（光学工程专业论文）车辆制动结构和试验研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 车辆制动结构和试验研究 摘要 由于汽车的重型化和高速化，无论对公路运输还是非公路运输的所有 汽车，对制动器的安全可靠性和使用寿命都提出了更高的要求，其中对制 动器进行模拟和分析计算变得越来越重要，本文以某越野车的鼓式制动器 为研究对象，对其应力场进行有限元仿真分析，为能够满足强度要求提供 依据，为在试验中加装了a b s 装置进行标定试验能够满足整车的性能要求 提供参考 本文介绍了鼓式制动器的主要设计参数和力学基础，对制动鼓和制动 蹄进行金相组织分析和硬度测试，确定制动器的基本物理性能参数；利用 c a t i a 软件建立了制动器各主要部件的三维模型，导入模型在a b a q u s 有限 元分析软件对制动器进行模拟仿真，分别对制动鼓静止和转动两个不同时 刻制动器的应力场和位移进行模拟分析，使得制动器在符合强度要求下加 装a b s 装置。 为了验证a b s 系统与整车的匹配，本文在验证未加装a b s 装置的制动 器符合制动强度的前提下，对制动系统进行加装防抱系统并进行标定试验， 在不同附着系数的路面、以不同的行驶速度及车辆空载和满载的工况下， 通过测量相应初速度下的制动距离和平均减速度来确定a b s 系统性能的稳 定性，同时提出了增加车辆横摆角度和横摆速度以及评价车辆制动性能的 建议。 有限元模拟仿真分析已经称为汽车零部件设计的重要环节。与传统的 设计方法相比，它缩短了设计周期，提高了设计质量，并且降低了设计者 t 太原理工大学硕士学位论文 的劳动强度。本文对某越野车鼓式制动器的有限元分析，得到的分析结果 为制动器的进一步优化设计提供了理论依据。 关键字：鼓式制动器；a b a q u s ；有限元分析；制动力矩；标定试验 太原理工大学硕士学位论文 s t u d yo ft h ev e h i c l eb r a k 】n g p e r l i _ o r i a n c e s t r u c t u r ea n dt e s tm e t h o d s a b s t r a c t b e c a u s eo f 也ec a rs t d e s s i i l gq 删丘c a t i o na n df a s tp a c e ，n om 雅e rf o 壬廿1 e 1 1 i g h 邺，昀n s p 训【a t i o n0 r m e1 l i g 呐a yt r a n s p o r 皓岖o n n l es a f e 够r e l i a b i l 毋a n d s e r v i c e1 i f eo f 廿l eh 出e 、e r ep u tf o r v 旧m1 1 i 对嵫r e q u i r e m e n t s ，t ob r m 【e 南r s i i l l u l a t i o na n d 趾a l y s i si sb e c 9 血gm o r ea n dm o r ei m p o r t a m t a k i i l gd r i m b r a l 【eo fs u 、厂a s _ 吐l er e s e a r c ho l ：! j e c t ，廿1 es 仃9 s sf i e l do f 丘n i t ee l e m e n ts m l 撕o n a n a b s i s ，w h j c hc a ns a t i s 黟m ei 1 1 t e n s i 锣i sr e 俩dt op r o v i d eb a s i s 点”_ t r i a l 证 t 1 1 ed e v i c e o fa b s c a l i b j r a ：t 衄gt e s tc a nm e e tt l l ep e e f o l 强a i l c er e q u 沁m e n t so fm e v e l l i c l et op r o v i d e 也er e f e r e n c e t b j sp a p e r 砷d u c e s 也ed r u mb r a k e s ，m em a 试d e s i g np a r 锄e t e r sa n d m e c h a 血c sf 0 u n d a 缸o n ，m eb 池d | 眦nb r a k es h o e sa l l dm i c r o 曲m c t u r ea i l d h 卸r d n e s so na n a l y s i so ft e s t st od e 缸= r 日血et h eb r a ：k ep e r r ) m l a n c ep a r j l 工n e t e r s ； u s 协gc a n as o 小张r eb 够e do n 廿1 e so fm 旬o rp a r t so fg e o m e t 哆n 1 0 d e l ， a n dm em o d e lc a i l 砸a b a q u sf 试t ee l e m e n ta i 词y s i ss o f h 甜et 0b r a k ef o r s i m u l 撕0 n ，d i v i d e d 缸。