汽车制动系统原理

汽车机械基础第十六章制动系第一节概述一、定义、作用•汽车制动系是指在汽车上设置的一套（或多套）能由驾驶员控制的、能产生与汽车行驶方向相反外力的专门装置。•制动系统的作用是：①使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车；②使下坡行驶的汽车速度保持稳定。③使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车；二、制动系组成•汽车制动系一般至少有两套独立的制动装置。它们是：①行车制动装置（脚制动装置），在行车中使用。一般它的制动器安装在汽车的全部车轮上。②驻车制动装置（手制动装置），主要用于停车后防止汽车滑溜。它的制动器可装在变速器或分动器之后的传动轴上，又称为中央制动器。上述两套装置是各种汽车基本的制动装置。•重型汽车和经常行驶在山区的汽车，还应增装紧急制动、安全制动和辅助制动装置。•紧急制动是用独立的管路控制车轮制动器作为制动系统。•安全制动是当制动气压不足时起制动作用，使车辆无法行驶。•辅助制动主要用在汽车下长坡时稳定车速，可减小行车制动器的磨损，其中利用发动机排气制动应用最广。•较完善的制动系还具有制动力调节装置、报警装置、压力保护装置和防抱死装置(ABS)等附加装置。•制动系中每套制动装置都是由产生制动作用的制动器和制动传动机构组成。制动器通常采用摩擦式。三、制动系类型•1.按制动器用途分行车制动器、驻车制动器、辅助制动器。•2.按制动传动机构的制动力源分(1)人力式制动系统。单靠驾驶员施加于制动踏板和手柄上的力作为制动力源的传动机构。其中又分为液压式和机械式两种，机械式仅用于驻车制动。(2)动力式制动系统。利用发动机的动力作为制动力源，并由驾驶员通过踏板或手柄加以控制的传动机构。其中又分为气压式、真空气压式、空气液压式。(3)伺服制动系统。兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统称为伺服制动系统或助力制动系统。•3.按制动传动机构的布置形式分(1)单回路制动系。传动装置采用单一的气压或液压回路，当制动系中有一处漏气（油）时，整个制动系统失效。(2)双回路制动系。所有行车制动器属于两个彼此隔绝的回路。因而，其中一个回路失效，还能利用另一回路获得一定的制动力，从而提高了汽车制动的可靠性和安全性。四、制动装置的基本机构和工作原理•行驶中的汽车，具有一定的功能。要使它按需减速停车，路面必须对车轮产生一个阻止汽车行驶的力，即制动力。这个力的方向与汽车行驶的方向相反。制动的实质就是将汽车的动能强制地转化为热能，扩散于大气中。•一般制动系的基本结构与工作原理，可用一种简单的液压行车制动系的结构和工作原理示意图来说明。1.基本结构•它由车轮制动器和液压传动机构两部分组成。•（1）制动传动机构由制动踏板1、推杆2、制动主缸4和油管5组成。•（2）车轮制动器主要由旋转部分、固定部分和张开机构组成。旋转部分是金属的制动鼓8,它固定于轮毂上和车轮一起旋转。固定部分主要包括制动蹄10和制动底板11等。制动蹄上铆有摩擦片9,制动蹄的下端松套在支承销12上，支承销固定在制动底板上，制动蹄的上端用回位弹簧13拉紧压靠在轮缸活塞7上。制动底板用螺钉紧固在转向节凸缘（前轮）或桥壳凸缘（后轮上）。张开机构是液压制动轮缸6（又称制动分泵），它用油管5与装在车架上的液压制动主缸4（亦称制动总泵）相连通。主缸4中的活塞3可由驾驶员通过踏板1来操纵。2.工作原理•制动系统的一般工作原理是，利用固定部分和旋转部分之间的相互摩擦来阻止车轮的转动或转动的趋势。•(1)在不制动时，摩擦片9的外圆面与制动鼓8的内圆面之间有一定间隙，使车轮能自由旋转。•(2)制动时，踩下制动踏板1,推杆2推动主缸活塞3前移，制动液的油压升高后，通过油管5进人轮缸6，并推动轮缸活塞7外移，活塞7推动两制动蹄10外张。此时制动蹄10绕支承销12转动，使制动蹄上的摩擦片9压紧在制动鼓8的内圆面上。这样不旋转的摩擦片9对旋转的制动鼓8产生一个摩擦力矩Mμ，其方向与车轮旋转方向相反。