摘 要

传统燃油车辆对石油的依赖以及排放的大量有害气体堪忧，发展新能源汽车已经势在必行。

在发展新能源汽车的同时，原始制动系统也需要做相应更改。受当下技术条件及研发成本的限制，对原有制动系统进行改进使其适用于新能源汽车是现阶段比较可行的办法。本文基于“改进”思路对一款纯电动汽车制动系统进行设计。除了传统的液压制动器，新能源汽车的制动系统还包括能量再生制动，本文对典型的控制策略进行了比较和分析，并选择了并行制动能量回收控制策略来分配制动力；液压制动方面采用智能助力器iBooster替代原有的真空泵实现助力并更好地实现制动能量回收。

此次设计中，前后制动器均设计为浮动卡钳盘式，其中前轮采用通风盘，后轮用实心盘；制动驱动机构设计为简单人力液压型，双回路制动管路呈X型布置。最后做制动系统的性能验算，并利用MATLAB绘制制动力分配线及利用附着系数曲线判断法规的符合性，使用CATIA建模和组装制动部件，利用caxa CAD绘制各零件的二维工程图及制动系统的结构图。

关键词：新能源汽车；制动；iBooster；钳盘式制动器

Abstract

The dependence of traditional fuel vehicles on oil and the large amount of harmful gases emitted are worrying. It is imperative to develop new energy vehicles.

At the same time as the development of new energy vehicles, the original brake system needs to be changed accordingly. Due to the current technical conditions and research and development costs, it is a feasible method to improve the original braking system to make it suitable for new energy vehicles. This paper designs a pure electric vehicle brake system based on the "improvement" idea. In addition to the traditional hydraulic brakes, the braking system of the new energy vehicle also includes energy regenerative braking. This paper compares and analyzes the typical control strategy, and selects the parallel braking energy recovery control strategy to distribute the braking force; hydraulic braking In terms of the use of the intelligent booster iBooster instead of the original vacuum pump to achieve assistance and better achieve braking energy recovery.

In this design, the front and rear brakes are designed as floating caliper discs, in which the front wheel adopts a ventilated disc and the rear wheel uses a solid disc; the brake drive mechanism is designed as a simple manual hydraulic type, and the double-circuit brake line is arranged in an X-shape. Finally, the performance verification of the brake system is performed, and the brake force distribution line is drawn by MATLAB and the compliance coefficient is judged by the adhesion coefficient curve. The CATIA is used to model and assemble the brake components. Using caxa CAD to draw the 2D drawings of the various parts and the structural diagram of the brake system.