咖s c e p st 0a n a | y s i sn l eb r 酞ed nl mm o t i o i d e s sa n d t u mt w od i 舔：r e n t 血e so f s 包e s sf i e l da i l d d i s p l a c e m e n to fm eb r a k ei s s h u l a 钯da i l d 趾a l y z e d ，a n dc o m b i l l e dw 池f i n 沁e l e m e n ta n a l y s i s 舶mm e b r a ：k 洫gt o r q u eo f 也er e s u l t sa n d 也r o u 曲1 ee e r i e n c eo ft h ef o n n u l at o c a l c u l a t em er e s u l t sa r en o ts i g l l i f i c a n tt 0v e r i 矽t l l e 甜1 a l y s i so f l ea c c u 【r a c yo f i i i 太原理工大学硕士学位论文 t 1 1 er e s u l l = s i no r d e rt ov a l i d a t et l l ea b ss y s t e ma i l dv e h i c l em a t c h m g ，h 1 也i sp 印e r 也- ev 耐f i c a t i o ni sn o t 也eb ra ：k ea c c o r d 、砘t l lb r a 玉【ea b sd e v i c es 仃e n g m ，u n d e r 也ep r e m i s eo ft 1 1 eb 谯k es y s t e ma i l d 也ea r m s 趾dc a l i b r a t i o ns y s t e mt e s t i i 培，i i l t bed a v e m e n t a d h e s i o nc o e m c i e n ti sd i f 凳r e n ti nm 髓r e n ts p e e d sa n dv e l l i c l et 1 1 ep a v e m e n t ，a d h e s l o nc o e t n c l e m1 sm 士士e r e n tmm n e r e ms p e e q s 砒l qv e i u c l e 锄d 也el o a d e dn 0 1 0 a dc o n d i t i o n s ，a n db ym e a s u r 啪唔m ev e l o c 埘o fm e c o r r e s p o n d 堍u n d e rb 商血gd i 咖c ea n da v e r a g er e d u c i n gs p e e d t od e t e m i n e t 1 1 ea b ss y s t e mp e r f o m 啪c es t a b i l 毋，t 0o p t i r n j z ea n dh p r o v em ee 伍c i e n c yo f b r a k eb 溅n g ，锄dp u tf 0 刑矾m ea n g l ea 1 1 di n c r e a s e dv 出c l es e tm es e ts p e e d a n d b r a l ( j m gp e 怕n i l a n c ee v a l u 撕0 n o fs u g g e s t i o n s ： r n l e 觚t ee l e m e ms m l a t i o na i l a l y s i sh a sc a l l e d 也ei m p o n a n tl 扯o i 也e a u t o m o b i l ep 叭sd e s i g n c o m p a r e d 诚t l lm e 仃a d i t i o n a ld e s i g nm e m o d ，i ts h o 咖r d e s i 朗c y c l e ，i i i l p r o v e dm eq u a l 时o fd e s i 驴，锄dr e d u c e 也el a b o ri n t e n s 毋o f t 1 1 ed e s i 弘e r i nt h i sp 印e ras p o r tu t i l 埘v 出c l ed r i 胍b r d k e s ，f 试t ee l e m e n t 趾a l y s i s ，g e t 血e 姐a l y s i sr e s u l t s o fm eb 试【e 缸也e r o p t 洫i z a t i o nd e s i 驴 p r o v i d e sm e o 巧b a s i s k e yw o r d s ：n mb r 出e ，a b a q u s ，t h ea n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n t ， b r 出em o m e n t c a l f b r a t i o nt e s t i v 太原理工大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和研究意义 第一章绪论 汽车的制动性是指汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向的稳定性和在下 长坡时能维持一定车速的能力n 3 。