畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-凱美瑞轎車制動(dòng)器輕量化設(shè)計(jì)

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1、 第八代凱美瑞轎車制動(dòng)器輕量化設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 3 摘要 本文目的是對(duì)第八代凱美瑞轎車的制動(dòng)器進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，首先依據(jù)汽車設(shè)計(jì)及相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定了本次設(shè)計(jì)采用浮鉗式盤(pán)式制動(dòng)器，并完成制動(dòng)管路的選擇和真空助力裝置的設(shè)計(jì)，然后利用凱美瑞轎車制動(dòng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行制動(dòng)器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，再利用CATIA軟件進(jìn)行三維模型建立，并完成二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)；本次設(shè)計(jì)第二部分是對(duì)設(shè)計(jì)的制動(dòng)器進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，輕量化的方向選擇材料C/C-SiC，通過(guò)數(shù)據(jù)分析顯示其應(yīng)用于制動(dòng)器輕量化的優(yōu)越性；最后一部分是運(yùn)用abaqus軟

2、件對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)分析制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)過(guò)程的熱應(yīng)力特征變化和溫度場(chǎng)特征變化，進(jìn)而分析C/C-SiC復(fù)合材料應(yīng)用于制動(dòng)器輕量化的優(yōu)越性和合理性，最后分析C/C-SiC復(fù)合材料的制動(dòng)器的抗熱衰退性能。 關(guān)鍵詞：制動(dòng)器，輕量化，abaqus，C/C-SiC 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 ABSTRACT The purpose of this paper is to lightly design the brakes of the 8th generation Camry car. Firstly, based on the design of

3、the car and related design experience, the design uses the floating clamp disc brakes, and completes the selection of the brake pipe and the vacuum booster. The design, then use the design basic parameters of the Camry car brake to design the main structural parameters of the brake, and then use the

4、 CATIA software to build the 3D model and complete the 2D drawing design； the second part of the design is to lightly design the brakes. The lightweight direction selection material C/C-SiC shows its superiority in brake weight reduction through data analysis. The last part is to use abaqus software

5、 to simulate the brake braking process and analyze the brake disc braking process. The thermal stress characteristic changes and temperature field characteristics change, and then the superiority and rationality of C/C-SiC composite materials applied to brake lightweighting are analyzed. Finally, th

6、e thermal decay resistance of C/C-SiC composite brakes is analyzed. Key words：Brake; lightweight；abaqus；C/C-SiC  目錄 摘要 I ABSTRACT II 第一章緒論 1 1.1制動(dòng)器簡(jiǎn)介 1 1.2國(guó)內(nèi)外汽車制動(dòng)器輕量化發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì) 1 第二章制動(dòng)器總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2.1第八代凱美瑞制動(dòng)器結(jié)構(gòu)與工作原理 4 2.2制動(dòng)器管路選擇 5 2.3第八代凱美瑞制動(dòng)器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 6 2.4浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器的主要參數(shù)選擇及計(jì)算 6

7、2.4.1制動(dòng)盤(pán)直徑D 6 2.4.2制動(dòng)盤(pán)厚度h 6 2.4.3摩擦襯塊外半徑R2與內(nèi)半徑R1 7 2.4.4摩擦襯塊工作面積A 7 2.4.5 制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)制動(dòng)盤(pán)的壓緊力F0 7 第三章制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 8 3.1同步附著系數(shù)φ0 8 3.2制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)β 8 3.3前后輪制動(dòng)力矩確定 8 3.4摩擦襯片的磨損特性計(jì)算 9 3.5制動(dòng)輪缸直徑d和工作容積V 10 3.6制動(dòng)主缸直徑d0 10 3.7制動(dòng)踏板力Fp和制動(dòng)踏板工作行程Sp 11 第四章制動(dòng)器輕量化和仿真分析 12 4.1 C/C-SiC應(yīng)用于制動(dòng)器輕量化合理性 12 4.2 制

8、動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬 13 4.2.1 數(shù)值模擬前提條件 13 4.2.2 通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器尺寸與材料參數(shù) 14 4.2.3 制動(dòng)器制動(dòng)仿真過(guò)程 15 4.2.4制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果分析 17 4.2.5 熱衰退性分析 20 第五章結(jié)論 22 參考文獻(xiàn) 23 附錄 MATLAB編制制動(dòng)力分配曲線 25 致謝 26 第一章緒論 1.1制動(dòng)器簡(jiǎn)介 制動(dòng)器是汽車的制動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分。制動(dòng)系統(tǒng)的作用第一是減速運(yùn)行的汽車停下來(lái)，也就是驅(qū)動(dòng)制動(dòng)；第二是保持汽車在長(zhǎng)下坡?tīng)顟B(tài)穩(wěn)定的速度和制動(dòng)器的抗熱衰退性的優(yōu)異性能，即，輔助制動(dòng)；第三是使停止的汽車,保

9、持靜止?fàn)顟B(tài),即駐車制動(dòng)[1]。目前，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)器主要使用摩擦制動(dòng)器，摩擦制動(dòng)器之一是鼓式制動(dòng)器，鼓式制動(dòng)器大多應(yīng)用于商用車輛。另一種是盤(pán)式盤(pán)式制動(dòng)器，它主要是用于乘用車。本次設(shè)計(jì)的是第八代凱美瑞轎車,屬于乘用車。隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的新技術(shù)被應(yīng)用到盤(pán)式制動(dòng)器，例如液壓助力和空氣輔助盤(pán)式制動(dòng)器。使盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)力更穩(wěn)定，散熱效果更好。它適用于各種路況，所以對(duì)汽車盤(pán)式制動(dòng)器更廣泛的應(yīng)用。 盤(pán)式制動(dòng)器進(jìn)一步細(xì)分，一般根據(jù)摩擦副中的固定元件劃分為全盤(pán)型和卡鉗型。本次設(shè)計(jì)的第八代凱美瑞轎車的盤(pán)式制動(dòng)器選擇卡鉗型，而卡鉗型盤(pán)式制動(dòng)器可分為浮動(dòng)卡鉗盤(pán)式制動(dòng)器和固定卡鉗盤(pán)式制動(dòng)器。固定卡鉗盤(pán)式

10、制動(dòng)器的缺點(diǎn)是制動(dòng)鉗固定不動(dòng)，既不能旋轉(zhuǎn)又不能移動(dòng)，固定安裝在軸上，使得制動(dòng)鉗的工藝結(jié)構(gòu)制造難度加大，且要分布管路，使制動(dòng)鉗尺寸變大，安裝不方便，這些缺點(diǎn)使其適應(yīng)現(xiàn)代汽車的需求。浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器的卡鉗可以沿軸向相對(duì)于該制動(dòng)盤(pán)滑動(dòng)，并且只需要被提供有一個(gè)單側(cè)缸。因此，具有結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，所以大多數(shù)現(xiàn)代汽車選擇浮動(dòng)卡鉗盤(pán)式制動(dòng)器。 1.2國(guó)內(nèi)外汽車制動(dòng)器輕量化發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì) 汽車輕量化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的趨勢(shì)，輕量化概念應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面。如輕巧的車身，輕巧的底盤(pán)，輕巧的發(fā)動(dòng)機(jī)等，優(yōu)化的方向可以在結(jié)構(gòu)上也有從材料上，可以對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也可以對(duì)零部件優(yōu)化，其概括表現(xiàn)有： （1

11、）研究和應(yīng)用輕質(zhì)材料，如鋁，鈦，鎂和其他合金，粉末冶金和合成塑料和陶瓷復(fù)合材料，并對(duì)材料的相關(guān)理化性質(zhì)進(jìn)行研究，且根據(jù)不同的輕量化零部件校核相關(guān)參數(shù)，保證質(zhì)量。 （2）使用CAD，CAE等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)來(lái)構(gòu)建和模塊化汽車零部件。包括應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化等理論分析汽車結(jié)構(gòu)，確定優(yōu)化部位，再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)校核。 1）在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行輕量化研究 對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到輕量化的目標(biāo)國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用多種方法產(chǎn)生大量的科學(xué)研究論文與成果。對(duì)楚正中，萬(wàn)連恩，丁慧慧的研究是基于有限元分析的方法，使用abaqus來(lái)對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器進(jìn)行建模。根據(jù)安全系數(shù)云圖和制動(dòng)器殼體，卡鉗體，卡鉗體支架的復(fù)合應(yīng)力云圖分析氣動(dòng)

