乘用车制动设计及仿真

绪论制动系的功能汽车制动系是用于使行驶中的汽车减速或停车， 使下坡行驶的汽车的车速保持稳定 以及使已停驶的汽车在原地（包括在斜坡上）驻留不动的机构。汽车制动系直接影响着 汽车行驶的安全性和停车的可靠性。汽车制动系至少应有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装置。行车 制动装置用于使行驶中的汽车强制减速或停车，并使汽车下短坡时保持的适当稳定车 速。其驱动机构常采用双回路或多回路结构，以保证其工作可靠。驻车制动装置用于使汽车可靠而无时间限制地停驻在一定位置甚至在斜坡上， 它也 有助于汽车在坡路上起步。驻车制动装置应采用机械式驱动机构而不用液压或气压驱 动，以免其产生故障。汽车制动系统应具备以上的功能。 这些功能是设置在汽车上的一套专门的装置来实 现的。这些装置是由制动控制机构和执行机构来组成的。 也就是由供能装置、 操纵机构、 传动机构、制动器、调节制动力装置、 制动防抱装置、 报警装置和压力保护装置等组成。制动器的原理介绍制动器就是刹车装置。 是使机械中的运动件停止或减速的机械零件。 俗称刹车、 闸。制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。有些制动器还装有制动件间 隙的自动调整装置。为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴 上，但对安全性要求较高的大型设备 （如矿井提升机、电梯等 ） 则应装在靠近设备工 作部分的低速轴上。有些制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用。 制动器有摩擦式、液力式和电磁式等几种。电磁式制动器虽有作用滞后小、易于连 接且接头可靠等优点，但因成本高而只在一部分重型汽车上用来做车轮制动器或缓 速器。液力式制动器只用作缓速器。目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同， 分为鼓式、 盘式和带式三种。 带式只用作中央制动器制动器分类：制动器分为行车制动器（脚刹） ，驻车制动器（手刹） 。 在行车过 程中，一般都采用行车制动（脚刹） ，便于在前进的过程中减速停车，不单是使汽 车保持不动。若行车制动失灵时才采用驻车制动。当车停稳后，就要使用驻车制动 （手刹），防止车辆前滑和后溜。停车后一般除使用驻车制动外，上坡要将档位挂 在一档（防止后溜） ，下坡要将档位挂在倒档（防止前滑） 。制动系分类：摩擦式制动器。靠制动件与运动件之间的摩擦力制动。非摩 擦式制动器。制动器的结构形式主要有磁粉制动器（利用磁粉磁化所产生的剪力来 制动）、磁涡流制动器（通过调节励磁电流来调节制动力矩的大小）以及水涡流制 动器等。制动系统的一般工作原理是，利用与车身（或车架 ）相连的非旋转元件和与车轮 （或传动轴 ）相连的旋转元件之间的相互摩擦来阻止车轮的转动或转动的趋势。一个以内圆面为工作表面的金属制动鼓固定在车轮轮毂上，随车轮一同旋转。 在固定不动的制动底板上，有两个支承销，支承着两个弧形制动蹄的下端。制动蹄 的外圆面上装有摩擦片。制动底板上还装有液压制动轮缸，用油管与装在车架上的 液压制动主缸相连通。主缸中的活塞可由驾驶员通过制动踏板机构来操纵。当驾驶 员踏下制动踏板，使活塞压缩制动液时，轮缸活塞在液压的作用下将制动蹄片压向 制动鼓，使制动鼓减小转动速度，或保持不动。使机械运转部件停止或减速所必须 施加的阻力矩称为制动力矩。制动力矩是设计、选用制动器的依据，其大小由机械 的型式和工作要求决定。制动器上所用摩擦材料（制动件）的性能直接影响制动过 程，而影响其性能的主要因素为工作温度和温升速度。摩擦材料应具备高而稳定的 摩擦系数和良好的耐磨性。 摩擦材料分金属和非金属两类。 前者常用的有铸铁、 钢、 青铜和粉末冶金摩擦材料等， 后者有皮革、 橡胶、 木材和石棉等。课题主要内容为给定基本参数的汽车设计与之相匹配的制动器， 合理选择选择制动器的类型及结 构形式，计算确定制动器的基本参数以及相应的主要零件，使得设计参数和结构形式能 满足整车的总布置所规定装配要求， 绘制相应的零件图。 其具体内容如下：1）据课题条件选择制动器结构型式；2）制动器设计计算和校核；3）据课题条件设计制动器的主要部分；4）绘制制动器总装图；5）绘制部分主要零件图；6）制动器主要零件模型的建立；7）制动器热固耦合分析。课题研究的目的和意义毕业设计和毕业论文是大学生培养方案中的重要环节。