【正文】 1 第 1章 緒 論 及 意義 汽車是現(xiàn)代交通工具中用得最多，最普遍，也是最方便的交通運(yùn)輸工具。汽車制動(dòng)系是汽車底盤上的一個(gè)重要系統(tǒng) ,它是制約汽 車運(yùn)動(dòng)的裝置。而制動(dòng)器又是制動(dòng)系中直接作用制約汽車運(yùn)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵 裝置，是汽車上最重要的安全件。汽車的制動(dòng)性能直接影響汽車的行駛安全性。隨著公路業(yè)的迅速發(fā)展和車流密度的日益增大 ,人們對安全性、可靠性要求越來越高，為保證人身和車輛的安全 ,必須為汽車配備十分可靠的制動(dòng)器 [1]。 通過查閱相關(guān)的資料，運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，確定以 比亞迪 F3 轎車的制動(dòng)系統(tǒng)為 基本的為其設(shè)計(jì)鼓式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。使其達(dá)到以下要求：具有足夠的制動(dòng)效能以保證汽車的安全性；同時(shí)在材料的選擇上盡量采用對人體無害的材料。 全套圖紙，加 153893706 雖然在汽車制動(dòng)器領(lǐng)域，盤式制動(dòng)器將逐步取代鼓式制動(dòng)器是必然的趨勢，但在現(xiàn)階段，鼓式制動(dòng)器依然占據(jù)著很重要的位置。相對盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對制動(dòng)鉗、管路系統(tǒng)要求高，造價(jià)高等缺點(diǎn)，鼓式制動(dòng)器不僅結(jié)構(gòu)較簡單、成本低，而且符合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以在輕、重型載貨汽車上，鼓式制動(dòng)器還是在大量使用的。 2 鼓式相對盤式，其制動(dòng)效能和散熱性要差許多。鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)力穩(wěn)定性差，在不同路面上，制動(dòng)力變化很大，不易于掌控。而由于散熱性能差，在制動(dòng)過程中會(huì)聚集大量的熱量，制動(dòng)蹄和制動(dòng)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(dòng)衰退和振抖現(xiàn)象，引起制動(dòng)效率下降。另外，鼓式制動(dòng)器在使用一段時(shí)間后，要定期調(diào)校剎車蹄的空隙。針對以上缺點(diǎn)，現(xiàn)在鼓式制動(dòng)器則采取一些改進(jìn)措施： 1）合理確定制動(dòng)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(jìn)的技術(shù)，以防車輪過熱，如采用制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整臂、使用緩速器。設(shè)計(jì)中采用的是領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器，兼顧了制動(dòng)器效能因數(shù)和制動(dòng)器效能的穩(wěn)定性。它的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(dòng)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(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，亦即由制動(dòng)踏板的踏板力通過推桿和主缸活塞，使主缸油液在一定壓力下流入輪缸，并通過兩輪缸活塞推使制動(dòng)蹄繞支承銷轉(zhuǎn)動(dòng)，上端向兩邊分開而以其摩擦片壓緊在制動(dòng)鼓的內(nèi)圓面上。不轉(zhuǎn)的制動(dòng)蹄對旋轉(zhuǎn)制動(dòng)鼓產(chǎn)生摩擦力矩，從而產(chǎn)生制動(dòng)力，使車輪減速直至停車。 鼓式制動(dòng)器是早期設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)，其剎車鼓的設(shè)計(jì) 1902 年就已經(jīng)使用在馬車上了，直到 1920 年左右才開始在汽車工業(yè)廣泛應(yīng)用。四輪轎車在制動(dòng)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(dòng)力要比后輪大，后輪起輔助制動(dòng)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(dòng)方式。 汽車制動(dòng)性能是確保車輛行駛的主、被動(dòng)安全性和提升車輛行駛的動(dòng)力性決定因素之一。鼓式制動(dòng)器是應(yīng)用非常廣泛的一種制動(dòng)器，有其優(yōu)良的制動(dòng)效果及簡單的結(jié)構(gòu)形式 [2]。