12、盤(pán)式制動(dòng)器，優(yōu)化這三個(gè)主要部件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化；王宏斌，奚樂(lè)的研究利用了拓?fù)鋬?yōu)化方法，確定了降本減重的關(guān)鍵零件，并輔助有限元分析軟件，在確保性能的前提下，通過(guò)減少主要部件中使用的材料量，可以減輕制動(dòng)器的負(fù)擔(dān)；唐金元和趙國(guó)維的研究建立了ISIGHT的集成CATIA，ABAQUS和MATALAB優(yōu)化工藝，用于輕量化設(shè)計(jì)計(jì)算，減少了卡鉗的疲勞壽命，同時(shí)將質(zhì)量減少了5％。它對(duì)整體制動(dòng)器的輕量化設(shè)計(jì)具有參考意義；陳征皞研究使用UG，CAE，HYPERMESH和ABAQUS軟件分析制動(dòng)器在一定載荷和約束下產(chǎn)生的偏移，扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力，并分析可輕微加工的零件。調(diào)整，縮小所有指標(biāo)和目標(biāo)值之間的差距，并成功實(shí)現(xiàn)減重

13、，同時(shí)減少部分磨損的可能性。 2)在材料上的輕量化研究 從材料上進(jìn)行輕量化一般是選取制動(dòng)器的某一結(jié)構(gòu)部件，其中制動(dòng)盤(pán)和摩擦片的制動(dòng)材料的選用對(duì)制動(dòng)器的性能和輕量化起主要因素，因此如何選擇和如何制備性能優(yōu)良的適用于制動(dòng)器的材料非常關(guān)鍵。制動(dòng)器制動(dòng)工作時(shí)所遇的工況較為復(fù)雜，因此研究在不同的工況下制動(dòng)器選用新型制動(dòng)材料后，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)摩擦片的摩擦穩(wěn)定性是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究和探索的一個(gè)重點(diǎn)。 崔星在研究中對(duì)采用了C / SiC復(fù)合材料的制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行了機(jī)械試驗(yàn)，對(duì)其機(jī)械特性和C / SiC復(fù)合材料的熱性能進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明，該C / SiC復(fù)合材料的制動(dòng)盤(pán)和摩擦對(duì)中的摩擦襯片之間的摩擦系數(shù)與制動(dòng)

14、壓力的增加而略有下降。此外，他還研究了在潮濕條件下的剎車制動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，摩擦對(duì)之間的摩擦系數(shù)由小于傳統(tǒng)鑄鐵制動(dòng)盤(pán)的摩擦系數(shù)；李娜研究了FeSi75改性C / C-SiC制動(dòng)材料，基于C / C-SiC復(fù)合材料提高了制動(dòng)盤(pán)的耐磨性；XuXingya，F(xiàn)anShangwu等研究在干燥、淡水、海水和靜態(tài)條件下制動(dòng)，對(duì)摩擦副采用C/SiC-C/C對(duì)，對(duì)偶靜摩擦系數(shù)( COF)較C/C-C/C的對(duì)偶靜摩擦系數(shù)有較大提高，此外， C/ SiC- C/ C的穩(wěn)定性幾乎不受淡水和海水的影響，對(duì)于應(yīng)用C/SiC-C/C， C/SiC的制動(dòng)盤(pán)磨損量很小，這樣可以使制動(dòng)器使用的C/SiC盤(pán)更薄。在直徑相同和數(shù)量一致

15、的制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)選擇時(shí)，制動(dòng)器使用C/ SiC-C /C對(duì)復(fù)合材料可以比使用C/SiC -C /SiC對(duì)復(fù)合材料，輕量化的效果更好；FanShangwu，ZhangLitong等研究采用化學(xué)氣相滲透、漿體滲透和液態(tài)硅滲透三步法制備了具有夾層結(jié)構(gòu)的C/SiC復(fù)合制動(dòng)材料。所制備的制動(dòng)材料包括一個(gè)富C纖維的主體和兩個(gè)表面富硅的摩擦層。研究表明具有夾層結(jié)構(gòu)的C纖維/SiC在潮濕狀態(tài)下沒(méi)有衰減，并且性能優(yōu)于三維針刺碳纖維/碳化硅。夾層結(jié)構(gòu)C / SiC的靜摩擦系數(shù)和線性磨損率均高于三維針刺C / SiC；Chen Guanyi和Li Zhuan研究了C / C-SiC復(fù)合材料的摩擦磨損性能和制動(dòng)過(guò)程中

16、的熱應(yīng)力行為。模擬高速軌道制動(dòng)條件下 C/ C- SiC復(fù)合材料的自雙摩擦磨損試驗(yàn)， C/ C- SiC復(fù)合材料制動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的靜摩擦因數(shù)(0.68)以及動(dòng)摩擦因數(shù)(平均值為0.36)；W. Krenkel，F(xiàn)。Berndt等研究發(fā)現(xiàn)Si+C（高）和Si+鑄鐵（高）材料的制動(dòng)摩擦片的摩擦系數(shù)較大，摩擦系數(shù)對(duì)溫度和環(huán)境的穩(wěn)定性比較優(yōu)異，此外與加硅和銅的摩擦片相比較，加硅和銅的摩擦片摩擦系數(shù)較小且對(duì)工況和環(huán)境的變化有較大變化。  第二章制動(dòng)器總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1第八代凱美瑞制動(dòng)器結(jié)構(gòu)與工作原理 查閱相關(guān)資料，可以發(fā)現(xiàn)第八代凱美瑞制動(dòng)器使用的是浮動(dòng)卡鉗盤(pán)式制動(dòng)器。由圖可知第八

17、代凱美瑞的制動(dòng)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是由制動(dòng)踏板和助力裝置以及浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器組成，其中助力裝置采用真空助力裝置和液壓管路傳遞制動(dòng)踏板力，浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器的主要部件有制動(dòng)鉗殼體、制動(dòng)鉗活塞、制動(dòng)鉗支架、制動(dòng)盤(pán)以及摩擦片組成[1]。 圖2.1 浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器工作原理 制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是在汽車需要制動(dòng)時(shí)，通過(guò)制動(dòng)踏板移動(dòng)相應(yīng)的距離獲得需要的制動(dòng)效果，制動(dòng)踏板產(chǎn)生的踏板力在經(jīng)過(guò)真空助力器后將會(huì)放大相應(yīng)的倍數(shù)，然后放大后的制動(dòng)踏板力經(jīng)過(guò)制動(dòng)主缸變換成制動(dòng)液壓力。制動(dòng)液壓再經(jīng)過(guò)管道傳遞，最后作用在制動(dòng)鉗殼體體內(nèi)的活塞側(cè)上，制動(dòng)液壓壓動(dòng)活塞壓向制動(dòng)摩擦片，在摩擦片上產(chǎn)生制動(dòng)壓力，制動(dòng)液壓對(duì)制動(dòng)鉗殼體的反作用力使

18、制動(dòng)鉗殼體與活塞反向滑動(dòng)，這樣制動(dòng)鉗殼體將對(duì)另一側(cè)的摩擦片產(chǎn)生制動(dòng)壓力，這樣制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)的摩擦片將產(chǎn)生相等的制動(dòng)壓力，摩擦片與制動(dòng)盤(pán)構(gòu)成摩擦副，制動(dòng)力產(chǎn)生制動(dòng)力矩，使摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速甚至趨于停止，而且制動(dòng)器與車輪是固聯(lián)安裝，制動(dòng)器與車輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一致，從而可以完成制動(dòng)的目標(biāo)。 2.2制動(dòng)器管路選擇 綜合考慮，本次設(shè)計(jì)建議使用液壓制動(dòng)器，這種制動(dòng)器已被廣泛認(rèn)可用于汽車制動(dòng)器。從安全性的角度來(lái)看，以確保汽車的制動(dòng)性能的可靠性，應(yīng)該有至少兩個(gè)獨(dú)立的制動(dòng)線路。即是整體車輛的所有行車制動(dòng)器，它們的液壓或氣動(dòng)管路均需被分成兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立回路[3]。 圖2.2 制動(dòng)器管路 用于雙軸車輛

