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1、 中国矿业大学徐海学院毕业设计目 录第1章 概述31.1 制动器实验台的概述31.2 盘式制动器的结构31.3 盘式制动器的优点41.4 制动器摩擦片应用机理与性能要求91.5 摩擦材料性能要求101.6 摩擦热对制动摩擦副的影响121.7 本课题研究的主要内容131.8 本章小结14第2章 实验测量装置的总体设计142.1 实验台研制的主导思想152.2 实验台的组成152.3 实验台的工作原理及总体布置15第3章 实验台机械结构设计163.1 设计原始参数163.2 闸瓦试件的形状及尺寸的确定173.3 夹具设计183.4 电动机的选型计算193.5 轴的设计计算及强度校核203.6 联轴
2、器的设计263.7 飞轮的结构设计273.8 制动盘的设计273.9 键的设计计算283.10 传感器的选型293.11 轴承的计算选型303.12 实验台的结构设计313.13 本章小结32第4章 液压系统的设计334.1 加压油缸的设计选型及结构设计344.2 泵的选择394.3 溢流阀的选择424.4 卸荷阀的选择434.5 单向阀的设计选择434.6 电机、油箱及其附件的选择444.7 液压站的设计454.8 本章小结46第5章 测控系统的设计475.1 测试参数的测定475.2 测试系统的组成495.3 数据的采集与处理505.4 调速系统的设计525.5 汇编语言程序545.6 本
3、章小结667 参考文献678 致 谢69第1章 概述1.1 制动器实验台的概述 制动器能用来减低机械设备的运行速度或者使其停止，是车辆、爬行机器和许多固定设备安全工作的重要装置。摩擦制动器具有结构简单、工作可靠的优点，己广泛地应用在各种机械设备中。其工作原理是利用摩擦副相对运动时，接触表面所产生的摩擦阻力来调节相对运动速度大小，以停止运动。随着机械设备上速度的不断提高，对制动器性能的要求也越来越高，因此制动器生产企业需要对制动器进行各种质量检测和性能综合评价。制动器试验台是测定和分析制动器性能和质量的试验装置。制动器生产企业要求试验台系统能够检测制动器的各种性能，其具体测试项目为:制动器性能试
4、验、制动器热衰退及恢复试验、制动衬片、块磨损试验、制动器噪声测定、试验过程中温度的同步测量和记录;记录输入管路压力和输出制动力矩的关系;记录制动时间和输出力矩的关系。1.2 盘式制动器的结构 盘式制动器的工作表面为圆盘的两侧平面(少数为圆锥面)，其摩擦副由制动盘和制动块(或摩擦盘)组成，沿制动盘的轴向施加压力，制动盘轴不受弯曲，制动性能稳定、可靠。由于盘式制动器的制动盘暴露在空气中，使得盘式制动器有优良的散热性，当车辆在高速状态做紧急制动或在短时间内多次制动，制动的性能较不易衰退，可以让车辆获得较佳的制动效果，以增进车辆的安全性。并且由于盘式制动器的反应快速，有能力做高频率的制动动作，因此许多
5、车型采用盘式制动器与ABS系统以及VSC，TCS等系统搭配，以满足此类系统需要快速制动的需求。鉴于盘式制动器的结构特点，制动时盘上某处材料表面与片处于周期性间歇摩擦接触，这种移动热源造成的热冲击，以及反复制动过程中的冷热冲击、制动压力和摩擦力的协同作用可导致表面热开裂和(热)磨损。图1-1 盘式制动器工作原理1.3 盘式制动器的优点 与鼓式制动器相比，盘式制动器具有以下突出优点: (1)热稳定性好。 盘式制动器无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦系数的影响较小，即制动效能稳定。鼓式制动器受热膨胀后，工作半径增大，使其只能与制动蹄中部接触，从而降低了制动效能。而盘式制动器中制动盘的轴向热膨胀极小