應(yīng)用 Pro/E 軟件建立鼓式制動(dòng)器主要零件的實(shí)體模型 , 并完成虛擬裝配，然后利用 Ansys 軟件對制動(dòng)器摩擦襯片有限元分析，為鼓式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與研究提供了一種方法 ,，可縮短鼓式制動(dòng)器的研發(fā)周期 , 降低產(chǎn)品的研發(fā)成本 , 并為以后進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造及 運(yùn)動(dòng)分析奠定了基礎(chǔ)。 目前使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)成為如今研究現(xiàn)狀，也必將成為以后的發(fā)展趨勢，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的使用可降低工程設(shè)計(jì)成本的 13%~30%，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的時(shí)間30%~60%，增加分析問題的深度和廣度 3~35 倍，提高作業(yè)生產(chǎn)率 40%~70%，提高設(shè)備利用率 2~3 倍，減少加工過程 30%~60%,降低人工成本 5%~20%。以 PTC 公司的Pro/Engineer 為代表的基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的問市給機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化奠定了堅(jiān)實(shí)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，使得它變得其實(shí)可行。 近年來在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起 來的有限元分析（ FEA， Finite Element Analysis）方法則為解決這些復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題提供了有效的途徑。我 3 國在 九五 計(jì)劃期間大力推廣 CAD 技術(shù)，機(jī)械行業(yè)大中型企業(yè) CAD 的普及率從 八五末的 20%提高到目前的 70%。隨著企業(yè) CAD 應(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖板，而將主要精力投身如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計(jì)算機(jī)輔助工程分析（ CAE， Computer Aided Engineering）方法和軟件將成為關(guān)鍵的技術(shù)要素。在工程實(shí)踐中，有限元分析軟件與 CAD 系統(tǒng)的集成應(yīng)用使 設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本；縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期； 增加產(chǎn)品和工程的可靠性； 采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗或成本； 在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題； 模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)； 進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。 在大力推廣 CAD 技術(shù)的今天，從自行車到航天飛機(jī)，所有的設(shè)計(jì)制造都離不開有限元分析計(jì)算， FEA 在工程設(shè)計(jì)和分析中將得到越來越廣泛的重視。汽車的任何零部件都可以根據(jù)其所要求的性能對其進(jìn)行有限元分析 ,尋找最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案 , 以做到既能 降低生產(chǎn)成本 , 又能提高其性能 , 達(dá)到最優(yōu)的結(jié)合。例如 ,美國的 ANSYS 公司已經(jīng)利用有限元分析軟件 ANSYS 進(jìn)行了鋼板彈簧精確設(shè)計(jì) 。 上海匯眾汽車制造有限公司利用有限元分析軟件 ANSYS 進(jìn)行油門踏板桿材料的斷裂優(yōu)化分析以解決國產(chǎn)化材料的替代等等。汽車工業(yè)代表著一個(gè)國家制造業(yè)發(fā)展的水平 ,世界經(jīng)濟(jì)大國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展無一不與汽車工業(yè)有著極為密切的關(guān)系 。作為世界經(jīng)濟(jì)大國的美國的汽車就一直處于汽車行業(yè)領(lǐng)頭地位。作為制造業(yè)的中堅(jiān) ,汽車工業(yè)一直是以有限元為主的 CAE 技術(shù)應(yīng)用的先鋒。既然汽車的發(fā)展與有限元技術(shù)的應(yīng)用有如此 密切的聯(lián)系 ,故必須要加大對此項(xiàng)技術(shù)的投入 。不但要加大資金的投入 ,而且一定要加大人力資源的投入 ,培養(yǎng)一批熟練掌握并能更進(jìn)一步開發(fā)此項(xiàng)技術(shù)的人才。 