毕业论文 汽车专业 汽车制动器的创新设计 机械专业

本科毕业论文 (设计)

题 目： 学 院： 专 业： 姓 名： 指导教师：

2012年 5 月 24 日

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摘要

汽车制动系统是汽车底盘重要的组成部分，关系着汽车的行驶安全性，它是保证正常驾驶的前提，直接影响着驾驶员的人身安全。制动系在汽车行驶中的重要作用决定它存在的重要价值。目前制动系的结构与制动性能相对比较完善，而在遇见特殊情况或是意外事故需要紧急刹车的情况下，由于驾驶员神经过于紧张疲劳，极其容易将油门误当刹车踩，从而造成严重交通事故。对于这种情况是目前制动器的一个漏洞，此课题设计旨在解决紧急制动情况下误把油门当刹车踩的情况。本文在进一步介绍了目前制动系的构造、组成、作用、分类的基础上，分析、研究、设计、计算了创新点：利用人体在紧急情况下的条件反射，利用握力传感器并加装辅助气压缸驱动制动系工作实现紧急制动，有效地解决了目前制动系的缺陷，是目前制动系的一个重大改进与升华。

关键词：汽车底盘、紧急制动系、传感器、气压缸

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Abstract

Car braking system car chassis important part of the relationship between car driving safety, it is the premise of ensuring the normal driving, a direct impact on the driver's personal safety. The important role of the braking system determines it necessary. The structure of the braking system and braking performance is relatively complete, to meet special circumstances or accidents require emergency braking situation, the driver's nerves are too tense and fatigue, a very easy mistake to throttle when the brake, resulting in serious traffic accidents. This situation is a loophole in the current brake, this subject is designed to resolve the emergency brake mistake the throttle when the brakes. On the basis of further information on the structure of the braking system, composition, function, classification, analysis, research, design, computing innovation: the use of the conditioned reflex of the human body in case of emergency, the use of grip sensors and the installation of auxiliary pressure the braking system of the cylinder driving the emergency brake, effectively solved the braking system defects, is a major improvement and sublimation of the braking system.

Key words: vehicle chassis, the emergency braking system, sensors, pneumatic

cylinder

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目录

第一章 前言 ........................................................................................................ 1

1.1目前汽车及汽车制动系的发展状况和趋势 ............................. 1 1.2 本课题研究目标................................................................................... 2 1.3 紧急刹车制动系统的技术理念..................................................... 2

1.3.1汽车制动系统的结构型式以及选用 ..................................... 2 1.3.2紧急刹车制动系统的设计方案以及工作内容 .................. 6 1.3.3主要制动要求及制动器参数 ................................................... 8

第二章 汽车刹车系统的各元件选择及设计 ................................. 10

2.1驾驶者通过硅液所产生的压强 .................................................... 11 2.2对引压管的选择 .................................................................................. 14

2.2.1 引压管的选择要求 .................................................................. 15 2.2.2 根据实际情况对引压管进行具体选择 ............................. 16

2.3 对传感器的选择过程....................................................................... 18

2.3.1 压力传感器型号选择和性能参数 ...................................... 18 2.3.2 压差传感器产生的电量 ......................................................... 20

第三章 紧急刹车系统气压部分的设计计算 ................................. 21

3.1紧急刹车制动系统主要技术参数 ............................................... 21

3.1.1 制动效能的确认 ....................................................................... 21 3.1.2 紧急制动系统中气压缸的需用参数 .................................. 22

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3.2 紧急制动系统中气压缸的设计................................................... 23

3.2.1 气缸径向尺寸的计算.............................................................. 23 3.2.2 气缸筒壁厚的计算 .................................................................. 24 3.2.3 气缸缸筒的设计 ....................................................................... 25 3.2.4 活塞杆的设计计算 .................................................................. 27 3.2.5 活塞的设计 ................................................................................ 28 3.2.6 前后盖的结构设计 .................................................................. 29 3.2.7 密封垫片与密封圈的设计 .................................................... 31 3.2.8气缸体的整体结构及尺寸 ..................................................... 33

3.3紧急制动系统中的空气压缩机 .................................................... 35

3.4储气罐的选用 .................................................................................... 39

3.4．1储气罐作用 ............................................................................... 39 3.4．2储气罐的设计 .......................................................................... 39