学生通过毕业设计，综 合性地运用所学知识去分析、解决一个问题，在做毕业设计的过程中，对所学知识 得到疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼。不少学生在做完毕业设计后， 感到自己的实践动手、动笔能力得到锻炼，增强了即将跨入社会去竞争，去创造的 自信心。通过大学的学习，从理论与实践上均有了一定程度的积累。这次毕业设计就是 对我们以往所学的知识的综合运用与进一步的巩固加深，并对解决实际问题的能力 的训练与检验。其目的在于：1）培养正确的设计思想与工作作风；2）进一步培养制图、绘图的能力；3）学会分析与评价汽车制动系总成的结构与性能，合理选择结构方案及其有 关参数；4）学会汽车制动器一些主要零部件的设计与计算方法以及制动系总体布局的 一般方法，以毕业后从事汽车技术工作打下良好的基础；5）培养独立分析、解决问题的能力。22目录摘要 IAbstract n第 1 章 绪论 11.1制动系的功能 11.2制动器的原理介绍 21.3 课题主要内容 21.4 课题研究的目的和意义 4第 2 章 制动器的结构形选择 42.1 鼓式制动器的结构形式简介 42.2 盘式制动器的结构形式简介 72.3盘式制动器的优点 82.4 该乘用车制动器结构的最终选择 9第 3 章制动器的设计计算 113.1 设计要求 113.2 整车参数 113.3 盘式制动器结构参数的选择 113.4 滑动钳盘式制动器设计计算 133.5 校核计算 18第4章基于CATIA软件盘式制动器主要零件的设计 224.1 CATIA 软件发展及其在汽车行业的使用 224.2 盘式制动器主要零件设计 234.3 摩擦材料 254.4 制动器的间隙 26第5章基于ANSYS勺制动盘热固耦合分析 275.1 ANSYS软件简介 275.2 制动盘有限元模型勺建立 275.3 施加边界约束及制动盘温度场勺计算与分析 285.4 制动盘热应力场勺计算与分析 30结束语 33参考文献 35致谢 36第 2 章 制动器勺结构形选择2.1 鼓式制动器勺结构形式简介鼓式制动器是最早形式勺汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广 泛用于各类汽车上。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种 结构型式。内张型鼓式制动器勺摩擦元件是一对带有圆弧形摩擦蹄片勺制动蹄，后 者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥勺前梁或后桥桥壳半袖套管勺凸 缘上， 其旋转勺摩擦元件为制动鼓。 车轮制动器勺制动鼓均固定在轮鼓上。 制动时， 利用制动鼓勺圆柱内表面与制动蹄摩擦片勺外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上 产生摩擦力矩，故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器勺固定摩擦元件是带有摩 擦片且刚度较小勺制动带，其旋转摩擦元件为制动鼓，并利用制动鼓勺外圆柱表面 与制动带摩擦片勺内圆弧面作为一对摩擦表面，产生摩擦力矩作用于制动鼓，故又 称为带式制动器。在汽车制动系中，带式制动器曾仅用作一些汽车勺中央制动器， 但现代汽车已很少采用。所以内张型鼓式制动器通常简称为鼓式制动器，通常所说 勺鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构。鼓式制动器按蹄勺类型分为：（ 1 ）领从蹄式制动器如图 2-1 所示，若图上方勺旋向箭头代表汽车前进时制动鼓勺旋转方向（制动 鼓正向旋转） ，则蹄 1 为领蹄，蹄 2 为从蹄。汽车倒车时制动鼓勺旋转方向变为反 向旋转，则相应得使领蹄与从蹄也就相互对调了。这种当制动鼓正、反反向旋转时 总具有一个领蹄和一个从蹄勺内张型鼓式制动器称为领从蹄使制动器。领蹄所受勺摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有增势作用，故又称为增势蹄；而从蹄所受的 摩擦力使蹄有离开制动鼓的趋势，即摩擦力矩具有减势作用，故又称为减势蹄。增 势作用使领蹄所受的法向反力增大，而减势作用使从蹄所受的法向反力减小。领从蹄式制动器的效能及稳定性均处于中等水平，但由于其在汽车前进与倒车 时的制动性能不变，且结构简单，造价较低，也便于服装驻车制动机构，故这种结 构仍广泛用于中、重型载货汽车的前、后轮制动器及轿车的后轮制动器。图2-1领从蹄式制动器1-领蹄2-从蹄3（ 4）-支承销5-制动鼓6-制动轮缸（2 ）双领蹄式制动器若在汽车前进时两制动蹄均为领蹄的制动器，则称为双领蹄使制动器 （如图2-2所示）。