（车辆工程专业论文）基于总成的盘式制动器强度和刚度分析.pdf

武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：日期冽卯罗 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师。签名虹日期 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文首先阐述了课题的来源及课题提出的背景，阐明了课题研究的目的和意 义，分析了与本课题相关的国内外研究现状，了解到了目前国际国内有关制动器 方面的研究近况，针对当前的这种研究状况及趋势，结合企业对课题的要求，确 定了制动器总成性能研究的方法，分析了制动器总成的结构特点，确定了总体研 究的方案和理论，根据强度刚度理论、热力学理论、模态理论和参数化设计理论 等对制动器总成进行了温度场及热应力研究、机械应力有限元分析、模态分析和 参数化有限元分析。 根据热学理论基础，建立了温度场及热应力数学模型，选择合适的有限元分 析软件对制动器进行了温度场及热应力研究，建立了制动盘与制动块摩擦作用的 简化几何模型和有限元计算模型，得到了热应力计算结果。根据热应力计算结果 得到的制动盘摩擦面表面温度分布，对制动盘进行了稳态的温度场研究，验证了 通风盘式制动器结构的合理性，为结构的进一步改进提供了参考。 对盘式制动器总成进行了机械应力研究，分析了盘式制动器总成制动时的受 力情况，根据受力分析，研究了当今结构静力学和动力学分析功能比较强大的有 限元分析软件，确定了作为仿真分析的软件平台，建立了总成的有限元计算模型 并对其计算结果进行了分析。 对制动器总成各零部件即制动卡钳、制动钳支架、活塞、制动盘和制动块进 行了自由模态分析，分别建立了各零件的有限元计算模型，提取了各零件前1 2 阶模态，得到了其固有频率和模态振型。 为了提高产品设计效率，减少重复建模消耗的大量劳动时间，利用a n s y s 参数化设计语言a p d l 建立了盘式制动器总成的参数化几何模型和参数化有限元 模型，对典型盘式制动器总成进行了参数化有限元分析。 本文的研究为盘式制动器总成产品的开发和改型以及数字化平台的建立提 供了参考和依据，解决了企业的实际问题，对车辆同类型零部件产品如鼓式制动 器、离合器以及变速器等提供了新的设计思路，具有较好的现实意义和理论研究 价值。 关键词：制动器强度刚度热应力模态机械应力参数化 武汉理r t 大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h i sp a p e rf i r s te x p o u n d e dt o p i cs o u r c ea n dt o p i cb a c k g r o u n d e x p o u n d e dt h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c hs u b j e c t s a n a l y z e d t h er e s e a r c hs t a t u sf r o m d o m e s t i ca n da b r o a d l e a r n e da b o u tc u r r e n to fi n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cr e s e a r c h a c h i e v e m e n t sa b o u tb r a k e i nv i e wo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt r e n do ft h er e s e a r c h ， d e t e r m i n e dt h eb r a k ea s s e m b l y p e r f o r m a n c es t u d ym e t h o dc o m b i n e dw i t ht h e r e q u i r e m e n t so ft o p i cc o m i n gf r o me n t e r p r i s e ，d e s i g n e das e to fc o m p l e t ed e s i g n t e c h n i c a lr o u t e ，a n dd e t e r m i n e dt h eo v e r a l lr e s e a r c hs c h e m e sa n dt h e o r i e s a c c o r d i n g t ot h et h e o r yo ft h e r m o d y n a m i c s ，t h et h e o r yo fs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，m o d a lt h e o r y a n dp a r a m e t r i cd e s i g nt h e o r y , c o n d u c t e dt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sr e s e a r c h ， m e c h a n i c a ls t r e s sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i sa n dt h ep a r a m e t r i cf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st ot h eb r a k ea s s e m b l y a c c o r d i n gt ot h et h e r m a lt h e o r e t i c a lb a s i s ，e s t a b l i s h e dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n d t h e r m a ls t r e s so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l c h o s et h ea b a q u sa st h et e m p e r a t u r e f i e l da n dt h e r m a ls t r e s sa n a l y s i ss o f t w a r ep l a t f o r