第四章 传感器与气压制动系统的有效结合 ................................. 41

4.1气压制动系统 ....................................................................................... 41 4.2传感器与制动系统 ............................................................................. 41

第五章 总结 ........................................................................................................ 42

5.1气压系统 ................................................................................................. 42 5.2传感系统 ................................................................................................. 42 5.3总紧急制动系统 .................................................................................. 42

致谢.............................................................................................................................. 45 参考文献...................................................................................................................... 46

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前言

这一章节介绍了汽车发展形势，汽车制动系统的重要性，概述了汽车制动系统的组成及结构以及分析了紧急情况下汽车制动的设计方案。以及对将来设计的工作内容做了步骤计划及合理的安排，使本次设计能够顺利地进行。

1.1目前汽车及汽车制动系的发展状况和趋势

汽车行业直接影响一个国家的经济势力，世界各国家对汽车行业的发展都比较重视，汽车行业早已经成为一个发达国家的主导行业，是一个国家经济发展的命脉。中国汽车行业在每个月份的销量都是非常巨大的举个例子今年四月份的时候：销售量最多的当数别克凯越它在今年四月的的销量为23179辆；大家都知道的品牌大众捷达作为一个很久的品牌，在4月份里的销销售总量跟别克凯越差不多为21900多辆，它以两千多辆的销售差位于中国市场销售第二；福克斯在最近不断有新款车型上市收到广大汽车爱好者青睐，四月份它在中国市场上的销售总量是21700多辆；还有大家熟知的品牌上海大众旗下的朗逸以及桑塔纳，它们在中国市场上4月份的销售量也都达到20000多辆，分别位居中国汽车排名第四和第五名，在仅仅一个月的时间就有这么多辆汽车到了广大民众手里，可见世界各品牌的汽车销量巨大，人们对汽车的需求是非常巨大的。

目前汽车上的制动传动装置有机械式结构和液压式结构两种类型，包含驻车制动系、行车制动系，驻车制动系采用的是机械式，行车制动系多采用液压传动装置，部分行车制动系也采用气压制动装置。制动系由原始的机械制动慢慢演化为液压制动形式，在速度不断提升的现代化对制动性能要求不断提高，即要求有比较高的反映迅速又要它在制动的时候非常平稳，制动系统的好坏是直接影响汽车行驶中安全性的重要因素以及汽车在停车时候的可靠性，它是引起汽车故障事故的重要原因。

当今，随着道路不断的增加、高速公路的不断修建、汽车数量的不断增加、生活节奏越来越快，对汽车安全驾驶要求越来越高，这就要求汽车制动系安全、稳定、可靠工作。由此可见制动系是汽车非常重要的组成部分，汽车制动系的结构分析、设计计算、以及创新、改革是如今汽车制动系的重要方向。

现在汽车的操作控制形势正在努力朝着电子方式控制不断演变，当今汽车的电子制动控制的系统正面临着融合其他电子系统方式，比如说汽车电子的悬架系统、GPRS电子导航系统、汽车主动式方向摆动稳定系统等各种电子系统结合在一起成为一个比较综合的汽车电子形式的控制系统，在未来的汽车中的制动控制系统就不会单单以个体形式出现，而是将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，比如刹车系统油门系统都是靠人为脚力操作而可以用

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电子智能取以代之，实现车辆控制的电子智能化，使得汽车驾驶更加可靠和安全。

紧急制动系统在目前汽车领域还不是很完善，很多紧急情况下造成的交通事故如果能够有效的制动可大大减少发生的几率，如果在正常制动系下加装紧急制动装置，会大大降低发生交通事故的严重和破坏性，对即将面临的生命危险或是财产损失得到最大限度的保护或挽救，从而避免和降低损失。这一理念的创新点就是在于能够根据人的条件反射做出紧急制动，这一项研究将大大提高驾车安全性，是一项值得推动和实行的创新改进，具有很好实用价值以及市场前景。

1.2 本课题研究目标

1）满足紧急情况下制动准确性 2）具有制动的快速性 3）具有制动的稳定性

4）正常行驶过程中保证系统不会产生误制动

1.3 紧急刹车制动系统的技术理念

紧急刹车制动系统利用人的条件反射，在紧急情况下会紧握方向盘。从这一点出发，在汽车方向盘上加装传感装置，在汽车刹车踏板上加装辅助气压缸，当驾驶员即将面临严重事故时，手掌握紧方向盘，此时传感装置检测到握力信号，并将握力信号转换成电信号驱动辅助气压缸，从而代替脚踩刹车，既避免了踩成油门的误操作又提高了制动的及时性。