显然，当汽车倒车时这种制动器的两制动蹄又都变为从蹄故它又可称为双 向领蹄式制动器。如图所示，两制动蹄各用一个单活塞制动轮缸推动，两套制动蹄、制动轮缸等机件在制动底板上是以制动底板中心作对称布置的，因此，两蹄对制动 鼓的作用的合力恰好相互平衡，故属于平面式制动器。双领蹄式制动器有高的正向制动效能，但倒车时则变为双从蹄式，使制动效能 大降，这种结构经常用于中级轿车的前轮制动器，这是因为这类汽车前进制动时， 前轴的动轴荷及附着力大于后轴，而倒车时则相反。图2-2双领从蹄式制动器1-制动轮缸2-领蹄3-支承销4-制动鼓（3）双向双领蹄式制动器当制动鼓正向和反向旋转时，两制动助均为领蹄的制动器则称为双向双领蹄式 制动器（如图2-3所示）。它也属于平衡式制动器。由于双向双领蹄式制动器在汽车 前进及倒车时的制动性能不变，因此广泛应用于中、轻型载货汽车和部分轿车的前 后轮，但用作后轮制动器时，则需另设中央制动用于驻车制动。图2-3双向双领蹄式制动器1-支座2-制动轮缸3-调整螺母4-回位弹簧5（ 9）-制动蹄6-制动鼓7-制动底板8-可调支座（4）单向增力式制动器单向增力式制动器如图 2-4所示两蹄下端以顶杆相连接，第二制动蹄支承在其 上端制动地板上的支承销上，由于制动时两蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居 于一种非平衡式的制动器。单向增力式制动器在汽车前进制动时的制动效能很高， 且高于前述的各种制动器，但在倒车制动时，其制动效能却是最低的。因此，它用 于少数轻、中型货车和轿车上作为前轮制动器。图2-4单向增力式制动器1-第一制动蹄2-支承销3-制动鼓4-第二制动蹄5-顶杆6-制动轮缸(5) 双向增力式制动器将单向增力式制动器的单活塞式制动轮缸换用双活塞式制动轮缸，其上端的支承销也作为两蹄共用的，则称为双向增力式制动器(如图2-5所示)。对双向增力式制动器来说不论汽车前进制动或倒退制动，该制动器均为增力式制动器。双向增力式制动器在大型高速轿车上用的较多，而且常常将其作为行车制动与 驻车制动功用的制动器，但行车制动是由液压经制动轮缸产生制动蹄的张开力进行 制动，而驻车制动则是用制动操纵手柄通过钢索拉绳及杠杆等机械操纵系统进行操 纵。双向增力式制动器也广泛用于汽车的中央制动器，因为驻车制动要求制动器正 向、反向的制动效能都很高，而且驻车制动若不用于应急制动时也不会产生高温， 故其热衰退问题并不突出。但由于结构问题使它在制动过程中散热和排水性能差，容易导致制动效率下 降。因此，在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本低，仍然在 一些经济型车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。图2-5双向增力式制动器1-前制动蹄2-顶杆3-后制动蹄4-轮岗5-支承销2.2盘式制动器的结构形式简介盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两大类（1）钳盘式钳盘式制动器按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器（见图2-6 ）、浮钳盘式制动器（见图 2-7 ）等。1 ）定钳盘式制动器：这种制动器中的制动钳固定不动，制动盘与车轮相连并 在制动钳体开口槽中旋转。具有以下优点：除活塞和制动块外无其他滑动件，易于 保证制动钳的刚度；结构及制造工艺与一般鼓式制动器相差不多，容易实现鼓式制 动器到盘式制动器的改革，能很好地适应多回路制动系的要求。图2-6定钳盘式制动器1-制动盘2-制动块3-摩擦片4-油管5-制动钳6-制动钳支架2）浮钳盘式制动器：这种制动器具有以下优点：仅在盘得内侧具有液压缸， 故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近轮毂；没有跨越制动盘的油道或油管，液压缸 冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；成本低；浮动盘的制动块可兼用驻车制 动。图2-7浮钳盘式制动器1-制动盘2-制动块3-摩擦片4-油管5-制动钳6-制动钳支架（2）全盘式在全盘制动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦 表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。由于这种制动器散热条件较差， 其应用远远没有钳盘式制动器广泛。