车速V=轮速Vω
第二阶段：
边滚边滑，路面印痕可以辨认出轮胎花纹，但花纹逐渐模糊。
车速V＞轮速Vω
第三阶段：
抱死拖滑，路面印痕粗黑。
轮速Vω=0
若需增大Fx，必须增大F。
F取决于附着系数φ，φ又受滑移率s的影响。
（2）滑移率S
定义：
s=[/V]×100%=[/V]×100%
分析结论：
s＜20%为制动稳定区域；
s＞20%为制动非稳定区域；
.2.4硬路面上的附着系数
对车辆动力学控制中的道路路面附着系数实时估计问题进行研究。
首先使用魔术公式建立1/4车辆制动模型,即车轮制动动力学模型;然后将其中的附着系数相关项视为制动系统的扩张状态,建立其扩张状态观测器,通过轮速信号和制动力矩信号实时观测制动过程中地面与轮胎间的纵向力,进而计算出路面附着系数;最后在均匀路面和突变路面条件下进行仿真研究。
结果表明,所提出的方法对车辆制动系统参数摄动和传感器噪声具有鲁棒性,可以准确地实现道路路面附着系数的实时估计,观测器与控制器设计具有一定独立性。
图解：
.3制动分析
.3.1制动减速度
制动减速度，是汽车在制动过程中的减速度。
它直接反映了使汽车减速行驶的制动力的大小。
显然，制动减速度越大，制动力就越大，制动距离也越短。
由于它更科学、更准确地反应了汽车的制动效能，所以已经成为评价制动效能的重要指标，与制动距离一起并用。
我国国家标准规定了对各种车型汽车的制动减速度的要求。
从制动测试的结果中，最直观的是可以看出两车在制动距离上的差异。
不过，从减速的G值上可以看出另外一个结果：
不管在什么初始速度下，雅阁的制动减速G值都要小于凯美瑞的G值，这就可以说明雅阁与凯美瑞不同的制动特性：
雅阁虽然在制动距离上长过凯美瑞，但雅阁在制动时的车身动态要好于凯美瑞，尤其在制动时的“点头”动作上。
制动测试基础数据
凯美瑞
汽车型号：
凯美瑞2.4G
行驶里程（公里）：
1349
测试环境温度
（摄氏度）:
13.13
测试路面温度
（摄氏度）:
11.5
即时风速（米/秒）:
0.17
即时风向:
与跑道成20度夹角
直线路段方向:
西北偏北-东南偏南
测试时间:
XX.04.26（10点33分）
轮胎型号：
普利司通215/60R1695V
试车：
邵笑
记录：
张胤
载重：
25公斤
轮胎压力（巴）左前2.0右前2.0左后2.0右后2.0
减速时间（秒）
减速距离（米）
减速G值（g）
最大
40公里/小时
平均值：
1.84
7.837
0.975
60公里/小时
平均值：
2.375
6.369
.006
80公里/小时
平均值：
2.99
28.232
.05
00公里/小时
平均值：
3.555
44.505
.05
速度偏差一览
车辆速度表
GPS实际车辆速度
40公里/小时
36公里/小时
50公里/小时
45公里/小时
60公里/小时
56公里/小时
80公里/小时
75公里/小时
00公里/小时
95公里/小时
制动测试基础数据
雅阁
汽车型号：
雅阁
行驶里程（公里）:
1723
测试环境温度（摄氏度）：
13.13
测试路面温度（摄度）:
11.5
即时风速（米/秒）:
0.17
即时风向:
与跑道成20度夹角
直线路段方向:
西北偏北-东南偏南
测试时间：
XX.04.26（10点33分）
轮胎型号：
横滨215/60R1695H
试车:
邵笑
记录张胤
载重：
25公斤
轮胎压力（巴）左前2.1右前2.1左后2.1右后2.1
减速时间（秒）
减速距离（米）
减速G值（g）
最大
40公里/小时
平均值：
1.645
6.936
.057
60公里/小时
平均值：
2.335
6.034
.051
80公里/小时
平均值：
3.02
28.762
.001
00公里/小时
平均值：
3.678
45.353
.001
速度偏差一览
车辆速度表
GPS实际车辆速度
40公里/小时
39公里/小时
50公里/小时
48公里/小时
60公里/小时
59公里/小时
80公里/小时
75公里/小时
00公里/小时
96公里/小时