車輛在行駛過程中要頻繁進(jìn)行制動(dòng)操作 ,由于制動(dòng)性能的好壞直接關(guān)系到交通和人身安全 ,因此制動(dòng)器的性能是車輛非常重要的性能之一 ,改善汽車的制動(dòng)器的性能始終是汽車設(shè)計(jì)制造和使用部門的重要任務(wù)。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí) ,由于車輛受到與行駛方向相反的外力 ,所以才導(dǎo)致汽車的速度逐漸減小至 0,對這一過程中車輛受力情況的分析有助于制動(dòng)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) ,因此制動(dòng)過程受力情況分析是車輛試驗(yàn)和設(shè)計(jì)的基 礎(chǔ) ,由于這一過程較為復(fù)雜 ,因此一般在實(shí)際中只能建立簡化模型分析 ,通常人們主要從三個(gè)方面來對制動(dòng)過程進(jìn)行分析和評價(jià) : (1)制動(dòng)效能 :即制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度； (2)制動(dòng)效能的恒定性 :即抗熱衰退性； (3)制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性； 目前 ,對于整車制動(dòng)系統(tǒng)的研究主要通過路試或臺(tái)架進(jìn)行 ,由于在汽車道路試驗(yàn)中車輪扭矩不易測量 ,因此 ,多數(shù)有關(guān)傳動(dòng)系和制動(dòng)系的試驗(yàn)均通過間接測量來進(jìn)行汽車 4 在道路上行駛 ,其車輪與地面的作用力是汽車運(yùn)動(dòng)變化的根據(jù) ,在汽車道路試驗(yàn)中 ,如果能夠方便地測量出車輪上扭矩的變化 ,則可為汽車整車制動(dòng)系統(tǒng) 性能研究提供更全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和性能評價(jià) [2]。 (1)具有良好的制動(dòng)效能 (2)具有良好的制動(dòng)效能的穩(wěn)定性 (3)制動(dòng)時(shí)汽車操縱穩(wěn)定性好 (4)制動(dòng)效能的熱穩(wěn)定性好 確定鼓 式制動(dòng)器的基本參數(shù)，對制動(dòng)器的制動(dòng)鼓、蹄片和支撐的幾何尺寸進(jìn)行計(jì)算及強(qiáng)度校和，利用 Pro/E 軟件建立制動(dòng)器三維模型裝配圖，通過干涉檢查驗(yàn)證制動(dòng)器設(shè)計(jì)的正確性，利用 Ansys 軟件對摩擦襯片有限元 分析。 制定出鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)方案 ，確定計(jì)算制動(dòng) 器 的主要參數(shù) 。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪制裝配圖和零件圖。 對設(shè)計(jì)出的鼓 式制動(dòng)器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)分析。 5 第 2章 總體方案的確定 汽車制動(dòng)器幾乎均為機(jī)械摩擦式，即利用旋轉(zhuǎn)元件與固定元件兩工作表面間的摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力矩使汽車減速或停車。一般摩擦式制動(dòng)器按其旋轉(zhuǎn)元件的形狀分為鼓式和盤式兩大類。 鼓式制動(dòng)器是最早形式的汽車制動(dòng)器，當(dāng)盤式制動(dòng)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(dòng)器又分為內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器和外束型鼓式制動(dòng)器兩種結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器的摩擦元件是一對帶有圓弧形摩擦蹄片的制動(dòng)蹄，后者則安裝在制動(dòng)底板上，而制動(dòng)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(dòng)鼓。車輪制動(dòng)器的制動(dòng)鼓均固定在輪鼓上。制動(dòng)時(shí)，利用制動(dòng)鼓的圓柱內(nèi)表面與制動(dòng)蹄摩擦路片的外表面作為一對摩擦表面在制動(dòng)鼓上產(chǎn)生摩擦力矩，故又稱為蹄式制動(dòng)器。外束型鼓式制動(dòng)器的固定摩擦元件是帶有摩擦片且剛度較小的制動(dòng)帶，其旋轉(zhuǎn)摩擦元件為制動(dòng)鼓，并利用制動(dòng)鼓的外因柱表面與制動(dòng)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(dòng)鼓，故又稱為帶式制動(dòng)器。在汽車制動(dòng)系中，帶式制動(dòng)器曾僅用作一些汽車的中央制動(dòng)器，但現(xiàn)代汽車已很少采用。所以內(nèi)張型鼓式 制動(dòng)器通常簡稱為鼓式制動(dòng)器，通常所說的鼓式制動(dòng)器就是指這種內(nèi)張型鼓式結(jié)構(gòu)。