19、的雙回路制動(dòng)系統(tǒng)具有以下五種常見(jiàn)的分體式：?jiǎn)屋S連接單軸（II）型（圖a），十字（X）型（圖b），單軸半到半軸（HI）型（圖c），半軸單軸半軸單輪（LL）型（圖d），雙半軸雙半軸（HH）型（圖e）。 下面分析這幾種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，其中，II型和X型管道和布局簡(jiǎn)單，成本低，但是當(dāng)II型的其中一個(gè)回路失效時(shí)，前輪就很容易抱死從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向能力喪失，X型則會(huì)發(fā)生制動(dòng)力不對(duì)稱，使汽車喪失穩(wěn)定性。HL、HH、LL型結(jié)構(gòu)和管道布置都較為復(fù)雜，本次設(shè)計(jì)不予考慮。而HI型的回路失效時(shí)，能夠使用單軸半環(huán)時(shí)，此時(shí)制動(dòng)回路的制動(dòng)力剩余較大，但應(yīng)用此回路的汽車在緊急制動(dòng)時(shí)，后輪易抱死。 綜上所述并參考同類車型，本次設(shè)計(jì)

20、選擇X型布置方案，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。 2.3第八代凱美瑞制動(dòng)器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 查閱相關(guān)資料可得如下表2.1： 表2.1 制動(dòng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù) 已知參數(shù) 第八代凱美瑞2019 2.0E 整車質(zhì)量（空載）（Kg） 1530 整車質(zhì)量（滿載）（Kg） 2000 軸距（mm） 2825 質(zhì)心高度（mm） 600 前軸距（mm） 1270 后軸距（mm） 1555 最大扭矩（N/m） 210 最高車速（Km/h） 205 車輪 205/65 R16 2.4浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器的主要參數(shù)選擇及計(jì)算 2.4.1制動(dòng)盤(pán)直徑D 當(dāng)選擇制動(dòng)盤(pán)的直徑 D時(shí)，制動(dòng)盤(pán)的直徑D一

21、般選擇為輪轂直徑的70%-79%，為了匹配車輪直徑，它應(yīng)該在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)轎車的總質(zhì)量超過(guò)2t時(shí)，制動(dòng)盤(pán)的直徑取該范圍的上限。在保持有效制動(dòng)性能的情況下，應(yīng)盡可能使部件更小更輕。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，輪輞直徑Dr為16英寸（1英寸= 2.54cm），并且由于滿載質(zhì)量為2000kg，因此采用上限。在本設(shè)計(jì)中：D=?72%Dr?=?79%x16x25.4mm=?321.056mm?，取D=320mm。 2.4.2制動(dòng)盤(pán)厚度h 制動(dòng)盤(pán)的厚度h是制動(dòng)盤(pán)質(zhì)量和運(yùn)行期間溫度升高的決定性因素。而本次設(shè)計(jì)中前輪為動(dòng)力轉(zhuǎn)向輪，因此前輪選取通風(fēng)盤(pán)，后輪選取實(shí)心盤(pán)。通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)選擇兩個(gè)制動(dòng)面上的冷卻葉

22、片，增加制動(dòng)盤(pán)鑄件的冷卻面積，加速散熱。根據(jù)車型和一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，實(shí)心式制動(dòng)盤(pán)的厚度為10毫米~20毫米，設(shè)置通風(fēng)通道的制動(dòng)盤(pán)厚度為20毫米~50毫米，。在本設(shè)計(jì)中，使用通風(fēng)式盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)，h為25毫米，實(shí)心盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)為15毫米。 2.4.3摩擦襯塊外半徑R2與內(nèi)半徑R1 在制動(dòng)器設(shè)計(jì)中，摩擦襯塊的外半徑R2的制動(dòng)盤(pán)的外徑相匹配，并且所述摩擦墊的內(nèi)半徑R1是關(guān)系到外半徑。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)R2 / R1比應(yīng)小于1.5。當(dāng)該比率過(guò)大時(shí)，摩擦襯塊的外圓周和內(nèi)圓周的速度制動(dòng)時(shí)有很大的不同，從而導(dǎo)致不均勻磨損和降低的摩擦接觸面積，這最終導(dǎo)致大的波動(dòng)在制動(dòng)扭矩的范圍內(nèi)。在此設(shè)計(jì)中，根據(jù)制動(dòng)盤(pán)的直徑，外半徑R2=?

23、154mm，內(nèi)半徑R1=110mm.??R2/R1=1.4<1.5，符合要求。， 2.4.4摩擦襯塊工作面積A 摩擦襯塊的單位面積是根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取，基于所述車輛的質(zhì)量，范圍從1.6kg/cm2至3.5kg / cm 2的選擇，一般。當(dāng)車輛的空載質(zhì)量1530kg，在無(wú)負(fù)載在前輪的負(fù)荷842.2kg。所以計(jì)算可知在本設(shè)計(jì)中且由上述計(jì)算以及參考其他同類車型取A=70cm2。 2.4.5制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)制動(dòng)盤(pán)的壓緊力F0 如上所述并且需要簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，在車輪制動(dòng)器中的方便布置等，制動(dòng)器是液壓驅(qū)動(dòng)的活塞式機(jī)構(gòu)，并且制動(dòng)壓力由以下關(guān)系確定。由制動(dòng)缸施加到制動(dòng)盤(pán)的壓力F0與輪缸直徑d和制動(dòng)管路壓力P

24、之間的關(guān)系如下： F0=πPd24（2.1） 根據(jù)制動(dòng)管路壓強(qiáng)一般在10 MPa~20 MPa內(nèi)選取 P=15 Mpa，根據(jù)國(guó)標(biāo) HG2865-1977標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)選擇制動(dòng)缸直徑 d=45 mm時(shí)，制動(dòng)盤(pán)的壓力 F0=21195 N。  第三章制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 3.1同步附著系數(shù)φ0 研究和實(shí)踐表明當(dāng)汽車在道路上制動(dòng)時(shí)，同步附著系數(shù)是φ0（在前輪和后輪被同時(shí)鎖定），并且制動(dòng)減速度du / dt= qg=φ0g，即q=φ0，q是制動(dòng)強(qiáng)度。為了充分利用路面附著系數(shù)，并確保汽車的穩(wěn)定性，我們的理想附著系數(shù)是附著系數(shù)φ=同步附著系數(shù)φ0，此時(shí)汽車處于穩(wěn)定工況，前后輪同時(shí)抱死。 從

25、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和類似模型的參考，同步附著系數(shù)φ0的取值范圍如下表3.1： 表3.1車型的φ0值范圍 車型 轎車 輕型客車、輕型貨車 大型客車及中重型貨車 φ0值范圍 0.65~0.80 0.55~0.70 ?0.45~0.65 本次設(shè)計(jì)的第八代凱美瑞轎車制動(dòng)器，我們查閱的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)已知車輛的總質(zhì)量和質(zhì)心位置，并且我們?cè)O(shè)計(jì)的制動(dòng)器前后制動(dòng)器具有固定比值。因此，在該設(shè)計(jì)中最初選擇同步附著系數(shù)φ0=0.7。 3.2制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)β 根據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí)，由已知φ0=0.7時(shí)由公式： φ0=Lβ-bhg（3.1） 則β=φ0hg+bL=0.7×0.6+1.5552.825=

