制动系统设计规范---谢浩
制动系统设计规范
1.范围：
本规范介绍了制动器的设计计算、各种制动阀类的功能和匹配、以及制动管路的布置。
本规范适用于天龙系列车型制动系统的设计。
2.引用标准：
本规范主要是在满足下列标准的规定（或强制）范围之内对制动系统的零、部件进行设计和整车布置。
GB 12676-1999 汽车制动系统结构、性能和试验方法
GB/T 13594 机动车和挂车防抱制动性能和试验方法
GB 7258-1997 机动车运行安全技术条件
3.概述：
在设计制动系统时，应首先考虑满足零部件的系列化、通用化和零件设计的标准化。先从《产品开发项目设计定义书》上猎取新车型在设计制动系统所必须的下列信息。再设计制动器、匹配各种制动阀，以满足整车制动力和制动法规的要求。确定了制动器的规格和各种制动阀之后，再完成制动器在前、后桥上的安装，各种制动阀在整车上的布置，以及制动管路的连接走向。 3.1车辆类型：载货汽车、工程车、牵引车 3.2驱动形式：4×
2、6×
4、8×4 3.3 主要技术及性能参数：长×宽×高、轴距、空/满载整车重心高坐标、轮距、整备质量、额定载质量、总质量、前/后桥承载吨位、（前/后）桥空载轴荷、（前/后）桥满载轴荷、最高车速、最大爬坡度等。
3.4 制动系统的配置：双回路气/液压制动、弹簧制动、鼓/盘式制动器、防抱制动系统、手动/自动调整臂、无石棉摩擦衬片、感载阀调节后桥制动力、缓速器、排气
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制动。
4.制动器：
本规范仅对鼓式制动器的各主要元件和设计计算加以阐述，盘式制动器的选型和计算将暂不列入本规范的讨论范围之内。 4.1鼓式制动器主要元件： 4.1.1制动鼓：
由于铸铁耐磨，易于加工，且单位体积的热容量大，所以，重型货车制动鼓的材料多用灰铸铁。不少轻型货车和轿车的制动鼓为组合式，其圆柱部分用铸铁，腹板则用钢压制件。
制动鼓在工作载荷下将变形，使蹄、鼓间单位压力不均，带来少许踏板行程损失。制动鼓变形后的不圆柱度过大，容易引起制动时的自锁或踏板振动。所以，在制动鼓上增加肋条，以提高刚度和散热性能。中型以上货车，一般铸造的制动鼓壁厚为13～18㎜。 4.1.2制动蹄和摩擦片：
重型货车的制动蹄多用铸铁或铸钢铸成，制动蹄的断面形状和尺寸应保证其刚度。
重型货车用无石棉摩擦片（GB12676-1999第4.1.3制动衬片应不含有石棉。）的前片厚度为15㎜左右，后片厚度为18㎜左右。摩擦片材料的性能应具有：高而稳定的摩擦系数，热衰退较缓和；耐磨性好；吸水率和吸油率低；较高的耐挤压强度和冲击强度；制动时没有噪声和有毒气体发出。
制动蹄和摩擦片可以铆接，也可以粘接。粘接的优点在于衬片更换之前的使用厚度较大，但工艺复杂且不易更换衬片。铆接衬片的工艺简单、噪声较小且易于更换。东风汽车公司的制动衬片多采用铆接方式。 4.1.3制动底板：
制动底板将承受全部制动反力矩，故应有足够的刚度。刚度不足，将导致制动力矩减小，踏板行程加大，制动衬片磨损不均。重型车多用铸造底板代替压制的制动底板。
4.1.4制动器间隙自动调整装置：
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制动鼓在不制动时应能自由运转，故制动鼓和制动衬片之间必须有一定的间隙。鼓式制动器的设定间隙一般为0.2～0.5㎜。
采用自动调整装置（GB12676-1999第4.2.11.1行车制动器的磨损应能自动调整。但是，对于N2和N3类非公路车辆的制动器以及M1和N1类车辆的后制动器，可不强行要求安装自动调整装置。……）时，制动器的间隙不需要人工精细调整，只需要进行多次全制动即可自动调整到设定间隙，并且在行车过程中能随时补偿过量间隙。
