汽车专业毕业论文《鼓式制动器总成三维建模及有限元分析》.docx
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汽车专业毕业论文《鼓式制动器总成三维建模及有限元分析》
鼓式制动器总成三维建模及有限元分析
摘要
本文首先对鼓式制动器的研究背景及意义、国内外的研究现状、汽车鼓式制动器的发展概况进行了详细的介绍；并且对与三维建模相关的理论基础，包括
CAD/CAM/CAE的发展、Pro-E的基本功用、Pro-E的基本概念及基本方法做了详细的讲解；然后参考同类产品的结构特点，通过三维建模的实际运用对鼓式制动器总成及其零部件建立了相关的三维实体模型，并在装配环境下对分泵与其相关的零部件进行装配，最终生成鼓式制动器总成。
在此基础上运用Pro/E建模软件与Pro/mechanica有限元分析软件对其主要零部件——分泵的三维实体模型进行了相关的应力与应变分析并得出结果,经评价，此结果符合正常的使用要求。
关键词：
鼓式制动器三维建模有限元分析
Abstract
Thispapermainlyintroducedthebackgroundandsignificanceresearchofthedrumbrake,theresearchstatusincludeinsideoroutsideofthenational,besidesitsgeneralsituationdevelopmentatfirst;thetheorybasicaboutthethree-dimensionalmodelingincludingthedevelopmentofCAD/CAM/CAE,basicskillaboutPro-E,anditsconcept、methodsallmadeadetailedexplained.Thenreferthestructuretraitofitssimilarmanufacture,threadtheexerciseofthethree-dimensionalmodelinginfact,basedonthethree-dimensionalmodelingaboutthedrumbrakeanditsparts,assemblethem,ultimatelybuildthedrumbrakeassembly.Inthebasic,usethePro/EmodelingsoftwareandthePro/mechanicalanalysissoftwareonthethree-dimensionalmodelingofWheelCylinder,makethefiniteelementanalysisaboutstressandemergencyofthecalipercylinderboreandeducetheresult,byappraising,theresultaccordwiththenaturaldemandofuse.
Thekeyword：
drumbrakethree-dimensionalmodelingfiniteelementanalysis
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2制动器研究的现状1
1.3制动器的发展趋势2
1.4本次设计的主要工作3
第二章三维建模相关的理论基础4
2.1CAD/CAM/CAE的发展4
2.2三维建模技术及有限元技术的应用与现状4
2.3Pro-E的基本概念及基本方法5
第三章鼓式制动器总成关键零部件建模与装配7
3.1概述7
3.1.1Pro-E的基本特征7
3.1.2特征的常用操作7
3.1.3曲面及其应用8
3.1.4组件装配设计8
3.2鼓式制动器总成关键零部件三维模型的建立8
3.2.1分泵缸体的建模8
3.2.2鼓式制动器相关零件的建模16
3.3分泵总成的装配21
3.4本章小结27
第四章分泵的有限元计算28
4.1概述28
4.2分泵缸体的有限元分析28
4.3本章小结36
第五章总结37
参考文献38
致谢40
第一章绪论
1.1研究背景及意义
从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。
近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。
汽车制动系统种类很多，形式多样。
传统的制动系统结构型式主要有机械式、气动式、液压式、气—液混合式。
它们的工作原理基本都一样，都是利用制动装置，用工作时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速，或直至停车的目的。
伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车制动系统生了很大的改变，出现了很多新的结构型式和功能形式。
新型动力系统的出现也要求制动系统结构型式和功能形式发生相应的改变。
例如电动汽车没有内燃机，无法为真空助力器提供真空源，一种解决方案是利用电动真空泵为真空助力器提供真空。
汽车制动系统的发展是和汽车性能的提高及汽车结构型式的变化密切相关的，制动系统的每个组成部分都发生了很大变化。
1.2制动器研究的现状
制动器是制动的主要组成部分，目前汽车制动器基本都是摩擦式制动器，按照摩擦副中旋转元件的不同，分为鼓式和盘式两大类制动器。
鼓式制动器又有领从蹄式、双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向自增力式、双向自增力式制动器等结构型式。
盘式制动器有固定钳式，浮动钳式，浮动钳式包括滑动钳式和摆动钳盘式两种型式。
滑动钳式是目前使用广泛的一种盘式制动器。
由于盘式制动器热和水稳定性以及抗衰减性能较鼓式制动器好，可靠性和安全性也好，而得到广泛应用。
但是盘式制动器效能低，无法完全防止尘污和锈蚀，兼做驻车制动时需要较为复杂的手驱动机构，因而在后轮上的应用受到限制，很多车是采用前盘后鼓的制动系统组成。
电动汽车和混合动力汽车上具有再生制动能力的电机，在回收制动能量时起制动作用，它引入了新型的制动器。
作为一种新的制动器型式，势必引起制动器型式的变革。
电制动系统制动器是基于传统的制动器，也分为盘式电制动器和鼓式电制动器，鼓式电制动器由于制动热衰减性大等缺点，将来汽车上会以盘式电制动器为主。
1.3制动器的发展趋势
已经普遍应用的液压制动现在已经是非常成熟的技术，随着人们对制动性能要求的提高，防抱死制动系统、驱动防滑控制系统、电子稳定性控制程序、主动避撞技术等功能逐渐融人到制动系统当中，需要在制动系统上添加很多附加装置来实现这些功能，这就使得制动系统结构复杂化，增加了液压回路泄漏的可能以及装配、维修的难度，制动系统要求结构更加简洁，功能更加全面和可靠，制动系统的管理也成为必须要面对的问题，电子技术的应用是大势所趋。
从制动系统的供能装置、控制装置、传动装置、制动器4个组成部分的发展历程来看，都不同程度地实现了电子化。
人作为控制能源，启动制动系统，发出制动企图；制动能源来自储存在蓄电池或其它供能装置；采用全新的电子制动器和集中控制的电子控制单元（ECU）进行制动系统的整体控制，每个制动器有各自的控制单元。
机械连接逐渐减少，制动踏板和制动器之间动力传递分离开来，取而代之的是电线连接，电线传递能量，数据线传递信号，所以这种制动又叫做线控制动。
这是自从ABS在汽车上得到广泛应用以来制动系统又一次飞跃式发展。
电液复合制动系统是从传统制动向电子制动的一种有效的过渡方案，采用液压制动和电制动两种制动系统。
这种制动系统既应用了传统的液压制动系统以保证足够的制动效能和安全性，又利用再生制动电机回收制动能量和提供制动力矩，提高汽车的燃料经济性，同时降低排放，减少污染。
但是由于两套制动系统同时存在，结构复杂、成本偏高。
结构的复杂性也增加了系统失效和出现故障的可能性，维护和保养难度增加。
在车辆模块化、集成化、电子化、车供能源的高压化的趋势驱动下，车辆制动系统也朝着电子化方向发展，很多汽车和零部件厂商都进行了电制动系统的研究和推广，博世、西门子、特维斯等公司已经研制出一些试验成果，电制动系统必将取代传统制动系统，汽车底盘进一步一体化、集成化，制动系统性能也会发生质的飞跃。
1.4本次设计的主要工作
本次设计主要使我们能够较系统地掌握本专业必需的技术基础理论，熟悉本专业有关专业知识，了解汽车设计理论的发展趋势，培养我们的实际工程设计能力。
主要内容与研究手段是参考同类产品的结构特点，运用Pro/E建模软件与有限元分析软件，在鼓式制动器总成零部件设计的过程中建立鼓式制动器总成主要零部件三维实体模型并进行相关的分析；建立鼓式制动器总成主要零部件的有限元模型并进行相关的强度、刚度等计算以及对结果进行评价。
这些任务就需要我们把大学所学的专业知识融会贯通，培养调查、分析、研究和查阅国内外资料等的能力，进一步提高解决问题和设计的能力；了解和针对性地研究汽车系统建模方法，特别是关于汽车制动系统的现状、原理、结构和现代设计开发状况；通过此次毕业设计尽量多地掌握本专业所需的制图、计算、调研、查阅文献等基本能力和基本工艺知识以及较强的计算机应用能力。
第二章三维建模相关的理论基础
2.1CAD/CAM/CAE的发展
