乘用車制動設(shè)計及仿真

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1、緒論制動系的功能汽車制動系是用于使行駛中的汽車減速或停車， 使下坡行駛的汽車的車速保持穩(wěn)定 以及使已停駛的汽車在原地（包括在斜坡上）駐留不動的機構(gòu)。汽車制動系直接影響著 汽車行駛的安全性和停車的可靠性。汽車制動系至少應(yīng)有兩套獨立的制動裝置，即行車制動裝置和駐車制動裝置。行車 制動裝置用于使行駛中的汽車強制減速或停車，并使汽車下短坡時保持的適當(dāng)穩(wěn)定車 速。其驅(qū)動機構(gòu)常采用雙回路或多回路結(jié)構(gòu)，以保證其工作可靠。駐車制動裝置用于使汽車可靠而無時間限制地停駐在一定位置甚至在斜坡上， 它也 有助于汽車在坡路上起步。駐車制動裝置應(yīng)采用機械式驅(qū)動機構(gòu)而不用液壓或氣壓驅(qū) 動，以免其產(chǎn)生故障。汽車制動系統(tǒng)應(yīng)具備

2、以上的功能。 這些功能是設(shè)置在汽車上的一套專門的裝置來實 現(xiàn)的。這些裝置是由制動控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)來組成的。 也就是由供能裝置、 操縱機構(gòu)、 傳動機構(gòu)、制動器、調(diào)節(jié)制動力裝置、 制動防抱裝置、 報警裝置和壓力保護裝置等組成。制動器的原理介紹制動器就是剎車裝置。 是使機械中的運動件停止或減速的機械零件。 俗稱剎車、 閘。制動器主要由制動架、制動件和操縱裝置等組成。有些制動器還裝有制動件間 隙的自動調(diào)整裝置。為了減小制動力矩和結(jié)構(gòu)尺寸，制動器通常裝在設(shè)備的高速軸 上，但對安全性要求較高的大型設(shè)備 （如礦井提升機、電梯等 ） 則應(yīng)裝在靠近設(shè)備工 作部分的低速軸上。有些制動器已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，并由專業(yè)

3、工廠制造以供選用。 制動器有摩擦式、液力式和電磁式等幾種。電磁式制動器雖有作用滯后小、易于連 接且接頭可靠等優(yōu)點，但因成本高而只在一部分重型汽車上用來做車輪制動器或緩 速器。液力式制動器只用作緩速器。目前廣泛使用的仍為摩擦式制動器。摩擦式制動器按摩擦副結(jié)構(gòu)形式不同， 分為鼓式、 盤式和帶式三種。 帶式只用作中央制動器制動器分類：制動器分為行車制動器（腳剎） ，駐車制動器（手剎） 。 在行車過 程中，一般都采用行車制動（腳剎） ，便于在前進的過程中減速停車，不單是使汽 車保持不動。若行車制動失靈時才采用駐車制動。當(dāng)車停穩(wěn)后，就要使用駐車制動 （手剎），防止車輛前滑和后溜。停車后一般除使用駐車制動

4、外，上坡要將檔位掛 在一檔（防止后溜） ，下坡要將檔位掛在倒檔（防止前滑） 。制動系分類：摩擦式制動器?？恐苿蛹c運動件之間的摩擦力制動。非摩 擦式制動器。制動器的結(jié)構(gòu)形式主要有磁粉制動器（利用磁粉磁化所產(chǎn)生的剪力來 制動）、磁渦流制動器（通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)制動力矩的大小）以及水渦流制 動器等。制動系統(tǒng)的一般工作原理是，利用與車身（或車架 ）相連的非旋轉(zhuǎn)元件和與車輪 （或傳動軸 ）相連的旋轉(zhuǎn)元件之間的相互摩擦來阻止車輪的轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動的趨勢。一個以內(nèi)圓面為工作表面的金屬制動鼓固定在車輪輪轂上，隨車輪一同旋轉(zhuǎn)。 在固定不動的制動底板上，有兩個支承銷，支承著兩個弧形制動蹄的下端。制動蹄 的外圓面上

5、裝有摩擦片。制動底板上還裝有液壓制動輪缸，用油管與裝在車架上的 液壓制動主缸相連通。主缸中的活塞可由駕駛員通過制動踏板機構(gòu)來操縱。當(dāng)駕駛 員踏下制動踏板，使活塞壓縮制動液時，輪缸活塞在液壓的作用下將制動蹄片壓向 制動鼓，使制動鼓減小轉(zhuǎn)動速度，或保持不動。使機械運轉(zhuǎn)部件停止或減速所必須 施加的阻力矩稱為制動力矩。制動力矩是設(shè)計、選用制動器的依據(jù)，其大小由機械 的型式和工作要求決定。制動器上所用摩擦材料（制動件）的性能直接影響制動過 程，而影響其性能的主要因素為工作溫度和溫升速度。摩擦材料應(yīng)具備高而穩(wěn)定的 摩擦系數(shù)和良好的耐磨性。 摩擦材料分金屬和非金屬兩類。 前者常用的有鑄鐵、 鋼、 青銅和粉末

6、冶金摩擦材料等， 后者有皮革、 橡膠、 木材和石棉等。課題主要內(nèi)容為給定基本參數(shù)的汽車設(shè)計與之相匹配的制動器， 合理選擇選擇制動器的類型及結(jié) 構(gòu)形式，計算確定制動器的基本參數(shù)以及相應(yīng)的主要零件，使得設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式能 滿足整車的總布置所規(guī)定裝配要求， 繪制相應(yīng)的零件圖。 其具體內(nèi)容如下：1）據(jù)課題條件選擇制動器結(jié)構(gòu)型式；2）制動器設(shè)計計算和校核；3）據(jù)課題條件設(shè)計制動器的主要部分；4）繪制制動器總裝圖；5）繪制部分主要零件圖；6）制動器主要零件模型的建立；7）制動器熱固耦合分析。課題研究的目的和意義畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)論文是大學(xué)生培養(yǎng)方案中的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過畢業(yè)設(shè)計，綜 合性地運用所學(xué)知識去分析

