经济型轿车浮钳式制动器制动钳体三维建模及强度计算毕业论文盘式制动卡钳.docx
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经济型轿车浮钳式制动器制动钳体三维建模及强度计算毕业论文盘式制动卡钳
毕业设计（论文）报告
学生姓名：
毛宇飞
学号：
P1202120317
所在学院：
浦江学院
专业：
机械工程及其自动化
设计（论文）题目：
纯电动客气底盘结构设计
指导教师：
缪小冬
2016年6月12日
目录
摘要1
ABSTRACT2
第1章绪论4
1.1研究目的与意义4
1.2国内外研究现状5
1.2.1国外研究概况5
1.2.2国内研究概况7
1.3主要研究内容10
1.4浮钳盘式制动器概述11
1.4.1浮钳盘式制动器的结构及其原理11
1.4.2浮钳盘式制动器的优点13
1.5本章小结14
第2章浮钳盘式制动器的设计计算15
2.1汽车液压制动系统概述15
2.2汽车液压制动系统设计分解模型17
2.3制动器设计计算18
2.4汽车最大减速度下制动力矩设计计算22
2.5盘式制动器参数设计基本原理24
2.6盘式制动器校核计算27
2.7本章小结29
第3章浮钳盘式制动器三维模型建立30
3.1软件介绍30
3.2浮钳盘式制动器零部件三维建模30
3.2.1活塞30
3.2.2摩擦衬块底板30
3.2.3内制动钳体模型建立31
3.2.4外制动钳体的模型建立31
3.2.5总成装配32
3.3本章小结32
第4章浮钳盘式制动器零部件有限元分析33
4.1软件介绍33
4.2盘式制动器主要零件的静力分析33
4.2.1制动盘的结构静力分析34
4.2.2摩擦片的结构静力分析35
4.3主要零件模态分析37
4.3.1内制动无预应力的模态分析37
4.3.2摩擦块模态分析38
4.3.3制动盘模态分析39
4.4本章小结40
第5章总结与展望41
5.1全文总结41
5.2工作展望41
参考文献42
致谢45
摘要
汽车的安全性是汽车设计和制造的第一指标，汽车的制动性能可靠性更是衡量汽车安全标准的重要因素。
本文基于汽车制动理论，通过ANSYSWorkbench软件平台对影响汽车盘式制动器制动性能的主要因素进行研究和分析，利用有限元方法来验证盘式制动器主要零部件的强度、制动等问题。
首先，概述了当前国内外汽车盘式制动器的发展现状、研究水平以及未来新技术的发展趋势，确定论文研究方向和实现方法；介绍了有限元法等基本理论和软件平台；通过CATIA软件建立盘式制动器主要零部件和总成的三维模型。
然后，通过对盘式制动器的结构进行分析，研究制动过程中零部件间力的传递关系；从制动效能、制动效能恒定性和制动时汽车行驶方向的稳定性三个性能评价指标，分析了汽车制动性能的影响因素。
通过对制动时车轮的受力分析、地面制动力、制动力矩等力的分析，以及地面制动力、制动器制动力、与附着力之间的关系，探讨制动效能对汽车制动器整体制动性能的影响机理。
通过Workbench平台中的Mechanical模块，对制动器的主要零部件的有限元模型进行结构静力学分析，得到其应力集中和变形情况，验证其强度是否满足工作要求。
关键词：
盘式制动器；有限元法；结构静力分析
ABSTRACT
Carsafetyisthefirstindicatorofautomobiledesignandmanufacture,andtheautomotivebrakingperformancereliabilityisthemostsignificantfactortomeasurethesafetystandards.Basedonthetheoryofautomobilebraking,thispaperusesthefiniteelementmethodtoverifythestrength,brakevibrationproblemsofthemajorpartsofthediscbrakebytheresearchandanalysisofthemainfactorsinfluencingtheautomobilebrakeperformancebytheANSYSWorkbenchsoftware.
First,thispapersummarizesthecurrentdevelopmentsituationofdomesticandforeignautomotivediscbrakes,theresearchlevelandtrendofthedevelopmentofnewtechnologiestomakesurethedirectionandtheimplementationmethodsofthispaper.Italsointroducesthetheoryoffiniteelementmethod,thethermalconductivitybasictheoryandsoftwareplatformandsoon.Besides,themainlypartsofdiskbrakeand3dmodelsofcomponentsandassembliesaresetupbyCATIAsoftware.