m e s t a b l i s h e dt h es i m p l i f yg e o m e t r y m o d e la n dt h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nm o d e la b o u tb r a k ed i s ca n db r a k eb l o c k a c c o r d i n g t ot h et h e r m a ls t r e s sc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，r e s e a r c h e dt h e s t e a d y - s t a t e t e m p e r a t u r ef i e l da b o u tt h eb r a k e r e s e a r c h e dt h em e c h a n i c a ls t r e s sa b o u tt h eb r a k ea s s e m b l y a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i so fs t r e s s ，a n a l y z e dt h eb r a k ed i s ca s s e m b l yb r a k i n gf o r c es i t u a t i o n c h o s et h e a n s y sa st h es i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ep l a t f o r m e s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o nm o d e la b o u tt h eb r a k ea s s e m b l y a n a l y z e dt h ef r e em o d a lo ft h eb r a k ec a l i p e r s ，f r a m e ，p i s t o n ，b r a k ep l a t ea n dt h e b l o c k e s t a b l i s h e dt h ep a r t sf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nm o d e l a l lp a r t sw e r ee x t r a c t e d f i r s t12m o d e s ，a n do b t a i nt h ef r e q u e n c i e sa n dm o d a ls h a p e i no r d e rt oi m p r o v ep r o d u c td e s i g ne f f i c i e n c ya n dr e d u c ed u p l i c a t i o no fw o r k t i m ef o rm o d e l i n gc o n s u m p t i o n ，u s i n gt h ea n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g ea p d l e s t a b l i s h e dt h eb r a k ed i s ca s s e m b l yp a r a m e t r i cg e o m e t r i cm o d e la n dp a r a m e t r i cf e m a n a l y z e dt h ep a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fat y p i c a ld i s cb r a k ea s s e m b ly t h i sr e s e a r c hf o rd i s cb r a k ea s s e m b l yp r o d u c td e v e l o p m e n t ，r e t r o f i ta n dt h e e s t a b l i s h m e n to fd i g i t a lp l a t f o r mp r o v i d e sr e f e r e n c ea n db a s i s k e y w o r d s ：d i s cb r a k ea s s e m b l y ；s t r e n g t hs t i f f n e s s ；t h e r m a ls t r e s s ；m o d a l ； m e c h a n i c a ls t r e s s ；p a r a m e t r i cd e s i g n 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第1 章绪论1 1 1 课题提出1 1 2 课题研究的目的和意义1 1 2 1 课题研究的目的1 1 2 2 课题研究的意义2 1 3 国内外研究概况2 1 3 1 国外研究概况2 1 3 2 国内研究概况4 1 4 研究内容7 第2 章结构特点分析及总体研究方案的确定9 2 1 盘式制动器的结构特点分析9 2 2 制动原理及分析类型的确定1 1 2 2 1 制动工作原理1 2 2 2 2 分析类型的确定1 2 2 3 基础理论分析1 3 2 3 1 制动摩擦理论1 3 2 3 2 传热学理论1 4 2 3 3 接触非线性理论1 6 2 4 总体研究方案的确定1 7 第3 章温度场及热应力研究19 3 1 理论基础及数学模型1 9 3 2 制动盘热应力及温度分布计算2 1 3 2 1 几何模型的建立2 1 3 2 2 单元类型的选取2 2 3 2 3 材料属性的定义2 3 3 2 4 分析步及输出要求的设定2 4 3 2 5 接触定义2 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 6 边界条件和载荷设定2 6 3 2 7 网格划分2 7 3 3 热应力计算结果分析2 8 3 4 制动盘温度场结果分析2 9 第4 章基于盘式制动器总成的机械应力研究1 9 4 1 盘式制动器总成的制动受力分析3 1 4 2 基于总成的有限元计算模型建立3 2 4 2 1 总成各零部件几何模型的建立3 2 4 2 2 装配关系及其总成图的确定3 3 4 2 3 单元选择和材料参数设置3 4 4 2 4 