【正文】 1 第 1章 緒 論 課題背景及目的 重型貨車是我國應(yīng)用較廣泛的運輸車，而制動器是重型貨車的重要部件， 其 制動性能是確保車輛行駛的主、被動安全性和提升車輛行駛的動力性決定因素之一。 應(yīng)用Pro/E 軟件建立制動器主要零件的實體模型 ,然后利用 Ansys 軟 件 對制動器摩擦襯片有限元分析，為 重型貨車制動器 的設(shè)計與研究提供了一種方法，可縮該制動器的研發(fā)周期 , 降低產(chǎn)品的研發(fā)成本 , 并為進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、制造及運動分析奠定了基礎(chǔ)。 全套圖紙，加 153893706 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為當(dāng)今社會最重要的交通工具之一，隨之而來的現(xiàn)象是人們對汽車的動力性、經(jīng)濟性、安全性與舒適性的重點關(guān)注。 汽車制動系的功用是使汽車以適當(dāng)?shù)臏p速度降速行駛直至停車；在下坡行駛時，使汽車保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn) 定車速；使汽車可靠地停在原地或坡道上。因此，必須充分考慮制動器的控制機構(gòu)和制動執(zhí)行機構(gòu)的各種性能，然后進行汽車的制動器的設(shè)計以滿足汽車安全行駛的要求。據(jù)有關(guān)資料的介紹，在由于車輛本身的問題而造成的交通事故中，制動系統(tǒng)故障引起的事故為總數(shù)的 45%?？梢?，制動器是保證行車安全的極為重要的一個系統(tǒng)。此外，制動器的好壞直接影響車輛的平均車速和車輛的運輸效率，也就是保證運輸經(jīng)濟效益的重要因素 。 制動器是 汽車制動系統(tǒng)中最重要的安全部件，對汽車制動器進行深入的 2 分析具有十分重要的意義。 目前，汽車所用都制動器幾乎都是摩擦式 的，可分為鼓式和盤式兩大類。盤 式 制動器 的主要優(yōu)點是 一般無摩擦助勢作用，因而制動器效能受摩擦系數(shù)的影響較小，即效能較穩(wěn)定；浸水后效能降低較少，而且只須經(jīng)一兩次制動即可恢復(fù)正常；在輸出制動力矩相同的情況下，尺寸和質(zhì)量一般較小；制動盤沿厚度方向的熱膨脹量極小，不會 像 制動鼓的熱膨脹那樣使制動器間隙明顯增加而導(dǎo)致制動踏板行程過大；較容易實現(xiàn)間隙自動調(diào)整。 在高速剎車時能迅速制動，散熱效果優(yōu)于鼓式剎車 ,制動效能的恒定性好 ,便于安裝像 ABS 那樣的高級電子設(shè)備 。 鼓式 制動器 的主要優(yōu)點是剎車蹄片磨損較 少 , 成本較低 ,便于維修 。 雖然在汽車制動器領(lǐng)域，盤式制動器將逐步取代鼓式制動器是必然的趨勢，但在現(xiàn)階段，鼓式制動器依然占據(jù)著很重要的位置。 。 四輪轎車在制動過程中，由于慣性的作用，前輪的負(fù)荷通常占汽車全部負(fù)荷的 70%80%，前輪制動力要比后輪大，后輪起輔助制動作用，因此轎車生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本，就采用前盤后鼓的制動方式 。 現(xiàn)在轎車上應(yīng)用最為廣泛的是前盤后鼓式或全盤式制動器，其中 20％的轎車采用前盤后鼓式制動器雖然在轎車領(lǐng)域全鼓式制動器已基本上淘汰，但在商用車上應(yīng)用最為廣泛仍是全鼓式制動器，至于前盤后鼓式制動器或全盤式制動器只應(yīng)用在有特 殊需求客車或高檔客車上。 不過對于重型車來說，由于車速一般不是很高，剎車蹄的耐用程度也比盤式制動器高，因此許多重型車至今仍使用四輪鼓式的設(shè)計。 鼓式 制動器 相對 于 盤式 制動器 ，其制動效能和散熱性要差許多。鼓式制動器的制動力穩(wěn)定性差，在不同路面上，制動力變化很大，不易于掌控。而由于散熱性能差，在制動過程中會聚集大量的熱量，制動蹄和制動鼓在高溫影響下較易發(fā)生極為復(fù)雜的變形，容易產(chǎn)生制動衰退和振抖現(xiàn)象，引起制動效率下降。另外，鼓式制動器在使用一段時間后，要定期調(diào)校剎車蹄的空隙。 針對以上缺點，現(xiàn)在鼓式制動器則采 取一些改進措施： 1）合理確定制動鼓的直徑 2）合理確定摩擦襯片寬度 3）合理確定輪轂散熱結(jié)構(gòu) 4）合理選擇輪胎和輪輞 5）加裝氣門嘴固定卡 6）采用目前較先進的技術(shù)，以防車輪過熱，如采用制動間隙自動調(diào)整臂、使用緩速器。 