制动鼓将该力矩传到车轮后，由于车轮与路面间的附着作用，车轮即对路面作用一个向前的周缘力Fμ。同时，路面也会给车轮一个反作用力Fb，方向与汽车行驶方向相反。这个力就是车轮受到的制动力。各车轮上制动力的和就是汽车受到的总制动力。制动力由车轮经车桥和悬架传给车架及车身，迫使整个汽车产生一定的减速度，甚至停车。制动力Fb越大，则汽车减速度也越大。此时汽车的动能转变为热能并扩散到空气中。•(3)解除制动时，放松制动踏板，在回位弹簧13的作用下，制动蹄10回到原位。同时蹄鼓间隙得到恢复，因而制动作用被解除。3.影响制动力的主要因素•制动力Fb不仅取决于摩擦力矩Mμ，还取决于轮胎与路面间的附着力Fφ（它等于轮胎上的垂直负荷G与轮胎和路面间的附着系数的乘积），即Fb≤Fφ，制动力最大只能等于附着力。而Mμ的大小决定于轮缸的张力，摩擦因数和制动鼓及制动蹄的尺寸。•当Fb=Fφ，时，车轮将被抱死在路面上拖滑。拖滑使胎面局部严重磨损，在路面上留下一条黑色的拖印。同时，使胎面产生局部高温，胎面局部稀化，好象轮胎与路面间被一层润滑剂隔开，使附着系数下降。因此最大制动力和最短的制动距离，是在车轮将要抱死而未完全抱死时出现的。五、对制动系的要求•1.制动性能好（制动距离小）•评价汽车制动性能的主要指标是：制动距离、制动减速度、制动力和制动时间。实际使用中，常以制动距离来间接衡量整车的制动性能。如在水平良好路面上车速为30km/h制动时，要求满载轿车和轻型货车的制动距离不大于7m,中型货车不大于8m,重型货车不大于12m。室内测试以汽车制动力的大小来判断汽车的制动性能。•2.制动稳定性好汽车的前、后轴制动力分配合理，左右轮上制动力矩基本相等，制动时不跑偏和侧滑。•3.操纵轻便即操纵制动系统所需的力不应过大。对于人力液压制动系，最大踏板力不大于500N（轿车）和700N（货车）。踏板行程货车不大于150mm，轿车不大于120mm。•4.制动可靠性好制动系各零部件工作可靠，采用双回路系统。制动系统应设有必要的安全设备和报警装置。•5.制动热稳定性好制动器摩擦片的抗热衰退性能力要高，受热恢复快。•6.制动水稳定性好摩擦片浸水后恢复摩擦系数的能力要好。•7.对挂车的制动要求挂车的制动作用略早于主车，挂车自动脱挂时能自动进行应急制动。第二节车轮制动器•制动器是制动系中用以产生阻碍车辆的运动或运动趋势的部件，一般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使旋转元件的旋转角速度降低，同时依靠车轮与地面的附着作用，产生路面对车轮的制动力以使汽车减速。•凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩的制动器都成为摩擦制动器。目前汽车所用的摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。鼓式摩擦副的旋转元件为制动鼓，其工作表面是圆柱面；盘式摩擦副的旋转元件是制动盘，其工作表面是圆盘的端面。•旋转元件固装在车轮或半轴上，即制动力矩直接分别作用于两侧车轮上的制动器称为车轮制动器，一般用于行车制动器。•旋转元件固装在传动系的传动轴上，其制动力矩经过驱动桥再分配到两侧车轮上的制动器称为中央制动器，一般用于驻车制动器。一、鼓式制动器•鼓式车轮制动器有内张型和外束型，前者以制动鼓的内圆柱面为工作表面，在汽车上应用广泛。（只有极少数汽车的驻车制动器采用外束型，即制动鼓的工作表面是外圆柱面）。•由于制动蹄张开机构的形式，张开力作用点和制动蹄支承点的布置方面的不同，使得制动器的工作性能也不同。按制动时两制动蹄对制动鼓作用的径向力是否平衡，鼓式制动器可分为三种：•简单非平衡式（领从蹄式）•平衡式（双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式）•自动增力式（单向自增力式和双向自增力式）1.简单非平衡式制动器•简单非平衡式（领从蹄式）制动器按其两蹄张开的力源不同，分为液压张开式（轮缸式）和气压凸轮张开式两种。