鼓式制動(dòng)器按蹄的類型分為： 領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器 如圖 所示，若圖上方的旋向箭頭代表汽車前進(jìn)時(shí)制動(dòng)鼓的旋轉(zhuǎn)方向 (制動(dòng)鼓正向旋轉(zhuǎn) )，則蹄 1 為領(lǐng)蹄，蹄 2 為從蹄。汽車倒車時(shí)制動(dòng)鼓的旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)榉聪蛐D(zhuǎn)，則相應(yīng)地使領(lǐng)蹄與從蹄也就相互對調(diào)了。這種當(dāng)制動(dòng)鼓正、反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)總具有一個(gè)領(lǐng)蹄和一個(gè)從蹄的內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器稱為領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器。領(lǐng)蹄所受的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(dòng) 鼓的趨勢，即摩擦力矩具有 “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 [3]。 6 圖 領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器 領(lǐng)從蹄式制動(dòng)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(jìn)與倒車時(shí)的制動(dòng)性能不變，且結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，也便于附裝駐車制動(dòng)機(jī)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(dòng)器及轎車的后輪 制動(dòng)器。 雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器 若在汽車前進(jìn)時(shí)兩制動(dòng)蹄均為領(lǐng)蹄的制動(dòng)器，則稱為雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器。顯然，當(dāng)汽車倒車時(shí)這種制動(dòng)器的兩制動(dòng)蹄又都變?yōu)閺奶愎仕挚煞Q為單向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器。如圖 所示，兩制動(dòng)蹄各用一個(gè)單活塞制動(dòng)輪缸推動(dòng)，兩套制動(dòng)蹄、制動(dòng)輪缸等機(jī)件在制動(dòng)底板上是以制動(dòng)底板中心作對稱布置的，因此，兩蹄對制動(dòng)鼓作用的合力恰好相互平衡，故屬于平衡式制動(dòng)器 [4]。 雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器有高的正向制動(dòng)效能，但倒車時(shí)則變?yōu)殡p從蹄式，使制動(dòng)效能大降。這種結(jié)構(gòu)常用于中級轎車的前輪制動(dòng)器，這是因?yàn)檫@類汽車前進(jìn)制動(dòng)時(shí)，前 軸的動(dòng)軸荷及 附著力大于后軸，而倒車時(shí)則相反。 圖 雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器 7 雙向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器 當(dāng)制動(dòng)鼓正向和反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩制動(dòng)助均為領(lǐng)蹄的制動(dòng)器則稱為雙向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器。它也屬于平衡式制動(dòng)器。由于雙向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器在汽車前進(jìn)及倒車時(shí)的制動(dòng)性能不變，因此廣泛用于中、輕型載貨汽車和部分轎車的前、后車輪，但用作后輪制動(dòng)器時(shí)，則需另設(shè)中央制動(dòng)器用于駐車制動(dòng)。如圖 所示。 圖 雙向雙 領(lǐng)蹄式器 單向增力式制動(dòng)器 單向增力式制動(dòng)器如圖所示兩蹄下端以頂桿相連接，第二制動(dòng)蹄支承在其上端制動(dòng)底板上的支承銷上。由于制動(dòng)時(shí)兩蹄的法向反力 不能相互平衡，因此它居于一種非 平衡式制動(dòng)器。單向增力式制動(dòng)器在汽車前進(jìn)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)效能很高，且高于前述的各種制動(dòng)器，但在倒車制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)效能卻是最低的。因此，它僅用于少數(shù)輕、中型貨車和轎車上作為前