2.3盘式制动器的优点与鼓式制动器比较，盘式制动器有如下优点：1）热稳定性好。原因是一般无自行增力作用，衬块摩擦表面压力分布较鼓式 中的衬片更为均匀。此外，制动鼓在受热膨胀后，工作半径增大，使其只能与蹄中 部接触，从而降低了制动效能，这称为机械衰退。制动盘的轴向膨胀极小，径向膨 胀根本与性能无关，故无机械衰退问题。因此，前轮采用盘式制动器，汽车制动时 不易跑偏。2）水稳定性好。制动块对盘的单位压力高，易于将水挤出，因而浸水后效能 降低不多；又由于离心力作用及衬块对盘的擦拭作用，出水后只需经一、二次制动 即能恢复正常。鼓式制动器则需经十余次制动方能恢复。3）制动力矩与汽车运动方向无关；4）易于构成双回路制动系，使系统有较高的可靠性和安全性；5）尺寸小、质量小、散热良好；6）压力在制动衬块上分布比较均匀，故衬块磨损也均匀；7）更换衬块工作简单容易；8）衬块与制动盘之间的间隙小 （0.05 0.15mm），这就缩短了制动协调时间；9）易于实现间隙自动调整。2.4 该乘用车制动器结构的最终选择摩擦式制动器按其旋转元件的形状又可分为鼓式和盘式两大类。 因为盘式制动器的 旋转元件是一个垂向安放且以两侧面为工作面的制动盘， 其固定摩擦元件一般是位于制 动盘两侧并带有摩擦片的制动块。当制动盘被两侧的制动块夹紧时，摩擦表面便产生作 用于制动盘上的摩擦力矩。盘式制动器常用作小型乘用车的车轮制动器。而且小型乘用 车质量较小，制动力矩较小，这里选择盘式制动器为前轮制动器。盘式制动器按摩擦副中的固定摩擦元件的结构，分为钳盘式和全盘式制动器两大 类。一般小型乘用车上大多数采用钳盘式制动器，这里也选用钳盘式制动器。钳盘式制动器的固定摩擦元件是两块带有摩擦衬块的制动块， 后者装在以螺栓固定 于转向节或桥壳上的制动钳体中。两块制动块之间有作为旋转元件的制动盘，制动盘是 用螺栓固定于轮毂上。制动块的摩擦衬块与制动盘的接触面积很小，在盘上所占的中心 角一般仅约3050,因此这种盘式制动器又称为点盘式制动器。其结构较简单，质 量小，散热性较好， 借助于制动盘的离心力作用易于将泥水、 污物等甩掉， 维修也方便。钳盘式制动器按制动钳的结构型式又可分为以下几种：（1）固定钳式盘式制动器（2）浮动钳式盘式制动器（3）摆动钳式盘式制动器 因为滑动钳式盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸，结构简单，造价低廉，易于布 置，结构尺寸紧凑，可以将制动器进一步移近轮毂，同一组制动块可兼用于行车和驻车 制动。滑动钳由于没有跨越制动盘的油道或油管，减少了受热机会，单侧油缸又位于盘 的内侧，受车轮遮蔽较少使冷却条件较好，另外，单侧油缸的活塞比两侧油缸的活塞要 长，也增大了油缸的散热面积，因此制动液温度比用固定钳时低 30 T50C,气化的可 能性较小。所以这里所设计的制动器形式选用：滑动钳式盘式制动器当然，盘式制动器也有自己的缺陷。例如对制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦片的耗损量较大，成本贵，而且由于摩擦片的面积小，相对摩擦的工作面也较小，需要的制动液压高，必须要有助力装置的车辆才能使用。而鼓式制动器成本相对低廉，比较经济。所以，汽车设计者从经济与实用的角度出发，一般商用车采用了混合的形式，前轮盘式制动，后轮鼓式制动。乘用车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通 常占汽车全部负荷的 70%80%，因此前轮制动力要比后轮大。轿车生产厂家为了节省成 本，就采用前轮通风盘式制动器，后轮非通风盘式制动器。盘式制动的乘用车中，采用前轮通风盘式制动是为了更好地散热，至于后轮采用非 通风盘式同样也是成本的原因。毕竟通风盘式的制造工艺要复杂得多，价格也就相对贵 了。综合以上优缺点最终确定本次设计的1.6 L乘用车采用前轮通风浮动钳盘式制动器, 后轮采用非通风浮动钳盘式制动器。第 3 章 制动器的设计计算3.1 设计要求本课题设计的乘用车采用滑动钳盘式制动器。 这里主要对前轮选用的通风滑动钳式盘式制动器进行设计。要求对制动力、制动力分配系数、制动器因数等进行计算。对制动器主要零件， 如制动盘、 摩擦衬片（衬块）进行结构设计计算和校核计算并建立模型 利用计算机辅助设计绘制装配图和制动器的主要零件图。对制动盘热固耦合进行分析。3.2 整车参数车型： 1.6L 乘用车 基本参数：1） 发动机前置前轮驱动型式，最大转矩 155NM,最大转矩时的转速3800r/min ;额 定功率77Kw，额定功率时的转速 5000 r/min;2）轴距： L=2350mm;3）最高车速： Vmax=160Km/h；4）整备质量1200kg，额定载荷500kg。