1.3.2制动距离的分析
在刹车的过程中车轮与地面的相对运动情况是决定刹车距离的关键。
在刹车过程中，起主要作用的力是轮胎与地面的摩擦力，空气阻力所起的减速作用在高速时有一定影响，在低速时可以忽略。
轮胎与地面的摩擦力在不同的相对运动情况下可分三种，分别是静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。
同样的车重下，这三种力均与轮胎和路面有关。
轮胎的因素很关键，但是我们无法得到有关的数据来分析，因此假设轮胎情况都是一样的。
路面越粗糙，提供的摩擦力就越大。
干燥路面比雨雪路面摩擦力要大得多。
三种力中哪一种力最大，在刹车过程中哪一种力起主要作用，是我们分析刹车距离长短首先要弄清楚的两个问题。
毫无疑问，滚动摩擦力是最小的，静摩擦力和滑动摩擦力哪一个大，在接触的两个物体表面没有发生变化或者破坏的情况下，静摩擦力肯定是最大的。
根据我们急刹车时总是伴随着有一条黑色刹车痕迹，这是车轮锁死后停止滚动轮胎橡胶与路面直接磨损造成的。
因此，可以认为在刹车过程中滑动摩擦力是起主要作用的。
但是，轮胎橡胶与路面剧烈摩擦会产生大量的热量引起橡胶温度升高，高温下的橡胶物理性能会下降，硬度和耐磨性能下降导致滑动摩擦力减少。
在车轮从滚动到抱死的这个过程中，开始起作用的是滚动摩擦，抱死临界点时是静摩擦，抱死后是滑动摩擦，我们不妨称为“摩擦循环”。
可以看出，在ABS系统不起作用的情况下，轮胎与路面的摩擦力情况就已经很复杂。
现在的小汽车都配备了ABS系统，ABS系统的主要作用就是保证在急刹车时轮胎不会抱死（也就是避免滑动摩擦情况的发生），确保驾驶员对车辆的控制，避免跑偏等。
ABS的工作原理就是通过电子控制系统，对刹车装置进行控制，使得刹车装置在极短的时间间隔内对车轮进行抱死和松开操作，在提供最大限度的制动力的同时，保持车辆良好的控制性。
福克斯使用的ABS版本是BoSH7.1，调节频率是每秒10-14次，而据称同类国产车的调节频率是每秒8-10次。
花冠与宝来的ABS版本及工作参数我手头没有资料，请知道的人士提供。
也就是说，福克斯每秒钟可以让14个不同的轮胎接触面与路面发生“摩擦循环”，而一般车子每秒钟只有10个“摩擦循环”。
假定每个“摩擦循环”都提供同样的摩擦做功（当然实际情况可能不完全相符），那么同样时间里“摩擦循环”出现得越多，摩擦力做的功就越多，车子就越容易减速，自然刹车距离就越短。
综上所述，摩擦力与刹车盘、轮胎、ABS等都有直接关系。
与车重关系不大，因为在理论状况下摩擦力等于车重乘以摩擦系数。
在目前的情况下，假设同类型的车子轮胎相差不多（而且也无法调整为同一种轮胎），假设刹车盘都能提供足够的抱死压力，假设每辆车都配备了ABS且在急刹车时ABS都介入工作，那么ABS的版本就是决定刹车距离最关键的因素。
每秒抱死-松开的次数越多，提供的摩擦做功越多，刹车性能越好。
以上的观点成立需要几个假设。
如果三种力中静摩擦力起主要作用，而静摩擦力只在车轮抱死的临界点才会发生，因此ABS同样时间内进行越多的抱死-松开操作就会使得静摩擦力起作用的次数越多，上述观点肯定成立。
如果三种力中滑动摩擦力起主要作用，而滑动摩擦力随轮胎橡胶升温而迅速下降，那么ABS同样时间内进行越多的抱死-松开操作就会使得越多的轮胎不同表面与地面摩擦，避免升温而降低摩擦系数,上述观点也成立。
如果ABS的工作原理偏重松开，也就是为了保持车辆的控制而在抱死-松开操作中松开的时间比抱死时间长，因为只有在车轮抱死的情况下才能提供最大的摩擦力，ABS在同样时间内调整频率越快，发生抱死的次数就越多，那么上述观点同样成立。
.3.3制动系统的组成
制动系统是由制动器和制动驱动机构组成的。
制动器是指产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件，其中也包括辅助系统中的缓冲装置。