7、、解決一個問題，在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，對所學(xué)知識 得到疏理和運用，它既是一次檢閱，又是一次鍛煉。不少學(xué)生在做完畢業(yè)設(shè)計后， 感到自己的實踐動手、動筆能力得到鍛煉，增強了即將跨入社會去競爭，去創(chuàng)造的 自信心。通過大學(xué)的學(xué)習(xí)，從理論與實踐上均有了一定程度的積累。這次畢業(yè)設(shè)計就是 對我們以往所學(xué)的知識的綜合運用與進一步的鞏固加深，并對解決實際問題的能力 的訓(xùn)練與檢驗。其目的在于：1）培養(yǎng)正確的設(shè)計思想與工作作風(fēng)；2）進一步培養(yǎng)制圖、繪圖的能力；3）學(xué)會分析與評價汽車制動系總成的結(jié)構(gòu)與性能，合理選擇結(jié)構(gòu)方案及其有 關(guān)參數(shù)；4）學(xué)會汽車制動器一些主要零部件的設(shè)計與計算方法以及制動系總體布局的 一般方法，

8、以畢業(yè)后從事汽車技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)；5）培養(yǎng)獨立分析、解決問題的能力。22目錄摘要 IAbstract n第 1 章 緒論 11.1制動系的功能 11.2制動器的原理介紹 21.3 課題主要內(nèi)容 21.4 課題研究的目的和意義 4第 2 章 制動器的結(jié)構(gòu)形選擇 42.1 鼓式制動器的結(jié)構(gòu)形式簡介 42.2 盤式制動器的結(jié)構(gòu)形式簡介 72.3盤式制動器的優(yōu)點 82.4 該乘用車制動器結(jié)構(gòu)的最終選擇 9第 3 章制動器的設(shè)計計算 113.1 設(shè)計要求 113.2 整車參數(shù) 113.3 盤式制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 113.4 滑動鉗盤式制動器設(shè)計計算 133.5 校核計算 18第4章基于CATIA

9、軟件盤式制動器主要零件的設(shè)計 224.1 CATIA 軟件發(fā)展及其在汽車行業(yè)的使用 224.2 盤式制動器主要零件設(shè)計 234.3 摩擦材料 254.4 制動器的間隙 26第5章基于ANSYS勺制動盤熱固耦合分析 275.1 ANSYS軟件簡介 275.2 制動盤有限元模型勺建立 275.3 施加邊界約束及制動盤溫度場勺計算與分析 285.4 制動盤熱應(yīng)力場勺計算與分析 30結(jié)束語 33參考文獻 35致謝 36第 2 章 制動器勺結(jié)構(gòu)形選擇2.1 鼓式制動器勺結(jié)構(gòu)形式簡介鼓式制動器是最早形式勺汽車制動器，當(dāng)盤式制動器還沒有出現(xiàn)前，它已經(jīng)廣 泛用于各類汽車上。鼓式制動器又分為內(nèi)張型鼓式制動器和外

10、束型鼓式制動器兩種 結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)張型鼓式制動器勺摩擦元件是一對帶有圓弧形摩擦蹄片勺制動蹄，后 者則安裝在制動底板上，而制動底板則緊固在前橋勺前梁或后橋橋殼半袖套管勺凸 緣上， 其旋轉(zhuǎn)勺摩擦元件為制動鼓。 車輪制動器勺制動鼓均固定在輪鼓上。 制動時， 利用制動鼓勺圓柱內(nèi)表面與制動蹄摩擦片勺外表面作為一對摩擦表面在制動鼓上 產(chǎn)生摩擦力矩，故又稱為蹄式制動器。外束型鼓式制動器勺固定摩擦元件是帶有摩 擦片且剛度較小勺制動帶，其旋轉(zhuǎn)摩擦元件為制動鼓，并利用制動鼓勺外圓柱表面 與制動帶摩擦片勺內(nèi)圓弧面作為一對摩擦表面，產(chǎn)生摩擦力矩作用于制動鼓，故又 稱為帶式制動器。在汽車制動系中，帶式制動器曾僅用作一些汽

11、車勺中央制動器， 但現(xiàn)代汽車已很少采用。所以內(nèi)張型鼓式制動器通常簡稱為鼓式制動器，通常所說 勺鼓式制動器就是指這種內(nèi)張型鼓式結(jié)構(gòu)。鼓式制動器按蹄勺類型分為：（ 1 ）領(lǐng)從蹄式制動器如圖 2-1 所示，若圖上方勺旋向箭頭代表汽車前進時制動鼓勺旋轉(zhuǎn)方向（制動 鼓正向旋轉(zhuǎn)） ，則蹄 1 為領(lǐng)蹄，蹄 2 為從蹄。汽車倒車時制動鼓勺旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)榉?向旋轉(zhuǎn)，則相應(yīng)得使領(lǐng)蹄與從蹄也就相互對調(diào)了。這種當(dāng)制動鼓正、反反向旋轉(zhuǎn)時 總具有一個領(lǐng)蹄和一個從蹄勺內(nèi)張型鼓式制動器稱為領(lǐng)從蹄使制動器。領(lǐng)蹄所受勺摩擦力使蹄壓得更緊，即摩擦力矩具有增勢作用，故又稱為增勢蹄；而從蹄所受的 摩擦力使蹄有離開制動鼓的趨勢，即摩擦力矩