26、0.7即得制動(dòng)力分配系數(shù)β=0.7。 3.3前后輪制動(dòng)力矩確定 為了確保汽車具有良好制動(dòng)性能，能夠使汽車有效的制動(dòng)至停止和駐坡，制動(dòng)扭矩應(yīng)合理地分布在所述前和后輪制動(dòng)器的大小?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)參數(shù)，我們可以前后制動(dòng)后計(jì)算的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的比率： Mu1Mu2=L2+φ0hgL1-φ0hg（3.2） 代入數(shù)據(jù)Mu1Mu2=1.555+0.7×0.61.27-0.7×0.6=2.3 該設(shè)計(jì)模型具有更好的路況和更高的車速，因此，較大的同步附著系數(shù)值φ0被選擇。為了確保道路表面粘合性上的良好的路面被充分利用φ<φ0，后軸和前制動(dòng)器被同時(shí)滑動(dòng)（在這種情況下，制動(dòng)強(qiáng)度）當(dāng)q=φ= 0.7）裝在前橋的前輪

27、制動(dòng)器和裝在后橋的后輪制動(dòng)器可產(chǎn)生的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： Mu2=GL(L1-φhg)φ0re（3.3） 其中車輪半徑re=330mm 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：前后輪制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為Mu2=1.06 kN?m，Mu1=2.46kN?m。然后單個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩 M1= Mu1/2=1.23 kN? m。 下面驗(yàn)證摩擦副之間產(chǎn)生制動(dòng)壓力符合要求：首先我們假設(shè)摩擦襯塊與制動(dòng)盤(pán)摩擦表面均勻接觸，并且接觸表面的壓力是相同的，則制動(dòng)器的制動(dòng)力矩按以下公式計(jì)算方法如下： Mu2=2fNRe（3.4） 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)單個(gè)前輪制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩達(dá)到1230牛頓米，靠在制動(dòng)盤(pán)上的一個(gè)側(cè)的制動(dòng)塊的壓力的最大值

28、可以被確定為N = 17672N< 21195N，滿足要求。 3.4摩擦襯片的磨損特性計(jì)算 摩擦片與制動(dòng)盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)中將會(huì)摩擦產(chǎn)生能量耗散，摩擦襯片的磨損特性計(jì)算就利用這個(gè)過(guò)程中的制動(dòng)器的能量耗散效率來(lái)評(píng)價(jià)。對(duì)于兩軸車，對(duì)于每個(gè)我們的前輪制動(dòng)器和各后輪制動(dòng)器的比能量耗散率應(yīng)用下面的公式： e1=12δma(v12-v22)2tA1β（3.5） e2=12δmav12-v222tA2(1-β)（3.6） 在緊急制動(dòng)工況下，取=，到時(shí)，并可近似地認(rèn)為汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，把各個(gè)參數(shù)值代入上式：則制動(dòng)時(shí)間t=27.8/6=4.6s 根據(jù)汽車設(shè)計(jì)要求盤(pán)式制動(dòng)器的比能耗率應(yīng)小于6.0W/mm2

29、。當(dāng)能量耗散率過(guò)大時(shí)，一方面制動(dòng)摩擦片的磨損會(huì)加大，另一方面會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)鼓或制動(dòng)盤(pán)破裂。在緊急制動(dòng)到V2=0時(shí)，可近似δ=1代入數(shù)據(jù) e1=12δma(v12-v22)2tA1β=12×1530×27.822×4.6×120×0.7=3.75W/mm2<6.0W/mm2，同理e2<6.0W/mm2符合要求。 3.5制動(dòng)輪缸直徑d和工作容積V 根據(jù)制動(dòng)器設(shè)計(jì)，制動(dòng)輪缸對(duì)制動(dòng)塊施加的壓力為F0、輪缸直徑為d、制動(dòng)管路壓力為P，它們之間滿足下列關(guān)系式： d =√4F0πP（3.7） 根據(jù)汽車設(shè)計(jì)要求制動(dòng)管路壓力通應(yīng)在10-12MPa的范圍內(nèi)，當(dāng)在管道中的制動(dòng)壓力越高，就要求更嚴(yán)格的制動(dòng)管的管

30、道和更緊湊的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這使在盤(pán)式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)和制造要求較高的密封要求。輪缸直徑d根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列：32，35，38，40，45，50，55mm。 因此，在該設(shè)計(jì)中，前車軸制動(dòng)輪缸的直徑被選擇為45毫米，與后軸制動(dòng)輪缸的直徑被選擇為30毫米。 一個(gè)輪缸的工作容積： （3.8） 式中為一個(gè)制動(dòng)輪缸中活塞的直徑，n為所有制動(dòng)輪缸中的活塞數(shù)目，為一個(gè)輪缸活塞在完全制動(dòng)時(shí)的行程，對(duì)于此次設(shè)計(jì)盤(pán)式制動(dòng)器取=2.5mm 全部輪缸的總工作容積 （3.9） 在本次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)制動(dòng)輪為4個(gè)，即m取4，那么帶入公式計(jì)算如下 Vw1=3.1441n452×2.5=3.97ml(n=1)

31、全部輪缸的工作容積 V=i=1mVw=3.97×2+1.77×2=11.48ml 3.6制動(dòng)主缸直徑d0 與制動(dòng)輪缸選取原則相同，制動(dòng)主缸的直徑應(yīng)符合QC/T311-1999中規(guī)定的系列尺寸，主缸直徑的系列尺寸為：19，22，26，28，32，35，38，40，45mm。 制動(dòng)主缸應(yīng)有的工作容積 V0=V+V' （3.10） 在初步設(shè)計(jì)時(shí)在考慮到制動(dòng)液傳輸?shù)能浌茏冃蔚那闆r下，轎車制動(dòng)主缸的工作容積，若是乘用車在設(shè)計(jì)中應(yīng)取V0= 1.1V；將V=11.48ml代入上式中得：V0=12.63ml 主缸活塞直徑d0和活塞行程S0可由下式確定

32、： V0=π4d02S0（3.11） 一般S0=（0.8~1.2）d0，S0取=0.8d0代入（3.11）獲得：D0 = 27.2mm，然后在本次設(shè)計(jì)中根據(jù)制動(dòng)主缸直徑的標(biāo)準(zhǔn)，取D0 =28mm，S0 =22.4mm。 3.7制動(dòng)踏板力Fp和制動(dòng)踏板工作行程Sp 制動(dòng)踏板力的驗(yàn)算公式： Fp=π4d02p1ip1η（3.12） 式中ip為制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，在本設(shè)計(jì)中取ip=4，為制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)及制動(dòng)主缸之間傳遞產(chǎn)生制動(dòng)壓力時(shí)的機(jī)械效率，η取值范圍為0.82～0.86，則取0.85。 根據(jù)上式得：Fp=π4282×15×10.85×14=2716>500N~700N 所以所需制動(dòng)

33、踏板力遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)值，應(yīng)該加裝真空助力器 （3.13） 式中I為真空助力比，本設(shè)計(jì)中取4，=2716/4=679N<500N-700N符合要求。 再計(jì)算制動(dòng)踏板的工作行程Sp為： Sp=ip(S0 +δ01 +δ02) （3.14） 式中δ01為制動(dòng)主缸中的推桿與活塞間的空隙[1]，取δ01=2mm，δ02為制動(dòng)主缸活塞的空行程，取δ02=1mm。 制動(dòng)踏板的全行程應(yīng)在100mm-150mm對(duì)于汽車的范圍。上述數(shù)據(jù)代入（3.14）中得：Sp=4×（22.4+2+1）=102mm<150mm，符合設(shè)計(jì)要求。  第四章制動(dòng)器輕量化和仿真分析 4.1C/C-SiC應(yīng)用于