而制动驱动机构主要包括供能装置、控制装置、传动装置，其中供能装置是指包括供给、调节制动所需能量以及改善传能介质状态的各种部件，其产生制动能量的部分称为制动能源，人的肌体也可作为制动能源；控制装置是指包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件，如制动踏板、制动阀等；传动装置是指包括将制动能量传输到制动器的各个部件，如制动主缸和制动轮缸等；较为完善的制动系统还具有制动力调节装置、报警装置、压力保护装置等附加装置。
制动系统的组成如下图所示：
2
制动力调节装置
2.1概述
（1）前后轮同步滑移的条件
汽车制动过程中，最好是前后轮同时抱死滑移，如果前后车轮的制动力之比等于前后车轮对路面的垂直载荷之比，就能满足同步滑移的条件，即
B11B22FG=FG
式中，B1F为前轮制动力；B2F为后轮制动力；1G为前轮对路面的垂直载荷；2G为后轮对路面的垂直载荷。
（2）理想的前后轮制动力分配特性
汽车在制动过程中，前后轮的垂直载荷是变化的，如果要满足同步滑移的条件，要求制动器制动力（也即促动管路压力）也要随载荷而变化，这种变化关系做出的曲线称为理想的前后轮制动力分配特性曲线，如下图所示。
当汽车载荷变化时，曲线位置也会发生相应的变化。
大多数汽车前后促动管路的压力是相等的，因而其前后轮制动力之比为定值，这种设计显然不能满足理想的制动要求。
从提高汽车制动时的安全性考虑，应尽量避免制动时后轮先抱死滑移，并尽可能充分地利用附着条件，产生尽可能大的制动力。
这就促使现代汽车越来越多地采用各种制动力调节装置，使前后促动管路压力的实际分配特性曲线在不同程度上接近于相应的理想分配特性曲线，并位于理想分配特性曲线的下方。
目前制动力调节装置的类型很多，有限压阀、比例阀、感载阀和惯性阀等，它们一般都是串联在后促动管路中，但也有的是串联在前促动管路中。
制动力调节的最佳装置是防抱死制动装置，它可使前后促动管路压力的实际分配特性曲线更接近于相应的理想分配特性曲线。
2.2限压阀与比压阀
（1）限压阀
限压阀串联于液压或气压制动回路的后促动管路中，其作用是当前、后促动管路压力P1和P2由零同步增长到一定值后，即自动将P2限定在该值不变。
液压限压阀的结构及其静特性如下图所示：
（2）比压阀
比压阀也是串联于液压或气压制动回路的后促动管路中，其作用是当前后促动管路压力P1与P2同步增长到一定值PS后，即自动对P2的增长加以节制，亦即使P2的增量小于P1的增量。
比压限压阀的结构及其静特性如下图所示：
（3）感载阀
感载阀的特点是特性曲线随整车载荷的变化而变化。
感载阀有感载比例阀和感载限压阀两种，其静特性曲线如下图所示：
假设汽车满载时，感载阀特性曲线为A1B1；而在空载时，感载阀的调节作用起始点自动改变为A2，使特性曲线变为A2B2。
但两特性曲线的斜率还是相等的。
这种变化应当是渐进的，即在实际装载质量为任何值时，都有一条与之相应的特性线。
在限压阀或比例阀的结构及其他参数一定的情况下，调节作用起始点的控制压力Ps值取决于限压阀或比例阀的活塞弹簧预紧力。
因此，只要使弹簧预紧力随汽车实际装载质量而变化，便能实现感载调节。
（4）惯性阀
惯性阀（G阀）是一种用于液压系统的制动力自动调节装置。
其特性曲线形状与感载阀相似，但其调节作用起始点的控制压力值PS取决于汽车制动时作用在汽车重心上的惯性力，即PS不仅与汽车总质量（或实际装载质量）有关，并且与汽车制动减速度有关。
3
防抱死制动装置
3.1概述
前已述及，当车轮抱死滑移时，车轮与路面间的侧向附着力将完全消失。
如果是前轮（转向轮）制动到抱死滑移而后轮还在滚动，汽车将失去转向能力（跑偏）。
如果是后轮制动到抱死滑移而前轮还在滚动，即使受到不大的侧向干扰力，汽车也将产生侧滑（甩尾）现象。
这些都极易造成严重的交通事故。
因此，汽车在制动时不希望车轮制动到抱死滑移，而是希望车轮制动到边滚边滑的运动状态。
汽车防滑控制系统是防止汽车在制动过程中车轮被抱死滑移和汽车在驱动过程中驱动轮发生滑转现象的控制系统。