汽车的制动性是汽车的主要性能之一，它主要是通过 固定元件与旋转元件之间的摩擦来产生制动力矩，目前车辆使用的摩擦式制动器可分为 鼓式与盘式两大类。鼓式制动器中的旋转元件为制动鼓，其工作表面为一圆柱面，有内 张型和外束型两种，现使用最普遍的是以内张型鼓式制动器为主，而外束型的鼓式制动 器只在很少的汽车中使用，本文使用的是内张型，它的典型结构如图卜l 所示晗1 。盘式 制动器的旋转摩擦元件为圆盘状的制动盘，以其端面作为工作面，按照摩擦制动过程中 固定元件结构的不同，分为钳盘式和全盘式。钳盘式制动器的典型结构如图卜2 所示乜3 。 图1 - 1 鼓式制动器图1 - 2 盘式制动器 f i g 1 - 1 d m mb r a k e f i g 1 - 2 d i s cb r a k e 鼓式和盘式制动器各有其优缺点。鼓式制动器的优点是制动效能高、成本很低、结 构较简单、便于拆装，主要用于中、重型的客车和货运汽车的前、后车轮当中。盘式制 动器的优点是制动效果稳定、重量较轻、热稳定性强、高负载时耐高温性能好等。 虽然鼓式制动器的机构比较简单，但影响它制动性能的因素很多。首先，鼓式制动 器是一个柔性多体系统，在车辆制动时各零部件由于不再受到静力平衡的作用使制动器 产生一定的变形，受力状态发生变化；其次，两接触面相互挤压并有运动趋势时产生摩 擦，引起热衰退现象，同时温度升高使得接触状态发生变化。这两种状态之间有相互作 1 太原理工大学硕士学位论文 用和制约的关系。这些影响使得制动性能受到很大的制约。制动过程涉及非线性和多物 理场问题，在对它的研究时涉及到传热学、摩擦学、多体运动学和接触力学等众多学科， 而且它们之间相互耦合，非常复杂。国内的制动器制造企业在设计鼓式制动器时普遍采 取类比设计方法，即在整车总布置参数和制动器的结构形式确定后，通过参考国内外已 有的同类型、同等级汽车的同类制动器，对制动器的结构参数进行设计，试制样机，然 后进行台架和装车试验，再反复修改，直至定型。但这样的设计和设计开发模式受到成 本和研发周期的影响，结构参数及制动性能难以做到与整车性能的良好匹配。因此，急 需采用现代机械设计手段，提升鼓式制动器的研发能力，提高鼓式制动器生产企业的产 品竞争力。 中国在2 0 0 9 年成为全球汽车工业产销量第一的国家，使得汽车使用量越来越多， 但同时伴随着交通安全的问题也日益突出。在所有的交通事故当中，由于制动系统故障 所引起的车祸就达事故总数的4 5 。因此，提高制动器的设计水平具有非常重要的现实 意义口1 。在汽车的制动系统当中，制动器是涉及到汽车的安全部件。在车辆行驶过程中 加装a b s 系统能防止车轮被抱死、提高车辆的方向稳定性，减小事故发生率，因此防抱 死制动系统量产化迅速在汽车当中得到了普及和应用。随着汽车行业全球化的加快，对 汽车制动性能的要求会越来越高，性能高的制动器会很快占领市场。所以，从市场角度 看，提高鼓式制动器研发效率，采用建模方法分析制动性能并结合试验数据进行结构优 化，具有重要意义。 随着计算机的发展，使用计算机建立制动器的c a d 模型并进行有限元分析已成为一 种优化结构的设计方法，这不仅降低了开发成本，节约了物力人力，缩短了整车的开发 周期，达到使制动器结构和性能参数优化的目的，同时各种不同的算法也使得结果的可 信度得到提高。因此，综合分析影响制动性能的因素，提高制动器的制动性能，为制动 器的设计改进提供理论依据具有非常重要的工程意义m 。 综上所述，本文通过建立制动器的三维模型，通过有限元软件的辅助来对制动器的 强度进行分析，同时对制动性能进行标定试验研究，对制动系统完善和消除汽车在行驶 过程中的安全隐患提供了有力依据，对优化结构和降低成本也起到一定的理论指导意 义。 2 太原理工大学硕士学位论文 1 。2 课题的来源及问题的提出 本文研究内容是以重型越野车的制动器为研究对象，在试验的基础上运用有限元分 析软件对制动器进行强度分析，对适应不同路况下车辆的制动稳定性进行分析，图卜l 为该制动器的主要零部件，表卜3 为该制动器的主要结构参数。 图1 3 制动蹄 f 培1 - 3b r a k es h o e 表1 - 1 制动器的主要结构参教 t a b l e1 - 11 1 1 em 豳o f b f a k es 仃u c t u r a lp 鼬m e t e r s 参数制动鼓半径摩擦衬片宽度摩擦衬片包角摩擦衬片起始角摩擦衬片厚度 符号 rb秒 岛 h 数值 o 2 l m0 1 91 0 5 。