轻型汽车制动系统设计计算书.pdf

GA6420SE4 轻型客车 制动系统设计计算报告 QYGA6420SE4SS2011005 编 制 校 对 审 核 批 准 2011 年 02月 目 录 1 概述 .3 1.1 任务来源.3 1.2 GA6420SE4 制动系统基本介绍 .3 1.3 GA6420SE4 制动系统的结构简图 .3 1.4 计算目的.3 2 制动法规基本要求 .3 3 GA6420SE4 制动系统设计的输入条件.4 3.1 整车基本参数.4 3.2 制动系统零部件主要参数.4 4 GA6420SE4 制动系统设计计算.5 4.1 前、后制动器制动力分配.5 4.1.1 地面对前、后车轮的法向反作用力 .5 4.1.2 理想的前、后制动器制动力分配曲线及曲线 .7 4.1.3 GA6420SE4 制动力校核.9 4.1.4 GA6420SE4 制动力分配校核.10 4.2 制动距离校核.14 4.3 真空助力器主要技术参数.15 4.4 制动主缸行程校核.15 4.5 制动踏板行程和踏板力校核.16 4.5.1 制动踏板工作行程.16 4.5.2 制动踏板力校核 .17 4.6 驻车制动校核.17 4.6.1 极限倾角 .17 4.6.2 手柄力校核 .18 5 结论 .18 参 考 文 献 .19 版本 日期 作者 更改记录 批准 制动系统设计计算报告 1 概述 1.1 任务来源 根据 xx 汽车有限公司产品规划及新车型开发项目的要求， 进行 GA6420SE4 项目车型的设计开 发。 1.2 GA6420SE4 制动系统基本介绍 GA6420SE4 车型的行车制动系统采用液压制动系统， 前制动器为空心盘式制动器， 后制动器为 鼓式制动器，制动踏板为吊挂式踏板，真空助力器为非贯穿式单膜片结构，制动主缸结构为补偿 孔式。基本车型为带六通阀及感载比例阀的双 I 型制动管路布置，配备的感载比例阀具有液压保 护结构，当制动主缸后腔及管路正常工作时，后腔管路液压与前制动器管路不通，当后腔管路失 效时，主缸前腔液压将与后制动器相通，保证后制动器正常工作。驻车制动系统为机械式后鼓式 制动，采用远距离棘轮拉索操纵机构。 1.3 GA6420SE4 制动系统的结构简图 对于装配感载比例阀的制动系统结构，见图 1： 图 1 GA6420SE4 感载比例阀配置制动系统结构简图 1. 带制动主缸的真空助力器总成 2.制动踏板 3.车轮 4.制动管路 5.制动轮缸 6.六通阀 7.感载比例阀 1.4 计算目的 制动系统计算的目的在于校核前、后制动力是否足够，最大制动距离、制动踏板力、驻车制 动手柄力及驻坡极限倾角等是否符合法规及标准要求、制动系统匹配是否合理。 2 制动法规基本要求 1、满足国内最新制动法规对制动效能，包括行车制动系、应急制动系、驻车制动系性能要求， 如表 1 所示： 表 1 制动法规基本要求 序号 项目 要求 法规 1 试验路面 附着系数约为 0.8 的路面 2 载重 空载/满载 3 制动稳定性 不许偏出 3.5m 通道 制动初速度 100km/h 制动距离 70m 充分发出的平均减速度6.43m/s2 4 行 车 制 动 制动踏板力 65 N 500N 制动初速度 100km/h 制动距离 168 m 充分发出的平均减速度2.44m/s2 5 应 急 制 动 制动踏板力 65 N 500N 操纵手柄力 400N 6 驻 车 制 动 停驻角度(满载) 20(11.31) GB 21670-2008 7 踏板行程 踏板行程不大于踏板全行程的 五分之四 （制动器有间隙自调装 置） ，且不大于 120mm GB 7258-2004 2、满足 GB12676-1999汽车制动系统结构、性能和试验方法 。 3、满足 GB7258-2004机动车运行安全技术条件 。 4、满足 GB21670-2008乘用车制动系统技术要求及试验方法 。 