12、具有減勢作用，故又稱為減勢蹄。增 勢作用使領(lǐng)蹄所受的法向反力增大，而減勢作用使從蹄所受的法向反力減小。領(lǐng)從蹄式制動器的效能及穩(wěn)定性均處于中等水平，但由于其在汽車前進與倒車 時的制動性能不變，且結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，也便于服裝駐車制動機構(gòu)，故這種結(jié) 構(gòu)仍廣泛用于中、重型載貨汽車的前、后輪制動器及轎車的后輪制動器。圖2-1領(lǐng)從蹄式制動器1-領(lǐng)蹄2-從蹄3（ 4）-支承銷5-制動鼓6-制動輪缸（2 ）雙領(lǐng)蹄式制動器若在汽車前進時兩制動蹄均為領(lǐng)蹄的制動器，則稱為雙領(lǐng)蹄使制動器 （如圖2-2所示）。顯然，當(dāng)汽車倒車時這種制動器的兩制動蹄又都變?yōu)閺奶愎仕挚煞Q為雙 向領(lǐng)蹄式制動器。如圖所示，兩制動蹄各用一個

13、單活塞制動輪缸推動，兩套制動蹄、制動輪缸等機件在制動底板上是以制動底板中心作對稱布置的，因此，兩蹄對制動 鼓的作用的合力恰好相互平衡，故屬于平面式制動器。雙領(lǐng)蹄式制動器有高的正向制動效能，但倒車時則變?yōu)殡p從蹄式，使制動效能 大降，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于中級轎車的前輪制動器，這是因為這類汽車前進制動時， 前軸的動軸荷及附著力大于后軸，而倒車時則相反。圖2-2雙領(lǐng)從蹄式制動器1-制動輪缸2-領(lǐng)蹄3-支承銷4-制動鼓（3）雙向雙領(lǐng)蹄式制動器當(dāng)制動鼓正向和反向旋轉(zhuǎn)時，兩制動助均為領(lǐng)蹄的制動器則稱為雙向雙領(lǐng)蹄式 制動器（如圖2-3所示）。它也屬于平衡式制動器。由于雙向雙領(lǐng)蹄式制動器在汽車 前進及倒車時的制動性

14、能不變，因此廣泛應(yīng)用于中、輕型載貨汽車和部分轎車的前 后輪，但用作后輪制動器時，則需另設(shè)中央制動用于駐車制動。圖2-3雙向雙領(lǐng)蹄式制動器1-支座2-制動輪缸3-調(diào)整螺母4-回位彈簧5（ 9）-制動蹄6-制動鼓7-制動底板8-可調(diào)支座（4）單向增力式制動器單向增力式制動器如圖 2-4所示兩蹄下端以頂桿相連接，第二制動蹄支承在其 上端制動地板上的支承銷上，由于制動時兩蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居 于一種非平衡式的制動器。單向增力式制動器在汽車前進制動時的制動效能很高， 且高于前述的各種制動器，但在倒車制動時，其制動效能卻是最低的。因此，它用 于少數(shù)輕、中型貨車和轎車上作為前輪制動器。圖2-4

15、單向增力式制動器1-第一制動蹄2-支承銷3-制動鼓4-第二制動蹄5-頂桿6-制動輪缸(5) 雙向增力式制動器將單向增力式制動器的單活塞式制動輪缸換用雙活塞式制動輪缸，其上端的支承銷也作為兩蹄共用的，則稱為雙向增力式制動器(如圖2-5所示)。對雙向增力式制動器來說不論汽車前進制動或倒退制動，該制動器均為增力式制動器。雙向增力式制動器在大型高速轎車上用的較多，而且常常將其作為行車制動與 駐車制動功用的制動器，但行車制動是由液壓經(jīng)制動輪缸產(chǎn)生制動蹄的張開力進行 制動，而駐車制動則是用制動操縱手柄通過鋼索拉繩及杠桿等機械操縱系統(tǒng)進行操 縱。雙向增力式制動器也廣泛用于汽車的中央制動器，因為駐車制動要求制

16、動器正 向、反向的制動效能都很高，而且駐車制動若不用于應(yīng)急制動時也不會產(chǎn)生高溫， 故其熱衰退問題并不突出。但由于結(jié)構(gòu)問題使它在制動過程中散熱和排水性能差，容易導(dǎo)致制動效率下 降。因此，在轎車領(lǐng)域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動器。但由于成本低，仍然在 一些經(jīng)濟型車中使用，主要用于制動負(fù)荷比較小的后輪和駐車制動。圖2-5雙向增力式制動器1-前制動蹄2-頂桿3-后制動蹄4-輪崗5-支承銷2.2盤式制動器的結(jié)構(gòu)形式簡介盤式制動器按摩擦副中定位原件的結(jié)構(gòu)不同可分為鉗盤式和全盤式兩大類（1）鉗盤式鉗盤式制動器按制動鉗的結(jié)構(gòu)形式不同可分為定鉗盤式制動器（見圖2-6 ）、浮鉗盤式制動器（見圖 2-7 ）等。1

17、）定鉗盤式制動器：這種制動器中的制動鉗固定不動，制動盤與車輪相連并 在制動鉗體開口槽中旋轉(zhuǎn)。具有以下優(yōu)點：除活塞和制動塊外無其他滑動件，易于 保證制動鉗的剛度；結(jié)構(gòu)及制造工藝與一般鼓式制動器相差不多，容易實現(xiàn)鼓式制 動器到盤式制動器的改革，能很好地適應(yīng)多回路制動系的要求。圖2-6定鉗盤式制動器1-制動盤2-制動塊3-摩擦片4-油管5-制動鉗6-制動鉗支架2）浮鉗盤式制動器：這種制動器具有以下優(yōu)點：僅在盤得內(nèi)側(cè)具有液壓缸， 故軸向尺寸小，制動器能進一步靠近輪轂；沒有跨越制動盤的油道或油管，液壓缸 冷卻條件好，所以制動液汽化的可能性小；成本低；浮動盤的制動塊可兼用駐車制 動。圖2-7浮鉗盤式制動器