2 1 。 o 0 1 5 m 本文的研究对象是重型越野车的制动系统，在国内进行改装试验( 加装a b s 系统) ， 并在襄樊进行a b s 标定的试验。而制动器一般分为鼓式和盘式制动器，其中鼓式制动器 主要有领从蹄式、单向双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向增力式、双向增力式， 本文研究的主要是领从蹄式鼓式制动器，结构主要是由领蹄、从蹄、制动轮缸、支架等 组成。它在前进制动和倒车制动时的制动效能一致，所有鼓式制动器的效能对摩擦系数 的依赖性很大，因而其效能的热稳定性最差。此外，在制动过程中，双领蹄式制动器的 3 太原理工大学硕士学位论文 制动力矩的增长在某些情况下显得过于急速晦3 。鼓式制动器多用于汽车后轮，原因之一 是便于兼充当驻车制动器。本文研究的制动器没有驻车制动结构，驻车制动位于分动器 中。 1 - 3 国内外研究现状 随着公路交通系统的迅速发展，车辆速度的提高以及车辆密度的口益增加，为了保 证行车的安全性，制动系统的性能以及可靠性就显得更加重要了。提高制动器的设计和 制造水平，改善汽车的制动性能，减少制动时振动，噪声，成为汽车领域的越来越重要 的课题。迄今为止，人们已经把全息照相、激光多普勒分析、有限元分析以及试验模态 技术等引入到制动器的振动和噪声研究中，并取得了大量的成果。全息照相技术向人们 展示了制动过程中振动的真实形态； 在对系统进行分析、综合和预测时，需要给出系统的动态特性。在对实际系统进行 分析时，由于系统处于经济性、安全性的考虑，在此情况下无法进行试验研究，这时就 需要系统仿真来完成这一过程。分析车辆的各项性能时要想使用仿真分析的方法，必须 对车辆进行简化，建立数学模型后进行分析计算。所建数学模型的不同，使实际情况和 理论的计算会有不同的误差，所以要进行验证。由十汽车是一个复杂的系统，其整车、 零部件以及各总成的运动模型和力学模型相当复杂，对这些模型进行分析计算，同时要 保证一定的精度，所需要的工作量是很大的，在很大程度上受到了计算机处理能力的限 制。 在汽车工业中鼓式制动器的使用是一种延缓或阻止汽车行驶的有效方法。早期使用 的是外部鼓式制动器，这种类型的刹车方便设计，但摩擦材料易阻碍鼓的冷却，外露的 摩擦材料也受着污垢、油、水等的污染。而现代制动蹄片位于鼓的内侧，在1 9 0 2 年这 些制动器第一次在雷诺车上使用呦。随着汽车制动系统的不断进步和更新，如四轮盘式制 动器，防抱死刹车系统，牵引力控制系统等，而鼓式制动器仍在今天的许多轿车和轻型卡 车的后刹车中应用。鼓式制动器是一种很有效的刹车系统并且优于后车盘式制动器。盘 式制动器需要一个独立的驻车制动系统。对于生产厂商来说后方盘式刹车系统在重量、 成本和复杂度都比鼓式制动器高，所以在追求耐用性和实用性时会优先选择鼓式制动 器，现有车辆根据需要设计生产适合自己的制动系统。对于主流车辆如结构紧凑型的小 货车和轿车鼓式制动器还是很受欢迎的。而后方盘式制动器仍是大卡车、运动轿车和豪 4 太原理工大学硕士学位论文 华车的需要，这就是各个汽车制造厂设计和生产鼓式制动器的原因。 人们对车辆行驶的安全性越来越重视，车辆的制动系统也得到一次次的改进和提 升。1 9 1 8 年，l 叫g h e a d m a l c 0 1 m 发明了一种液压制动器，并于1 9 2 1 年率先在d u i s e n b e r g ， 牌轿车使用。在1 9 2 8 年p i e r c e a r r o w 牌轿车上安装了第一个真空加力制动器。上世纪 五十年代中期，液压加力制动器开始在雪铁轮轿车上得到应用。而盘式制动器首次使用 是在1 9 5 2 年j a g u a r 公司的赛车上口1 。 i 第一个实际应用带有防抱死( a b s ) 功能的制动系统与1 9 6 6 年出现在j e n s e nf f 的 跑车上，m e c h e t e s s 公司于1 9 7 8 年推出了_ 二种更加适用的a b s 系统，l i n c 0 1 n 汽车于1 9 8 5 年开始大量生产带有a b s 功能的轿车。1 9 9 5 年美国5 5 的新轿车装有a b s 系统，到2 0 0 0 年，这个比例达到1 0 0 嘲。 。 。 国内对制动器的研究尚处于探索阶段，主要是以制动蹄和制动鼓为研究对象进行热 耦合，应力场等分析，而对整体进行系统的分析很少，李云生是基于c a t i a c a e 软件平 台对鼓式制动器的结构和材料进行优化和改进口3 ；管仁梅利用a d a m s 仿真零部件的受力、 变形、速度和加速度等参数随时间的变化曲线分析制动器的振动和卡死现象n 们；赵幼平， 许可芳等用三种方法对该制动器制动力矩进行了计算。通过对计算结果和试验结果进行 比分析，建立了准确而有效的制动力矩计算方法，在此基础上，研究了制动衬片材料摩 擦系数等参数对制动力矩的影响m 1 ；罗明军，谢亚清使用a n s y s 对制动器进行有限元分 析，研究了在工作状态下摩擦衬片的压力分布、制动力矩、制动器的应力分布和制动器 的变形n 幻；王良模，彭育辉，曾小平等利用i d e a s 对双向自增力鼓式制动器蹄板进行 有限元分析割；刘立刚以重型越野车为研究对象，利用有限元软件分析制动器的变形、 应力场和摩擦界面上接触压力分布n 鲥；杨国俊使用结构化参数的方法对制动鼓、制动蹄j 进行有限元模态分析，为降低制动噪音提供方案n 日。 