Key Words：new energy vehicles；brake；iBooster；clamp disc brake

目 录

第一章 绪论 1

1.1 汽车制动技术研究现状 1

1.2 选题背景及意义 1

1.3 制动系统概述 2

1.3.1 制动系统的功能 2

1.3.2 制动系统的组成与分类 2

1.3.3 制动系统的设计要求 2

1.4 本文主要工作与研究内容 3

第二章 新能源汽车制动系统设计方案确定 4

2.1 新能源汽车制动系统与传统能源汽车制动系统的异同 4

2.2 新能源汽车制动系统总体方案确定 4

2.2.1 液压制动助力方案选择 4

2.2.2 再生制动前后轴制动力分配控制策略选择 5

2.3 制动器结构型式分析与选择 7

2.3.1 鼓式制动器 8

2.3.2 盘式制动器 8

2.4 制动驱动机构型式选择 9

2.4.1 简单制动系 9

2.4.2 动力制动系 9

2.4.3 伺服制动系 9

2.5 分路系统型式选择 9

2.5.1 II型回路 9

2.5.2 X型回路 10

2.5.3 其他类型回路 10

第三章 制动系统主要参数确定 11

3.1 参考车型制动系相关主要参数值 11

3.2 同步附着系数的确定 12

3.3 前后轮制动力分配系数的确定 13

3.4 地面对前、后车轮的法向反作用力 13

3.5 制动器最大制动力矩的确定 14

3.6 应急制动和驻车制动的制动力矩 14

3.6.1 应急制动 14

3.6.2 驻车制动 16

3.7 制动效能因数 17

第四章 浮钳盘式制动器结构设计计算 19

4.1 盘式制动器主要元件结构设计 19

4.1.1 制动盘 19

4.1.2 制动钳 19

4.1.3 制动块 20

4.2 主要参数确定 21

4.2.1 制动盘直径 21

4.2.2 制动盘厚度 21

4.2.3 摩擦衬块外半径与内半径 21

4.2.4 制动衬块工作面积 22

4.3 磨损性能验算 22

第五章 液压制动驱动机构设计计算 24

5.1 制动轮缸直径确定 24

5.1.1 前制动轮缸直径确定 24

5.1.2 后制动轮缸直径确定 24

5.2 制动主缸直径确定 25

5.3 制动踏板力 26

5.4 制动踏板工作行程 26

第六章 制动系统性能验算 27

6.1 制动性能评价及分析 27

6.2 制动器制动力分配曲线分析 27

6.3 利用附着系数与制动强度 28

6.4 前后制动器制动力分配的要求 28

6.4.1 ECE制动法规 28

6.4.2 制动力分配调节 29

6.5 制动减速度与制动距离计算 29

第七章 总结 31

参考文献 31

致谢 33

附录A 33

绪论

1.1 汽车制动技术研究现状

自汽车诞生以来，汽车制动系统在汽车安全性方面发挥了非常重要的作用[^[1]]，并随着汽车的发展而不断发展。最初的制动力需求较小，仅通过司机操作一套极为简易的机械部件给制动器施加作用力实现。随着汽车自身重量的增加和行驶速度的逐步提高，汽车制动时所需要的制动力变得越来越大，单靠人力已不能满足安全制动的要求，由此出现了液压制动。随着电子技术的发展和成熟，被称作汽车史上三大发明之一的ABS防抱死系统在20世纪80年代后期开始使用及推广。如今，ABS系统已经在各类汽车上得到了广泛应用，成为了汽车的基本设备[^[2]][^[3]]。

近些年，“线控”概念开始盛行，在制动方面开始了对线控制动技术的研究，对电控机械制动的研发也在逐步进行。通俗来讲，电控机械制动也就是用电动机作为制动驱动机构，相较于传统的液压驱动， 制动的响应速度及制动效能都得到有效提高，它还简化了制动系统的结构，使得装配及维护变得更加容易[^[4]]。

如今，随着低碳经济的不断推进，新能源汽车已成为汽车工业发展的重要趋势，然而，新能源汽车的出现对制动系统产生了影响。新能源汽车减少或是没有了对发动机的依赖，导致汽车失去了真空来源，传统汽车制动系统就无法在新能源汽车上实现[^[5]]。由于当前的技术还不够成熟， 现阶段更多地倾向于用智能制动助力器解决这个问题。但放眼未来，为了满足制动可靠性好、响应速度快的要求，将液压制动系统与电子线控制动系统二者结合是一个重要的发展趋势。

此外，新能源汽车的制动系统还包括再生制动系统，与传统的液压制动系统共同作用实现汽车的制动[^[6]]。从总体来看，国外由于较早就着眼于再生制动，所以无论是理论研究还是实践运用都走在前面。国内众多研究机构和大学开展了以再生制动技术为重点的相关研究，并取得了很大进展，但相对于国外的先进技术，当前我们国家对于再生制动有关技术开展的研究尚且处于初级阶段，技术积累相对来说比较薄弱[^[7]]。

1.2 选题背景及意义

当今，全球能源及环境正面临着严峻挑战，新能源汽车的发展是应对节能减排重大挑战的必然[^[8]]。混合动力汽车和纯电动汽车等新能源汽车减少或是摆脱了对传统燃油的依赖，而汽车上很重要的制动系统也因新能源汽车对制动系统有了新的要求，需要进行相应的变革。新能源汽车的制动系统里，既包含传统汽车的摩擦制动，也包括新能源汽车独有的能量再生制动，因此采用的是一种混合制动模式[^[9]]。国外研究发现，在启动与制动较频繁的城市工况运行条件下，再生制动系统可以有效地恢复制动能量，电动汽车可以将能耗降低15%，从而延长电动汽车的行驶里程10%~30%[^[10]]。

由于电池和电机技术的局限性，新能源汽车尤其是纯电动汽车的发展受到高成本和短行驶距离的阻碍[^[11]][^[12]]。再生制动能量回收技术是延长电动车续驶里程、降低百公里能耗的有效手段，是研究电动汽车的一个关键问题[^[13]]。新能源汽车独有的再生制动系统，不仅能延长汽车的行驶里程，提高能量利用率，而且还可以减少摩擦片磨损，提高车辆的经济使用率和驾驶安全性 [^[14]]。