CAD／CAM技术从产生到现在，经历了形成、发展、提高和集成等阶段。
CAD的发展经历了准备和酝酿时期（20世纪50～60年代初）、蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60～70年代）、突飞猛进的时期（20世纪80年代），以及开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（20世纪90年代）。
数控机床的诞生奠定了CAM的硬件基础，自动编程工具（APT）语言的研制成功实现了NC编程自动化。
自动换刀镗铣加工中心（MC，MachiningCenter），在一次装夹中完成多道工序的集中加工，实现了集中加工，提高了NC机床的加]二效率、加工质量。
几何造型技术、图形显示技术和数控编程后置处理技术的发展和应用，出现了交互式图形编程系统，为CAD／CAM集成奠定了基础。
CAD／CAM在国内外的航空航天、造船、机床制造工业部门较早地得到了应用。
首先是用于飞机、船体、机床零部件的外形设计；然后进行一系列的分析计算，如结构分析、优化设计、纺织模拟；最后，根据CAD的几何数据与加工要求生成数据加工程序。
现在CAD／CAM技术的应用就已进入近百个工业领域，应用前景十分广阔。
2.2三维建模技术及有限元技术的应用与研究现状
在竞争激烈的今天，对于一个企业而言，传统的手工设计绘图已经无法维持企业的竞争优势。
如何缩短对产品的开发时间，提高产品设计质量，已经成为诸多企业面对的问题。
在产品设计和生产过程中，应用CAD/CAM技术是解决问题的途径之一，因此应用更高级，更先进的设计工具软件就成为增强竞争力的有利武器。
PRO/ENGINEER作为设计领域的优秀软件，有着明显的优势。
PRO/ENGINEER是美国PTC公司开发的软件，该软件能够完整地展现某一产品从设计、加工到生产样品的全部工作流程，让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作。
因此，自1988年问世以来，引起CAD/CAE/CAM界的极大震动。
它提出的单一数据库，参数化，基于特征，全相关工程数据在利用等全新设计理
念彻底改变了传统的MDA（MechanicalDesignAutomation,机械设计自动化），设计观念，并迅速被广大用户所接受，这种全新的理念已成为MDA领域的新标准。
PRO/ENGINEER于1993年正式进入我国，并在相关领域迅速普及。
发展至今，已经永远相当大的用户，目前许多大型企业开始选用PRO/ENGINEER。
同时，国内许多大学也纷纷选用PRO/ENGINEER作为研究开发的基础软件平台。
可以说，PRO/ENGINEER为专业认识提供了一个理想的设计环境，有力地推动了企业的技术进步。
PRO/ENGINEER软件在机械设计领域中的应用，产品参数化设计是PRO/ENGINEER软件重要特征之一。
通过对软件的应用，提高了企业的工作效率，缩短了产品的生产周期，增强了企业的市场竞争力。
它的绘图功能在产品造型设计中应用性很强。
在产品造型设计中充分利用PRO/ENGINEER的多方面特点，对于新产品的开发和数字化设计将起重要作用，通过PRO/ENGINEER，有助于实现产品造型设计。
用PRO/ENGINEER对鼓式制动器进行三维建模已经成为当代汽车制造的重要设计手段。
2.3Pro-E的基本概念及基本方法
Pro-E是使用实体建模的设计工具，主要有基于特征的建模、相关性及参数关系。
实体建模使实体模型具有体积和曲面、还可以直接从创建的几何计算适量属性、并且在处理实体模型时，模型依然是一个实体。
在构建模型时，要选择构建块及其创建顺序，每次增加一个单独的特征来逐步建立模型，在建立的过程中，要尽量使用简单的特征。
其相关性是指在设计周期中允许任何处改变模型，其相关的文档同步更新。
参数特征设计可以分为四个方面，一是修改尺寸可改变模型几何，二为指定的特征可彼此相关联，第三方面是对某些特征的修改会引起其他特征的改变，最后一个方面是可在特征间建立父/子关系。
制动器三维设计可以通过三维参数化实体造型模块，使用系统内置的参数化组件模板进行自动建模。
组件的主要参数值取决于设计计算分析模块的计算结果，其余参数可以使用系统建议的参数值或由用户交互式输入。
为避免特征失败或干涉，系统对用户输入的参数进行合法性检查，并自动关联相关的组件参数。
特殊组件采用系统提供的特征库进行组件造型。
性能仿真分析模块的功能是对汽车制动过程进行动态仿真，模拟汽车制动系的行车制动能力。
本模块的相关性能指标包括：