Then,itstudiestheforcetransmissionrelationshipamongcomponentsintheprocessofbrakingbasedontheanalysisofthestructureofdiscbrake.Also,accordingtothedemandsofthebrakingefficiency,theconstancyofbrakingefficiencyandthestabilityofcars'movingdirections,thefactorsofinfluencesinautomobilebrakingperformanceareanalyzed.What'smore,throughanalysesofbrakingwheelforce,thegroundbrakingforce,brakingtorque,alsooftherelationshipbetweenthegroundbrakingforce,brakeforceandadhesiveforce,thispaperexplorestheinfluencemechanismofthebrakingefficiencytothewholebrakingperformance.
ThroughMechanicalmodulesintheWorkbenchplatform,thispaperanalyzesthestructurestaticsofbrake'smainpartsfiniteelementmodeltogetthestressconcentrationanddeformationsituations,verifyingwhetherthestrengthmeetsthejobrequirements.
Keywords:
Discbrake;Finiteelementstaticanalysis;Structureanalysis;
第1章绪论
1.1研究目的与意义
汽车制动系统可靠性是保证汽车安全性的主要因素，提高汽车制动系统的安全性和可靠度，是现代汽车设计过程中的首要问题。
随着现代控制技术的发展，越来越多的新技术被应用在汽车制动系统中。
由于汽车制动器的工作环境复杂，影响因素众多，实验方法虽然是最可靠的数据来源，但消耗大量的人力物力，尤其很多实际影响因素的不可重复性。
所以利用大型的CATIA软件，来设计和模拟分析产品的性能，就显得更经济、直观和方便，日益完善的算法也能保证模拟计算结果的可信度。
本文内容主要包括:
1、介绍当前国内外汽车盘式制动器的发展现状，以及未来的发展趋势。
阐述论文研究方向和实现方法；
2、确定盘式制动器的结构分析、主要参数的计算和评价指标；
3、介绍有限元法和Workbench平台等基本理论和工具；
4、利用CATIA软件按照图纸要求建立盘式制动器的零部件和总成的CAD模型；
5、通过Workbench平台中的Mechanical模块，对制动器的主要零部件有限元模型进行静力学分析，得到其应力集中和变形情况，验证其强度是否满足工作要求；
6、对基于振动和噪音的盘式制动器的结构优化问题的计划和展望，对下一步工作指明方向。
本课题的研究意义不仅仅在于利用有限元方法通过CATIA软件来探讨盘式制动器主要零部件的强度、制动等问题，更重要的是为企业对其产品的设计、生产给予理论的参考。
对提高汽车制动系统可靠度、制动系统结构的合理性、降低成本和提高设计水平都有着重要的实际意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究概况
国外对制动器进行结构仿真分析的文献比较多，但多集中在热应力分析，制动噪声分析、振动模态分析等方面，对结构强度分析、参数化有限元方面的分析还不是很多。
另外，制动器设计还涉及到非线性问题，而国外学者对非线性理论（包括弹塑性力学、接触动力学等理论）研究较多，非线性有限元理论的应用也较为广泛。
在弹塑性力学方面。
1678年，R.H00ke提出了虎克定律，确定了固体材料的弹性变形应该和所受外力成正比。
19世纪20年代，C.LM.Havier、A.L.cauchy和A.J.c.B.saintvenant等人建立了数学弹性理论，给出了应变、应变分量和应力、应力分量的概念，建立了变形体的平衡微分方程、几何变形方程、变形协调方程，以及广义虎克定律等，奠定了弹性力学的理论基础。
1773年，他提出了最大剪应力理论，开始了固体材料塑性变形的研究。