5）空载时汽车的质心高度： hg =800mm； 满载时汽车的质心高度为 hg =930mm；6）汽车空载时的轴荷分配：前轴 60%，后轴 40%；汽车满载时的轴荷分配：前轴52%，后轴 48%；7） 汽车空载时质心到前后轴的距离：L1= L*0.40=2350*0.40=940mm；汽车满载时质心到前后轴的距离：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）车轮有效半径0 :选用80系列轮胎，查阅GB/2978_1997,155/80R13轮辋直径为 330mm, 得有效半径为 re =165mm。3.3 盘式制动器结构参数的选择3.3.1 制动盘直径 D制动盘直径 D 应尽可能取大些， 这时制动盘的有效半径得到增加， 可以降低制动钳 的夹紧力，减少衬块的单位压力和工作温度。受轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选 择为轮辋直径的 70一 79。总质量大于 2t 的汽车应取上限。作为一款微型乘用车，满载时的总质量有 1700kg,我对该制动器制动盘的直径选择为轮辋直径的75%，给定的轮胎参数为：155R13，这就是说轮辋直径为330mm。这里 去制动盘的直径D为轮辋直径的百分之75%，那么：制动盘直径：D=ck75%=330 75%=248mm式中d轮辋直径，C =330mm3.3.2制动盘厚度的选择制动盘厚度对制动盘质量和工作时的温升有影响。为使质量小些，制动盘厚度不宜 取得大；为了降低温度，制动盘厚度又不宜取得过小。制动盘可以做成实心的，或者为 了散热通风的需要在制动盘中间铸出通风孔道。 一般实心制动盘厚度可取为1018mm， 通风式制动盘厚度取为1850mm，采用较多的是2030mm。在高速运动下紧急制动， 制动盘会形成热变形，产生颤抖。为提高制动盘摩擦面的散热性能，大多把制动盘做成 中间空洞的通风式制动盘，这样可使制动盘温度降低20 %30 %。这里采用中间空洞 的通风式制动盘，h=18 mm厚度。3.3.3摩擦衬块内半径Ri和外半径R2摩擦衬块（如图3-1所示）是指钳夹活塞推动挤压在制动盘上的摩擦材料。摩擦衬 块分为摩擦材料和底板，两者直接压嵌在一起。摩擦衬块外半径只与内半径及推荐摩擦衬 块外半径R2与内半径R的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作时衬块的外缘与内侧圆 周速度相差较多，磨损不均匀，接触面积减少，最终导致制动力矩变化大。因为制动器 直径D等于248mm,则摩擦块R2=124mm取R2/ R1 1.5，所以R1=83mm。图3-1摩擦衬块3.3.4摩擦衬块工作面积对于盘式制动器衬块工作面积A,推荐根据制动衬块单位面积占有的汽车质量在1.6 3.5kg/cm 2范围内选用。单个前轮摩擦块A 1700 60% 0.5 0.5 127.5cm2,则单个 2.0前轮制动器A1 =255cm2 ;单个后轮摩擦块a2 1700 40% 0.5 0.5 42 5cm2，则单个后轮 2.0制动器A2=85cm2能够满足B的要求。335摩擦衬块摩擦系数f选择摩擦片时不仅希望其摩擦系数要高些，更要求其热稳定性要好，受温度和压力 的影响要小。不能单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数，应提高对摩擦系数的稳定性和降 低制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的要求，后者对蹄式制动器是非常重要的。各 种制动器用擦材料的摩擦系数的稳定值约为0.30.5，少数可达0.7。一般说来，摩擦系数愈高的材料，其耐磨性愈差。所以在制动器设计时并非一定要追求高摩擦系数的材 料。当前国产的制动摩擦片材料在温度低于250T时，保持摩擦系数f =0.350.40已无大问题。因此，在假设的理想条件下计算制动器的制动力矩。另外，在选择摩擦材料 时应尽量采用减少污染和对人体无害的材料。所选择摩擦系数f =0.35。总结得到参数如表3-1所示表3-1制动器基本参数名称制动盘外径(mm)工作半径(mm)制动盘厚度(mm)摩擦衬块厚度(mm)摩擦面积(cm2)前轮248105256127.5后轮24810525642.53.4滑动钳盘式制动器设计计算3.4.1同步附着系数的确定(1) 当0时：制动时总是前轮先抱死，这是一种稳定工况，但丧失了转向能 力；(2) 当0时：制动时总是后轮先抱死，这是容易发生后轴策划而使汽车丧失 方向稳定性；(3) 当0时：制动时汽车前后轮同时抱死，是一种稳定工况，但也丧失了转 向能力。