目前在某些中、高级轿车、大客车和重型货车上都装有防抱死装置（AntilockBrakingSystem），简称ABS。
）滑动率对附着系数的影响
汽车在制动过程中，车轮的运动可以划分为三个阶段：
纯滚动、边滚边滑、完全拖滑。
一般用滑动率S表征滑动成分在车轮纵向运动中所占的比例。
车轮与路面之间的附着系数是随滑动率而变化的，二者之间的关系如下图所示：
当滑动率处于15%～35%的范围内时，纵向附着系数φz和侧向附着系数φc的值都较大。
纵向附着系数φz大，可以产生较大的制动力，保证汽车制动距离较短；侧向附着系数φc大，可以产生较大的侧向力，保证汽车制动时的方向稳定性。
3.2防滑控制系统的作用和控制方式
汽车在驱动过程中，驱动轮可能发生滑转，滑转成分在车轮纵向运动中所占的比例用正滑动率来表示，即
防滑控制系统就是在汽车驱动状态下，将驱动轮滑转率控制在5%～15%的最佳范围内。
制动防抱死系统是在汽车制动状态下，将车轮滑动率控制在8%～35%的最佳范围内。
在上述最佳范围内，不仅车轮和地面之间的纵向附着系数较大，而且侧向附着系数的值也较大，保证了汽车的方向稳定性。
3.3制动防抱死系统（ABS）
国产捷达、桑塔纳和红旗cA7220型轿车等，都可以根据用户需要选防抱死制动装置（ABS）。
下面以红旗cA7220型轿车的防抱死制动装置为例，说明其组成和工作原理。
3.3.1制动防抱死系统的基本组成和工作原理
制动防抱死系统主要由轮速传感器、制动压力调节器和电子控制器（EcU）等组成。
其基本工作原理是，汽车制动时，首先由轮速传感器测出与制动车轮转速成正比的交流电压信号，并将该电压信号送入电子控制器（EcU）。
由EcU中的运算单元计算出车轮速度、滑动率及车轮的加、减速度，然后再由EcU中的控制单元对这些信号加以分析比较后，向压力调节器发出制动压力控制指令。
使压力调节器中的电磁阀等直接或间接地控制制动压力的增减，以调节制动力矩，使之与地面附着状况相适应，防止制动车轮被抱死。
3.3.2
ABS的类型及布置形式
①按汽车制动系统分类：
液压制动系统ABS、气压制动系统ABS和气顶液制动系统ABS。
②按ABS中控制管路数和传感器数量，又可分为以下6种布置形式：
四传感器四通道四轮独立控制的ABS、四传感器四通道前轮独立后轮低选控制的ABS、四传感器三通道前轮独立后轮低选控制的ABS、三传感器三通道前轮独立后轮低选控制的ABS、四传感器二通道前轮独立控制的ABS和四传感器二通道前轮独立后轮低选控制的ABS。
3.3.3
ABS部件的结构及其工作原理
①车轮转速传感器（简称轮速传感器）
汽车防滑控制系统中都设置有电磁感应式轮速传感器。
它可以安装在车轮上，也可以安装在主减速器或变速器中。
4
制动性能的台式试验检测法
用专用试验台架检测汽车制动性是国内外广泛采用的方法，尤其是广为用于检测在用车辆的制动性。
台式检测车辆制动性不需要装卸测试仪具，受检车辆只需驶上测试台架、检测（制动）、驶离台架，便完成了检测作业，台架会自动显示、打印出检测数据和结果给出制动性合格与否。
台式检测车辆制动性的参数可以是制动距离、制动减速度，也可以是制动力，但主要是以制动力作为检测参数。
台架制动检测参数决定了制动检测用台架的结构原理。
台式检测法按检测时受检车辆相对地面的运动的状况，可以分为动态检测法和静态检测法。
4.1动态检测
台式动态检测的受检车辆是在台架上行驶中制动，如同在道路上行驶制动一样。
台式动态检测具有路试检测的优点，且不受道路、气候条件的影响，只是受检车辆在台架上行驶的速度较在道路上低，一般都小于5km/h。
因此，台试验动态检测尚不能等同、取代路试检测，更不具道路制动试验的功能。
而低速台式检测的重复性更易受驾驶操作控制因素的影响，如制动初速。
检测重复性不好是台式动态检测的主要不足之点。
动态检测用的台架为平板式制动检验台
、平板制动检验台
测试原理：
现代汽车在设计上为满足汽车行驶状态的制动要求，提高制动稳定性，减少制动时后轴车轮侧滑和汽车甩尾，前轴制动力一般占50～70%左右，后轴制动力设计相对较少。