此系统在于紧急情况下实现可靠制动，避免将油门误当刹车踩，以及避免因操作不当引起的交通事故。

1.3.1汽车制动系统的结构型式以及其选用

汽车制动器是汽车安全驾驶的前提，了解汽车制动器的结构型式以及汽车制动组件的选用是设计和改进汽车制动系统的重要基础，汽车制动器具有严格的结构要求，合理的布置，这一系列结构是完成汽车制动的最合理搭配也是最重要前提。

制动传动机构主要由制动踏板、推杆、制动主缸、制动轮缸和管路组成 如图1-1

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图1-1制动机构整体框图

汽车制动系统的结构型式按制动原理分为盘式制动器和鼓式制动器。盘式制动器分为双向双领从蹄式制动器、固定钳式盘制动器、双向增力制动器，鼓式制动器按结构型式又可分为领从蹄式制动器、双领从蹄式制动器、单向增力式制动器以及浮动钳式盘制动器。（此处分类引用《汽车制动系的结构分析与设计计算》 刘惟信编著）

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图1-2领从蹄式制动器 （利用凸轮张开）

图1-3领从蹄式制动器简图

（利用制动轮缸张开）

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图1-4双领从蹄式制动器简图

图1-5单向增力式制动器

图1-5双向双领从蹄式制动器

图1-7双向增力式制动器

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汽车制动器几乎都是机械摩擦的结构型式，就是利用旋转元件与固定元件之间的摩擦来是行驶的汽车减速或是停车，按制动的情形可分为行车制动和驻车制。

下图1-8为制动系统的整体框图以及盘式制动器与鼓式制动器的结构型式及应用

图1-8制动系统的整体框图

1：盘式制动器2：制动总泵3：真空助力器4：鼓式制动器5：制动分泵6：制动蹄片7：手刹线8：制动油吼9：制动皮10： 磨损提示片

1.3.2紧急刹车制动系统的设计方案以及工作内容

紧急刹车制动系统是在应急情况下制动，因此，对紧急刹车制动系统的设计及计算相当严格。确保制动及时、有效。

本实用新型紧急刹车制动系统采用握力传感器，利用传感技术将驾驶员的应急自然反映转化成制动信号，本制动信号的产生无需经过驾驶员的反映，因此本紧急制动系统无需任何的驾驶技术，即使是驾车新手也可确保不会造成太严重的交通事故。这大大降低了发生严重交通事故的频率。

设计方案和待解决问题如下：

1．选用握力传感器加装在方向盘上，对于驾驶员正常驾车时握力传感器不起任何作业，当遇紧急情况握力加大时才会发出紧急制动信号，这是本设计任务的关键，加装在方向盘的握力传感器不应该影响正常驾驶。

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2．选用气压缸装在制动踏板上，气压缸输出力的大小应该与驾驶员踩踏力矩相同，以及计算气压缸的响应时间，保证制动的及时性。

3．气压缸在汽车正常行驶及正常制动的过程中不应该输出任何制动力，在驾驶员正常制动的时候气压岗活塞杆处于活动状态，既不应限制驾驶员踩踏制动踏板，在紧急制动情况下气压岗接收到紧急制动型号应当迅速反映，使汽车迅速制动。当汽车要在恢复正常行驶的时候，气压岗内的高压制动气体应该及时释放。

4．由信号接受信号握力传感器到信号的执行元件气压缸之间的有效配合是本设计的重点，选用气压系统各组成元件各种控制阀，以及由PLC接受传感器信号并将信号处理，来驱动气压系统控制阀完成制动需求。

5．此紧急制动系统需要选用现有的制动系统作为制动的基础系统，在此基础上进行改装与改进。

汽车紧急情况下制动流程图，如图1-9所示

图1-9 汽车紧急制动流程图

汽车制动系设计的程序

1) 根据常规汽车的整车参数计算出踏板力距大小，根据气缸活塞杆在踏板

上的位置计算出活塞杆需要输出的最小力大小。

2) 根据活塞力计算活塞面积确定气缸内径尺寸大小，以及缸筒部分的长

度，以及活塞的结构尺寸。

3) 确定气缸的一系列结构尺寸，并选用合适的壁厚。 4) 设计并计算活塞杆的长度直径，及伸出量。

5) 设计汽车方向盘，加装传感装置，并且用传感器来驱动气压系统。 6) 设计储气罐，并在气压系统中加装控制阀，实现制动过程动作。 7) 进行合理搭配，使整个系统成为有机的一体，实现紧急制动要求。