分析表明，汽车在同步系数为的路面上制动(前后轮同时抱死)时，其制动减速度为du qg g，即q= 0, q为制动强度。而在其他附着系数的路面上制动时，达到 dt前轮或者后轮即将抱死的制动强度 q 0的良好路面上能够制动到后轴车轮和前轴车轮先后抱死滑移，前、后轴的车轮制动器所能产生的最大制动力矩为flmaxG(L2 qHg) reL(3-10)f 2maxfl max(3-11)对于常遇到的道路条件较好、车速较高因而选取了较大的同步附着系数 0值的汽 车，应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定各轴的最大制动力矩。在 8.33 833 078/2=46004.842 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 为27.5 0.6=8608g式中，i 为铸铁、钢的密度（7.8g/cm3）；2i2 粉末冶金摩擦材料的密度(6.45g/cm3);Di 制动盘直径，取 Di=248mm；D2制动盘圆柱外径，取 D2=166mm；Hi制动盘厚度，取H2制动块厚度，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=62236Jq可知，制动器的热容量符合温升核算的要求。3.5.3盘式制动器制动力矩的校核今假设衬块的摩擦表面与制动盘接触良好，且各处的单位压力分布均匀，则盘式制动器的制动力矩为Tf 2fNR(3-26)式中，f为摩擦系数；R为作用半径；N为单侧制动块对制动盘的压力在制动块任一单元面积RdRd上的摩擦力对制动盘中心的力矩为 fqR2dRd ，式中 q为衬块与制动盘之间的单位面积上的压力，则单侧制动块作用于制动盘上的制动力为r22233fqR dRdfq(R2 R1 )R1(3-27)fN单侧衬块给予制动盘的总摩擦力为R2fqRdRdR,fq(R；R12)(3-28 )得有效半径为:ReTf2fNR； R13R； R12R1R22(R1 R2)(T)令tm，则有:RemRm=105mm(1 m)40因 m & 1， J 1，故 ReRm。当 R1R2，m 1，ReRm。R2(1 m) 4但当 m 小，即扇形的径向宽度过大， 衬块摩擦表面在不同半径处的滑磨速度相差太 大，磨损将不均匀， 因而单位压力分布将不均匀， 则上述计算方法失效。制动轮缸中的液压 P,在考虑制动力调节装置作用的情况下，其值一般为P=812Mpa,制动管路液压在制动时一般不超过 1012Mpa,对盘式制动器可再高些，因此 这里取P=10Mpa来计算制动轮缸工作面积：S=nd32/4=3.14 0.048 %.048/4=0.0018nf式中，d3活塞的直径，取 d3=48mm。单侧制动块对制动盘的压紧力：N=PS=1000000.0 0.0018=18000N单个制动器制动力矩 Tf =2fNRm=. 0.35 X8000X).1035=1304.1N mmTf Tmax=1213 N mm,符合制动力矩要求。第 4 章 基于 CATIA 软件盘式制动器主要零件的设计4.1CATIA 软件发展及其在汽车行业的使用CATIA 是 CAD/CAE/CAM 一体化软件，位居世界 CAD/CAE/CAM 领域的领导地位， 广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子 /电器、消费品行业，它的集成 解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的 DMU 电子样机模块功能及混合建 模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。 CATIA 提供方便的解决方案， 迎合所有 工业领域的大、中、小型企业需要。 包括:从大型的波音 747 飞机、火箭发动机到化妆品 的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过 13000 的用户在使用共 13 万套以上的 CATIA 为其工作，大到飞机、载人飞船和汽车，小到螺丝钉和钓鱼杆， CATIA 可以根据不同规模、不同应用定制完全适合本企业的解决方案。 CATIA 源于航空航天业， 但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。 CATIA 的 著名用户包括在世界制造业中具有举足轻重的地位一大批知名企业， 如波音、克莱斯勒、 宝马、奔驰等。 