制动距离、制动时间、制动减速度、滑移率等。
重件强度校核模块通过使用Pro／Mechanical分析模块对受力件的实体模型进行有限元前处理和后处理工作，并通过该模块调用Nestorian求解器进行应力应变分析。
由于制动器组件的数量较多，复杂程度各异，给参数化实体造型带来了难度。
每一个组件都采用参数化模板驱动方式不太可能，有必要采用多种建模策略。
按复杂程度将组件分为三类：
标准件和常用件、规则和相似件、不规则组件，其中前二类组件占大多数。
对这三类组件分别采用不同的建模方法：
直接调用标准件和常用件库建模、基于参数化模板库的实体建模、基于特征库的实体建模。
参数化模板库中有两大类组件模板，一类为鼓式制动器组件，第二类为盘式制动器，包括活塞（4种）、摩擦片（2种）、摩擦底板（2种）、消音片、制动钳支架、制动钳导向销等。
Pro／E提供了三种参数提取工具：
家族表（FamilyTab）、Pro／PROGRAM和尺寸与关联（DIMENSIONANDRLEATIONS）工具。
考虑到制动器的零件几何形状复杂，需要提取的尺寸参数较多，本项研究选择Pro／PROGRAM作为参数提取工具。
特征库中提取了制动底板、分泵等不规则零件的25个特征，特征定义使用Pro／E的UDF工具，从而实现了制动器的三维参数化实体造型。
本次设计并没有使用三维参数化实体造型模块这种方法。
在建模的时候采用了最基本的设计手段，如孔特征、抽壳特征、筋特征、拔模特征、倒圆角特征、倒角特征、拉伸特征、旋转特征、变截面特征、边界混合特征、造型特征、平面扫描、螺旋扫描、镜像、阵列、插入基准平面、基准轴等基本技能。
通过在实体模型上添加或取出材料，来完成三维建模。
第三章鼓式制动器总成关键零部件建模与装配
3.1概述
Pro-E软件包含了产品的概念设计、工业造型设计、分析计算、动态模拟、仿真、工程图的输出以及生产加工到成品的全过程，本次设计主要利用Pro-E软件的基本功能来建立鼓式制动器总成的三维实体模型。
3.1.1Pro-E的基本特征
Pro-E二维草绘功能基本包括基本图元的绘制，二维图形的编辑，如：
图形的选取、复制、镜像、旋转、缩放、修剪及尺寸修改、标注等，元素之间约束的使用及运用草绘器绘制图元，标注尺寸、创建关系等相关知识。
Pro-E三维建模的基本特征一般分为实体特征、曲面特征和基准特征，实体特征一般通过拉伸、旋转、扫描、混合等方法来创建基础实体特征，同时也可以通过设置基准特征的显示状态，创建基准平面、基准曲线、基准轴、基准点和坐标系等基准特征来帮助建立实体模型。
基准平面可以使用拖动和输入数值两种方式定义平面的位置，大致可分四种方法，一是创建偏距平面，二是穿过轴线与某面成一定角度的平面，三是过三个点、通过偏距坐标系等创建平面。
基准轴一般以黄色虚线显示，通常有名称标记，如A_1、A_2等。
它作为同轴孔的中心，组件约束的参照，创建其它基准特征的辅助工具等都是有着相当重要的作用的，有很多种创建的方法，如：
过边界、垂直平面、过点且垂直平面、过柱面、两平面、两个点/顶点、曲面上的点、曲面相切等都可以建立基准轴。
Pro-E三维建模的高级特征包括螺旋扫描、扫描混合等类型。
它可以创建孔特征、圆角特征、拔模特征、壳特征、筋特征等主要操作，这些特征使比较复杂的零部件及总成在建立三维模型的时候变得简单快捷。
3.1.2特征的常用操作
特征的常用操作包括特征的阵列、特征的复制、特征的删除、特征的修改、
重定义和插入等。
阵列一般包括尺寸阵列、参照阵列、表阵列和填充阵列等，
也可以复制特征，或者删除特征以及设置特征之间父与子的关系等。
3.1.3曲面及其应用
在Pro-E三维建模中一般会用到基本曲面特征和边界混合曲面特征的创建，以及曲面的修剪、复制和合并等。
在学习及绘制图形的过程中，参照曲面生成实例及设计实例，对我们在设计方面以及建模方面会有很大的帮助。
3.1.4组件装配设计
组件装配时首先要将零件在空间上进行约束和定位，其装配过程应符合一般的安装过程，不过，如果遗漏了某个零件或者需要装配内部零件，则可以对已装好的零件进行隐藏来进行装配。
在装配过程中可以创建新的零件，而且还可创建基准平面、基准轴等特征以辅助装配。
需要分析时，可以通过零件装配中的分解功能将装配图分解。
3.2分泵总成关键零部件三维模型的建立
通过对Pro-E软件尤其是三维建模的学习，巩固了建模的基本操作，而且还掌握了一些比较复杂的操作，因此在分泵总成关键零部件的建立过程中显得游刃有余，以下是本次毕业设计中所需要建立的分泵总成的关键零部件的建模过程。
3.2.1分泵缸体的建模
点击文件下拉菜单中的新建选项来新建一个项目，如图3.2.1
图3.2.1