1）液压张开式•BJ2020型汽车后轮采用的液压张开式制动器，由旋转部分、固定部分、张开机构和定位调整机构组成。A.结构•结构特点是两制动蹄的支撑点都位于蹄的一端，两支撑点与张开力作用点的布置都是轴对称式；轮缸中两活塞的直径相等。•沿箭头方向看去，制动蹄1的支承点3在其前端，制动轮缸6所施加的促动力作用于其后端，因而该制动蹄张开时的旋转方向与制动鼓的旋转方向相同。具有这种属性的制动蹄称为领蹄。与此相反，制动蹄2的支承点4在后端，促动力加于其前端，其张开时的旋转方向与制动鼓的旋转方向相反。具有这种属性的制动蹄称为从蹄。•当汽车倒驶，即制动鼓反向旋转时，蹄1变成从蹄，而蹄2则变成领蹄。这种在制动鼓正向旋转和反向旋转时，都有一个领蹄和一个从蹄的制动器即称为领从蹄式制动器。B.工作原理•当踩下制动踏板，制动液被压入轮缸19，推动制动轮缸活塞5向两端移动，而通过活塞顶块6推动两制动蹄压向制动鼓，使蹄与鼓之间产生摩擦力，实现汽车制动。•松开制动踏板，制动蹄在回位弹簧4、10的作用下回到原位，制动液流回主缸，制动即被解除．C.制动助势与制动减势•相同的张力Fs•法向反力Fn1和Fn2•切向反力Ft1和Ft2•支撑反力S1,S2•制动时，制动蹄1和4是在相同的张力Fs作用下张开的，两蹄分别绕各自的支承点2和3向外偏转到紧压在制动鼓5上。与此同时，制动鼓对两制动蹄分别作用有法向反力Fn1和Fn2,及相应的切向反力Ft1和Ft2（摩擦力）。假设这些反力都集中作用于摩擦片的中央，两蹄上的这些力分别由其支点的支撑反力S1,S2所平衡。•设车轮旋转方向如图所示，则前制动蹄1所受的摩擦力Ft1形成的绕支点2的力矩与张开力Fs所形成的绕支点2的力矩是同向的。因此Ft1作用的结果是使前制动蹄1对制动鼓的压紧力Fn1增大，从而也使摩擦力Ft1增大，称这一作用为“助势”作用，制动蹄1称为助势蹄或转紧蹄。而后制动蹄4所受的摩擦力Ft2作用却相反，Ft2和Fs绕支点3形成的力矩是反向的,Ft2有使制动蹄4离开制动鼓的倾向，蹄对鼓的压紧力Fn2减小，从而也使摩擦力Ft2也减小，即起了“减势”作用，相应地称之为减势蹄或转松蹄。结论•由上可知，虽然蹄1和蹄4所受的张力Fs相等，但两蹄所受到制动鼓的法向力却不相等，即Fn1Fn2,相应的有Ft1Ft2，故两制动蹄对制动鼓所施加的制动力矩是不相等的。在其他条件相同的情况下，助势蹄的制动力矩约为减势蹄的2-2.5倍。凡制动鼓所受来自两蹄的法向力不能互相平衡的制动器称为非平衡式制动器。•倒车制动时，因制动鼓旋转方向（即摩擦力方向）的改变，原助势蹄变为减势蹄，原减势蹄变为助势蹄，但制动效能仍与汽车前进制动时相同。称这一特点被称为制动器制动效能的对称。•领从蹄式制动器存在两个问题：•其一是在两蹄摩擦片工作面积相等的情况下，由于领蹄与从蹄所受法向反力不等，领蹄摩擦片上的单位压力较大，因而磨损较严重，两蹄寿命不等。为使两蹄摩擦片磨损均匀，寿命接近一致，可使前制动蹄片长于后制动蹄摩擦片。此时，应注意两蹄安装时不能互换位置。•其二是由于制动蹄对制动鼓施加的法向力不相平衡，则两蹄法向力之和只能由车轮轮毂轴承的反力来平衡，这就对轮毂轴承造成了附加径向载荷，使其寿命缩短。2)凸轮式制动器•目前，所有国产汽车及部分外国汽车的气压制动系统中，都采用凸轮式张开装置的车轮制动器，而且大多设计成领从蹄式。•由于前制动蹄1有领蹄作用，后制动蹄2有从蹄作用，又有凸轮6对前制动蹄1促动力较小，对后制动蹄2促动力较大这一情况，所以，前后制动蹄片1、2的制动效果是接近的。2.平衡式制动器•如果制动器两蹄均为领蹄（助势蹄）或均为从蹄（减势蹄），则两蹄施加给制动鼓的两个法向力互相平衡，这种制动器成为平衡式制动器。•其中只有在前进制动时两蹄为助势的，称为单向助势平衡式（单向双领蹄式）制动器。•无论在前进或倒驶制动时，两蹄均为助势的称为双向助势平衡式（双向双领蹄式）制动器。•在前进制动时两蹄为减势的，称为单向减势平衡式（双从蹄式）制动器。1）单向双领蹄式•双领蹄式制动器与领从蹄式制动器在结构上主要有两点不相同：•一是双领蹄式制动器的两制动蹄各用一个单活塞式轮缸，而领从蹄式制动器的两蹄共用一个双活塞式轮缸；•二是双领蹄式制动器