18、1-制動盤2-制動塊3-摩擦片4-油管5-制動鉗6-制動鉗支架（2）全盤式在全盤制動器中，摩擦副的旋轉(zhuǎn)元件及固定元件均為圓盤形，制動時各盤摩擦 表面全部接觸，其作用原理與摩擦式離合器相同。由于這種制動器散熱條件較差， 其應(yīng)用遠遠沒有鉗盤式制動器廣泛。2.3盤式制動器的優(yōu)點與鼓式制動器比較，盤式制動器有如下優(yōu)點：1）熱穩(wěn)定性好。原因是一般無自行增力作用，襯塊摩擦表面壓力分布較鼓式 中的襯片更為均勻。此外，制動鼓在受熱膨脹后，工作半徑增大，使其只能與蹄中 部接觸，從而降低了制動效能，這稱為機械衰退。制動盤的軸向膨脹極小，徑向膨 脹根本與性能無關(guān)，故無機械衰退問題。因此，前輪采用盤式制動器，汽車制動

19、時 不易跑偏。2）水穩(wěn)定性好。制動塊對盤的單位壓力高，易于將水?dāng)D出，因而浸水后效能 降低不多；又由于離心力作用及襯塊對盤的擦拭作用，出水后只需經(jīng)一、二次制動 即能恢復(fù)正常。鼓式制動器則需經(jīng)十余次制動方能恢復(fù)。3）制動力矩與汽車運動方向無關(guān)；4）易于構(gòu)成雙回路制動系，使系統(tǒng)有較高的可靠性和安全性；5）尺寸小、質(zhì)量小、散熱良好；6）壓力在制動襯塊上分布比較均勻，故襯塊磨損也均勻；7）更換襯塊工作簡單容易；8）襯塊與制動盤之間的間隙小 （0.05 0.15mm），這就縮短了制動協(xié)調(diào)時間；9）易于實現(xiàn)間隙自動調(diào)整。2.4 該乘用車制動器結(jié)構(gòu)的最終選擇摩擦式制動器按其旋轉(zhuǎn)元件的形狀又可分為鼓式和盤式兩大

20、類。 因為盤式制動器的 旋轉(zhuǎn)元件是一個垂向安放且以兩側(cè)面為工作面的制動盤， 其固定摩擦元件一般是位于制 動盤兩側(cè)并帶有摩擦片的制動塊。當(dāng)制動盤被兩側(cè)的制動塊夾緊時，摩擦表面便產(chǎn)生作 用于制動盤上的摩擦力矩。盤式制動器常用作小型乘用車的車輪制動器。而且小型乘用 車質(zhì)量較小，制動力矩較小，這里選擇盤式制動器為前輪制動器。盤式制動器按摩擦副中的固定摩擦元件的結(jié)構(gòu)，分為鉗盤式和全盤式制動器兩大 類。一般小型乘用車上大多數(shù)采用鉗盤式制動器，這里也選用鉗盤式制動器。鉗盤式制動器的固定摩擦元件是兩塊帶有摩擦襯塊的制動塊， 后者裝在以螺栓固定 于轉(zhuǎn)向節(jié)或橋殼上的制動鉗體中。兩塊制動塊之間有作為旋轉(zhuǎn)元件的制動盤

21、，制動盤是 用螺栓固定于輪轂上。制動塊的摩擦襯塊與制動盤的接觸面積很小，在盤上所占的中心 角一般僅約3050,因此這種盤式制動器又稱為點盤式制動器。其結(jié)構(gòu)較簡單，質(zhì) 量小，散熱性較好， 借助于制動盤的離心力作用易于將泥水、 污物等甩掉， 維修也方便。鉗盤式制動器按制動鉗的結(jié)構(gòu)型式又可分為以下幾種：（1）固定鉗式盤式制動器（2）浮動鉗式盤式制動器（3）擺動鉗式盤式制動器 因為滑動鉗式盤式制動器只在制動盤的一側(cè)裝油缸，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，易于布 置，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，可以將制動器進一步移近輪轂，同一組制動塊可兼用于行車和駐車 制動?；瑒鱼Q由于沒有跨越制動盤的油道或油管，減少了受熱機會，單側(cè)油缸又位于盤

22、 的內(nèi)側(cè)，受車輪遮蔽較少使冷卻條件較好，另外，單側(cè)油缸的活塞比兩側(cè)油缸的活塞要 長，也增大了油缸的散熱面積，因此制動液溫度比用固定鉗時低 30 T50C,氣化的可 能性較小。所以這里所設(shè)計的制動器形式選用：滑動鉗式盤式制動器當(dāng)然，盤式制動器也有自己的缺陷。例如對制動器和制動管路的制造要求較高，摩擦片的耗損量較大，成本貴，而且由于摩擦片的面積小，相對摩擦的工作面也較小，需要的制動液壓高，必須要有助力裝置的車輛才能使用。而鼓式制動器成本相對低廉，比較經(jīng)濟。所以，汽車設(shè)計者從經(jīng)濟與實用的角度出發(fā)，一般商用車采用了混合的形式，前輪盤式制動，后輪鼓式制動。乘用車在制動過程中，由于慣性的作用，前輪的負(fù)荷通

23、 常占汽車全部負(fù)荷的 70%80%，因此前輪制動力要比后輪大。轎車生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成 本，就采用前輪通風(fēng)盤式制動器，后輪非通風(fēng)盤式制動器。盤式制動的乘用車中，采用前輪通風(fēng)盤式制動是為了更好地散熱，至于后輪采用非 通風(fēng)盤式同樣也是成本的原因。畢竟通風(fēng)盤式的制造工藝要復(fù)雜得多，價格也就相對貴 了。綜合以上優(yōu)缺點最終確定本次設(shè)計的1.6 L乘用車采用前輪通風(fēng)浮動鉗盤式制動器, 后輪采用非通風(fēng)浮動鉗盤式制動器。第 3 章 制動器的設(shè)計計算3.1 設(shè)計要求本課題設(shè)計的乘用車采用滑動鉗盤式制動器。 這里主要對前輪選用的通風(fēng)滑動鉗式盤式制動器進行設(shè)計。要求對制動力、制動力分配系數(shù)、制動器因數(shù)等進行計算。對制