此时会弹出一窗口，在名称中输入文件名（不能为中文），选中零件，去掉使用缺省模板前的
如图3.2.2
图3.2.2
选择mmns-part-solid这表示单位为毫米/牛顿/秒实体零件模型，如图3.2.3
图3.2.3
点击右上方工具箱中的拉伸工具
建立一个拉伸体,左下方会出现放置按钮，点击放置，定义,进入草绘平面,如图3.2.4
图3.2.4
选中一平面作为基准平面，如选择TOP：
F2作为基准平面，再点击草绘按钮,如图3.2.5,图3.2.6
图3.2.5图3.2.6
进入草绘平面，关闭参照窗口，如图3.2.7
图3.2.7
建立一个刚体的基本结构，点击
以基准中心为圆心定义以个直径为19.05mm的圆,如图3.2.8
图3.2.8
再点击
，以基准中心为圆心定义以个直径为32mm的圆,如图3.2.9
图3.2.9
点击
以大圆与纵轴的交点为起点作以于横轴平行的25.5mm的直线,如图3.2.10
图3.2.10
以点1为起点，作垂直于横轴的直线，终点为与横轴的交点,如图3.2.11
图3.2.11
以点2为起点，作垂直与横轴的直线，长度为17,如图3.2.12
如图3.2.12
以点3为起点，作与外圆相切的直线，如图3.2.13
图3.2.13
选中
按钮，去除多余的线,如图3.2.14
图3.2.14
去除了所有的多余的线后点
拉伸长度改为41.9mm，如图3.2.15
图3.2.15
这样一个拉伸体就形成了，点击
预览，如图3.2.16
图3.2.16
建立端面，点击
拉伸项，放置于面1进行草绘。
确定圆心位置，选中
作一直径为30mm的圆点，点
拉伸长度定为3,如图3.2.17
图3.2.17
点击
进行预览，便形成了一个端面,如图3.2.18
图3.2.18
建立凸台，点击拉伸，以图3.2.19所示建立草绘平面
图3.2.19
绘好圆进行拉伸，拉伸长度为5，拉伸方向为另侧,如图3.2.20
图3.2.20
建立好的凸台,如图3.2.21
图3.2.21
建立端面,如图3.2.22
图3.2.22
拉伸长度为7,如图3.2.23
图3.2.23
建立好的凸台预览如图3.2.24
图3.2.24
绘制通孔,如图3.2.25
图3.2.25
拉伸长度为3.3,如图3.2.26
图3.2.26
另侧以相同的方法绘制,如图3.2.27
图3.2.27
倒角，点击倒角图标
进行倒角，如图3.2.28
图3.2.28
绘制螺孔,如图3.2.29
图3.2.29
3.2.2鼓式制动器相关零件的建模
图3.2.30制动蹄固定销
图3.2.31铆钉
图3.2.32分泵防尘罩
图3.2.33拉臂固定器
图3.2.34拉臂护套
图3.2.35调隙板
图3.2.36拉臂
图3.2.37分泵活塞
图3.2.38分泵皮圈
图3.2.39销
图3.2.40弹性片
图3.2.41蹄压板
图3.2.42拉臂防尘罩
图3.2.43蹄板
图3.2.44传力杆
图3.2.45蹄筋
图3.2.46蹄压紧弹簧
3.3分泵总成的装配
在Pro-E的“装配”模块中，可以将元件（包括零件和子装配件）组合成装配件，然后对该装配件进行修改、分析或重新定向。
通过使用诸如简化表示、互换装配件和“设计管理器”等功能强大的工具，可以进行大型和复杂装配件的设计和管理。
通过装配约束，可以指定一个元件相对于装配体另一个元件（或特征）的放置方式和位置。
装配约束的类型包括匹配、对齐、插入等。
一个元件通过装配约束添加到装配体中后，它的位置会随着其相邻元件的移动而相应改变，而且约束设置值作为参数可随时修改，并可以与其他参数建立关系方程。
一般来说，建立一个装配约束时，应选取元件参照和组件参照。
元件参照和组件参照是元件和装配体中用于约束定位和定向的点、线、面。
系统一次只添加一个约束。
要使一个元件在装配体中完整地指定放置和定向（即完全约束），往往需要定义数个装配约束，也可以将多于所需的约束添加到元件上。
装配过程如下：
图3.3.1与图3.2.1相区别：
图3.3.1进入装配
创建组件要考虑下面几个因数：
1、始终从一个基本元件（不会被删除的元件）开始创建组件。
2、考虑如何能将组件分解成单独的子组件。
3、将第一个零件或者子组件添加到缺省组件基准上（一定要确定）。
图3.3.2示，点右侧
，开始创建组件，在原始文档中选择所需要的元件，如果不确定可以先预览再打开。
图3.3.3中点击有
，将元件装配到当前位置，即缺省的位置。
图3.3.4中将分泵活塞添加到装配环境中进行装配。
图3.3.2选择元件进入装配环境
图3.3.3将元件
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