1864年，H.Tresca提出了最大剪应力屈服条件，将最大剪应力理论引用到金属的塑性变形研究中。
塑性力学的理论基础是由Saint.Venant和M.Levy在一个多世纪前奠定的。
SaintVenant认为在材料的塑性变形中，最大剪应力和最大剪应变增量方向应当一致。
1871年Levy将塑性应力应变关系由二维推广到三维情况。
1904年，M.THouber提出了材料的形状改变比能理论。
1913年，R.VonMISeS提出了应变能屈服条件，并独立的提出了和Levy相同的塑性应变增量与应力关系表达式。
1924年L.Prandtl和1930年A.ReusS提出了塑性力学的增量理论。
在塑性本构理论方面，1870年，St.Venant提出了应力和塑性应变之间的非线性关系，并假设应变增量主轴和应力主轴重合，提出了平面应变条件下的理想刚塑性材料的本构方程。
1871年，M.Levy推理出塑性变形过程中应变增量分量与相应的应力偏量成比例，并提出了理想刚塑性本构方程。
后来，Mises建立了著名的Levy-Mises方程。
随后，A.Reuss认为当变形很小时，忽略弹性变形将带来较大误差，提出了包括弹性应变的弹塑性本构理论，即Prandtl-Reuss塑性增量理论。
1924年，H.Hencky、A.L.Nadai和A.A.lliushin等采用MiseS准则建立和发展了塑性力学应力应变关系的形变理论，即全量理论。
1952年，D.C.Drucker提出了相关联的流动法则。
在接触动力学研究方面，德国Stuttgart大学和Erlangen大学组成的接触动力学研究组在数值计算、理论分析和实验研究中做了大量的工作。
曾在研究组中工作的PeterEberhard教授和胡斌博士长期进行德国研究基金会资助项目“连续体力学中的多场问题”SFB404的研究工作，并提出接触动力学的计算方法:
对于低频的刚体运动，可用多刚体动力学方法；对于高频波动现象，最有效的方法是有限元法。
该方法以被成功的用于解决减少汽车刹车噪声这一重大项目。
在非线性理论不断发展成熟的同时，越来越多的工程师在仿真过程之中考虑非线性因素的影响。
不少学者利用上述原理对制动盘的热问题，噪声问题，变形问题等进行了大量的研究。
在非线性有限元软件方面，1969年，PedroMareal成立了自己的公司，使第一个非线性商业有限元程序MARC进入市场。
同期，JohnSwanson也将他的非线性程序ANSYS推入市场，ANSYS主要关注的非线性材料而非求解完全的非线性问题。
1972年，Hibbitt与人合作建立HKS公司，使ABAQUS商业软件进入市场。
ABAQUS能够引导研究人员增加用户单元和材料模型，尤其是其拥有强大的非线性分析能力和广泛而先进的模拟能力。
ABAQus求解模块主要包括隐式求解器ABAQUS/Standard和进行显示求解的显示求解器ABAQus/ExPlicit两种。
其中隐式求解器为通用有限元程序，可以处理大部分线性和非线性问题，但其在处理复杂接触问题和材料失效问题时不易收敛，而显示求解器能够更好的解决结构内部发生复杂相互接触作用时结构的瞬间动态响应问题和材料失效时出现的收敛困难的问题，不过往往运行时间较长。
从上述资料的总结以及文献中可以看出:
1）力学理论已日趋成熟，弹塑性力学理论框架已趋于完善；接触理论越来越受到重视，一些接触理论已用于求解特定的接触问题；
2）在汽车零部件的仿真分析之中已越来越多的运用到了非线性理论和有限元法；
3）Ansys和Abaqus等这样的有限元分析软件已被越来越多的公司、研究院、学校和个人运用，是较为成熟先进的有限元分析软件。
4）国外对于制动器的研究处于领先地位，为国内的相关技术人员、研究人员提供了大量的参考资料。
1.2.2国内研究概况
我国对汽车制动器的各种结构和原理做了相当多的介绍，其中以余志生的汽车理论[1]和陈家瑞的汽车构造[2]最具代表性，介绍的最为详尽。
余志生[1]强调了制动系统在整车行驶平顺性、操作稳定性和安全性方面所起的重要作用，对制动器的结构、安装和结构性能等提出了很高的要求。
陈家瑞[2]文献中，我们可以了解到制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件。
常用的制动器是摩擦盘式制动器，这种制动器又分为钳盘式和全盘式两大类，其优点较多:
l）一般无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦系数的影响较小，即效能较稳定；