3 GA6420SE4 制动系统设计的输入条件 3.1 整车基本参数 表 2 GA6420SE4 车型整车基本参数（质心位置参考标杆车型） 整车参数 代 号 单 位 空载 满载 整车质量 m kg 1318 1760 质心高度 g h mm 695 750 质心至前轴的距离 a mm 1391 1626 质心至后轴的距离 b mm 1259 1024 轴距 L mm 2700 车轮滚动半径 R mm 292 3.2 制动系统零部件主要参数 表 3 GA6420SE4 车型制动系统主要参数 制动器 参数 代号 前制动器 后制动器 制动器类型 通风盘式 鼓式 轮缸直径 1 d/ 2 d 54mm 23.81mm 制动器效能因数 1 BF/ 2 BF 0.76 2.2 有效制动半径 1 r/ 2 r 104mm 120mm 制动器摩擦片间隙(两边之和) 1 / 2 0.5mm 1mm 真空助力器及制动主缸 真空助力器直径 9” 真空助力器助力比 s i 5.5 制动主缸型式 中心阀式 制动主缸直径 m d 22.22mm 制动主缸总行程 m 34mm 操纵机构 制动踏板杠杆比 p i 4.1 制动踏板全行程 139.4 驻车手柄杠杆比 z i 8.2 感载比例阀 空载拐点液压 u k 3Mpa 满载拐点液压 l k 7.2Mpa 空、满载拐点后输出比例 0.25Mpa 4 GA6420SE4 制动系统设计计算 4.1 前、后制动器制动力分配 4.1.1 地面对前、后车轮的法向反作用力 地面作用于前、后车轮的法向反作用力如图 2 所示： 图 2 制动工况受力简图 由图 2，对前、后轮接地点取力矩，得: gZ h dt du mGbLF 1 (1) gZ h dt du mGaLF 2 (2 ) 式中： 1Z F地面对前轮的法向反作用力，N； 2Z F地面对后轮的法向反作用力，N； a 汽车质心至前轴中心线的水平距离，mm； b 汽车质心至后轴中心线的水平距离，mm； m 汽车质量，kg； G 汽车重力，N； g h 汽车质心高度，mm； L 轴距，mm； dt du 汽车减速度，m/s 2。 令zg dt du ，z称为制动强度，则可求得地面法向反作用力为： LzhaGF LzhbGF gz gz / )( / )( 2 1 (3) 若在不同附着系数的路面上制动，前、后轮都抱死（不论是同时抱死或分别先后抱死） ，此时 GFFxb或g dt du 。地面作用于前、后轮的法向反作用力为： gZ gZ ha L G F hb L G F 2 1 (4) 式中：路面附着系数。 4.1.2 理想的前、后制动器制动力分配曲线及曲线 4.1.2.1 理想的前、后制动器制动力分配 在任何附着系数为的路面上，前、后车轮同时抱死的条件是：前、后轮制动器制动力之和 等于附着力，并且前、后轮制动器制动力 1 F、 2 F分别等于各自的附着力，即： 22 11 21 Z Z FF FF GFF (5) 将公式(4)代入上式，得 g g Z Z ha hb F F F F GFF 2 1 2 1 21 (6) 根据公式(5)及(6)，消去变量，得 )2( 4 2 1 11 2 2 F h Gb F G Lh b h G F g g g (7) 由此可以建立理想的前、后轮制动器制动力分配曲线，即 I 曲线。 4.1.2.2 实际制动器制动力分配系数 实际前、后轮制动器制动力： 2 11 1111 2 22 2222 2 4 2 4 dr Fpn BF R dr FpnBF R (8) 式中： 1 F、 2 F分别为前、后制动器制动力，N； 1 p、 2 p 分别为前、后轮缸液压，Pa； 1 d、 2 d 分别为前、后轮缸直径，m； 1 n、 2 n 分别为前、后制动器单侧油缸数目； 1 BF、 2 BF 分别为前、后制动器效能因数； 1 r、 2 r 分别为前、后制动器制动半径，m； R 车轮滚动半径，m。 制动器制动力分配系数： 21 11 FF F F F (9) 由公式(8)和(9)可得 ： 22 2 211 2 1 11 2 1 rBFdrBFd rBFd (10) 由于 1)1 ( 2 1 F F F F (11) 故 12 1 FF (12) 由公式(12)形成的直线即为实际前、后制动器制动力分配线，简称线。 