自动调整装置有间隙感应式和行程感应式两种，国内常用的是间隙感应式。它感应制动器的间隙超过设定间隙值时，便自动加以调整到设定的间隙。 4.1.5制动气室：
前桥制动器一般用膜片式的普通制动气室，中、后桥制动器一般用弹簧式制动气室，它的膜片气室部分用作行车制动，弹簧气室部分用作驻车制动或紧急制动。膜片气室部分和弹簧气室部分的操纵气路完全独立，分别由脚制动和手制动控制。
膜片气室的优点在于结构简单，对气室壁的加工精度要求不高，但所容许的行程较小，膜片的使用寿命也较短。不过，膜片的价格较低，且易于更换。在工程车上很受欢迎。而活塞气室的使用寿命较高，但对气室壁的加工精度要求较高，且不易适应恶劣的路况。
对非平衡式渐开线凸轮张开装置的制动器，有：
Qa(P1P2) 2h式中 P
1、P2——凸轮对两蹄的张开力
a ——张开力对凸轮中心的力臂
2h——调整臂的臂长 Q——制动气室推杆的推力
设制动气室工作压力为p，则气室的作用面积为： AQa(P1P2) p2hp对活塞式制动气室： A4D2， D为活塞直径
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对膜片式制动气室： A12(D2Ddd2)
其中 D为气室壳体在夹持膜片处的内径，d为膜片夹盘直径。 气室的推杆行程为：l2h a式中 δ——制动器间隙
λ——安全系数， 取λ＝2.2～2.4。 制动气室的工作容积为：
活塞式制动气室： VAl4D2l
膜片式制动气室： VA2l4.2制动器的设计计算： 4.2.1制动器效能因数：
6(D2Ddd2)l
效能因数是鼓式制动器的一个非常重要的参数，它是制动器的输出力矩与输入力矩的比值。设计制动器时，就是要在有限的制动器的空间里力争尽可能高的效能因数。
对于非平衡式凸轮张开装置的领、从蹄式制动器：
领蹄： Kt1kcos1cossin
其中： h/R, kf/R, l0/R,
从蹄： Kt2
kcos\'1cossin其中： h/R, kf/R, l0/R, \'
制动器效能因数： K4Kt1Kt2
Kt1Kt2 式中：θ－领、从蹄摩擦片包角
0－领从蹄摩擦片起始角
α－最大压力线与摩擦片平分线的夹角
γ－摩擦角
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β－等效法向合力与摩擦片平分线的夹角 h－张开力对支点的力臂 f－支点与制动鼓中心的距离
l0－压力中心圆的直径 R－制动鼓半径
从上面的公式中可以看出:影响制动器效能因数的主要参数有摩擦片起始角0、摩擦片包角θ、制动蹄支承点与制动器中心的距离f、制动鼓半径R、张开力作用线到制动蹄支承点的力臂h及摩擦片的摩擦系数μ。
摩擦片的片宽较大，对制动器吸热越好，也可减少磨损。当输入力一定时，制动鼓的半径越大，则制动力矩就越大，且散热能力也越强。但制动鼓的半径和摩擦片的片宽都受到轮辋内径的限制。制动鼓与轮辋之间应保持一定的间隙，以改善制动器的散热条件。一般情况下，制动鼓与轮辋直径之比为D/Dr=0.70～0.83。制动鼓的半径R和摩擦片的片宽b是在轮辋内径的限制下确定的。
当摩擦片包角θ＝90º～100º时，磨损最小，制动鼓温度最低，且制动效能最高。θ再减小虽有利于散热，但单位压力过高将加速磨损。而增大包角对减小单位压力的作用并不大，且将使制动作用不平顺，容易使制动器发生自锁。所以，包角θ一般不大于120º。
常将摩擦片布置在制动蹄的中央，故摩擦片起始角的大小为0902。
张开力作用线到制动蹄支承点的力臂h应尽可能大，以提高制动效能，h=1.6R左右。
在保证两蹄支承端毛面不干涉的条件下，两支承端之间的距离尽可能小，所以，制动蹄支承点与制动器中心的距离f=0.8R左右。
温度不同，摩擦片的摩擦系数也不同。当温度在250ºC以下时，摩擦系数可保持在μ=0.35～0.4。在计算制动器的制动力矩时，取μ=0.3可使计算结果更接近实际情况。