34、制動(dòng)器輕量化合理性 C/ C- SiC復(fù)合材料，即碳纖維增強(qiáng)碳和碳化硅雙基質(zhì)材料，實(shí)驗(yàn)研究表明，該材料具有密度低，抗氧化性，耐腐蝕性等機(jī)械性能和熱物理性能的優(yōu)點(diǎn)。因此將C / C-SiC復(fù)合材料應(yīng)用于摩擦材料領(lǐng)域，在制動(dòng)器的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)它具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：第一是從性能上考慮其具有很高摩擦性能，熱穩(wěn)定性，耐腐蝕性和對(duì)環(huán)境影響抵抗性；第二，考慮到密度，傳統(tǒng)的金屬和半金屬摩擦材料的密度比的C / C-碳化硅摩擦材料低。C / C-SiC具有較低的密度，更高的耐熱性，更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定的摩擦性能。磨損小，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)；第三是添加碳化硅陶瓷的硬質(zhì)材料的C / C矩陣以形成C / C-碳化硅材料基質(zhì)，與

35、傳統(tǒng)的C / C復(fù)合材料相比，其是在一方面有效的。該材料提高了材料的抗氧化性和摩擦系數(shù)，以及在另一方面顯著改善摩擦穩(wěn)定性和磨損外部環(huán)境介質(zhì)（水分，模具，石油等）的性質(zhì)，并且更有利于摩擦材料的復(fù)合材料的研究。除此之外C/C-SiC材料還具有一些其他優(yōu)異的性能，如更高的抗熱震性，更長(zhǎng)的使用壽命，特別是對(duì)硅的環(huán)境敏感度更低碳化物占質(zhì)量的至少20％。 綜上所述，C / C-SiC復(fù)合材料既保留了C / C復(fù)合材料的多種優(yōu)點(diǎn)，而且克服了其很多的缺點(diǎn)，且創(chuàng)新性和適應(yīng)性更強(qiáng)。C / C-SiC復(fù)合材料在多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中第一其熱膨脹系數(shù)都較低，具有很高的導(dǎo)熱率和并且有中等模量，從而具有優(yōu)異的熱沖擊穩(wěn)定性；第二在

36、具有低密度和高損傷容限行為的材料中，C / C-SiC復(fù)合材料更是表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。以上這些都表明C/C-SiC材料是先進(jìn)制動(dòng)系統(tǒng)的最佳候選材料之一。 而且國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)C/C-SiC的摩擦性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)其具有以下特性：（1）制動(dòng)時(shí)的平均動(dòng)摩擦系數(shù) C/ C- SiC復(fù)合材料為0.36，溫度曲線表明摩擦表面的最高溫度為445° C，仍能保證穩(wěn)定的摩擦性能。（2）制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦被加熱，導(dǎo)致中間制動(dòng)階段的摩擦系數(shù)略微下降。并且在制動(dòng)期間裂縫在摩擦表面上傳播并會(huì)聚，因此制動(dòng)器的壽命和性能受到影響。（3）由數(shù)值模擬結(jié)果分析，摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的摩擦表面的溫度場(chǎng)變化的峰值為463.4℃，與實(shí)

37、驗(yàn)結(jié)果吻合較好。且由于制動(dòng)盤(pán)的對(duì)流換熱和其軸向熱導(dǎo)率小于徑向熱導(dǎo)率，在制動(dòng)盤(pán)的軸向熱梯度大于徑向熱梯度。摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的摩擦表面在仿真過(guò)程中的熱應(yīng)力圖顯示，其最大熱應(yīng)力值為11.5MPa。并且摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的摩擦表面熱應(yīng)力分布圖與溫度分布圖相匹配，有一致關(guān)系。（4）由于在此期間轉(zhuǎn)速高，摩擦系數(shù)高，熱應(yīng)力高，預(yù)計(jì)裂紋主要在制動(dòng)過(guò)程初期產(chǎn)生和傳播。 由以上分析最終確定C/C-SiC可以應(yīng)用于制動(dòng)器。根據(jù)前面的浮鉗式盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)效能、制動(dòng)減速度以及制動(dòng)器輕量化有決定性影響的是摩擦副中的制動(dòng)盤(pán)和摩擦片，因此，本次設(shè)計(jì)中我將C/C-SiC復(fù)合材料應(yīng)用于制動(dòng)盤(pán)，作為

38、本次設(shè)計(jì)制動(dòng)器輕量化的方法，從而達(dá)到減輕制動(dòng)器的重量的目標(biāo)。 4.2制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬 4.2.1 數(shù)值模擬前提條件 圖4.1 制動(dòng)器裝配圖 （a）CATIA裝配圖 （b）abaqus裝配圖 該設(shè)計(jì)使用CATIA軟件建模來(lái)完成浮鉗式盤(pán)式制動(dòng)器設(shè)計(jì)，并且模型的構(gòu)建如圖4.1（a）所示。在仿真時(shí)若考慮制動(dòng)系統(tǒng)的所有部件，對(duì)電腦硬件設(shè)施要求較高，且最后形成結(jié)果計(jì)算仿真時(shí)間較長(zhǎng)。考慮到這些問(wèn)題因此本文在仿真分析時(shí)采用了更為簡(jiǎn)便的網(wǎng)格劃分方式以并降低計(jì)算量，簡(jiǎn)化運(yùn)算量。再導(dǎo)入到abaqus中，我在此僅考慮對(duì)制動(dòng)仿真分析影響較大的制動(dòng)器部件，即制動(dòng)盤(pán)、摩擦片，并且對(duì)摩擦片的活塞面和制動(dòng)襯塊

39、面的壓力采用簡(jiǎn)化受力，即均勻的平均壓力。對(duì)本次設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后再導(dǎo)入abaqus中進(jìn)行制動(dòng)過(guò)程模擬分析。并且為了保證制動(dòng)器制動(dòng)效能，選擇后輪制動(dòng)器實(shí)心盤(pán)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的制動(dòng)盤(pán)和摩擦片裝配如下圖4.1（b）。 4.2.2 通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器尺寸與材料參數(shù) 本次設(shè)計(jì)由前述僅考慮簡(jiǎn)化后的制動(dòng)盤(pán)和摩擦片，其尺寸如下表4.1： 表4.1 摩擦副相關(guān)尺寸 摩擦副 內(nèi)半徑Ri/mm 外半徑R0/mm 厚度h/mm 包角θ/rad 制動(dòng)盤(pán) 70 160 25 2π 摩擦片 110 154 14 1.15 制動(dòng)盤(pán)為了輕量化，采用C/C-SiC材料，密度為2000K

40、g/m3，泊松比為0.3，其它材料屬性如下表4.2： 表4.2 制動(dòng)盤(pán)材料屬性[4] 溫度℃ 物理性質(zhì) 20 100 200 300 彈性模量（N/m2） 2.2*109 1.3*109 5.3*108 3.2*108 熱膨脹系數(shù)（K-1） 0.5*10-5 1.2*10-5 1.3*10-5 1.4*10-5 熱傳導(dǎo)系數(shù)(m W/(mm·℃) 42.38 43.06 44.23 43.55 比熱/( J/(t·℃) 503 530 563 611 摩擦片是1550kg/m3的密度和0.25的泊松比，且由酚醛樹(shù)脂系復(fù)合材料制成。其

41、它材料性質(zhì)示于下表4.3： 表4.3 摩擦片材料屬性[4] 溫度℃ 物理性質(zhì) 20 100 200 300 彈性模量（N/m2） 2.2*109 1.3*109 5.3*108 3.2*108 熱膨脹系數(shù)（K-1） 10-5 18 3*10-5 3.2*10-5 熱傳導(dǎo)系數(shù)(m W/(mm·℃) 0.9 1.1 1.2 1.5 比熱/( J/(t·℃) 120 125 129 132 在制動(dòng)過(guò)程中，摩擦副之間的摩擦升溫會(huì)使摩擦副之間的摩擦力發(fā)生變化，仿真時(shí)應(yīng)考慮所以摩擦系數(shù)與溫度變化關(guān)系如下表4.4； 表4.4 溫度與摩擦系數(shù)關(guān)系[