因此，新能源汽车制动系统的设计对目前汽车行业的发展有着至关重要的现实意义！

1.3 制动系统概述

1.3.1 制动系统的功能

制动系统的基本功能包括三个方面：

1. 使汽车按恰当的减速度减速行驶直到停车。
2. 使汽车在下坡行驶时维持稳定的车速。
3. 使汽车能够可靠地停驻在原地（含坡道）。

1.3.2 制动系统的组成与分类

制动器及制动驱动机构是制动系的两个基本组成部分 [^[15]]。

制动系必须包括行车及驻车两套彼此独立的制动装置，此外，部分车辆也装备应急制动及辅助制动装置。

行车制动即车辆行进过程中欲使其降速亦或是停车时所使用的，通常用脚操纵。

驻车制动装置使汽车可靠地停在原地（包括坡道上），也用于汽车坡道起步。

当普通行车制动装置失效时，则使用应急制动装置，通过机械力使汽车停止。

辅助制动装置配备有诸如缓速器的辅助制动器，使得车辆在下坡时能够保持一个稳定的车速，并且同时减小行车制动装置的负荷。

1.3.3 制动系统的设计要求

（1）具有充分的制动效能。

（2）可靠性好。制动系统各零部件工作可靠。

（3）汽车在任意时候制动都不该失去方向稳定性及操作性。

（4）制动的热稳定性要好。

（5）制动水稳定性好。

（6）操纵要轻便。

（7）作用滞后时间短。

（8）减少公害。制动系统的工作噪声应尽量低。摩擦衬块的材料在制造及使用过程中，应尽可能减少污染。

（9）能调整制动间隙。摩擦副磨损后，应该有一种机制可以消除磨损造成的间隙，同时调整间隙的工作应该很简单。

1.4 本文主要工作与研究内容

（1）了解汽车制动技术的发展历程及国内外发展现状。

（2）查阅资料了解制动相关的法规和标准。

（3）确定新能源汽车制动系统的设计方案并分析。

（4）完成制动系统及部件的设计计算。

（5）完成零部件的结构设计。

（6）绘制制动器的3D装配图、主要部件图。

（7）完成制动系统的布局示意图。

新能源汽车制动系统设计方案确定

2.1 新能源汽车制动系统与传统能源汽车制动系统的异同

除了传统燃油车辆的摩擦制动之外，新能源车辆的制动系统还包括能量再生制动。简单来说，能量再生制动是指电动汽车制动时，电动机在一台发电机的状态下工作，通过能量转换装置给蓄电池充电，即制动能量可以恢复部分制动能源。制动过程中，在大多数情况下，它是混合制动模式。

在摩擦制动方面，传统能源汽车是通过发动机的进气歧管为真空泵提供真空源而实现助力的；而新能源汽车减少或是摆脱了对发动机的依赖，致使原有的制动系统在新能源汽车上无法实现。面对这一问题，当下主要的解决思路无非是两种：一种是完全舍弃现有的制动系统，不再依靠真空助力，而是为新能源汽车开发新的制动控制技术；另一种就是着力解决“真空源”或是“助力”问题。

2.2 新能源汽车制动系统总体方案确定

对于新能源汽车与传统汽车在摩擦制动方面的差异，在两种解决思路中，前一种属于全新的研发，开发周期长、成本高而且难度大，目前汽车行业内讨论较多的就是电子线控制动系统EMB；后者只是在原有的制动系统上改进而来，难度及成本都较低，容易实现而且可靠性好。因此，本次设计中，选择简单易行的“改进”思路，即致力于处理好“真空源”或“助力”问题，选择一种恰当的方案去解决该问题。

再生制动方面，主要涉及一些控制策略问题。采用再生制动系统会对整车的制动力分布及制动稳定性造成影响，因而，基于制动安全得到保证为前提，如何建立整车制动力分配策略，尽量回收再生制动能量显得尤为重要[^[16]]。再生制动技术是目前新能源汽车研究的一个重难点问题，其中又以控制策略的研究为关键。

本毕业设计（论文）题目：“新能源汽车制动系统设计”是属于“设计类”题目，因此，把本次设计的重心放在传统的机械制动系统结构设计上，对于再生制动系统方面，只对比分析典型控制策略的优缺点、难易程度，选择适合本次设计的一种控制策略。

2.2.1 液压制动助力方案选择

基于“改进”思路，找到另外的真空源或代替介质，以完成助力器的工作，从研发成本以及研发难度方面考虑，都是现阶段较为理想的一种过渡方式。

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