24、動器主要零件， 如制動盤、 摩擦襯片（襯塊）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和校核計算并建立模型 利用計算機輔助設(shè)計繪制裝配圖和制動器的主要零件圖。對制動盤熱固耦合進行分析。3.2 整車參數(shù)車型： 1.6L 乘用車 基本參數(shù)：1） 發(fā)動機前置前輪驅(qū)動型式，最大轉(zhuǎn)矩 155NM,最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速3800r/min ;額 定功率77Kw，額定功率時的轉(zhuǎn)速 5000 r/min;2）軸距： L=2350mm;3）最高車速： Vmax=160Km/h；4）整備質(zhì)量1200kg，額定載荷500kg。5）空載時汽車的質(zhì)心高度： hg =800mm； 滿載時汽車的質(zhì)心高度為 hg =930mm；6）汽車空載時的軸荷分配：前

25、軸 60%，后軸 40%；汽車滿載時的軸荷分配：前軸52%，后軸 48%；7） 汽車空載時質(zhì)心到前后軸的距離：L1= L*0.40=2350*0.40=940mm；汽車滿載時質(zhì)心到前后軸的距離：L2= L*0.60=2350*0.60=1410mm ；a=L*0.52=2350*0.52=1222mm；b=L*0.48=2350*0.48=1 1 28m m ；8）車輪有效半徑0 :選用80系列輪胎，查閱GB/2978_1997,155/80R13輪輞直徑為 330mm, 得有效半徑為 re =165mm。3.3 盤式制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇3.3.1 制動盤直徑 D制動盤直徑 D 應(yīng)盡可能取大些

26、， 這時制動盤的有效半徑得到增加， 可以降低制動鉗 的夾緊力，減少襯塊的單位壓力和工作溫度。受輪輞直徑的限制，制動盤的直徑通常選 擇為輪輞直徑的 70一 79?？傎|(zhì)量大于 2t 的汽車應(yīng)取上限。作為一款微型乘用車，滿載時的總質(zhì)量有 1700kg,我對該制動器制動盤的直徑選擇為輪輞直徑的75%，給定的輪胎參數(shù)為：155R13，這就是說輪輞直徑為330mm。這里 去制動盤的直徑D為輪輞直徑的百分之75%，那么：制動盤直徑：D=ck75%=330 75%=248mm式中d輪輞直徑，C =330mm3.3.2制動盤厚度的選擇制動盤厚度對制動盤質(zhì)量和工作時的溫升有影響。為使質(zhì)量小些，制動盤厚度不宜 取得

27、大；為了降低溫度，制動盤厚度又不宜取得過小。制動盤可以做成實心的，或者為 了散熱通風(fēng)的需要在制動盤中間鑄出通風(fēng)孔道。 一般實心制動盤厚度可取為1018mm， 通風(fēng)式制動盤厚度取為1850mm，采用較多的是2030mm。在高速運動下緊急制動， 制動盤會形成熱變形，產(chǎn)生顫抖。為提高制動盤摩擦面的散熱性能，大多把制動盤做成 中間空洞的通風(fēng)式制動盤，這樣可使制動盤溫度降低20 %30 %。這里采用中間空洞 的通風(fēng)式制動盤，h=18 mm厚度。3.3.3摩擦襯塊內(nèi)半徑Ri和外半徑R2摩擦襯塊（如圖3-1所示）是指鉗夾活塞推動擠壓在制動盤上的摩擦材料。摩擦襯 塊分為摩擦材料和底板，兩者直接壓嵌在一起。摩擦

28、襯塊外半徑只與內(nèi)半徑及推薦摩擦襯 塊外半徑R2與內(nèi)半徑R的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作時襯塊的外緣與內(nèi)側(cè)圓 周速度相差較多，磨損不均勻，接觸面積減少，最終導(dǎo)致制動力矩變化大。因為制動器 直徑D等于248mm,則摩擦塊R2=124mm取R2/ R1 1.5，所以R1=83mm。圖3-1摩擦襯塊3.3.4摩擦襯塊工作面積對于盤式制動器襯塊工作面積A,推薦根據(jù)制動襯塊單位面積占有的汽車質(zhì)量在1.6 3.5kg/cm 2范圍內(nèi)選用。單個前輪摩擦塊A 1700 60% 0.5 0.5 127.5cm2,則單個 2.0前輪制動器A1 =255cm2 ;單個后輪摩擦塊a2 1700 40% 0.5

29、0.5 42 5cm2，則單個后輪 2.0制動器A2=85cm2能夠滿足B的要求。335摩擦襯塊摩擦系數(shù)f選擇摩擦片時不僅希望其摩擦系數(shù)要高些，更要求其熱穩(wěn)定性要好，受溫度和壓力 的影響要小。不能單純地追求摩擦材料的高摩擦系數(shù)，應(yīng)提高對摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和降 低制動器對摩擦系數(shù)偏離正常值的敏感性的要求，后者對蹄式制動器是非常重要的。各 種制動器用擦材料的摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值約為0.30.5，少數(shù)可達0.7。一般說來，摩擦系數(shù)愈高的材料，其耐磨性愈差。所以在制動器設(shè)計時并非一定要追求高摩擦系數(shù)的材 料。當(dāng)前國產(chǎn)的制動摩擦片材料在溫度低于250T時，保持摩擦系數(shù)f =0.350.40已無大問題。因此，在