42、4] 溫度℃ 20 100 200 300 400 摩擦系數(shù) 0.37 0.38 0.41 0.39 0.24 4.2.3 制動(dòng)器制動(dòng)仿真過(guò)程 根據(jù)QC / T564-2008乘用車制動(dòng)性能要求和臺(tái)架試驗(yàn)方法的相關(guān)規(guī)定，車輛以80km / h的初始速度進(jìn)行緊急制動(dòng)。其制動(dòng)減速度為5.8 m/ s2，制動(dòng)時(shí)間為3.83 s[3]。在這種情況下，僅對(duì)緊急制動(dòng)條件執(zhí)行完整的熱機(jī)械耦合仿真分析。 由前文所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)P最大= 3兆帕，即作用在一側(cè)摩擦片的最大制動(dòng)壓力為3MPa。在制動(dòng)過(guò)程中，摩擦片吸收少量的熱，這也取決于摩擦副的材料性質(zhì)。制動(dòng)盤(pán)吸收大量的熱，并且它的比例

43、可以達(dá)到0.9。因此，分析應(yīng)集中在制動(dòng)盤(pán)的熱耦合特性，而忽略了摩擦片的熱應(yīng)力和溫度變化。 下面對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單描述： （1）將簡(jiǎn)化的制動(dòng)盤(pán)和摩擦片引入到abaqus中并在abaqus中完成裝配，裝配注意嚴(yán)格按照制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)和摩擦片之間摩擦副的配合關(guān)系裝配； （2）制動(dòng)盤(pán)和摩擦盤(pán)材料的屬性在屬性中定義，材料屬性列在上述通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器尺寸與材料參數(shù)的表中，然后分別建立制動(dòng)盤(pán)和摩擦片的材料橫截面，再分別給制動(dòng)盤(pán)和摩擦盤(pán)以定義材料屬性，定義材料屬性后制動(dòng)盤(pán)和摩擦片的顏色將變?yōu)榫G色，表示材料賦予成功； （3）在分析步環(huán)節(jié)需建立溫度-位移耦合分析步，且分析步時(shí)間由前述可知為3.83 s，再設(shè)置好

44、需要輸出的相應(yīng)的場(chǎng)變量和歷程變量，注意輸出溫度場(chǎng)變量 NT11和應(yīng)力場(chǎng)變量 S以完成分析步驟，為了形成有效的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析步中的幀數(shù)不可過(guò)小，在這里我們?cè)O(shè)為50幀； （4）因制動(dòng)盤(pán)和摩擦片的摩擦副之間有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)且處于空氣中，需要考慮對(duì)流換熱，查閱資料知空氣對(duì)流換熱系數(shù)為100，再定義表面熱交換條件，并設(shè)置初始溫度為20℃，再定義制動(dòng)盤(pán)與摩擦片的表面與表面接觸，最后利用耦合完成制動(dòng)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成相互作用的設(shè)置； （5）進(jìn)入載荷環(huán)節(jié)對(duì)摩擦片施加載荷如前所述活塞側(cè)和制動(dòng)卡鉗的制動(dòng)壓力為3 MPa，在邊界條件中限制制動(dòng)盤(pán)和摩擦片的自由度（注意根據(jù)導(dǎo)入模型所處的坐標(biāo)系設(shè)置自由度）保證其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，

45、由于前述的對(duì)流換熱，我們假定仿真環(huán)境處于20℃，那么需要對(duì)整個(gè)模型施加預(yù)定義場(chǎng)溫度為20℃，在施加預(yù)定場(chǎng)后的制動(dòng)器模型圖如下圖4.2所示，這樣我們即完成載荷施加； （6）完成前述操作后，可以進(jìn)入對(duì)仿真模型網(wǎng)格化，由于簡(jiǎn)化的模型是相對(duì)簡(jiǎn)單的，這是沒(méi)有必要使用前處理軟件，如HYPERMESH，并直接使用ABAQUS軟件來(lái)劃分。首先對(duì)模型進(jìn)行劃分為若干區(qū)域區(qū)域，盡量使劃分區(qū)域后的部件顯示為綠色，即表示區(qū)域劃分的較為規(guī)則，便于后期分析和結(jié)果文件的處理。前期區(qū)域的劃分質(zhì)量對(duì)后期網(wǎng)格質(zhì)量有決定性影響，劃分區(qū)域后需對(duì)模型進(jìn)行布種操作，布種的質(zhì)量同樣影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，布種過(guò)多則網(wǎng)格越精細(xì)，但后期分析仿真計(jì)算

46、時(shí)間越長(zhǎng)，布種過(guò)少則網(wǎng)格質(zhì)量差，后期分析結(jié)果不夠精確，因此布種操作要適宜。其次要注意，要選擇具有溫度-位移耦合的C3D8 T六面體網(wǎng)格用于簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格。為了使分析質(zhì)量較高，減少錯(cuò)誤的產(chǎn)生，劃分后注意檢查網(wǎng)格質(zhì)量，避免后期處理產(chǎn)生錯(cuò)誤影響結(jié)果分析； 圖4.2 仿真模型的相互作用和網(wǎng)格劃分 （a）場(chǎng)定義后仿真圖 （b）右圖為網(wǎng)格劃分后圖 （7）進(jìn)入作業(yè)環(huán)節(jié)，這里建立Disk-Brake文件名的作業(yè)，即按照上述我們的定義對(duì)本次制動(dòng)盤(pán)和摩擦片的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真分析，完成設(shè)置后提交分析，在分析過(guò)程中，可以檢測(cè)到錯(cuò)誤，及時(shí)校正。仿真分析完成后，生成的結(jié)果文件。點(diǎn)擊這里進(jìn)入可視化和處理。 （8

47、）在可視化中，點(diǎn)擊場(chǎng)輸出，在場(chǎng)輸出中選擇不同的變量我們就可以觀察到不同變量在仿真過(guò)程中的變化情況。這里我們主要研究制動(dòng)盤(pán)與摩擦片的熱機(jī)耦合特性，即制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)變化和應(yīng)力場(chǎng)變化，這里我們可以導(dǎo)出溫度場(chǎng)變化和應(yīng)力場(chǎng)變化的動(dòng)態(tài)變化，也可以選取模型上的某一節(jié)點(diǎn)，從而繪制曲線分析在制動(dòng)過(guò)程中某一節(jié)點(diǎn)的溫升曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線，以及多節(jié)點(diǎn)從而分析制動(dòng)盤(pán)徑向和軸向溫度變化和應(yīng)力變化的區(qū)別，分析C/C-SiC材料應(yīng)用于制動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)以及合理性，完成后處理過(guò)程。 4.2.4制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果分析 （1）通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器溫度場(chǎng)變化特性及分布特征分析 在緊急情況下制動(dòng)器制動(dòng)，從旋轉(zhuǎn)到制動(dòng)盤(pán)的停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，

48、它是分析在熱機(jī)耦合研究制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)特性的關(guān)鍵部分。模擬結(jié)束后，觀察在不同的時(shí)間與制動(dòng)盤(pán)表面，其結(jié)果的可視化模塊中的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)變化云圖的溫度分布圖，如下面的圖4.3。 圖4.3制動(dòng)器制動(dòng)溫度場(chǎng)云圖 從圖中可以看出，在制動(dòng)的初始階段，制動(dòng)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度較大，與摩擦片相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生大量熱量，制動(dòng)盤(pán)與摩擦片之間的接觸的表面溫度將迅速增加。隨著制動(dòng)的進(jìn)行和制動(dòng)盤(pán)自身的熱傳遞和空氣對(duì)流，制動(dòng)盤(pán)與摩擦片的接觸表面溫度較高將熱量傳遞給四周，發(fā)生散熱所以制動(dòng)盤(pán)整體升溫區(qū)域幅散，再由圖觀察可知溫度分布在徑向上呈現(xiàn)環(huán)狀，從摩擦表面溫度向外依次遞減，而軸向上溫度由制動(dòng)盤(pán)表面向制動(dòng)盤(pán)內(nèi)傳遞，也呈遞減趨勢(shì)，但制動(dòng)盤(pán)整體