4.2.2制动力矩的计算：
用效能因数法求制动蹄的制动力矩。设制动蹄的制动力矩和输入张开力分别为M和P，则MKPR 。
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4.3制动性能验算：
制动器的基本参数确定之后，制动器制动力矩的大小就已经确定了。但该制动器能否满足整车性能的要求，需按照GB12676-1999和GB7258-1997的要求作进一步的验算。
4.3.1同步附着系数计算： Fb1FF
b1b2 0LL2h
g 式中：Fb1－前桥制动器制动力(N) Fb2－后桥制动器制动力(N) β－制动力分配系数
0－满载同步附着系数 L －轴距(m) L2－汽车重心至后轴的纵向距离(m) hg－汽车重心高度(m) 4.3.2满载时制动性能：
当L20时 jmaxgL)h5(m/s2)
2(0g当时 jgL10maxL5(m/s2)
1(0)hg式中：L1－汽车重心至前轴的纵向距离(m) Ψ－附着系数 g－重力加速度(m/s2) 4.3.3剩余制动性能：
前失效时： jgL1Lh1.3(m/s2)
g
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后失效时： j4.3.4应急制动性能：
gL21.3(m/s2)
LhgjmaxFB弹m22.2(m/s)
4.3.5驻车制动性能：
按GB12676-1999规定：驻车制动系必须使满载车辆停在18%坡道上(上坡或下坡)；允许挂接挂车的车辆，牵引车的驻车制动系必须能使列车停在12%坡道上。 arcsin4.3.6比能量耗散率：
mv121.8W/mm
2前桥制动器： e14tAmv12(1)1.8W/mm2
后桥制动器： e24tAFB弹mg
式中：v1－制动初速度
A－单个制动器的摩擦片面积 t－制动时间 4.3.7比摩擦力： fMRA0.48N/mm2
式中：M－单个制动器的制动力矩
5.制动阀：
气制动管路系统中常用的制动阀类及总成有：空气压缩机、组合式空气干燥器(含卸载阀)、四回路保护阀、贮气筒、放水阀、取气阀、串联式双腔制动阀、快放阀、感载阀、弹簧制动气室、手控阀、差动式继动阀、挂车控制阀、分离开关及连
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接头、排气制动阀、缓速器、ABS电磁阀、单向阀、继动阀等。 5.1空气压缩机：
空压机用来向汽车气制动系统或其它辅助用气装置提供必要的能源，即一定的气压和空气量。空压机经皮带轮由发动机驱动。空气经滤清器到达空压机吸气口，由进气门进入气缸。气体被活塞压缩后，经排气门到达空压机供气口，再经干燥器、四保阀等进入贮气筒。 5.2组合式空气干燥器: 由于经空压机压缩后的气体温度很高(一般在220℃左右)，因此空气中包含的水分和油污将随同空气一起进入了管路中。含有水蒸气的压缩空气，经过管道凝聚成水。这些水分会引起金属零件锈蚀，橡胶密封件龟裂、润滑油脂分解失效，管路堵塞等故障，严重影响行车安全性。特别在寒冷地区的冬季，滞留在管路中的水分容易冻结成冰，破坏阀的正常工作，甚至使制动操纵失效。组合式空气干燥器利用分子筛作为干燥剂，采用与卸载阀一体的整体式结构，利用卸载阀排气的动作，使再生贮气筒中的压缩空气反向通过干燥筒，将干燥剂表面吸收的水分和油污排入大气，实现分子筛的再生活化，更长期有效地清洁压缩空气中的水分及其它杂质。
空气干燥器的干燥剂需要经常拆洗或更换，所以，空气干燥器的安装位置应在维修时容易接近的地方。 5.3四回路保护阀：
四回路保护阀是当整车双回路其中一条回路失效时,不仅能保护其它未失效回路制动性能不受损坏，而且还能保证空压机向未失效的回路中继续充气，使整车达到GB12676-1999中规定的失效后的剩余制动性能的要求。四回路保护阀装配在组合式空气干燥器的后面，从此把气体分成各自独立的几路(三或四路)引入贮气筒中。 5.4贮气筒：