在中国， CATIA 也得到了广泛的应用。哈尔滨、沈阳、西安、成都、 景德镇、上海、贵阳等都选用 CATIA 做为其核心设计软件。包括一汽集团、一汽大众、 沈阳金杯、上海大众、北京吉普、武汉神龙在内的许多汽车公司都选用 CATIA 开发他 们的新车型。CATIA 是汽车工业的事实标准， 是欧洲、 北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系 统。CATIA在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和 制造提供了端对端（end to end）的解决方案。CATIA涉及产品、加工和人三个关键领 域。 CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车， 各种车辆在 CATIA 上都可以作为数字化产品，在数字化工厂内，通过数字化流程，进 行数字化工程实施。 CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可及的， 并且被各国的汽车 零部件供应商所认可。 从近来一些著名汽车制造商所做的采购决定， 如 Renault、 Toyota、 Karman、Volvo、Chrysler等，足以证明数字化车辆的发展动态。Scania是居于世界领先地位的卡车制造商，总部位于瑞典。其卡车年产量超过50， 000 辆。当其他竞争对手的卡车零部件还在25，000个左右时，Scania公司借助于CATIA系统，已经将卡车零 部件减少了一半。现在，Scania公司在整个卡车研制开发过程中，使用更多的分析仿真， 以缩短开发周期，提高卡车的性能和维护性。CATIA 系统是 Scania 公司的主要CAD/CAM 系统，全部用于卡车系统和零部件的设计。通过应用这些新的设计工具，如 发动机和车身底盘部门 CATIA 系统创成式零部件应力分析的应用，支持开发过程中的 重复使用等应用，公司已取得了良好的投资回报。现在，为了进一步提高产品的性能， Scania 公司在整个开发过程中，正在推广设计师、分析师和检验部门更加紧密地协同工 作方式。 这种协调工作方式可使 Scania 公司更具市场应变能力， 同时又能从物理样机和 虚拟数字化样机中不断积累产品知识。4.2 盘式制动器主要零件设计4.2.1 制动盘制动盘一般由珠光体灰铸铁制成，其结构形状有平板形（用于全盘式制动器 ）和礼帽形（用于钳盘式制动器 ）两种。后一种的圆柱部分长度取决于布置尺寸。为了改善冷却， 有的钳盘式制动器的制动盘铸成中间有径向通风槽的双层盘，可大大增加散热面积，但盘的整体厚度较大（见图4-1）制动盘的工作表面应光滑平整。两侧表面不平行度不应大于0.008mm,盘面摆差不应大于0.1mm。图4-1制动盘3 5 3 a n n4.2.2制动钳制动钳由可锻铸铁KTH370 12或球墨铸铁QT40018制造，也有用轻合金制造 的，可做成整体的，也可做成两半并由螺栓连接（见图 4-2）。其外缘留有开口，以便不 必拆下制动钳便可检查或更换制动块。制动钳体应有高的强度和刚度。一般多在钳体中 加工出制动油缸，也有将单独制造的油缸装嵌入钳体中的。 为了减少传给制动液的热量, 多将杯形活塞的开口端顶靠制动块的背板。有的活塞的开口端部切成阶梯状，形成两个 相对且在同一平面内的小半圆环形端面。活塞由铸铝合金或钢制造。为了提高耐磨损性 能，活塞的工作表面进行镀铬处理。当制动钳体由铝合金制造时，减少传给制动液的热 量成为必须解决的问题。为此，应减小活塞与制动块背板的接触面积，有时也可采用非 金属活塞。|Q|)S4hk|i几砂猱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门凸图4-2制动钳423制动块制动块由背板和摩擦衬块构成，两者直接压嵌在一起见图（4-3）。衬块多为扇面形, 也有矩形、正方形或长圆形的。活塞应能压住尽量多的制动块面积，以免衬块发生卷角 而引起尖叫声。制动块背板由钢板制成。许多盘式制动器装有衬块磨损达极限时的警报 装置，以便及时更换摩擦衬片。birfk pdds-；y7 vS丄-蟋期.4J宀倒證J.图4-3制动块将制动器所有零件在 CATIA V4进行装配，得到制动器的三维图（见图 4-4）,然后生成二维工程图（见图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图4-4制动器总装三维图Applir atinris图4-5制动器总装二维图1-螺纹孔2-制动盘总成3-制动钳支架4-制动钳5-防尘罩6-活塞缸7-制动钳活塞 8(9)-制动块总成4.3摩擦材料制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数，抗热衰退性能好，不能在温度升到某一 数值后摩擦系数突然急剧下降；材料的耐磨性好，吸水率低，有较高的耐挤压和耐冲击 性能；制动时不产生噪声和不良气味，应尽量采用少污染和对人体无害的摩擦材料。