国外对制动器的研究已经处于比较成熟的阶段，使用计算机辅助手段成为汽车行 业设计者的青睐，有限元分析是对结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法，有 限元分析软件目前最流行的有：a n s y s 、a d i n a 、a b a q u s 、m s c 等。n i k h i lp r a t a pw a g h 以概念性设计的盘式刹车系统，使用钛作为合成材料使制动系统的重量增加到最低限度 n 韶；p a r s h a n tt y a g i 使用三种不同新材料的制动器受到同样的负载条件下，分析了实验 结果为给定的荷载工况下的位移进行了比较n 钉；s c o t tb r a d l e yz a g o t s k i ，b s m e 研 究以重叠的稳定性结合双带拖车移动车辆在不同的负载进行制动的来回仿真，利用 5 太原理工大学硕士学位论文 m a t l a b s i 眦l i n k 进行仿真研究呻】；j o h nl a w r e n c eg r i m e s 设计了热补偿调节器对鼓式 制动器影响口们；b r i a nk e n ts e r v i s 采用基于近似试验功能，并推导出精确的固有频率和 模态振型，b r i a nk e n ts e r v i s 对一个完整的模型进行了验证与实验测定反应汹3 ；d a y 用有限元方法建立制动器二维模型，分析了接触摩擦面的压力分布，并比较了不同摩擦 系数对制动性能的影响盈；s u d h a n s h un i g a m 建模、仿真和响应分析防锁死刹车系统仿 真一种有效的用于设计、性能评估和测试防抱死系统，它提供了一个高效和成本有效的 方法和优化系统设计晗羽。 综上所述，基于有限元方法的鼓式制动器分析主要侧重于一下几个方面： ( 1 ) 对制动器零件进行强度结构计算、校核。 ( 2 ) 获取制动器摩擦副接触应力场等信息，为制动器结构性能优化提供依据。 ( 3 ) 利用有限元模态分析技术为降低制动噪音提供解决方法。 ( 4 ) 建立热一弹性耦合动力学模型，进行制动器热疲劳、热衰退分析计算。 1 4 论文的主要研究内容 对于在鼓式制动器方面的设计和发展，仍然存在许多方面的不足，本文运用有限元 分析软件和现代科学技术相结合的方法，在试验的基础上对现有制动器进行应力场分析 和研究，为今后制动器的改进提供了有力的理论基础，本文的研究内容如下： 第一章：介绍课题研究的目的和意义，分析国内外的研究现状，介绍制动器的研究 现状以及发展史； 第二章：介绍鼓式制动器设计的力学基础，影响制动器的主要因素，总结有限元分 析的方法和理论基础以及有限元在汽车工业中的应用； 第三章：通过对制动鼓和制动蹄进行金相组织、化学成分和硬度测试，确定它们的 材料参数，用c a t i a 建立制动器的几何模型并进行适当的简化后，导入a b a q u s 软件， 对制动器进行有限元的前处理分析：如材料和截面属性的确定、装配件的生成、网格的 算法、定义接触和绑定约束、边界条件和载荷的设定； 第四章；运用有限元分析软件对鼓式制动器的模型进行模拟分析，根据试验中测得 的数据确定施加给制动蹄促动力的大小，在不同载荷步下对制动鼓和制动蹄的应力场和 位移场进行仿真分析，将有限元分析所得结果与经验公式计算所得制动力矩进行对比分 析； 6 太原理工大学硕士学位论文 第五章：在已有试验的基础上，采取在不同附着路面试验的方法，针对车辆制动时 的制动距离和制动减速度进行实车测试，测试制动性能的稳定性是否达到试验要求，同 时测得制动轮缸在车辆运行过程中的实际促动力的数值，结果经过有限元分析的结果、 试验的结论、实际中制动器的磨损情况均符合要求，说明本车能够加装a b s 装置。 7 太原理工大学硕士学位论文 8 太原理工大学硕士学位论文 第二章鼓式制动器的设计及有限元的理论基础 2 1 鼓式制动器的研究 根据国家标准g b1 2 6 7 6 2 0 0 6 制动系统的结构要求，制动装置必须具有行程制 动、应急制动、驻车制动功能，这都是通过控制制动器来实现的，所以，制动器首先要 满足性能要求，然后要求制动器能长期可靠使用，无噪声，制动器发热和振动成为主要 研究内容。制动器设计包括制动器结构设计和制动器性能的预测，为此开发了制动器专 用计算机辅助设计和仿真分析软件。 鼓式制动器接触线性模型，对于小型制动器计算误差较小，对于大功率制动器则误 差较大。用有限元分析软件建立鼓式制动器三维分析模型，包括制动鼓、制动蹄、摩擦 片，通过对鼓式制动器有限元的动力学分析，得出结论是摩擦片压力分布非正弦函数分 布，而是摩擦盘压力靠近制动蹄凸轮作用的一端，摩擦片压力在轴线方向非均匀分布。 