贮气筒作为制动系统的储能装置，其配置应相对独立。前桥和后桥作为双回路的行车制动系统，需配置独立的前、后桥贮气筒；驻车制动系统、排气制动和离合器、变速箱等辅助用气需配置一个辅助贮气筒；有空气悬挂的汽车，还需配置一个空气悬挂贮气筒。贮气筒容积的大小应适当，容积太小将导致每次制动后贮气筒中压力降低过大，减小了有效的制动次数。同时，空压机需频繁地给贮气筒充气，降低了空压机的使用寿命。容积太大，将导致整车布置困难，同时也延长了起步时间。
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贮气筒的配置和容积的大小应以GB12676-1999的相关规定来确定。 5.5放水阀：
放水阀是把积存在贮气筒中的水分用手动的方式排入大气中。放水阀应装配在每个贮气筒的最低位置。且应保证放水阀的操纵在驾驶员容易接近的地方。 5.6取气阀：
取气阀直接连接在辅助贮气筒的外面，是给轮胎充气提供方便的一种装置。它也可用来测试贮气筒中的气压。 5.7串联式双腔制动阀：
制动阀用来操纵汽车及其挂车的行车制动器，其制动效能的大小随操纵力的大小按比例地变化。且不管汽车的速度、载荷情况如何，均能保证安全、迅速和有效地把汽车制动住。东风汽车公司最常用的制动阀有两种结构：串联式双腔制动阀和并联式双腔制动阀。串联式常用于平头车，布置于驾驶室内；并联式则常用于长头车，布置于车架大梁上，通过连杆机构由驾驶员直接操纵。 5.8快放阀: 快放阀能够迅速地将制动气室中的气压排入大气，以便迅速解除制动。快放阀常用来控制单前桥车辆的前桥制动器。通常布置于车架第一横梁上。 5.9感载阀：
重型载货汽车，空、满载时整车质量分布变化较大，空载时后轴承载的载荷较小，而满载时后轴承载的载荷又较大。但传统的设计是根据满载时的轴荷分配来确定前、后轴的制动器的制动力，而前、后制动器的输入压力是基本相同的，因而空载时后轴制动力明显偏大，使得空载制动时往往在很小的输入压力下后轴车轮就会抱死，而此时前轴的制动能力还未充分发挥出来，而且还会导致制动跑偏甚至甩尾，是一种非常危险的工况。
感载阀能使后轴制动力随其轴荷的变化自动地调节，使前、后轴车轮尽量接近同时趋于抱死状态，以期获得较理想的利用附着系数。感载阀集继动阀和自动感载阀的功能于一体，对制动气室进行快速的充、放气，它布置方便，功能可靠，在气压制动中使用较多。双后桥的汽车，需用一套特殊的连接机构，把两后桥连接在一起，由感载阀控制。 5.10弹簧制动气室：
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弹簧制动气室由两部分组成，膜片气室部分用于行车制动，由脚制动阀操纵，属于充气制动；弹簧气室部分用于驻车制动或紧急制动，由手制动阀操纵，属于放气制动。弹簧制动气室膜片腔的规格应由GB12676-1999中的相关要求确定。弹簧制动气室弹簧腔的规格应由驻车坡度和紧急制动的要求确定。 5.11手控阀：
手控阀是一个手操纵的制动阀，它用作驻车制动和紧急制动的操纵。制动的动作可以通过排气的方式达到。手控阀应布置在仪表板上或驾驶员座椅的左边及右边等驾驶员容易操纵的地方。 5.12差动阀：
差动阀用在装有弹簧式制动气室的汽车上，以防止行车制动(膜片制动气室)和驻车制动或紧急制动(弹簧制动气室)同时操纵，在制动器上产生重叠的制动作用力，保护制动器不致超负荷。同时使弹簧制动气室快速地充、放气。
驾驶员只要踩下脚制动阀，使行车制动起作用时，弹簧制动气室即被解除。 5.13挂车控制阀: 挂车控制阀装在牵引车上，用以操纵半挂车的制动。挂车控制口的信号来自于串联式双腔制动阀的上腔（后桥）和下腔（前桥）以及手控阀。它们中任一控制信号都可以完成对挂车的操纵。挂车阀三个控制口的符号（++-）是表示： “+”是输出气压随输入气压的增加而增加，用于挂车行车制动操纵；“–”是输出气压随输入气压的减少而增加，用于驻车制动或紧急制动操纵。