Pro／ E 是美國參數(shù)化公司 (Parametric TechnologyCorporation，簡稱 PTC)開發(fā)的CAD／ CAE／ CAM 軟件， 是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。 該軟件先進的設(shè)計理念體現(xiàn) 了機械設(shè)計自動化 (Me— chanical Design Automation， MDA)系列軟件的最新發(fā)展方向，成為提供工業(yè)解決方案的有力工具，因而被廣泛用于工業(yè) 3 設(shè)計、機械設(shè)計、機構(gòu)仿真、有限元分析、電子、航空、航天、軍工等行業(yè)。 隨著計算機輔助設(shè)計和輔助制造技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴展，已使工程設(shè)計業(yè)和制造業(yè)發(fā)生了深刻的變化，這一點的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)方面表現(xiàn)的尤為顯著。三維造型技術(shù)、參數(shù)設(shè)計技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新概念、新辦法已經(jīng)滲透到傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，并發(fā)揮出前所未有的作用，推動工程設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。 PTC 公司的 pro/e 是現(xiàn)代 CAD 系統(tǒng)的代表，由它率先它采用的革命性的設(shè)計思想— 基于特征的參數(shù)化設(shè)計，領(lǐng)導(dǎo)了現(xiàn)代 CAD 發(fā)展的潮流。其主要特征功能有：全相關(guān)性、基于特征的參數(shù)化模型建模、先進的資料管理系統(tǒng)裝配管理工程數(shù)據(jù)庫再利用等，它易于使用，可在各種硬件平臺上運行。可讓使用者同時完成工業(yè)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計功能，模擬加工制造，縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間和流程。 Pro／ E 的參數(shù)化設(shè)計技術(shù) (又稱尺寸驅(qū)動幾何技術(shù) )的基本思想，是和幾何約束確定產(chǎn)品形狀的幾何特征，參數(shù)化的產(chǎn)品模型由幾何模型和幾何約束共同構(gòu)成，完備的約束模型通 過尺寸對幾何形狀的某些控制元素加以約束，構(gòu)成幾何元素惟一完整的表示。參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)點 (1)參數(shù)化設(shè)計技術(shù)以其強有力的尺寸驅(qū)動修改圖形功能為初始產(chǎn)品設(shè)計，產(chǎn)品建模和修改系列產(chǎn)品設(shè)計提供了有效的手段。 (2)可滿足設(shè)計具有相同或相近幾何拓樸結(jié)構(gòu)的工程系列產(chǎn)品及相關(guān)工藝裝備的需要。 (3)可滿足不同零件曲面的公式化高精度設(shè)計。 有限元技術(shù)是機械工程應(yīng)用中普遍采用的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)之一，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分心計算問題的有效途徑，近年來隨著計算機技術(shù)普遍提高，有限元技術(shù)取得了突飛猛進的法陣，求解問題的范圍從線性問題發(fā)展 到非線性問題，鼓式制動器具有系列化的特點，適于采用參數(shù)化的方法進行設(shè)計和分析計算。因此有限元分析軟件對制動器的分析有重要意義。 近幾年國內(nèi)外鼓式制動器的有限元分析的研究概況如下 [8]： 1999 年 C. Hohmann, , 使用 ADINA 對一款卡車用鼓式制動器進行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)制動鼓與摩擦襯片的法向壓力呈非線性分布。