6、，径向热膨胀根本与性能无关，故不会因此而降低制动效能。 (2)水稳定性好。 盘式制动器中摩擦块对制动盘的单位压力较高，易于将水挤出。在车轮涉水后，制动效能变化较小，且由于离心力的作用及衬块对制动盘的摩擦作用，出水后只需一二次制动，性能即可恢复。而鼓式制动器则需多次甚至10余次制动，性能方能恢复。 (3)在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量较小。 (4)制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会象制动鼓的热膨胀那样使制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大。 (5)容易实现间隙自动调整，其他保养修理作业也较简便。 除了以上制动性能的优势外，盘式制动器在使用中还有噪音低、振动小等特点，改善了乘坐舒适性
7、。 由于具备稳定可靠的制动性能，盘式制动器大大改善了汽车高速制动时的方向稳定性，因此取代传统的鼓式制动器已成为现代制动器发展的必然趋势。其中液压盘式制动器几乎是现代轿车的标准配置，尤其是用在轿车前桥上。而气压盘式制动器也大量应用于客车、中重型车辆上，其发展前景非常广阔。1.4 制动器摩擦片应用机理与性能要求1.4.1摩擦和运动 对机械运动来说，是在运动过程中一种物体与其它物体相接触，或者与其周围的液体或气体相接触。这样会产生接触摩擦，导致运动物体的速度减慢或停止。阻止运动物体的运动，使其运动速度减慢和停止的力为摩擦力（F），或者是介质阻力。摩擦力的方向与运动切向力方向相反。我们把摩擦力与施加在
8、摩擦物体上的垂直负荷，即正压力（N）之比值，称之为摩擦系数。即 式中：摩擦系数 F摩擦力 N负荷 摩擦力对运动物体作功的过程中，消耗掉运动物体的动能，在摩擦过程中，消耗掉的动能转化成热能，以摩擦热的形式表现出来。摩擦材料工作表面摩擦时的瞬时温度可达到1000，这样的温度升高对摩擦物体接触表面的摩擦性能会产生各种影响。1.4.2摩擦基本理论摩擦是两个物体在压力作用下相互接触并在接触表面发生相对运动所引起的现象。摩擦是这个现象本身的力学特性。两个在接触表面相互摩擦的物体，称之为摩擦偶件或摩擦副。汽车的刹车片与制动盘或制动鼓就组成了摩擦副。摩擦材料的摩擦表面在摩擦过程中的作用机理，是属于干摩擦理论的
9、范畴，主要为两种：一是“粘着理论”，二是“分子机械理论”。两个相互摩擦的物体表面总是在某些点上发生接触，真实接触面积比理论上的接触面积要小，其比值因接触材料的的机械性能、接触表面的光洁度、温度等情况的不同，可在1/1000至1/10的范围内变化。由于真实接触面积（A）小，即使在负荷（N）很小时，真实接触面积上，也会产生很大的单位压力。粘着理论 在很大的单位压力影响之下，一般物体即使硬和韧的金属表面也会发生塑性变形，此时在塑性接触点上的应力等于较软材料的压缩屈服强度极限或流动压力 ，真实接触面积等于负荷与流动压力之比，即： 式中：A为真实接触面积。由此可知，若负荷增加或较软材料压缩屈服强度极限降
10、低，都会使真实面积增大。 当两物体表面摩擦时，接触点产生的瞬时温度可达1000，并可持续千分之几秒，高温会引起二物体发生“粘着（或称为冷焊），两物体表面相对移动过程中，这些粘着点就被剪切断掉，二物体发生“滑溜”，摩擦就是这种“粘着与滑溜交替进行的过程（当摩擦速度变快时，这种跃动式过程变得不明显）。 这种过程使两物体表面的相对移动受到了阻力，此阻力等于各粘着点被剪断时阻力的总和。这构成了摩擦力的主要原因，称之为摩擦力的“剪切项”，这项摩擦力（F）等于剪切面积（A）与剪切强度（S）的积，即：F =A S 两物体摩擦表面粗糙时，较硬材料会嵌入较软材料，并形成粘着。在相对移动时，这些“粘着点”会被剪断