30、假設(shè)的理想條件下計算制動器的制動力矩。另外，在選擇摩擦材料 時應(yīng)盡量采用減少污染和對人體無害的材料。所選擇摩擦系數(shù)f =0.35?？偨Y(jié)得到參數(shù)如表3-1所示表3-1制動器基本參數(shù)名稱制動盤外徑(mm)工作半徑(mm)制動盤厚度(mm)摩擦襯塊厚度(mm)摩擦面積(cm2)前輪248105256127.5后輪24810525642.53.4滑動鉗盤式制動器設(shè)計計算3.4.1同步附著系數(shù)的確定(1) 當(dāng)0時：制動時總是前輪先抱死，這是一種穩(wěn)定工況，但喪失了轉(zhuǎn)向能 力；(2) 當(dāng)0時：制動時總是后輪先抱死，這是容易發(fā)生后軸策劃而使汽車喪失 方向穩(wěn)定性；(3) 當(dāng)0時：制動時汽車前后輪同時抱死，是一種

31、穩(wěn)定工況，但也喪失了轉(zhuǎn) 向能力。分析表明，汽車在同步系數(shù)為的路面上制動(前后輪同時抱死)時，其制動減速度為du qg g，即q= 0, q為制動強度。而在其他附著系數(shù)的路面上制動時，達到 dt前輪或者后輪即將抱死的制動強度 q 0的良好路面上能夠制動到后軸車輪和前軸車輪先后抱死滑移，前、后軸的車輪制動器所能產(chǎn)生的最大制動力矩為flmaxG(L2 qHg) reL(3-10)f 2maxfl max(3-11)對于常遇到的道路條件較好、車速較高因而選取了較大的同步附著系數(shù) 0值的汽 車，應(yīng)從保證汽車制動時的穩(wěn)定性出發(fā)，來確定各軸的最大制動力矩。在 8.33 833 078/2=46004.842

32、 2md2i(Di/2)(D2/2)Hi AH222A3H3 =287.83.14 ( 24.8/2) 2- (I6.6/2) 2 8I.8+ I27.5 iX2+2 6.45 為27.5 0.6=8608g式中，i 為鑄鐵、鋼的密度（7.8g/cm3）；2i2 粉末冶金摩擦材料的密度(6.45g/cm3);Di 制動盤直徑，取 Di=248mm；D2制動盤圓柱外徑，取 D2=166mm；Hi制動盤厚度，取H2制動塊厚度，取H3摩擦片厚度，取& 33 2Q Q117001 2Hi=18mm；H2=12mm；H3=6mm。0.7846004 J由mdCd t =8.608 482X15=6223

33、6Jq可知，制動器的熱容量符合溫升核算的要求。3.5.3盤式制動器制動力矩的校核今假設(shè)襯塊的摩擦表面與制動盤接觸良好，且各處的單位壓力分布均勻，則盤式制動器的制動力矩為Tf 2fNR(3-26)式中，f為摩擦系數(shù)；R為作用半徑；N為單側(cè)制動塊對制動盤的壓力在制動塊任一單元面積RdRd上的摩擦力對制動盤中心的力矩為 fqR2dRd ，式中 q為襯塊與制動盤之間的單位面積上的壓力，則單側(cè)制動塊作用于制動盤上的制動力為r22233fqR dRdfq(R2 R1 )R1(3-27)fN單側(cè)襯塊給予制動盤的總摩擦力為R2fqRdRdR,fq(R；R12)(3-28 )得有效半徑為:ReTf2fNR； R

34、13R； R12R1R22(R1 R2)(T)令tm，則有:RemRm=105mm(1 m)40因 m & 1， J 1，故 ReRm。當(dāng) R1R2，m 1，ReRm。R2(1 m) 4但當(dāng) m 小，即扇形的徑向?qū)挾冗^大， 襯塊摩擦表面在不同半徑處的滑磨速度相差太 大，磨損將不均勻， 因而單位壓力分布將不均勻， 則上述計算方法失效。制動輪缸中的液壓 P,在考慮制動力調(diào)節(jié)裝置作用的情況下，其值一般為P=812Mpa,制動管路液壓在制動時一般不超過 1012Mpa,對盤式制動器可再高些，因此 這里取P=10Mpa來計算制動輪缸工作面積：S=nd32/4=3.14 0.048 %.048/4=0.0

35、018nf式中，d3活塞的直徑，取 d3=48mm。單側(cè)制動塊對制動盤的壓緊力：N=PS=1000000.0 0.0018=18000N單個制動器制動力矩 Tf =2fNRm=. 0.35 X8000X).1035=1304.1N mmTf Tmax=1213 N mm,符合制動力矩要求。第 4 章 基于 CATIA 軟件盤式制動器主要零件的設(shè)計4.1CATIA 軟件發(fā)展及其在汽車行業(yè)的使用CATIA 是 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，位居世界 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位， 廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子 /電器、消費品行業(yè)，它的集成 解決方案覆蓋所有的產(chǎn)

36、品設(shè)計與制造領(lǐng)域，其特有的 DMU 電子樣機模塊功能及混合建 模技術(shù)更是推動著企業(yè)競爭力和生產(chǎn)力的提高。 CATIA 提供方便的解決方案， 迎合所有 工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。 包括:從大型的波音 747 飛機、火箭發(fā)動機到化妝品 的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業(yè)產(chǎn)品。在世界上有超過 13000 的用戶在使用共 13 萬套以上的 CATIA 為其工作，大到飛機、載人飛船和汽車，小到螺絲釘和釣魚桿， CATIA 可以根據(jù)不同規(guī)模、不同應(yīng)用定制完全適合本企業(yè)的解決方案。 CATIA 源于航空航天業(yè)， 但其強大的功能以得到各行業(yè)的認(rèn)可，在歐洲汽車業(yè)，已成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)。 CATIA 的 著名用