网格划分及接触的定义3 5 4 2 5 载荷和边界条件的定义3 6 4 3 计算结果分析3 6 第5 章制动器总成各零部件自由模态分析3 8 5 1 模态分析的基本理论3 8 5 2 有限元计算模型的建立4 0 5 3 计算结果分析4 2 第6 章基于盘式制动器总成的参数化有限元分析4 9 6 1 盘式制动器总成参数化问题分析4 9 6 2a n s y s 参数化设计语言a p d l 5 0 6 3 参数确定及其建模分析5 1 6 4 利用a p d l 进行参数化有限元计算模型的建立5 2 6 4 1 设计思路及设计流程5 3 6 4 2 宏命令及参数的定义5 4 6 4 3 参数化几何模型的建立5 6 6 4 4 参数化有限元模型的建立5 7 6 5a n s y s 二次开发在制动器上的应用6 0 6 6 典型制动器参数化有限元分析实例6 3 第7 章总结与展望6 6 7 1 结论6 6 7 2 研究展望6 7 参考文献6 8 武汉理t 大学硕士学位论文 一 研究生期间发表的论文情况7 3 致谢7 4 武汉理工大学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出 当前我国经济呈现一种飞速发展的态势，汽车工业的蓬勃发展业已成为推动 我国经济的最强一股力量。作为陆上交通的重要工具，汽车已经进入到社会的各 个领域，并且正在以较快的步伐进入到家庭。随着汽车市场的繁荣以及不同客户 群体在车型选择上的多样性，人们对汽车动力性、燃油经济性、汽车制动性、操 纵稳定性、行驶平顺性以及汽车通过性等的要求也越来越高，尤其在涉及到乘员 生命安全方面的主被动安全性，更是在意。 汽车的安全性主要是通过制动系统来保证的，整个制动系统的制动过程由4 部分共同作用来完成，其中供能装置主要产生制动时的能源，控制装置通过产生 制动动作和控制制动效果的各种部件完成制动控制，传动装置用来保证制动能量 能得以迅速有效的传递到制动器的各个部件上，第四部分是制动器，也是制动过 程得以实行的执行元件，其种类很多，凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩 擦而产生制动力矩的制动器就称为摩擦制动器，最常用的摩擦制动器有鼓式和盘 式两大类。其中盘式制动器包括钳盘式和全盘式两种，钳盘式又有定钳盘式和浮 钳盘式之分，然而浮钳盘式制动器是目前应用最多的一种盘式制动器，其应用也 是最广，因此，不少企业开始致力于这类制动器的研究，不过企业自动化设计程 度较低，现代设计分析方法应用较少，设计水平较弱，质量保证难度较大，这样 导致设计周期长，反复设计次数多，成本偏高，自主研发能力较弱等。 本课题即是基于此种情况由我国的某核心零部件企业实际委托研究的。该 汽车零部件生产企业希望在设计之初能够通过有限元仿真分析了解某型制动 器总成在使用过程中是否满足结构强度要求，并且能够按企业要求结合规范 对该产品进行有限元仿真分析，缩短建模周期。另外，企业希望通过该类产 品的建模与仿真，确定通用的研究方案，形成规范化的设计流程和指南，为 新产品的研发提供依据，为数字化平台的建立提供模型和参考。因此，该企 业与武汉理工大学汽车工程学院签订合作项目，对制动器总成产品进行有限 元仿真分析。 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 课题研究的目的 课题研究的目的在于以下几点： 1 ) 利用现代设计分析方法，依据有关规范对制动器总成进行温度场计算 武汉理工大学硕士学位论文 以及热应力、机械应力、结构强度刚度和振动模态分析等，考虑计算过程中 所出现的非线性因素，如状态非线性因素中的接触问题等； 2 ) 为产品的改进设计提供数据和参考； 3 ) 为数字化平台的设计与研发提供模型和参考； 4 ) 提升研究人员借助现代设计理论和软件工具进行产品研发的能力，提 升企业的自主研发能力。 1 2 2 课题研究的意义 本课题研究的意义有以下几点： 1 ) 缩短设计周期，保证产品质量 通过对制动器总成的非线性仿真分析，可模拟实际工作情况，发现结构 易损处和异常工作状态并作出相应处理，能大大缩短经反复常规试验得到可 靠产品的设计时间，能对产品不同工况下的危险部位进行有效预测，解决产 品质量问题。 2 ) 提高企业的设计能力 对于已经量产的产品，可以分析指出该类制动器总成产品设计中的不足， 提出修改意见；对于处于尚未投产还属于初级研发阶段的产品，能通过对本 课题的研究，进行质量把关或改进。因此，本课题的研究能提高产品的开发 能力，提升企业的设计能力。 3 ) 给企业带来良好的经济效益，提高企业的竞争力 通过对本课题的研究能够减少产品的反复循环设计次数，缩短设计周期， 从而可以大大降低设计成本，为企业带来较好的经济效益，进而提高企业的 市场竞争力。 4 ) 较强的参考性和针对性 通过查阅制动器方面的文章以及有关汽车c a e 方面的文献，发现目前对 汽车盘式制动器的研究多为热应力分析、模态分析、噪声分析等单项分析， 并且往往只考虑了制动盘和摩擦片这样一种简化模式，对总成、结构强度以 及热机械耦合方面的研究很少，而本课题研究的内容除热应力分析，结构分 析以外还包含参数化有限元分析，振动模态等多方面的分析，更符合该产品 的实际使用情况。因此，具有较强的参考性和针对性。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 国外对制动器进行结构仿真分析的文献还比较多，但多集中在热应力分 2 武汉理工大学硕士学位论文 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。1 6 7 8 年，r h o o k e 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。1 9 世纪2 0 年代，c l m h n a v i e r 、 a l c a u c h y 和a j c b s a i n tv e n a n t 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。1 7 7 3 年，c a c o r l o m b 提出了最大剪应力理论，开始了固体材料塑性变形的研究。 1 8 6 4 年，h t r e s c a 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s a i n tv e n a n t 和m l e v y 在一个 多世纪前奠定的。s a i n tv e n a n t 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。