2）浸水后效能降低较少，而且只需经一两次制动即可恢复正常；
3）在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量一般较小；
4）制动盘的沿厚度方向的热膨胀量极小，不会像制动鼓的热膨胀那样使制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大；
5）较容易实现间隙自动调整，维修较简便。
以上盘式制动器的众多优点主要是在理论上和各方面的参数达到标准的情况下实现的，因此为了使制动器及其整套制动系统正常工作，需要从制动盘的各个主要性能参数方面着手进行研究。
目前，我国对不同车辆上的制动器都进行了一些研究。
近期的研究有，2009年，罗继华[3]等人在文献中对动车组拖车制动盘进行了制动盘热分析，对制动盘的温度分布及变化规律、盘内热应力分布、最大热应力发生位置的走向及制动盘温升对轮轴温度的影响进行了分析。
夏毅敏，王晓东，赵文清、马思群，杨强[4-8]等人也对此相关结构和问题进行了研究。
同年，徐荣滨[9]发表了关于多盘摩擦式液压制动器的设计计算一文，介绍了多盘摩擦式液压制动器的组成、工作原理和设计计算。
2003年，王良模[10]等人对浮钳盘式制动器进行了有限元分析，求解了它们在工作状态下的应力情况，提出了钳体和支架的设计强度对材料性能的要求。
后来赵韩[11]等人利用ANsys软件对某型浮钳盘式制动器进行了有限元分析。
另外，在1998年，周志勇[12-13]等人对盘式刹车制动盘进行了热应力弹性计算及分析以及盘式刹车制动盘的高温失效机理和寿命计算。
1999年，刘牧众，浦维达[14]等人对轿车制动盘进行了磨损失效分析，讨论了制动盘非正常磨损及其影响因素，指出要使灰口铸铁的优良性能得以充分发挥，必须要有理想的石墨分布、形态及基体组织，并对制动盘的磨损机理进行了分析。
2001年，周凡华，吴光强[15]等人对盘式制动器进行了多次循环制动的温度计算；王营，曹献坤[16]等人对盘式制动器摩擦片的温度场进行了研究。
2003年，张佳蓉，严瑾，殷德宏，张静江[17]分析了制动盘早期磨损失效问题，对失效的汽车制动盘进行电镜分析、化学分析、金像分析、硬度检测等，归纳出制动盘早期磨粒磨损失效的现象与变化，对进口和国产的制动盘及制动片进行对比分析，讨论了材质及摩擦副匹配对制动盘使用性能的影响。
2005年，余卓[18]平等人研究了盘式制动器的抖动问题；杨莺，王刚[19]对某机车制动盘的瞬态温度场进行了仿真，讨论了边界条件和各种相关参数的确定方法；杨晓明[20]等人对某型盘式制动器做了全性能优化设计，以实际制动器的设计参数作为初始方案，采用改进的差分进化算法进行优化设计，在保持热衰退率和热恢复率性能不劣化的情况下，使制动器的制动性能和经济性能得到显著提高。
2007年，王登峰，王玉为[21]等人对盘式制动器制动时产生的尖叫问题做了有限元分析与试验，分析了可能产生制动尖叫的不稳定模态，分析了各零件的振动模态对产生制动尖叫不稳定模态的贡献大小，揭示出有尖叫倾向的不稳定模态是由于结构未祸合时的多阶振动模态叠加而成，分析讨论了摩擦因数、摩擦片结构及其背板阻尼对制动尖叫的影响，为控制制动尖叫提供了途径；同年，董鹏[22]对盘式制动器及其与整车的匹配做了研究，李衡[23]等人对盘式制动器的结构场做了有限元分析，黄健萌[24]等人对盘式制动器摩擦界面接触压力的分布做了研究，葛振亮[25]等人做了盘式制动器热弹性祸合分析；2008年，高向前[26]进行了盘式制动器的热强度计算分析，黄健萌，高诚辉[27]等人进行了盘式制动器热结构藕合的数值建模与分析。
2009年，杜鹏，刘辉，毛英慧[29]等人基于目前前后处理功能比较强大的有限元软件ABAQus对ABS盘式制动器进行了动应力分析，杨智勇[30]等人进行了铝合金和锻钢制动盘摩擦面热损伤研究，2010年，柴少彪，王铁[31]等人基于ANSYS/Ls-DYNA对鼓式制动器做了接触仿真分析。