37、戶包括在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位一大批知名企業(yè)， 如波音、克萊斯勒、 寶馬、奔馳等。 在中國， CATIA 也得到了廣泛的應(yīng)用。哈爾濱、沈陽、西安、成都、 景德鎮(zhèn)、上海、貴陽等都選用 CATIA 做為其核心設(shè)計軟件。包括一汽集團、一汽大眾、 沈陽金杯、上海大眾、北京吉普、武漢神龍在內(nèi)的許多汽車公司都選用 CATIA 開發(fā)他 們的新車型。CATIA 是汽車工業(yè)的事實標(biāo)準(zhǔn)， 是歐洲、 北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系 統(tǒng)。CATIA在造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計等方面具有獨特的長處，為各種車輛的設(shè)計和 制造提供了端對端（end to end）的解決方案。CATIA涉及產(chǎn)品、加工和人三個關(guān)鍵領(lǐng)

38、 域。 CATIA 的可伸縮性和并行工程能力可顯著縮短產(chǎn)品上市時間。一級方程式賽車、跑車、轎車、卡車、商用車、有軌電車、地鐵列車、高速列車， 各種車輛在 CATIA 上都可以作為數(shù)字化產(chǎn)品，在數(shù)字化工廠內(nèi)，通過數(shù)字化流程，進 行數(shù)字化工程實施。 CATIA 的技術(shù)在汽車工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)是無人可及的， 并且被各國的汽車 零部件供應(yīng)商所認(rèn)可。 從近來一些著名汽車制造商所做的采購決定， 如 Renault、 Toyota、 Karman、Volvo、Chrysler等，足以證明數(shù)字化車輛的發(fā)展動態(tài)。Scania是居于世界領(lǐng)先地位的卡車制造商，總部位于瑞典。其卡車年產(chǎn)量超過50， 000 輛。當(dāng)其他競爭對手

39、的卡車零部件還在25，000個左右時，Scania公司借助于CATIA系統(tǒng)，已經(jīng)將卡車零 部件減少了一半?，F(xiàn)在，Scania公司在整個卡車研制開發(fā)過程中，使用更多的分析仿真， 以縮短開發(fā)周期，提高卡車的性能和維護性。CATIA 系統(tǒng)是 Scania 公司的主要CAD/CAM 系統(tǒng)，全部用于卡車系統(tǒng)和零部件的設(shè)計。通過應(yīng)用這些新的設(shè)計工具，如 發(fā)動機和車身底盤部門 CATIA 系統(tǒng)創(chuàng)成式零部件應(yīng)力分析的應(yīng)用，支持開發(fā)過程中的 重復(fù)使用等應(yīng)用，公司已取得了良好的投資回報。現(xiàn)在，為了進一步提高產(chǎn)品的性能， Scania 公司在整個開發(fā)過程中，正在推廣設(shè)計師、分析師和檢驗部門更加緊密地協(xié)同工 作方式。

40、 這種協(xié)調(diào)工作方式可使 Scania 公司更具市場應(yīng)變能力， 同時又能從物理樣機和 虛擬數(shù)字化樣機中不斷積累產(chǎn)品知識。4.2 盤式制動器主要零件設(shè)計4.2.1 制動盤制動盤一般由珠光體灰鑄鐵制成，其結(jié)構(gòu)形狀有平板形（用于全盤式制動器 ）和禮帽形（用于鉗盤式制動器 ）兩種。后一種的圓柱部分長度取決于布置尺寸。為了改善冷卻， 有的鉗盤式制動器的制動盤鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤，可大大增加散熱面積，但盤的整體厚度較大（見圖4-1）制動盤的工作表面應(yīng)光滑平整。兩側(cè)表面不平行度不應(yīng)大于0.008mm,盤面擺差不應(yīng)大于0.1mm。圖4-1制動盤3 5 3 a n n4.2.2制動鉗制動鉗由可鍛鑄鐵KTH

41、370 12或球墨鑄鐵QT40018制造，也有用輕合金制造 的，可做成整體的，也可做成兩半并由螺栓連接（見圖 4-2）。其外緣留有開口，以便不 必拆下制動鉗便可檢查或更換制動塊。制動鉗體應(yīng)有高的強度和剛度。一般多在鉗體中 加工出制動油缸，也有將單獨制造的油缸裝嵌入鉗體中的。 為了減少傳給制動液的熱量, 多將杯形活塞的開口端頂靠制動塊的背板。有的活塞的開口端部切成階梯狀，形成兩個 相對且在同一平面內(nèi)的小半圓環(huán)形端面。活塞由鑄鋁合金或鋼制造。為了提高耐磨損性 能，活塞的工作表面進行鍍鉻處理。當(dāng)制動鉗體由鋁合金制造時，減少傳給制動液的熱 量成為必須解決的問題。為此，應(yīng)減小活塞與制動塊背板的接觸面積，

42、有時也可采用非 金屬活塞。|Q|)S4hk|i幾砂猱I.i-i- :-rF凸甘.1耐InJ 3 4 i 1 3 rd 松冷碁曲Ktt:l23.15r;u.aln J3冋乩IB門凸圖4-2制動鉗423制動塊制動塊由背板和摩擦襯塊構(gòu)成，兩者直接壓嵌在一起見圖（4-3）。襯塊多為扇面形, 也有矩形、正方形或長圓形的?；钊麘?yīng)能壓住盡量多的制動塊面積，以免襯塊發(fā)生卷角 而引起尖叫聲。制動塊背板由鋼板制成。許多盤式制動器裝有襯塊磨損達極限時的警報 裝置，以便及時更換摩擦襯片。birfk pdds-；y7 vS丄-蟋期.4J宀倒證J.圖4-3制動塊將制動器所有零件在 CATIA V4進行裝配，得到制動器的三

43、維圖（見圖 4-4）,然后生成二維工程圖（見圖4-5）rotor disc (rotcx 山、i丄： hub and studO (hub and studsl .1)Break Clippr Rrpflk Cali pfT.1i Caliper Mount (Caliper Mcunt l brdk pdds (brdk pdds.li brak pds Obrk pads,?)Mounting Bolt Mounting Boh lLluuntiiig Bolt (Mounting圖4-4制動器總裝三維圖Applir atinris圖4-5制動器總裝二維圖1-螺紋孔2-制動盤總成3-制動鉗