1 8 7 1 年l e v y 将塑性应力应变关系由二维推广到三 维情况。1 9 0 4 年，m t h o u b e r 提出了材料的形状改变比能理论。1 9 1 3 年，r v o n m i s e s 提出了应变能屈服条件，并独立的提出了和l e v y 相同的塑性应变增量 与应力关系表达式。1 9 2 4 年l p r a n d t l 和1 9 3 0 年a r e u s s 提出了塑性力学的增 量理论。 在塑性本构理论方面，1 8 7 0 年，s t v e n a n t 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。1 8 7 1 年，m l e v y 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，m i s e s 建立了著名的l e v y m i s e s 方程。随后，a r e u s s 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 p r a n d t l r e u s s 塑性增量理论。1 9 2 4 年，h h e n c k y 、a l n a d a i 和a a i l i u s h i n 等采用m i s e s 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。1 9 5 2 年，d c d r u c k e r 提出了相关联的流动法则。 在接触动力学研究方面，德国s t u t t g a r t 大学和e r l a n g e n 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p e t e re b e r h a r d 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”s f b 4 0 4 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l - ”。 武汉理工大学硕十学位论文 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 4 - 1 6 1 。 在非线性有限元软件方面，1 9 6 9 年，p e d r om a r c a l 成立了自己的公司， 使第一个非线性商业有限元程序m a r c 进入市场。同期，j o h ns w a n s o n 也将 他的非线性程序a n s y s 推入市场，a n s y s 主要关注的非线性材料而非求解 完全的非线性问题。1 9 7 2 年，h i b b i t t 与人合作建立h k s 公司，使a b a q u s 商业软件进入市场。a b a q u s 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1 7 1 0a b a q u s 求解模块主要包括隐式求解器a b a q u s s t a n d a r d 和进行显示求解的显示求 解器a b a q u s e x p l i c i t 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 ) 非线性理论已日趋成熟，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，一些接触理论己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 ) a n s y s 和a b a q u s 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还比较全面，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 3 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8 和陈家瑞的汽车构造9 最具代表性，介绍的最为详尽。文献 【1 8 】中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。在文献 1 9 】 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： 1 ) 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； 4 武汉理工大学硕士学位论文 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，2 0 0 9 年，罗继华等人在文献【2 1 】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，杨强等人也对此相关结构和 问题分别在文献 2 2 2 6 d ? 进行了研究。同年，徐荣滨发表了关于多盘摩擦式液 压制动器的设计计算一文1 2 7 1 , 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。 2 0 0 3 年，王良模等人对浮钳盘式制动器进行了有限元分析1 2 8 1 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 来赵韩等人利用a n s y s 软件对某型浮钳盘式制动器进行了有限元分析 2 9 1 0 另外，在1 9 9 8 年，周志勇等人在文献 3 0 】【3 1 】中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。1 9 9 9 年， 刘牧众，浦维达等人对轿车制动盘进行了磨损失效分析1 3 2 1 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。2 0 0 1 年， 周凡华，吴光强等人对盘式制动器进行了多次循环制动的温度计算1 3 3 1 王营，曹 献坤等人对盘式制动器摩擦片的温度场进行了研究1 3 4 1 02 0 0 3 年，张佳蓉，严瑾， 殷德宏，张静江分析了制动盘早期磨损失效问题1 3 5 1 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。