王良模、彭育輝于 20xx 年應(yīng)用大型的機械軟件 I— DEAS 建立了某一國產(chǎn)雙向自增力鼓式制動器的有限元模型，對其強度進行有限元方法的計算、分析。 20xx 年呂振華、亓昌利用有限 元分析軟件 ADINA 建立一種蹄－鼓式制動器熱彈性耦合動力學(xué)分析的三維有限元模型，探討了進行制動器熱彈性耦合有限元分析的過程，通過仿真計算得到制動器工作過程中摩擦副間接觸力分布、制動鼓瞬態(tài)溫度場、應(yīng)力場、變形場等重要信息。此外，劉立剛、王學(xué)林利用 ANSYS 軟件預(yù)測了某重型汽車的鼓式制動器分布式摩擦襯片的壓力分布、制動扭矩、制動器的應(yīng)力分布以及制動器的變形。 20xx 年李亮、宋健通過建立循環(huán)制動過程中溫度鼓式制 4 動器三維有限元仿真場分析的快速有限元仿真模型，對鼓式制動器采用二維有限元仿真，獲得瞬態(tài)溫度場等仿真結(jié)果。 20xx 年 JinchunHuang,Charles 以有限元為手段研究了鼓式制動器嘯叫的機理。 課題研究方法 任務(wù)要求 確定 制動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，對制動器的主要參數(shù)進行計算及強度校和，利用 Pro/E 軟件建立制動器三維模型裝配圖，通過干涉檢查驗證制動器設(shè)計的正確性，利用 Ansys 軟件對摩擦襯片有限元 分析。 深入了解汽車制動系統(tǒng)的構(gòu)造及工作原理；并收集相關(guān)緊湊型轎車制動系統(tǒng)設(shè)計資料；參考現(xiàn)有研究成果，并進行深入的學(xué)習(xí)和分析，借鑒經(jīng)驗；同時學(xué)習(xí)有關(guān)汽車零部件設(shè)計準(zhǔn)則；充分學(xué)習(xí)和利用畫 圖軟件，并再次學(xué)習(xí)機械制圖，畫出符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計圖紙，通過自己的研究分析；發(fā)揮自己的設(shè)計能力并通過試驗最終確定制動系統(tǒng)設(shè)計方案。 預(yù)期目標(biāo) (1)具有良好的制動效能 (2)具有良好的制動效能的穩(wěn)定性 (3)制動時汽車操縱穩(wěn)定性好 (4)制動效能的熱穩(wěn)定性好 設(shè)計主要內(nèi)容 確定鼓 式制動器的基本參數(shù)，對制動器的制動鼓、蹄片和支撐的幾何尺寸進行計算及強度校和，利用 Pro/E 軟件建立制動器三維模型裝配圖，通過干涉檢查驗證制動器設(shè)計的正確性，利用 Ansys 軟件對摩擦襯片有限元 分析。 5 第 2章 總體設(shè)計方案 汽車的制動性是汽車的主要性能之一。制動性直接關(guān)系到行使安全性，是汽車行使的重要保障。隨著高速公路迅速的發(fā)展和車流密度的日益增大，出現(xiàn)了頻繁的交通事故。因此，改善汽車的制動性始終是汽車設(shè)計制造和使用部門的主要任務(wù)。 制動系的功用是使汽車以適當(dāng)?shù)臏p速度降速行使直至停車；在下坡行使時，使汽車保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定車速；使汽車可靠地停在原地或坡道上。 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。前者用來保證前兩項功能，后者用來保證第三項功能。 設(shè)計汽車制動系應(yīng)滿足如下主要要求 [16]： （ 1）應(yīng)能適應(yīng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的規(guī)定 ； （ 2）具有足夠的制動效能，包括行車制動效能和駐車制動效能。行車制動能力是用一定制動初速度下的制動減速度和制動距離兩項指標(biāo)來評定的；駐坡能力是以汽車在良好路面上能可靠地停駐的最大坡度來評定的。詳見 QC/T2391997； （ 3）工作可靠。行車制動裝置至少有兩套獨立的驅(qū)動制動器的管路，當(dāng)其中一套管路失效時，另一套完好的管路應(yīng)保證汽車制動能力不低于沒有失效時規(guī)定值的 30%。行車和駐車制動裝置可以有共同的制動器，而驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)各自獨立。