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1.3.3主要制动要求及制动器参数。

1.国标GB12676-----1999对现有制动器装置做出了具体要求。

应该适应有关的标准和规定，除了应该适应国家的标准规定和法律法规等有关要求外还应该适应地方性的法律法规，并且考虑用户要求和销售地方性规定。

2） 3） 4）

必须有足够的制动效能，规定制动器的作用时间一般为0.2~0.9秒之间。

工作可靠规定制动系统应该至少有两套，一套制动系统失灵时另外一套制动系统的制动性能不应该低于正常制动的百分之三十。 制动系统的热稳定性一定要好，在频繁制动或长时间制动的时候制动摩擦副的温度可达300~400摄氏度甚至高达700摄氏度。因此增大制动器的热容量，改善其散热性提高制动系统的热稳定性。

5） 6）

制动效能要有较好的水稳定性，在下雨天或是遇过水路面时应该在出水后反复制动5到15次恢复制动性能。

制动的过程中不应该产生振动或者噪音，制动时不能与悬架转向装置产生运动干涉等。

对于汽车制动器性能的要求详见JB 3935——58标准。

2.盘式制动器的主要参数的确定

盘式制动器的主要参数包涵制动盘直径D、制动盘厚度h、摩擦衬块内半径R1与外半径R2、摩擦衬块工作面积A 图1-10为钳盘式制动器的摩擦衬块尺寸

图1-10 钳盘式制动器的摩擦衬块

1）

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图1-11为具有通风通道的盘式刹车片结构

图1-11具有通风通道的盘式刹车片

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第二章 汽车刹车系统的各元件选择及设计

该系统主要用在驾驶汽车时出现紧急情况导致驾驶者无法及时刹车的紧急情况下。首先在方向盘中灌入硅液，在驾驶者紧急情况下下意识的握紧方向盘，使硅液产生一定的压力。该压力通过引压管传递到压力传感器上，得出相应的电量值，然后通过电信号控制器改变该电信号成为可以ZCK空气电磁阀的电量。该电量控制ZVK空气电磁阀打开，使储气瓶中的压缩空气通过zck空气电磁阀经过热交换器传递到下面的气缸中，由于大气压原因推动气缸中的杆件动作，再推动汽车本身刹车总缸杆件的动作，进而可以确保完成紧急刹车。 该系统工作过程如图2-1所示。

图2-1系统示意图

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2.1驾驶者通过硅液所产生的压强

根据实际情况可知，一般汽车方向盘的尺寸为，大号时为39-40cm，中号时为37-38cm，小号为35-36cm，车型的不同方向盘尺寸也就不同。在这里我们选择40cm为例，考虑此问题。各尺寸如图2-2所示。

图2-2 方向盘的尺寸

如图2-2 所示，设计方向盘的尺寸为40cm，并且方向盘的截面圆的直径为40mm。在方向盘上套有一个塡满硅液的方向盘套，此方向盘套的尺寸为直径46mm到直径66mm。紧套在方向盘上。

在汽车方向盘的套中灌入足量硅液，当驾驶者在遇到突然情况时，来不及踩刹车时,因为思想紧张的缘故双手会自动用力握紧方向盘，就会对方向盘套中的硅液产生了压力。如果要计算此情况下硅液所产生压力，就必须先计算人的平均握力。

驾驶者的手在紧张情况下的握力与驾驶者的性别、年龄、职业等诸多因素有关。孔筱、费起礼是天津某医院手外科的医生,他们曾经采用握力测定仪的方法对正常成人(年龄20 ~60岁)进行了很多的测试,然后根据测试人的年龄、性别等进行分类的测定，然后经统计学处理得出正常成人男性主使侧握力53.23士2. 15kg。女性为32.80土1.67kg，非主使侧握力男性的为47. 69士2.09 kg，女性的非主使侧握力为29. 81士1.60kg。然而在性别和侧别方均有高度并且显著