值得一提的是，在武汉理工大学过学迅、马力等老师的研究下，先后进行了大量CAD/CAE方面的仿真分析，并且取得了很多不错的研究成果，同时也发表了很多具有实际研究意义和参考价值的学术论文，其中有面向制动噪声的盘式制动器的有限元实模态和复模态分析，他们基于实模态、复模态分析理论和有限元法，研究了某盘式制动器的制动噪声问题，分别建立了制动盘、制动块、制动钳钳体和制动钳支架的几何模型和有限元模型，计算了它们固有频率分别在20kHz和18kHz以下的各阶实模态和复模态，并对与制动噪声有关的各阶模态进行了分析；还针对车辆设计做了大量参数化方面的研究，有基于CAD软件如UG等的几何参数化分析，也有基于CAE软件如ANSYS等的参数化有限元分析；进行了结构强度刚度等代设计、轻量化研究以及形貌优化和拓扑优化等[32-36]，使一些大型自卸车、重型货车和全半挂车等的结构更为合理，质量更轻，为许多特种车厂、专用车厂和商用车厂的设计研发提供技术参考和技术保证；结合参数化和优化技术对高空作业半挂车和自卸车货厢进行了相应有限元研究[37-38]；对各种自卸车的举升机构、内燃机的凸轮磨损、大客车车身和飞轮强度极限转速等做了动态仿真研究，得到了相应结构的运动学特征和动力学特征；研究了大量有限元线性问题和非线性问题，对不同车辆上不同结构的静力学问题进行了有限元分析，同时将该思想该技术应用到了桥梁、铁轨和船舶等大构件的各个零部件；对不同车辆的某些零部件及声场进行了模态分析，研究了重型特种车复合材料车架和汽车手制动臂总成的模态，为得到客车车内的声场振动频率，研究了豪华大客车车内声场的模态；分析研究了客车车身CAD模型导入到CAE软件的数据互换问题，为许多CAD模型和CAE模型之间的数据转换提供了参考，这些工作均为本项目的研究提供了良好的研究和参考，为项目的开展打下了良好的基础。
综合上述的文献资料可以得出以下结论:
1）有关汽车制动器总成方面的资料多为工作原理、热应力分析、结构设计、热机耦合、噪声分析和维修保养方法等方面的介绍，对其制动过程中强度是否符合要求的仿真分析比较少见，对减少研发周期的高级研究如参数化有限元分析更是比较少。
2）随着各种有限元软件的出现，极大的减少了产品试制研发的周期，提高了产品的质量。
3）我国在研究领域逐渐与国际接轨，利用各种软件工具使得产品在设计研发的过程中更具自主性、创新性。
4）我国各研究机构、高校、科研院所所做的大量仿真分析结果己被越来越多的厂家、企业所接受，被社会认可。
1.3主要研究内容
本文研究的具体内容包括以下几方面:
1）总体研究方案和理论的确定
总体研究方案的确定：
考虑到制动器总成的工作情况、现阶段国内对于该类总成的研究状况以及企业需要，故确定总体研究方案为:
汽车盘式制动器总成的制动分析、机械应力分析、结构强度刚度分析、振动模态分析和基于制动器总成的参数化有限元分析等，面向制动器总成理论的确定以及适合本课题的分析软件及其求解器的选择。
总体研究理论的确定：
制动器总成主要由制动钳体、制动钳支架、活塞、制动块和制动盘等多个零部件组成。
零部件间的连接关系较多且对于接触要求较高。
因此，首先分析制动器总成的结构特点是本文研究的基础。
本文研究的目标是对该总成产品进行机械应力分析、结构强度刚度分析和振动模态分析等，得到不同工况下的结构强度刚度振动等分析结果，其中结构强度分析需要定义不同零件间的接触状况，这就需要用到非线性理论中的接触理论；振动模态分析需要研究的是各阶模态下的频率响应，从而涉及到模态方面的理论。
因此，在仿真分析之前，研究面向制动器总成方面的理论是很有必要的。
2）基于制动器总成的有限元建模研究
建立制动器总成的几何模型，根据规范要求，确定计算工况，保证仿真计算时的边界条件、载荷与规范要求相符，分析不同工况下的边界条件和载荷，为约束和载荷的施加作准备，针对不同的分析情况设置材料属性、单元类型等，定义相关参数，划分网格。
其中，单元类型、网格密度、材料本构模型和不同工况下的接触对等因素对计算收敛性、计算时间、计算规模和计算精度有直接影响。
因此，在制动器总成建模过程中，需充分考虑这些因素，以保证计算精度、计算规模和计算时间的协调，为参数化设计平台提供参考，施加边界条件和载荷，为各种有限元仿真计算作准备。
3）基于制动器总成的有限元仿真分析
制动器总成的有限元仿真分析包括机械应力分析、结构强度刚度分析和振动模态分析几部分。
主要分析机械应力的变化对结构强度刚度的影响以及制动器总成各阶模态下的动态特征；从经验和理论上初步判断仿真结果的合理性并根据规范的要求判断结果的准确性。
4）参数化有限元分析
建立参数化的几何模型和参数化的有限元模型，对盘式自动器总成进行参数化有限元强度刚度分析。
1.4浮钳盘式制动器概述
1.4.1浮钳盘式制动器的结构及其原理
汽车盘式制动器根据结构的不同，主要分为全盘式和钳盘式两种。
其中钳盘式又分为固定卡钳盘式、
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