11、，这是构成摩擦力的另一个原因，是摩擦力的“粗糙度项”（刨削项）。表面不太粗糙时，这项摩擦力可以不计。摩擦系数（）为就是摩擦系数（）等于材料剪切强度（S）与压缩屈服强度极限或流动压力（）之比。由此可知，当材料的剪切强度增高或压缩屈服强度极限变小，均会导致材料摩擦系数的增大。 当摩擦材料中含有相当多的软质成分，构成软质摩擦材料，如橡胶基摩擦材料（软质刹车片），或摩擦表面温度在一定范围内升高时，材料的压缩屈服强度极限（）降低，导致摩擦表面真实接触面积（A）的变大，摩擦系数（）也会升高。 分子机械理论 在很大的单位压力的情况下，摩擦偶件表面的相互接触呈弹塑性混合状态，表面许多接触点互相啮合，在相对移动
12、过程中，相互啮合的部分被剪断，形成两表面相对运动的阻力。这些接触点和啮合点上产生的阻力总和，即表现为摩擦力。在表面接触部位上，也会产生分子引力（）。此分子引力的作用如同对接触表面施加负荷的作用。摩擦即是由此二项因素决定的过程；一方面是克服机械的相互啮合，另一方面是克服分子引力，称为“分子机械理论”。摩擦系数（）为摩擦力与垂直负荷和接触表面分子引力之和的比值。即： 也可以写成： 摩擦时，表面的相互啮合和分子引力的形成与破坏造成了摩擦表面的磨损。真实摩擦系数与计算得到的摩擦系数的关系为：称为真实摩擦系数，这是一个恒量，是通过计算得到的摩擦系数，不是一恒量，它随负荷的增加而降低。摩擦材料行业里经常使
13、用的摩擦系数，就是指经计算出来的摩擦系数，这不是一个恒量，是通过仪器在一定的条件下，进行测定并计算的。由于工作环境的变化及其它条件的变化，摩擦系数也发生变化。因为环境、条件也受各种因素的影响而变化，影响摩擦系数的因素就会更为复杂。1.4.3 磨损基本理论 汽车摩擦材料是一种成分复杂的复合材料，其中含有有机粘结剂，增强纤维，润滑剂及摩擦性能调节剂等，在摩擦磨损过程中，各组分相互作用、相互制约。摩擦材料与偶件间的摩擦可以使其接触表面变形、粘着点撕裂和使硬质点或磨屑产生犁切作用，其作用程度和表面形貌、滑动过程、使用的材料及环境因素等有关。所以摩擦磨损过程非常复杂，摩擦偶件之间的界面处不仅有复杂的物理
14、作用，还有复杂的化学过程。许多研究表明，汽车摩擦材料的磨损形式主要有以下几种 ： (1)热磨损 高速行驶的汽车在制动过程中，动能转化为摩擦材料与其偶件之间因摩擦而产生的热能，致使摩擦材料温度升高，从而使摩擦材料中的某些组分发生诸如高温分解、氧化、颗粒化、暴裂融化、蒸发和升华，以及伴随着机械力变化的一系列物理的和化学的现象，使摩擦材料原子间结合不断破坏，导致材料磨损。高温分解主要出现在摩擦材料的芯部而较少发生在边缘和角部;而氧化现象主要出现在边缘和角部:摩擦材料的暴裂反应出现在苛刻制动条件下，瞬间产生的高热使亚表面固体汽化。 (2)粘着磨损 摩擦材料与其偶件在压力作用下，表面上微凸体受到应力较大
15、，发生塑性变形，有些接触点间的长程范德华力将起作用，出现强烈的短程交互作用力，在没有表面膜存在的情况下，两个接触表面将通过分子间的作用发生粘着。当摩擦材料在偶件表面上滑动时或压在其表面上然后拉开时，表面上一些小颗粒将会从一个表面粘附到另一个表面上，有时被粘附的表面材料又会回到原来表面上，发生反粘附。这些被转移的表面材料经过反复地粘附与反粘附及挤压等过程，会发生加工硬化、疲劳、氧化等过程，从而形成游离的磨屑脱落下来。同时，由于在摩擦过程中摩擦材料的表面瞬时温度可高达700以上，导致有机树脂变软甚至分解以及偶件局部产生由珠光体到马氏体的相变，粘接点在剪切力的作用下，会使摩擦材料表面产生较大的磨屑，甚至使增强纤维从摩擦材料中抽出导致较大磨损。 (3)磨