假设汽车在同步附着系数路面上制动时，前、后轮同时抱死，将公式（6）代入公式（11） ， 得 g g ha hb 0 0 1 经整理，得 g h bL 0 (13) 由以上计算公式， 可计算出制动器制动力分配系数， 空、 满载同步附着系数， 计算结果见表 4： 表 4 制动力分配系数和同步附着系数 名 称 符号 计算结果 制动器制动力分配系数 0.61 满载同步附着系数 0 0.77 空载同步附着系数 0 0.55 根据以上计算，可绘出空、满载状态时理想前、后制动器制动力分配曲线（I 线）和实际前、 后制动器制动力分配线（线） ，如图 3： 制动力分配I及曲线 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 前制动器制动力Fu1(N) 后制动器制动力Fu2(N) 曲线I空载I满载 图 3 GA6420SE4 车型的 I 曲线与线 结论：由表 4 和图 3 可知，若不带感载比例阀或 ABS 控制系统，因实际路面附着系数(取 0.8)，满载状态时，GA6420SE4 车型在在附着系数小于 0.77 的路面下，均是前轮先抱死, 在路 面附着系数大于 0.77 的条件下, GA6420SE4 车型是后轮先抱死； 空载状态时， 在附着系数小于 0.55 的路面下，GA6420SE4 车型是前轮先抱死，在路面附着系数大于 0.55 的条件下，GA6420SE4 车型 是后轮先抱死；因该车装有感载比例阀，调节后轮管路压力，防止后轮先抱死，应此 GA6420SE4 车型匹配感载比例阀后，实际前、后制动器制动力分配曲线将更趋近理想前、后制动器制动力分 配曲线。因此 GA6420SE4 车型的制动器制动力分配曲线(线)是合理的。 4.1.3 GA6420SE4 制动力校核 在不同附着系数的路面上制动时，前、后轴都抱死（无论是同时抱死或分别先后抱死） ，此时 前后轴的制动力为： )( )( 2 1 gXb gXb ha L G F hb L G F (14) 满载状态时，在不同附着系数路面上的前、后轴的制动力如表5所示： 表 5 满载时前、后轴制动力 ）（N 1Xb F ）（N 2Xb F 0.1 734 991 0.2 1561 1888 0.3 2482 2692 0.4 3497 3403 0.5 4604 4020 0.6 5805 4544 0.7 7100 4974 0.8 8488 5311 0.9 9969 5554 1.0 11543 5705 当ppp 21 时,将不同管路压力代入到公式（8）可得前后制动器的制动力，具体如下表6 所示： 表 6 前、后制动器制动力 p （MPa） ）（N 1 F ）（N 2 F 1 1240 805 2 2480 1610 3 3720 2415 4 4959 3220 5 6199 4026 6 7439 4831 7 8679 5636 8 9919 6441 9 11159 7246 10 12399 8051 将表 5 与表 6 的数据进行对比，可以得出：GA6420SE4 前、后制动器提供的制动力满足制 动需求。 4.1.4 GA6420SE4 制动力分配校核 4.1.4.1 GA6420SE4前后轴利用附着系数与制动强度的关系曲线 前后轴利用附着系数： )( 1 )1 ( )( 1 2 2 1 1 g Z Xb r g Z Xb f zha L z F F zhb L z F F (15) 式中： f 前轴利用附着系数； r 后轴利用附着系数； a前轴到质心水平距离，m； b后轴到质心水平距离，m； 制动力分配系数； L轴距，mm； z制动强度。 由公式(14)可作出空、满载时前后轴利用附着系数与制动强度的关系曲线，如图 4 所示： 利用附着系数与制动强度的关系曲线 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 00.1 0.20.3 0.4 0.5 0.6 0.70.8 0.91 制动强度z 利用附着系数 z=z=0.1+0.7(-0.2) z=0.9空载前轴利用附着系数 空载后轴利用附着系数满载前轴利用附着系数 满载后轴利用附着系数 图 4 GA6420SE4 利用附着系数与制动强度的关系曲线 根据 GB21670-2008 制动法规要求，车辆在所有载荷状态下，当制动强度 z 处于 0.150.80 之 间时，后轴附着系数利用曲线不应位于前轴上方；当附着系数在 0.20.8 之间时，制动强度 z0.1+0.7（-0.2） 。