带有越前性装置的挂车操纵阀，越前量为0～100KPa之间。由于主车分离开关与挂车紧急继动阀之间的管路长达15m以上，且有相当大的节流损失。要达到制动时主车与挂车气室推杆同时开始运动，那么主车的感载阀与挂车的紧急继动阀的控制口气压应相同。因此，在主车上安装这种使制动时主、挂车控制阀控制口气压接近的阀的功能叫越前。越前并非是让挂车先于主车制动，而是挂车控制阀控制口的气压稍高于主车控制阀控制口的气压，从而达到主、挂车同时制动。 5.14排气制动阀和缓速器：
排气制动和缓速器主要是在下长坡时作为辅助制动，可减少制动器的负荷，缓解制动器的热衰退，延长摩擦片的使用寿命，降低驾驶员的劳动强度，增加制动器的使用寿命。
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排气制动阀装在发动机的排气管上，关闭发动机排气口，使车辆减速或停止。缓速器可装在变速箱后面、传动轴或后桥上。 5.15继动阀：
继动阀的功能是用来缩短操纵气路中的制动反应时间和解除制动时间，同时起加速阀和快放阀的作用。继动阀主要装在双前桥或未装感载阀的后桥上。 5.16 ABS电磁阀：
ABS电磁阀只能用于装有防抱制动系统的汽车上，它的作用是在制动过程中，根据来自ECU的控制信号，增加、减小或保持制动气室的压力。从而使车辆在不抱死的状态下制动。
6.制动管路：
在制动管路中，有钢管和尼龙管两种制动管路。由于从空压机出来的压缩空气的温度高达220℃，所以，从空压机到四保阀的制动管路一般用φ15㎜或φ19㎜的钢管。其余的 (若后桥制动管路离发动机排气管较近，也需用钢管) 制动管路都使用尼龙11材料的尼龙管。 6.1尼龙管：
尼龙管重量轻，比重为1.04，约为钢管的1/7.8；尼龙管柔性好，可适用较大的弯曲变形，一般不用定形就可直接装配，减少了设计人员大量的设计工作；尼龙管耐腐蚀，使用寿命长，耐油性能好；管接头不需要涂密封胶，密封性仍好。
尼龙管不耐高温(最高温度在110℃左右)，热老化性较差。 6.2钢管：
钢管的管口有两种形式：锥形管节式和扩口式。锥形管节式多用于客车、军车和EQ140车型，扩口式则主要用于EQ153及重型货车上。
两种形式的钢管都存在许多缺点。钢管的形状复杂、转弯较多，气体流动阻力较大；每车钢管的数量较多；钢管的内外必须镀锌，但管内仍有生锈的可能；钢管接头需涂密封胶，但密封性仍不很好；钢管的加工尺寸必须非常准确，否则，稍长稍短都无法装配。
钢管的优点是耐高温。其价格比尼龙管稍贵。 6.3制动管路的布置：
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在布置制动管路时，由于刚从空压机出来的压缩空气的温度较高，为保证到干燥器的气体温度为60℃左右，有利于干燥器去除空气中的水分和油污，所以，从空压机到干燥器的制动钢管应至少大于5m。若因整车布置，无法满足5m的距离，可把制动钢管做成螺旋形状以增加其长度和散热面积。
发动机上的第一空气钢管和车架上的第二空气钢管用高温软管连接，以防止发动机的跳动震断钢管。连接钢管的连管接头的两端需用管夹固定。钢管不能与尼龙管、电线束捆绑在一起。
尼龙管的布置走向，应尽量避开尖锐和高温物体。最好用支架引伸出来固定，每500m用一支架固定，每200m用扎带捆绑。保证尼龙管布置的可靠和美观。 7.制动管路系统原理图：
在重型货车上最常用到的制动管路系统原理图，大致有下面几种。但具体到某车型的制动管路系统原理图，需根据该车型的配置来确定。在原理图上没体现装配ABS系统的功能。
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