当制动鼓和制动蹄为刚性体，摩擦片外径与制动鼓内径相等时，制动效能与刚性线性模 型是一致的；当考虑摩擦片外径与制动鼓内径不相等，接触为非线性接触，制动效能因 数明显小于刚性线性模型，且较为平滑；当制动鼓和制动蹄为弹性体时，得出的制动效 能进一步较小，鼓式制动器其他结构参数变化对制动效能的影响较小；当考虑制动时的 发热时，鼓式制动器有限元结构一热的耦合模型的分析表明，制动器发热变形，导致制 动效能因数减小，制动器应力增大乜3 儿铷。 制动时动能转化成热能的过程，制动器热量的验算必不可少。用有限差分法建立制 动鼓的二维热力学模型，计算制动鼓的温度分布，与试验数据比较，可较准确地预测制 动鼓的温度；通过有限差分法计算温度与压力的分布，可以确定最小制动鼓厚度。建立 鼓式制动器发热计算的数学模型，可以确定最小制动鼓厚度。建立鼓式制动器发热计 算的数学模型，求解制动器工作时的温度分布，讨论施加制动力( 脉冲、锯齿、方形) 方式对制动器温度的影响看，发现脉冲式施加制动力制动器温度分布最不均匀。制动 系统模态参数可用试验模态分析和有限元分析得到，鼓式制动器系统有限元模型，通过 低阶模态与实验比较，来验证模型 2 7 】。摩擦衬片变形引发了鼓式制动器的振动，制动鼓 有4 种机理，移动波发生在制动鼓通以频率下正弦和余弦状态模态相互作用和耦合啪1 。 鼓式制动器更容易由于模态耦合发生振动，为说明模态耦合引起的制动器振动，用一个 9 太原理工大学硕士学位论文 两自由度的摩擦模型分析，在一定条件下模型具有实部为正的复特征值。鼓式制动器有 限元复模态分析确定振动频率，通过试验证实，分析结果准确，与理论分析吻合啪1 。 2 2 鼓式制动器的非线性接触力学模型 制动时摩擦片与制动鼓接触力非常大，接触力与变形不再属于线性变化范围，制动 器摩擦片线性假设不再使用，线性假设得出的结果与实际误差较大。由于摩擦片得弹性 变形对制动器效能因数影响显著，而制动鼓和制动蹄的弹性变形对制动器效能因数影响 较小，假设制动鼓和制动蹄是刚性的，不考虑其变形；摩擦片是弹性体，制动时发生变 形。如图2 1 为制动鼓和摩擦片的接触力分布图。 图2 1 制动鼓与摩擦片的接触力分布图 f i g 2 - 1t h eb r a k ed r t 】m 锄d 衔c t i o np i e c e 恤c o n t a c tf i m ed i s t 曲u 廿o n 2 1 1 鼓式制动器的力学模型 鼓式制动器是通过制动鼓的内表面来产生制动力，力的通过放射性的向外传递给制 动鼓，使得制动鼓减速。如图2 2 当刹车踏板施加压力通过制动轮缸分别以等促动力向 两边撑开，其中领蹄和从蹄分别以支撑销为支点向两边运动，领蹄随着平动还有转动， 从蹄只有平动一个自由度，回位弹簧在松开制动踏板起到使制动蹄恢复到原来的状态， 鼓式制动器的优点是制动，成本低等特点，鼓式制动器缺点是热衰退严重，摩擦系数 受温度影响较大等。 】0 太原理工大学硕士学位论文 鑫 1 图2 1 2 鼓式制动器的力学模型 f 培2 - 11 飞怆m e c h 锄i c a lm o d e lo f d m m b 阳k e l 制动鼓旋转方向2 摩擦力矩自增3 摩擦力矩自减4 力矩 5 制动轮缸6 领蹄7 从蹄8 支撑销9 回位弹簧 2 3 制动系设计 制动系统设计现今是一个借助于模拟工具、制动动力学基础，在理论基础上执行车 轮制动器及整个制动系统计算并把期望的制动系统效能与顾客特定要求进行比较的过 程。在设计结束后立即利用顾客技术条件的支持详细说明结构中的单个部件。现今设计 时，费用和标准件的使用在许多车辆平台上起到了重要作用。 制动系统最佳化，特别在舒适范围内( 如噪声、振动) ，尽管方法最现代，但也需 要在车辆中进行精密协调。有时要描述行驶机构部件( 轴结构件) 韵振动性能及其与制 动系统的协调和潜在噪声问题。由于使用具有标准试验矩阵的噪声试验台，则使最佳化 周期缩短。 2 3 1 制动时的车辆稳定性 判定制动器的最主要标准是车辆方向的稳定性。在制动过程中例如一辆无电子滑移 率控制的两轴汽车会出现以下三种不同的动态行驶状态啪3 ： ( 1 ) 前轴抱死 1 1 太原理工大学硕士学位论文 此状态称为“稳定制动状态”。当前轴抱死时，因为不能传递值得提起的侧向导向 力而丧失车辆的转向性。后轴侧向导向力阻止车辆出现不稳定状态。 ( 2 ) 后轴抱死 此状态称为“不稳定制动状态”。车辆进入不稳定行驶状态并且通过后轴可能会突然 发生不可控制。 ， ( 3 ) 两轴全抱死 全轴抱死，首先在无干扰力时车辆继续一直向前行驶，当出现干扰力时，则车辆附 加有绕垂直轴的绕动。 前轴抱死的车辆由于因干扰力引起的车辆偏驶反应通过后轴侧向力的反力矩得以 补偿，所以是处于如图2 3 所示稳定行驶状态。当后轴抱死时，因为由于车轮抱死而不 再建立侧向导向，所以由前轴侧向里产生的绕垂直轴的力矩加强了偏驶反应。于是车辆 开始离心转动。 1 2 太原理工大学硕士学位论文 毫， f 未侧力 _ f 高鼢 ：f 磷辆重量 蝴橱： 丑垮后轴 z 希嘞因数 、， 图2 - 3 丰辆稳定与不稳定制动状态说明 f i 昏2 - 3 妊c l e 鼬i 1 匆锄d 碱i l 时廿埝tb r a l d 】呜c o n d i 舶n 制动器效能的稳定性主要取决于其效能因数对摩擦系数的敏感性，即越矿。 戤矿大，稳定性就差，即摩擦系数厂的改变，对效能因数k 影响较大；必矿小， 稳定性较好，即摩擦系数厂的改变，对效能因数k 影响较小。