作为生产一致性检查时的替代要求，当制动强度在 0.150.8 之间时，后轴曲 线应位于直线 z=0.9以下。 从上图中可看出，前后制动力分配不满足法规要求，需加装感载比例阀或 ABS 对制动力进行 调节，使前、后轴制动力分配趋于合理。 4.1.4.2 GA6420SE4车型制动效率校核 前后轴的制动效率分别为： Lh Laz E Lh Lbz E gr gff f /)1 ( / / / r r (16) 式中： f E前轴制动效率； r E后轴制动效率； f 前轴利用附着系数； r 后轴利用附着系数； a前轴到质心水平距离，m； b后轴到质心水平距离，m； L轴距，mm； 制动力分配系数； z制动强度。 代入参数后，可绘出前、后制动效率曲线，如图 5 所示： 0.00% 10.00% 20.00% 30.00% 40.00% 50.00% 60.00% 70.00% 80.00% 90.00% 100.00% 00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91 空载制动效率Ef 空载制动效率Er 满载Ef 满载Er 图 5 GA6420SE4 前、后制动效率曲线 由图 5 可以看出， 当路面附着系数为 0.8 时， 空载制动效率为 89.6%， 满载制动效率为 98.6%， 满足制动要求。 4.1.4.3 GA6420SE4车型部分回路失效时制动效能 由于 GA6420SE4 装有感载比例阀，制动系统布置形式为双 I 型，部分管路失效分两种情况， 即前腔制动管路或后腔制动管路失效。当前腔管路失效时，只有后制动器提供制动力，故当地面 附着系数8 . 0时，空载状态下制动减速度为 22 2 /44. 2/6 . 2smsm m F a 满载状态下制动减速度为 22 2 /44. 2/0 . 4smsm m F a 当后腔管路失效时，则前后制动器都有液压力，且后制动器制动力液压不经过感载比例阀改 变其液压力大小，即前后制动器液压力相同。故当地面附着系数8 . 0时，空载状态下制动减速 度为： %6.898.98.0Ega=7.02m/s22.44m/s2 满载状态下制动减速度为 %6.988.98.0Ega=7.73m/s22.44m/s2 根据以上计算，GA6420SE4 车型在部分管路失效的情况下，满足GB21670-2008法规应急制 动时对制动效能的要求。 4.1.4.4 真空助力器失效，剩余制动力校核 在真空助力器失效之后，制动力将会明显减小，首先需要判断无真空助力器时，制动系统提 供的制动力是否大于地面对车轮的摩擦力，即车轮是否抱死。 液压系统压力： 2 4 1 P m sp d iiF (17) 式中： m d主缸直径，mm； F 制动踏板力，N； p i 制动踏板杠杆比，4.1； s i 真空助力比； 踏板机构及液压传动效率，取0.8。 根据 GB 21670-2008 法规要求，应急制动踏板力为 60500N，取 F=500N 真空助力器失效后，真空助力比， s i = 1 代入公式(17)，计算前轮管路压力得： 23. 4P Mpa 由于空载时感载比例阀的拐点为 3Mpa,拐点后感载比例为 0.25，可得后轮管路压力为： 30. 3325. 0）（ 后u PPP Mpa 由公式（8）计算可得空载时前、后制动器制动力分别为： ）（N 6 .5244 1 F ）（N9 .2656 2 F 满载时，感载比例阀的拐点液压为 7.2 Mpa，则前后轮的液压相等，即为 4.23 Mpa，则前 后制动器的制动力分别为： ）（N 6 .5244 1 F ）（N7 .3405 2 F (1)满载时，在附着系数为 0.8 的路面上前后轮同时抱死时，地面对车轮的制动力： 前轴制动力： ）（N 6 .4878)( 1 gXb hb L G F 后轴制动力： ）（N 9 .5310)( 2 gXb ha L G F (2)空载时，在附着系数为 0.8 的路面上前后轮同时抱死，地面对车轮的制动力： 前轴制动力： ）（N 5 .6902)( 1 gXb hb L G F 后轴制动力： ）（N 6 .3430)( 2 gXb ha L G F 从计算结果可以看出：当真空助力器失效后，制动器制动力均小于地面对车轮的摩擦力（空 载和满载） ，因此在制动过程中，前、后轮均不抱死。 