除此以外还充分利用汽车制动时惯性力导致车辆重心前移轴荷发生变化的特点，使前轴制动力可达到静态轴重的140%左右,上述制动特性只有在道路试验时才能体现，在滚筒反力式检验台上，由于受设备结构和检验方法的限制，前轴最大制动力是无法测量出来的。
平板制动由四块表面当量附着系数较高的平板和多个力传感器组成，检测时车辆以5—10km/h的速度脱档上制动台并紧急制动，车辆在惯性力的作用下，通过车轮对平板施加一个与地面制动力相反的作用力，使平板沿车辆行驶方向产生位移，计算机适时采集、储存制动过程制动力和轴荷的变化数据，经计算机处理后，显示各车轮制动力、制动力和、左右制动力平衡、滑行阻滞力、驻车制动力和制动协调时间
4.2静态检测
台式静态检测的受检车辆在检测时对地面不发生相对运动，而是静止不动的。
这样，静态检测的受检车辆制动时没有惯性作用，也就不可能产生路试制动时的轴荷前移作用，故前轴车轮容易抱死，从而使具有大制动能量的前轴制动器的制动能力难以得到发挥。
静态检测的台架以滚筒式制动检验台为主。
、反力式滚筒制动检验台基本结构
反力式滚筒制动试验台的结构简图如图7所示。
它由结构完全相同的左右两套对称的车轮制动力测试单元和一套指示、控制装置组成。
每一套车轮制动力测试单元由框架（多数试验台将左右测试单元的框架制成一体）、驱动装置、滚筒组、举升装置、测量装置等构成。
台式检测是分别测取各车轮制动过程的特性参数值：
制动力；制动减速度；制动时间，能定量的描绘各轮的制动全过程。
台式检测法因而在国内外的汽车维修、检测作业中获得了广泛应用。
2、反力式滚筒制动试验台的工作原理
进行车轮制动力检测时，被检测汽车驶上制动试验台，车轮置于主、从动滚筒之间，放下举升器。
通过延时电路起动机，经减速器、链传动和主、从动滚筒带动车轮低速旋转，待车轮转速稳定后驾驶员踩下制动踏板。
车轮在车轮制动器的摩擦力矩作用下开始减速旋转。
电动机驱动的滚筒对车轮轮胎周缘的切线方向作用制动力以克服制动器摩擦力矩，维持车轮继续旋转。
与此同时车轮轮胎对滚筒表面切线方向附加一个与制动力方向反向等值的反作用力，在反作用力矩作用下，减速机壳体与测力杠杆一起朝滚筒转动相反方向摆动，测力杠杆一端的力或位移量经传感器转换成与制动力大小成比例的电信号。
从测力传感器送来的电信号经过放大滤波后，送往A∕D转换器转换成相应数字量，经计算机采集、储存和处理后，检测结果由数码显示或由打印机打印出来。
打印格式或内容由软件设计而定。
一般可以把左右轮最大制动力、制动力和制动力差、阻滞力和制动力-时间曲线等一并打印出来。
总结
通过为期一个多月的艰苦努力，可以说本次毕业设计总算完成了，由于缺乏经验，第一次做这么大型的项目，知识有限，所以难免存在不足的地方。
但通过本次毕业设计，我学到了很多东西，不仅复习了以前学习过的各种专业知识，参阅了各类相关资料，还深入了解汽车的构造原理，特别是对汽车制动系统有了更深刻的认识，加上这次论文的经验还真是一笔不小的收获！
这对我以后怎么样去开展一项新工作有了一个较为全面的认识。
在汽车制动系统的浅析过程中，我们重要对制动器、制动系统、制动系统的发展进行分析，特别是对汽车制动系统及其发展做了详细的分析。
在本设计中，我们知道现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展。
全电制动控制因其巨大的优越性，将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统。
同时，随着其他汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降。
汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个EcU中，并将逐渐代替常规的控制系统，实现车辆控制的智能化
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