而摩擦系数厂是个不稳 定因素。制动器的摩擦副包括摩擦衬片和制动鼓，它们得材料对于摩擦系数厂的稳定性 具有影响。另外，摩擦副表面的温度、水湿程度也有重要影响。其中温度是经常起作用 的因素，所以制动器的热稳定性更为重要。 综上所述，如果要求制动器的热稳定性好，就应该选择其效能对摩擦系数较不敏感 的结构形式，另外，还要求摩擦材料具有较好的抗衰退性和恢复性，并且应该使制动鼓 具有足够的热容量，以减小温升。 1 3 太原理工大学硕士学位论文 但是，摩擦系数f 的变化会引起制动效能 l(；，、一 的变化。制动器效能的稳定性可以用蟛咿 4i 来表征。如图2 4 ，其中1 ：双向增力式，2 ： jfj l 双领蹄式，3 ：领从蹄式，4 ：双从蹄式，从效 8 广r 一r _ 下卅1 广1 能曲线4 至l ，制动器效能的稳定性逐渐减小，r _ f _ 卜_ 1 丁r 了州 即双向增力式制动器l 的效能稳定性最差，而6 卜_ 十_ 十_ 十卜卜h 双从蹄式制动器4 的效能稳定性最好。l 二# 阜4 乒_ 一4 4 - 一 另外，鼓式制动器的效能除与结构形式、 。i么21 2 参数和摩擦系数有关外，还受到其他因素的影l i li 响，例如，蹄与鼓的接触情况就影响很大，而 i j j 删勰撇胭刹赢敷般黝僦l 【么，匕l 么，划 竺霎! 兰竺奎因此，正确的调整对高效能制。e 兰垂兰墅l 动器尤其重要。 。一百f 西厂茁6 双领蹄式和双向双领蹄式制动器中都具 有两个轮缸，适用于双回路制动系统，但 图2 4 鼓式制动器性能因数 是，轮缸、管路、管接头等零件多、造价高， 而且更易发生泄漏等故障。 f 领从蹄式制动器的效能及其稳定性都适中，并且在汽车前进、倒车行驶时都相同， 还具有结构简单、造价较低、便于附装驻车驱动机构等特点，是目前仍然广泛用于重型 货车的前、后轮以及一些轿车后轮的制动器。 2 - 3 2 制动力在轴上分配 为了评定制动力分配质量及其对车辆制动性能的影响，对此一般是利用所谓“制 动力分配图”。首先假定前、后制动力相互处于一个固定比例。在这种情况下，就是所 谓的“固定协调 跚3 。在制动力分配图中描述车辆制动状态原始关系可以从图2 4 中所 示的简单的等效模型推导出来。 1 4 太原理工大学硕士学位论文 一 _ j 奎i 2 _ 4 两轴手辆制动模型 f i g 2 - 4t 、v oa x i sb n l k i n gn l o d e l 其带有制动因素z 的动态轴负荷计算公式为： 咖= ( 半+ z 钓 。 沿l ， 哦睁z 甘 、 、 浯2 ) 式中z 制动因素，z = l 叫纠； 口减速度； 旷重力加速度。 通常制动力的计算公式为： 尝叩鲁 ( 2 - 3 ) 昂 。 尼 瞄一驯 用车辆萤心被与轮距比x = 争后轴负荷比毗= 警寺及轮胎与路面间附 着系数u 带入式( 2 ) 和式( 2 2 ) 于是得到前、后轴可利用制动力计算公式： 等= ( 1 一y 忉石) ( 2 - 4 ) 太原理工大学硕士学位论文 f 等2 ( 烨嘎) 咱 此两公式优先适用于假定前、后轴附着系数相同的制动情况。制动因数公式 z ：堑+ 鱼( 2 6 ) gt g 根据水平方向力平衡原理，则在不出现附加力的情况下，最大可能的减速度与附着 系数相符。动态制动力分配( 在文献中也称为“理想制动力分配 ) 的计算公式为： 等一( 1 - 眦 ( 2 _ 7 ) 等一( 烨 浯8 ， 此参数描述与图2 5 所示的制动力分配抛物线相符。在此抛物线上，可达到制动因 数与现有的附着系数相同，即在此抛物线当时现有的轮胎与路面间附着系数被完全利 用。由工程师所设置的制动力分配、恒定减速线和前、后轴恒定附着系数线是属于制动 力分配图的其他说明。 f b ，i i a 后轴制动力 f 车辆重量 后轴制动力 f b 。v a 。_ _ _ _ _ _ - _ 。_ - _ _ _ _ _ _ - 。一_ _ _ _ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ 一 车辆重量f g 图2 5 具有固定协调的制动力分配 f 培2 - 5c o o r d i n a c e 、) l r j f e d 血ep o w e rd i s 廿i b l n i o ns y s t 锄 1 6 太原理工大学硕士学位论文 安置在车辆中的制动力分配装置，对于前、后轴上为固定制动力分配时，则制动力 分配以下面公式描述： 孥：嬲f 孕卜 ( 2 - 9 ) 尼昂 、 式中d b 为制动力分配系数，其计算公式为： 脚：磐：鲁鱼耍( 2 - 1 0 ) b 。髓锄 ” 。 式中a 车轮制动轮缸活塞面积； c + 靠0 动器特征值； r 一有效制动半径。 ： 后轴制动力部分的计算公式为： 西：墨些：生 。兄黝+ 磊，脚l + 脚 ( 2 1 1 ) 可达到的制动因数为两轴制动力产生的和： z = 掣+ 掣 ( 2 1 2 ) 尼尼 + 一 此表达式在图2 5 所示的制动力分配图中为一条一4 5 7 的直线。 工程师设置的制动力分配线与动态制动力分配线的交点称为“临界点。