根据牛顿第二定律公式： rf FF dt du m （18） 式中：m整车质量,kg； dt du 减速度,m/s 2； p i踏板杠杆比； u p感载比例阀空载拐点压力； s i真空助力比； f F前轴制动力,N； r F后轴制动力,N。 将前、后制动器制动力代入公式（18）得： （1）满载时： dt du =4.91m/s 22.44m/s2 （2）空载时： dt du =5.60 m/s 22.44m/s2 将空、满载减速度值代入公式（19）得： （1）满载时(V0=100km/h)：S=89.68m168m （2）空载时(V0=100km/h)：S=80.0m168m 由以上计算可知，当真空助力器失效后，GA6420SE4 在空、满载状态下，制动距离和减速度均 满足 GB21670-2008 规定的应急制动性能要求。 4.2 制动距离校核 制动距离公式为： a v vS 92.25 ) 2 ( 6 . 3 1 2 0 0 2 2 （19） 0 v制动初速度， km/h。 a制动减速度，m/s 2。 2 2 制动器的作用时间，取s4 . 0 2 2 2 。 1）在满载状态下,由于配备感载比例阀，GA6420SE4 车型在0.8 的路面上制动时，前轮先 抱死。此时前轮制动力等于地面附着力，则前轮制动力,N 55.8487 1 F根据公式（8）可以得 出前轮管路压力为 6.84Mpa,则后轮管路压力也为 6.84Mpa, 根据公式（8）可以得出后轮制动 力为N 0 .5507 2 F： 制动减速度： a= m FF 21 =7.95m/s 26.43m/s2 由公式（17）得： 制动距离(V0=100km/h): S=59.6m70m 2）在空载状态下，GA6420SE4 车型在0.8 作为常用路面上制动时，由于感载比例阀的液 压调节作用，则制动时前轮先抱死。此时前轮制动力等于地面附着力，则前轮制动力 ,N 55.6902 1 F， 根据公式 （8） 可以得出前轮管路压力为5.57Mpa,则后轮管路压力为3.64Mpa, 根据公式（8）可以得出后轮制动力为N6 .2930 2 F： 制动减速度： a= m FF 21 =7.46m/s 26.43m/s2 由公式（17）得： 制动距离(V0=100km/h): S=62.8m70m 根据以上计算可知，GA6420SE4 车型在空载及满载状态下，制动距离满足 GB21670-2008 法规的要求，设计方案合理。 4.3 真空助力器主要技术参数 图 6 GA6420SE4 真空助力器特性曲线 真空助力器采用单膜片非贯穿式，膜片直径为 9 英寸； 真空助力比：5.5； 最大助力点选（500N，7.6MPa） 。 4.4 制动主缸行程校核 前制动器工作所需液量 前 V： 32 1 2 1 22.229025 . 05414. 3 4 1 2 4 1 mmdV 前 后制动器工作所需液量 后 V： 32 2 2 2 1 .8902181.2314. 3 4 1 2 4 1 mmdV 后 式中： 1 前单个制动器摩擦片间隙之和，mm； 2 后单个制动器摩擦片间隙之和，mm； 1 d前制动器轮缸缸径，mm； 2 d后制动器轮缸缸径，mm； 总的需液量为： 3 66481 . 1)(mmVVVV 后前总 （系数 1.1 为制动软管在液压下变形引起 的容积增加） 。 主缸工作行程： mmmm d V S m 2 .17 22.2214. 3 4 1 6648 4 1 22 0 总 mm34 （20） 式中： 0 S制动主缸工作行程，mm； m d制动主缸缸径，mm。 主缸有效行程小于主缸全行程（34mm） ，满足设计要求。 