49、上隨著制動(dòng)的進(jìn)行溫度繼續(xù)升高，整體趨勢(shì)上制動(dòng)盤(pán)溫度呈上升趨勢(shì)，但圖中無(wú)法確定確定峰值出現(xiàn)的時(shí)刻。 因此為了進(jìn)一步更清晰的研究反映制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)，選取制動(dòng)盤(pán)上與摩擦片相接觸的一節(jié)點(diǎn)，在可視化模塊繪制該節(jié)點(diǎn)的溫升曲線如下圖4.4，由曲線圖可知： （1）在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，所選擇的節(jié)點(diǎn)的溫度通常顯示出上升的趨勢(shì)，但溫度與每個(gè)溫度的上升而減小，從而使整條曲線是彎曲的，并且鋸齒，以及該節(jié)點(diǎn)的最高溫度。當(dāng)它發(fā)生在約2.5秒，它是約230℃。據(jù)圖分析可知溫度升高是因?yàn)橹苿?dòng)盤(pán)與摩擦片摩擦副之間的摩擦生熱，以及熱傳遞和熱對(duì)流，溫度降低是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)不處于摩擦區(qū)域，反而與空氣流通接觸，無(wú)摩擦生熱，僅有對(duì)流換熱和熱傳遞

50、，溫度降低；溫度最高出現(xiàn)在2.5s左右是因?yàn)楹笃谥苿?dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速下降，摩擦產(chǎn)生的熱量小于熱傳遞和對(duì)流換熱的熱量，因此溫度略有下降。 （2）隨著制動(dòng)器仿真制動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，從圖中我們看到隨著時(shí)間的增加，溫度上升和下降形成的鋸齒狀曲線的幅度逐漸增加，分析原因是因?yàn)殡S著制動(dòng)的進(jìn)行，制動(dòng)盤(pán)速度迅速減小，這樣使得制動(dòng)盤(pán)上的所選選取的節(jié)點(diǎn)處于非摩擦區(qū)域的時(shí)間變長(zhǎng)，也就是處于摩擦區(qū)域的摩擦生熱以及對(duì)流換熱和熱傳遞，溫度降低的變多，制動(dòng)盤(pán)非節(jié)點(diǎn)區(qū)域處于散熱狀態(tài)的時(shí)間比較長(zhǎng)。 圖4.4溫升曲線 （3）綜合節(jié)點(diǎn)溫升曲線圖和制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)云圖來(lái)看，總體制動(dòng)盤(pán)的溫度還是呈上升趨勢(shì)的，且結(jié)合溫度場(chǎng)云圖可知制動(dòng)盤(pán)表面最高溫

51、度約為270℃。 （2）通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器應(yīng)力變化特性和分布特征分析 圖4.5 制動(dòng)器制動(dòng)等效應(yīng)力分布云圖 在本次仿真的緊急制動(dòng)情況中，制動(dòng)盤(pán)與摩擦片因?yàn)槟Σ翆?dǎo)致其溫度逐漸升高，而隨著溫度的升高將形成制動(dòng)盤(pán)等部件的熱變形，但是制動(dòng)器與摩擦片等裝配后，各個(gè)部件之間相互限制。據(jù)前所述，我們知道因高溫使制動(dòng)盤(pán)等部件產(chǎn)生熱變形再因?yàn)檠b配的空間限制將產(chǎn)生熱應(yīng)力。對(duì)于制動(dòng)盤(pán)來(lái)說(shuō)，它的主要失效形式是熱疲勞破壞和熱損傷，其中熱疲勞失效與熱應(yīng)力分布有緊密聯(lián)系，所以我們應(yīng)該研究制動(dòng)盤(pán)熱應(yīng)力場(chǎng)分布和變化情況。 制動(dòng)盤(pán)在仿真過(guò)程中的等效應(yīng)力分布云圖變化情況如圖4.5所示。從圖中的可以看到，一方面在制動(dòng)盤(pán)的整個(gè)制動(dòng)

52、階段，制動(dòng)盤(pán)上的等效應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且分布由摩擦區(qū)域傳遞至非摩擦區(qū)域，分布呈環(huán)狀，徑向的熱應(yīng)力分布也與厚度有關(guān)系，這種分布是類似的制動(dòng)盤(pán)的溫度分布；在另一方面，可以看出，在制動(dòng)盤(pán)上的等效應(yīng)力分布是不均勻的，摩擦接觸面積的等效應(yīng)力值是最大的，上升速度快，而不是在摩擦區(qū)中的等效應(yīng)力的變化是相對(duì)緩慢，均勻。 接下來(lái)再分析制動(dòng)盤(pán)上某一節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力曲線，我們發(fā)現(xiàn)它的等效應(yīng)力變化與溫升曲線趨勢(shì)變化大體相似，它們都是呈上升趨勢(shì)，并且在短暫的制動(dòng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)力有上升和下降的波動(dòng)形成鋸齒狀曲線，但是顯然等效應(yīng)力在制動(dòng)盤(pán)的不同同位置變化是不同的我們需要找到制動(dòng)盤(pán)熱疲勞破壞的危險(xiǎn)截面。為此需要選取位于不同位置

53、的節(jié)點(diǎn)，繪制節(jié)點(diǎn)的三向應(yīng)力曲線，通過(guò)分析其各向應(yīng)力變化確定危險(xiǎn)截面。為此我們選取節(jié)點(diǎn)繪制了如圖5.6所示的三向應(yīng)力曲線。從圖中我們可以看到節(jié)點(diǎn)的向應(yīng)力都呈現(xiàn)波動(dòng)的鋸齒狀，其中周向應(yīng)力的峰值是最大的，且變化范圍最大，周向應(yīng)力的最大值由圖可知可達(dá)140MPa；徑向應(yīng)力的峰值較周向應(yīng)力較小，其變化的趨勢(shì)類似周向應(yīng)力；制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(pán)節(jié)點(diǎn)的軸向應(yīng)力最小，且變化的幅度很小可以忽略不計(jì)。據(jù)前所述我們可以確定制動(dòng)盤(pán)上的節(jié)點(diǎn)周向應(yīng)力最大，因此制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)時(shí)的周向應(yīng)力是使制動(dòng)器徑向開(kāi)裂或甚至脆性斷裂和熱疲勞失效的主圖4.6 三向應(yīng)力 要因素。 4.2.5 熱衰退性分析 在制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，在相同制動(dòng)壓力的情況下，

54、如果制動(dòng)盤(pán)和摩擦片之間的摩擦系數(shù)的減小，這將直接導(dǎo)致制動(dòng)扭矩的減小，這也直接影響到制動(dòng)性能，制動(dòng)穩(wěn)定性和駕駛車輛制動(dòng)的安全性，讓他們都減少了。那么在制動(dòng)過(guò)程中由于前述分析制動(dòng)盤(pán)和摩擦片將會(huì)溫升，那么摩擦副之間的摩擦系數(shù)的熱穩(wěn)定性就是重中之重，為此制動(dòng)器的熱衰退性即與摩擦系數(shù)的熱穩(wěn)定性相關(guān)，研究摩擦系數(shù)的溫度變化特性即可反映制動(dòng)器的熱衰退性。 在該設(shè)計(jì)中，如表4.4所示的制動(dòng)盤(pán)，并與溫度摩擦盤(pán)變動(dòng)的摩擦盤(pán)之間的摩擦系數(shù)，與制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)過(guò)程中ABAQUS的可視化模擬制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)云圖像。在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)的最大溫度是在該摩擦區(qū)域約270℃。據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，在高溫?zé)崴p試驗(yàn)中，作為制動(dòng)溫度的升高，摩

55、擦對(duì)第一減小的摩擦系數(shù)，然后上升。在350℃的溫度下達(dá)到最小值。我們選擇了C / C-SiC復(fù)合材料的材料是已知的，根據(jù)Li等人的實(shí)驗(yàn)研究具有良好的熱穩(wěn)定性。C / C-SiC的摩擦系數(shù)隨溫度稍有變化，但其變化范圍較小時(shí)，根據(jù)模擬。分析的結(jié)果表明，該摩擦系數(shù)的制動(dòng)的條件下略微降低，但總是大于0.3，這對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)性能的影響不大。在仿真中，我們使用一個(gè)實(shí)心盤(pán)，并且所設(shè)計(jì)的車輛制動(dòng)器的前輪制動(dòng)輪采用通風(fēng)式制動(dòng)盤(pán)。通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器具有更好的散熱性能和更好的耐熱和耐腐蝕性。此外，對(duì)于制動(dòng)盤(pán)和摩擦片這一對(duì)摩擦副，為了提高制動(dòng)器的耐熱衰減性，我們可以使用各種改性酚醛樹(shù)脂作為摩擦片的材料，這樣可以提高摩擦片