目前在制动器中广泛采用着模压材料，它是以石棉纤维为主并与树脂粘结剂、调整 摩擦性能的填充剂 （由无机粉粒及橡胶、聚合树脂等配成 ）与噪声消除剂（主要成分为石墨 ） 等混合后，在高温下模压成型的。模压材料的挠性较差，故应按衬片或衬块规格模压， 其优点是可以选用各种不同的聚合树脂配料， 使衬片或衬块具有不同的摩擦性能和其他 性能。另一种是编织材料，它是先用长纤维石棉与铜丝或锌丝的合丝编织成布，再浸以树 脂粘合剂经干燥后辊压制成。其挠性好，剪切后可以直接铆到任何半径的制动蹄或制动 带上。在100C120C温度下，它具有较高的摩擦系数（f =0.4以上），冲击强度比模压 材料高45倍。但耐热性差，在200E250E以上即不能承受较高的单位压力，磨损 加快。因此这种材料仅适用于中型以下汽车的鼓式制动器，尤其是带式中央制动器。粉末冶金摩擦材料是以铜粉或铁粉为主要成分 （占质量的 60 80），加上石墨、 陶瓷粉等非金属粉末作为摩擦系数调整剂，用粉末冶金方法制成。其抗热衰退和抗水衰 退性能好，但造价高，适用于高性能轿车和行驶条件恶劣的货车等制动器负荷重的汽车。各种摩擦材料摩擦系数的稳定值约为 0.30.5，少数可达 0.7。设计计算制动器时一般取 0.3 0.35。选用摩擦材料时应注意， 一般说来，摩擦系数愈高的材料其耐磨性愈差。4.4 制动器间隙制动鼓（制动盘）与摩擦衬片 （摩擦衬块）之间在未制动的状态下应有工作作间隙，以 保证制动鼓（制动盘）能自由转动。一般，鼓式制动器的设定间隙为 0.20.5mm；盘式制9 动器的为0.10.3mm。此间隙的存在会导致踏板或手柄的行程损失，因而间隙量应尽 量小。考虑到在制动过程中摩擦副可能产生机械变形和热变形，因此制动器在冷却状态 下应有的间隙应通过试验来确定。另外，制动器在工作过程中会因为摩擦衬片（衬块）的磨损而加大，因此制动器必须设有间隙调整机构。第5章基于ANSYS勺制动盘热固耦合分析5.1ANS YS软件简介ANSYS 是美国 ANSYS 公司设计开发勺大型通用有限元计算软件，是一个融结构、 热、流体、电、磁。声学于一体勺大型通用有限元软件。作为目前最流行勺有限元软件 之一，它具备功能强大、兼容性好、使用方便、计算速度快等优点，成为了工程师们开 发设计勺首选，并广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、 汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学 研究领域。其特点如下：1）能实现多场及多场耦合分析2）能实现统一前处理、求解、后处理及多场分析数据库勺大型 FEA 软件3）具有多物理场优化功能勺 FEA 软件4）较为强大勺非线性分析功能5）多种求解器分别适用于不同勺问题及不同勺硬件配置6）支持异种、异构平台勺网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文 件全部兼容7）强大勺并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行8）多种自动网格划分技术9）良好勺用户开发环境5.2 制动盘有限元模型勺建立本课题设计勺制动盘为双摩擦面带中间散热筋板勺通风式制动盘。 在有限元计算分 析时为提高计算效率，在计算过程中对模型做了必要勺简化处理，最后选为单摩擦面施 加对称约束并进行有限元计算。制动盘和制动片单元类型选用实体单元 SOLID5 。该问 题属于摩擦生热为题，选择CONTA173接触单元和TARGE170目标单元生成接触对。模 型材料特性参数见表 5-1 。制动盘勺几何三维模型见图 5-1 。对其进行网格划分，划分网 格后勺有限元模型见图 5-2 所示。表5-1制动器模型材料的特性参数特性参数制动盘制动片热导率 /(W m 1 K 1)48.461.212密度 /(kg m3)72282595比热容 c/(J kg 1 K 1)4191465热膨胀系数a/K 1-611x10-430x10弹性模量E/GPa1751.5泊松比0.30.255.3施加边界约束及制动盘温度场的计算分析热分析模型边界条件的确定是温度场分析的关键所在，本文采用理论推导与实际分图5-1制动盘的几何三维模型图图5-2戈U分网格后