行車制動裝置都用腳操縱，其他制動裝 置多為手操縱 ； （ 4）制動效能的熱穩(wěn)定性好。具體要求詳見 QC/T5821999； 6 （ 5）制動效能的水穩(wěn)定性好 ； （ 6）在任何速度下制動時，汽車都不應(yīng)喪失操縱穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性。有關(guān)方向穩(wěn)定性的評價標(biāo)準(zhǔn)，詳見 QC/T2391997； （ 7）制動踏板和手柄的位置和行程符合人 機工程學(xué)要求，即操作方便性好，操縱輕便、舒適、能減少疲勞 ； （ 8）作用滯后的時間要盡可能短，包括從制動踏板開始動作至達到給定制動效能水平所需的時間和從放開踏板至完全解除制動的時間 ； （ 9）制動時不產(chǎn)生振動和噪聲 ； （ 10）轉(zhuǎn)向裝置不產(chǎn)生 運動干涉，在車輪跳動或轉(zhuǎn)向時不會引起自行制動 ； （ 11）應(yīng)有音響或光信號等警報裝置，以便及時發(fā)現(xiàn)制動驅(qū)動機件的故障和功能失效 ； （ 12）用壽命長，制造成本低；對摩擦材料的選擇也應(yīng)考慮到環(huán) 保要求，應(yīng)力求減少制動時飛散到大氣中的有害人體的石棉纖維 ； （ 13） 磨 損后，應(yīng)有能消除因磨損而產(chǎn)生間隙的機構(gòu)，且調(diào)整間隙工作容易，最好設(shè)置自動調(diào)整間隙機構(gòu) 。 防止制動時車輪被抱死有利于提高汽車在制動過程中的轉(zhuǎn)向操縱性和方向穩(wěn)定性，縮短制動距離，所以近年來防抱死制動系統(tǒng)（ ABS）在汽車上得到了很快的發(fā)展和應(yīng)用。此外，由于含有石 棉的摩擦材料存在石棉有公害問題，已被逐漸淘汰，取而代之的各種無石棉材料相繼研制成功 。 制動原理和工作過程 要使行使中的汽車減速，駕駛員應(yīng)踩下制動踏板，通過推桿和主缸活塞，使主缸內(nèi)的油液在一定壓力下流入輪缸，并通過兩個輪缸活塞推動兩制動蹄繞支撐銷轉(zhuǎn)動，上端向兩邊分開而其摩擦片壓緊在制動鼓的內(nèi)圓面上。這樣，不旋轉(zhuǎn)的制動蹄就對旋轉(zhuǎn)的制動鼓作用一個摩擦力矩，其方向與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反。制動鼓將該力矩傳到車輪后，由于車輪與路面間有附著作用，車輪對路面作用一個向前的周緣力，同時路面也對車輪作用一個向后的反作用力， 即制動力。制動力由車輪經(jīng)車橋和懸架傳給車架和車身，迫使整個汽車產(chǎn)生一定的減速度。制動力越大，制動減速度越大。當(dāng)放開制動踏板時，復(fù)位彈簧即將制動蹄拉回復(fù)位，摩擦力矩和制動力消失，制動作用即行終止。 7 圖 制動系統(tǒng)工作原理 制動器的結(jié)構(gòu)方案分析 制動器主要有摩擦式、液力式和電磁式等幾種形式。目前廣泛使用的是摩擦式制動器。 摩擦式制動器按摩擦副結(jié)構(gòu)形式不同，可分為鼓式，盤式和帶式三種。帶式制動器只用作中央制動器，本文不做介紹。 鼓式制動器 鼓式制動器是最早形式的汽車制動器 ，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束型鼓式制動器兩種結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)張型鼓式制動器的摩擦元件是一對帶有圓弧形摩擦蹄片的制動蹄，后者則安裝在制動底板上，而制動底板則緊固在前橋的前梁或后橋橋殼半袖套管的凸緣上，其旋轉(zhuǎn)的摩擦元件為制動鼓。車輪制動器的制動鼓均固定在輪鼓上。制動時，利用制動鼓的圓柱內(nèi)表面與制動蹄摩擦路片的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。外束型鼓式制動器的固定摩擦元件是帶有摩擦片且剛度較小的制動帶，其旋轉(zhuǎn)摩擦元件為制 動鼓，并利用制動鼓的外因柱表面與制動帶摩擦片的內(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車的中央制動器，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，通常所說的鼓式制動器就是指這種內(nèi)張型鼓式結(jié)構(gòu)。鼓式制動器按蹄的類型分為： 領(lǐng)從蹄式制動器 8