56、材料的熱分解溫度，使其在制動(dòng)過(guò)程中的降低它的分解和氧化速度，保證了摩擦片在制動(dòng)產(chǎn)生的高溫下具有更穩(wěn)定更大的摩擦系數(shù)，從而可以提高樹(shù)脂摩擦片的耐熱性能?？偠灾?，提高制動(dòng)器的抗熱衰退性主要是為了降低在制動(dòng)盤(pán)與摩擦片摩擦生熱后，在摩擦表面上形成的潤(rùn)滑膜或氣墊膜的動(dòng)態(tài)潤(rùn)滑，從而避免摩擦系數(shù)大幅降低，以確保制動(dòng)效率和制動(dòng)穩(wěn)定性。  第五章結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成第八代凱美瑞轎車制動(dòng)器的輕量化設(shè)計(jì)，為此我們先對(duì)該車型的汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，在保證舒適性和安全性的前提下，對(duì)凱美瑞轎車前后輪制動(dòng)器均采用了浮鉗式盤(pán)式制動(dòng)器，但前輪采用通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器后輪則采用實(shí)心盤(pán)式制動(dòng)器。并且對(duì)制動(dòng)器助力裝置進(jìn)行

57、了設(shè)計(jì)及計(jì)算，并利用CATIA軟件完成三維模型的建立，再繪制出制動(dòng)器裝配圖及零件圖，為完成凱美瑞轎車制動(dòng)器的輕量化設(shè)計(jì)，在依據(jù)有關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，并且完成制動(dòng)器的設(shè)計(jì)后，將建立的簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入至abaqus軟件中進(jìn)行制動(dòng)過(guò)程仿真分析，完成了利用C/C-SiC材料對(duì)制動(dòng)盤(pán)的輕量化，并對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了說(shuō)明，發(fā)現(xiàn)了C/C-SiC的優(yōu)良性質(zhì)，在輕量化的基礎(chǔ)上具有良好的抗熱衰退性能，是應(yīng)用于制動(dòng)器的優(yōu)良材料之一。 本次設(shè)計(jì)依然有很多不足，如僅進(jìn)行了緊急制動(dòng)過(guò)程的仿真，并未進(jìn)行多次制動(dòng)過(guò)程的仿真；僅對(duì)C/C-SiC材料的選取并應(yīng)用與制動(dòng)盤(pán)的輕量化，并未選取多種材料進(jìn)行比較試驗(yàn)；在本次設(shè)計(jì)中，僅進(jìn)行了ab

58、aqus的制動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬，聯(lián)系實(shí)際的深度不夠，未進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)的得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。但是在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我收獲了很多，對(duì)自己大學(xué)四年的所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了一次綜合的檢測(cè)。  參考文獻(xiàn) [1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M],吉林大學(xué)：機(jī)械工業(yè)出版社，2016. [2] 史文庫(kù)，姚為民.汽車構(gòu)造[M]，吉林大學(xué)：人民交通出版社，2014. [3] 余志生.汽車?yán)碚揫M],清華大學(xué)：機(jī)械工業(yè)出版社，2012. [4] 王繼業(yè).汽車通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器的熱機(jī)耦合分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D],江蘇：江蘇大學(xué)，2018 [5] 崔星.C/SiC復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[D],山東：山東大學(xué),20

59、18 [6] 楚拯中.萬(wàn)里恩，丁輝輝.基于有限元的氣壓盤(pán)式制動(dòng)器輕量化設(shè)計(jì)[J]，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)會(huì)論文集，2017，33（4）：36-38 [7] 朱攀.車輛制動(dòng)摩擦材料關(guān)鍵特性的研究及檢測(cè)方法[D],武漢：武漢理工大學(xué)，2006 [8] 陳漢迅，朱攀.制動(dòng)器熱衰退機(jī)理的研究與分析[J],拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2006，32（4）：25-28 [9] 張笑.鼓式制動(dòng)器熱衰退與熱力耦合分析[D],河北：燕山大學(xué)，2007 [10] 王曉奇.轎車盤(pán)式制動(dòng)器關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及有限元分析[J],科技信息，2013，18（4）：54-58 [11] 李罡.廣汽自主品牌乘用車制動(dòng)系統(tǒng)（制動(dòng)器、

60、摩擦片）的設(shè)計(jì)與匹配[D]，廣州：華南理工大學(xué)，2009 [12] 李臣，晉杰,楊良坤.盤(pán)式和鼓式制動(dòng)器熱衰退性能對(duì)比試驗(yàn)研究[J]汽車工程，2017，30（2）：33-36 [13] 奚樂(lè). 盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計(jì)[D]，上海：上海交通大學(xué)，2013 [14] 唐進(jìn)元，趙國(guó)偉.一種盤(pán)式制動(dòng)器鉗體輕量化設(shè)計(jì)研究[J]，中國(guó)機(jī)械工程，2015，33（4）：62-6 [15] 陳征皞.帕薩特轎車制動(dòng)器輕量化優(yōu)化分析[D],北京：北京理工大學(xué),2015 [16] 劉長(zhǎng)虹，侯嗣超.盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)熱分析[D]，上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2016 [17] 李娜.FeSi75改性C/C-

61、SiC剎車材料的性能優(yōu)化[D],西安：長(zhǎng)安大學(xué),2017 [18] 徐興亞，張立同，成來(lái)飛，范尚武.碳陶剎車材料的研究進(jìn)展[J]航空制造技術(shù)，2014 [19] 王宏斌.基于CAD/CAE技術(shù)的盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究[D],上海：上海交通大學(xué)，2011 [20] Le Gigan, Gael.Improvement in the brake disc design for heavy vehicles by parametric evaluation[J],2017，30(4):254-259 [21] Han M J, Lee C H, Park T W, e

62、t al. Coupled thermo-mechanical analysis and shape optimization for reducing uneven wear of brake pads[J]. International Journal of Automotive Technology, 2017, 18(6):1027-1035. [22] XuXingya,FanShangwu,ZhangLitong.Tribological behavior of three-dimensional needled carbon/silicon ca

63、rbide and carbon/carbon brake pair[J], Proceedings of the institution of mechanical engineers part D-journal of automobile engineering.2014，10(4):44-48 [23] FanShangwu，ZhangLitong，ChengLaifei. Microstructure and frictional properties of C/SiC brake materials with sandwich structure[J], Ceramics In

64、ternational,2011，20(4):33-38 [24] Peng Long,Yu Dejie,?LvHui. Brake Structural Optimization Design of Vehicle Disc Brakes[J],computer simulation,2016，30(2):154-156 [25] Guanyi CHEN, Zhuan LI, Peng XIAO.Tribological properties and thermal-stress analysis of C/C?SiC composites during braking[J].scien

65、ce direct,2019，60(3) [26] evtushenko A, Kuciej M. Temperature and thermal stresses in a pad/disc during braking[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(4):354-359. [27] Yang Y C, Chen W L. A nonlinear inverse problem in estimating the heat flux of the disc in a disc brake system[J]. A

66、pplied Thermal Engineering, 2011, 31(14–15):2439-2448. [28] Mahmoudi T, Parvizi A, Poursaeidi E, et al. Thermo-mechanical analysis of functionally graded wheel-mounted brake disk[J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2015, 29(10):4197-4204. [29] aiswal R, Jha AR, et al. Structural and thermal analysis of disc brake using solidworks and ANSYS[J]. International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET) Volume 7, Issue 1, Jan-Feb 2016: 67-77. [30] Josef