临界 点把制动力分配图细分为稳定范围和不稳定范围。在抛物线上方为不稳定范围，在下方 则为稳定范围。用x 、沙和3 个参数来说明临界点，则有： = 型 ( 2 一1 3 ) 为了能用制动力分配图进行实际工作，则需要把轮胎与路面间的附着系数填入图 中。在前、后轴为恒定附着系数线时，则把它视为直线( 见图2 5 ) ： 堑：l 吐些：逊掣i 鱼二业 ( 2 一1 4 ) 昂 lx ( 1 一y + x )l 尼 z 、 鱼：坐型隆二麴 忍 。( 1 一y 堆x ) 一詈 1 7 ( 2 一1 5 ) 太原理工大学硕士学位论文 对于制动性能的其他讨论，则应研究所设置的制动力分配是先与前轴恒定附着系数 曲线相交，还是与后轴恒定附着系数曲线相交( 见图2 5 ) 。若先与前轴恒定附着系数线 相交，则前轴抱死，否则为后轴抱死。 在o z 范围内达到的制动因数直至前轴抱死，则有： z ：丝：( ! 二竺) ( 2 1 6 ) 1 一。x 一 在z 范围可到达的制动因数直至后轴抱死，则有： z ：丝：笙( 2 一1 7 ) p x + 币 对于相应制动因数所需的制动压力为： p = z ( 1 一矽) ( 2 1 8 ) 式中= 撩 ( 2 _ 1 9 ) 制动距离s 可用下面公式确定： j ：堡亟圣：三：垒：立( 2 2 0 ) 2 。z g 式中的乙为所谓损失的时间，即值得是从制动操作开始到达最大车辆减速度所需时 间的一半。 对于一个完整的常规气动制动系统，其损失时间为o 2 o 4 s 。当一条制动回路失 效时，其损失时间上升到0 7 s 。与制动压力必须存在存储器“提取 的常规制动系统不 同，因为电动制动系统的制动压力是处在车轮制动器前的阀中，所以其损失时间降低到 2 - 3 3 制动过程中制动力的分配 通过图2 6 所示制动力分配图中曲线l 和曲线2 代表稳定制动力分配和不稳定制动 力分配来进行讨论。 1 8 太原理工大学硕士学位论文 生壁型垫垄堕 车辆重量 f g 图2 6 以制动力分配图工作 f i g 2 6w 油也ep o w e r ( 曲t r i b 砸0 n 瑚pw ( r k 曲线l ：“稳定制动力分配”。在例如假定轮胎与路面间摩擦因数为u = o 一( 干燥路 ， 面) 制动，前轴在a 点抱死。前轴车轮在制动因数为锄= 0 6 6 时抱死但车辆保持方向稳 ， 定。在前轴抱死时驾驶入仍有很强的力施加在制动踏板上，则制动力分配此时是沿前轴 恒定附着系数移动。当达到动态制动力分配抛物线c 点时，后轴也抱死。在c 点达到物 理上最大可能制动因数一7 0 制动因数，类似于附着系数| l = o 7 。 曲线2 ：“不稳定制动力分配 。在相同的条件下制动车辆，直至达到在b 点的当前 附着系数，开始时问题不大，不过在达到此点时由于后轴车轮的高滑移率已经建立起偏 驶力矩。在b 点当制动因数为z 肱= 0 6 6 时后轴抱死，则车辆开始离心转动。 2 4 制动系统部件的有限元分析法 在制动器开发范围内，既在开发阶段，也在其他过程中，都有三维的、计算机支持 的功能分析。最频繁使用的工具，对于固体来说是有限元法，而对于流体计算则是有限 v 0 1 u m i n a 法。 制动系统功能包括提供制动能、承受负载、机构起作用，以及从广义上来讲还包括 1 9 太原理工大学硕士学位论文 舒适性和振动特性。早期分析时用于检验一个时间点的机构设计。在此时间点只虚拟描 述零件和组件。在开发的后期阶段是所设计的制动系统进行可靠性试验。虚拟描述的主 要部分是用c a d 系统确定的几何外形。此外，也应了解在工作温度范围内材料的物理特 性。在功能检验时出现的问题，则通过使用在此开发阶段的计算机支持方法，可对过程 状况改善以及对有目标和有效力解决此问题做出贡献。可以把所使用的计算方法粗略地 分为通常在机械制造和汽车制造中所使用的方法和为在制动系统中所出现的提问而设 置的专门评估方法。第一个问题包括强度计算、刚度计算、构件热特性确定以及空气流 动和液压液体流动研究。后一个问题指的是在0 1 5 0 0 0 h z 频率范围内的振动分析。此 频率范围既包括低频的舒适性，也包括噪声。这些振动和噪声是由于摩擦片与制动盘之 间摩擦过程自激而引起。特别在高频振动时达到了计算模型极限。本文中制动鼓的刚度 有助于制动系统总刚度，并对驾驶人的踏板感觉产生影响。通过计算仿真的应力可以推 断出部件的强度和寿命。 2 5 有限元分析的方法和理论基础 有限元方法是求取复杂微分方程近似解的一种非常有效的工具，是现代数字化科技 的一种重要基础性原理口2 儿跚。将它用于科学研究中，可成为探究物质可观规律的先进手 段。将它应用于工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具。 有限元分析时物理现象( 几何及载荷工况) 的模拟，是对真实情况的数值近似，通 过对分析对象划分网格，把具有无限个自由度的连续系数离散成只有有限个自由度的单 元集合体，通过求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。 在进行仿真开始阶段有限元的具体理论步骤是： 。 2 0 太原理工大学硕士学位论文 有限兀分析是一种关于微分方程