4.5 制动踏板行程和踏板力校核 4.5.1 制动踏板工作行程 制动踏板工作行程公式如下： )( 02010 SiS pp (21) 式中： p i制动踏板杠杆比，4.1； 0 S主缸有效行程；17.2mm； 01 主缸推杆与活塞间隙，1.5mm； 02 主缸活塞空行程，1.5mm。 由公式(30)算得制动踏板行程 p S82.8mm 制动踏板全行程为 139.4mm，139.44/5=111.52mm82.8mm GB7258-2004 的规定： 制动踏板的工作行程不得超过踏板全行程的五分之四 （制动器有间隙自 调装置） 。 4.5.2 制动踏板力校核 分析整个制动过程，在附着系数为( 0 )的路面上制动时，前轮的压力首先达到抱死拖滑 状态，当管路中压力继续升高时，前轮制动力不再随管路中压力的升高而增大，但后轮制动力却 随压力的升高继续增大，直到后轮也抱死拖滑。若不考虑 ABS 作用，满载状态时，=0.8，校核 前轮刚要抱死时的踏板力。 此时 NFF Xb 55.8487 11 代入公式（6） ，得 p6.84MPa 由液压公式： Sp m iFi d p 4 2 (22) 式中：p 管路压力，MPa； m d 主缸直径，mm； F 制动踏板力，N； p i 制动踏板杠杆比，4.1； s i 真空助力比，5.5； 踏板机构及液压传动效率，0.8。 得满载状态下，所需踏板力： F=146.9N500N 符合 GB21670-2008 对制动踏板力的要求，设计方案合理。 4.6 驻车制动校核 4.6.1 极限倾角 汽车可能停驻的极限上、下坡倾角 u 、 d 公式分别为 g u hL a arctan (23) g d hL a arctan (24) 式中： u 汽车上坡时可能停驻的极限上坡倾角； d 汽车下坡时可能停驻的极限下坡倾角。 根据公式(31)、(32)可算出满载时对应不同路面附着系数汽车可能停驻的极限上、下坡倾角， 计算结果见表 5。 表 5 满载时汽车可能停驻的极限上、下坡倾角 maxu () max d () 0.5 19.26 14.79 0.6 23.43 17.18 0.7 27.61 19.40 0.8 31.77 21.48 由表7可以看出， 31.11 maxu 、 31.11 max d ，满足GB21670-2008满载时驻车系统在20% （ 31.11）上、下坡道上停驻的要求。 4.6.2 手柄力校核 由于后制动器为鼓式制动器，驻车制动促动机构在制动鼓内，现在没有相关参数，为此，这 里不做详细的计算。待厂家确认后，进一步校核计算。 5 结论 由以上校核计算，GA6420SE4 车型制动系统设计计算合理，能满足 GA6420SE4 项目设计及 GB21670-2008、GB12676-1999 和 GB7258-2004 等法规的要求，输出参数如表8所示： 表 8 参数输出表 输出参数 代号 单 位 空载 满载 制动力分配系数 0.61 同步附着系数 0 0.55 0.77 制动踏板工作行程 p S mm 82.8 在=0.8 的路面上达到最大减 速度时的制动踏板力 F N 146.9 在=0.8 的路面上最大制动减 速度 b a m/s2 7.46 7.95 在=0.8 的路面上最小制动距 离(V0=100km/h) S m 62.8 59.6 部分管路失效时最大减速度 （主 缸前腔管路失效） b a m/s2 2.6 4.0 部分管路失效时最大减速度 （主 缸后腔管路失效） b a m/s2 7.02 7.73 真空助力器失效时最大减速度 b a m/s2 5.6 4.91 真空助力器失效时制动距离 (V0=100km/h) S m 80.0 89.68 上坡停驻时极限倾角(附着系数 =0.8) u () 31.77 下坡停驻时极限倾角(附着系数 =0.8) d () 21.48 参 考 文 献 1. 汽车理论（第 5 版）余志生主编.北京：机械工业出版社，2009 2. 汽车工程手册（设计篇）. 北京：人民交通出版社，2001 3. 汽车设计（第 2 版）张洪欣主编.北京：机械工业出版社，1998 4. 汽车设计 刘惟信主编.北京：清华大学出版社，2001