44、支架4-制動鉗5-防塵罩6-活塞缸7-制動鉗活塞 8(9)-制動塊總成4.3摩擦材料制動摩擦材料應(yīng)具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，抗熱衰退性能好，不能在溫度升到某一 數(shù)值后摩擦系數(shù)突然急劇下降；材料的耐磨性好，吸水率低，有較高的耐擠壓和耐沖擊 性能；制動時不產(chǎn)生噪聲和不良氣味，應(yīng)盡量采用少污染和對人體無害的摩擦材料。目前在制動器中廣泛采用著模壓材料，它是以石棉纖維為主并與樹脂粘結(jié)劑、調(diào)整 摩擦性能的填充劑 （由無機粉粒及橡膠、聚合樹脂等配成 ）與噪聲消除劑（主要成分為石墨 ） 等混合后，在高溫下模壓成型的。模壓材料的撓性較差，故應(yīng)按襯片或襯塊規(guī)格模壓， 其優(yōu)點是可以選用各種不同的聚合樹脂配料， 使襯片

45、或襯塊具有不同的摩擦性能和其他 性能。另一種是編織材料，它是先用長纖維石棉與銅絲或鋅絲的合絲編織成布，再浸以樹 脂粘合劑經(jīng)干燥后輥壓制成。其撓性好，剪切后可以直接鉚到任何半徑的制動蹄或制動 帶上。在100C120C溫度下，它具有較高的摩擦系數(shù)（f =0.4以上），沖擊強度比模壓 材料高45倍。但耐熱性差，在200E250E以上即不能承受較高的單位壓力，磨損 加快。因此這種材料僅適用于中型以下汽車的鼓式制動器，尤其是帶式中央制動器。粉末冶金摩擦材料是以銅粉或鐵粉為主要成分 （占質(zhì)量的 60 80），加上石墨、 陶瓷粉等非金屬粉末作為摩擦系數(shù)調(diào)整劑，用粉末冶金方法制成。其抗熱衰退和抗水衰 退性能好

46、，但造價高，適用于高性能轎車和行駛條件惡劣的貨車等制動器負(fù)荷重的汽車。各種摩擦材料摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值約為 0.30.5，少數(shù)可達 0.7。設(shè)計計算制動器時一般取 0.3 0.35。選用摩擦材料時應(yīng)注意， 一般說來，摩擦系數(shù)愈高的材料其耐磨性愈差。4.4 制動器間隙制動鼓（制動盤）與摩擦襯片 （摩擦襯塊）之間在未制動的狀態(tài)下應(yīng)有工作作間隙，以 保證制動鼓（制動盤）能自由轉(zhuǎn)動。一般，鼓式制動器的設(shè)定間隙為 0.20.5mm；盤式制9 動器的為0.10.3mm。此間隙的存在會導(dǎo)致踏板或手柄的行程損失，因而間隙量應(yīng)盡 量小。考慮到在制動過程中摩擦副可能產(chǎn)生機械變形和熱變形，因此制動器在冷卻狀態(tài) 下應(yīng)有的

47、間隙應(yīng)通過試驗來確定。另外，制動器在工作過程中會因為摩擦襯片（襯塊）的磨損而加大，因此制動器必須設(shè)有間隙調(diào)整機構(gòu)。第5章基于ANSYS勺制動盤熱固耦合分析5.1ANS YS軟件簡介ANSYS 是美國 ANSYS 公司設(shè)計開發(fā)勺大型通用有限元計算軟件，是一個融結(jié)構(gòu)、 熱、流體、電、磁。聲學(xué)于一體勺大型通用有限元軟件。作為目前最流行勺有限元軟件 之一，它具備功能強大、兼容性好、使用方便、計算速度快等優(yōu)點，成為了工程師們開 發(fā)設(shè)計勺首選，并廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、 汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué) 研究領(lǐng)域。其特點如下：

48、1）能實現(xiàn)多場及多場耦合分析2）能實現(xiàn)統(tǒng)一前處理、求解、后處理及多場分析數(shù)據(jù)庫勺大型 FEA 軟件3）具有多物理場優(yōu)化功能勺 FEA 軟件4）較為強大勺非線性分析功能5）多種求解器分別適用于不同勺問題及不同勺硬件配置6）支持異種、異構(gòu)平臺勺網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文 件全部兼容7）強大勺并行計算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行8）多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù)9）良好勺用戶開發(fā)環(huán)境5.2 制動盤有限元模型勺建立本課題設(shè)計勺制動盤為雙摩擦面帶中間散熱筋板勺通風(fēng)式制動盤。 在有限元計算分 析時為提高計算效率，在計算過程中對模型做了必要勺簡化處理，最后選為單摩擦面施 加對稱約束并進行有

49、限元計算。制動盤和制動片單元類型選用實體單元 SOLID5 。該問 題屬于摩擦生熱為題，選擇CONTA173接觸單元和TARGE170目標(biāo)單元生成接觸對。模 型材料特性參數(shù)見表 5-1 。制動盤勺幾何三維模型見圖 5-1 。對其進行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng) 格后勺有限元模型見圖 5-2 所示。表5-1制動器模型材料的特性參數(shù)特性參數(shù)制動盤制動片熱導(dǎo)率 /(W m 1 K 1)48.461.212密度 /(kg m3)72282595比熱容 c/(J kg 1 K 1)4191465熱膨脹系數(shù)a/K 1-611x10-430x10彈性模量E/GPa1751.5泊松比0.30.255.3施加邊界約束及制動盤溫度場的計算分析熱分析模型邊界條件的確定是溫度場分析的關(guān)鍵所在，本文采用理論推導(dǎo)與實際分圖5-1制動盤的幾何三維模型圖圖5-2戈U分網(wǎng)格后