2 0 0 5 年，余卓平等人研究了盘式制动器的 抖动问题1 3 6 1 杨莺，王刚对某机车制动盘的瞬态温度场进行了仿真1 3 7 1 讨论了 边界条件和各种相关参数的确定方法：杨晓明等人对某型盘式制动器做了全性能 优化设计【3 引，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。2 0 0 7 年，王登峰，王玉为等人对盘式制动器 武汉理工大学硕士学位论文 制动时产生的尖叫问题做了有限元分析与试验t 3 9 1y 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耦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，董鹏对盘式制动器及其与整车的匹配做了研究 4 0 1 李 衡等人对盘式制动器的结构场做了有限元分析t 4 1 1 黄健萌等人对盘式制动器摩 擦界面接触压力的分布做了研究k 4 2 1 , 葛振亮等人做了盘式制动器热弹性耦合分 析1 4 3 12 0 0 8 年，高向前进行了盘式制动器的热强度计算分析1 4 4 1 , 黄健萌，高诚 辉等人进行了盘式制动器热一结构耦合的数值建模与分析1 4 5 1 02 0 0 9 年，杜鹏， 刘辉，毛英慧等人基于目前前后处理功能比较强大的有限元软件a b a q u s 对 a b s 盘式制动器进行了动应力分析啪1 ，杨智勇等人进行了铝合金和锻钢制动盘 摩擦面热损伤研究1 4 7 12 0 1 0 年，柴少彪，王铁等人基于a n s y s l s d y n a 对 鼓式制动器做了接触仿真分析1 4 8 1 。 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c a d c a e 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4 9 。5 ，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 2 0 k h z 和1 8 k h z 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1 5 2 - 5 4 1 ，有基于c a d 软 件如u g 等的几何参数化分析，也有基于c a e 软件如a n s y s 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 1 5 5 - 6 2 1 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 1 6 3 , 6 4 1 ；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1 6 5 - 6 8 1 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1 6 9 - 8 2 1 ，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t 8 3 - 8 5 1 , 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c a d 模型导入到c a e 软件的数据互换问题1 8 6 1 为许多c a d 模型和c a e 模型之间 6 武汉理工大学硕士学位论文 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已被越来越 多的厂家、企业所接受，被社会认可。 1 4 研究内容 本课题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 器总成的温度场计算、制动热应力分析、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非线性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课题研究的基础。本课 题研究的目标是对该总成产品进行温度场计算、制动热应力分析、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 度振动噪声等分析结果，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；在进行热应力分析时，不仅要定义 不同接触面间的接触关系，还要给定摩擦系数、对流参数、热膨胀系数、热 传导系数等，这就又涉及到热力学方面的理论：另外，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 7 武汉理工大学硕士学位论文 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温度场计算、制动热应力分析、机械 应力分析、结构强度刚度分析和振动模态分析几部分。主要分析温度的变化 对结构强度刚度的影响；机械应力、热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；将仿真结果与相关试验结果对 比分析，对模型进行精细化研究。 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。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章结构特点分析及总体研究方案的确定 要对制动器总成进行合理的性能研究，先要了解其结构特点，根据结构特点 及工作性质确定分析类型，研究不同分析类型所涉及到的理论基础，最后根据制 动器总成的结构特点及相关理论确定总体的研究方案。 2 1 盘式制动器的结构特点分析 盘式制动器一般分为钳盘式和全盘式两种，其中钳盘式又有定钳盘式和浮钳 盘式之分，本课题所研究的盘式制动器基于国内某知名零部件企业的某款轻型车 辆，属于浮钳盘式制动器，该型盘式制动器总成由多个零部件组成，主要包括钳 体、制动钳支架、活塞、制动块和制动盘等。为了利于制动器总成制动性能的研 究，有必要对其结构特点进行分析，其总成几何模型如图2 1 所示。 制动钳 制动块 制动钳体 制动活塞 制动盘 图2 - l 制动器总成几何模型图 制动钳体可以沿着制动钳支架以及导向销进行轴向滑动，由于本课题研究的 制动器总成应用在轻型车辆上，需要的油压推力不是很大，因此只需设计有一个 表2 1 制动钳体材料参数 l材料参数名 密度( k g ，m 3 ) 弹性模量( m p a )泊松比 i实际参数值7 8 5 02 1 e “o 3 9 武汉理工大学硕士学位论文 活塞腔室，活塞腔直径为5 2 r a m ，深度为4 5 m m ，当高压油进入活塞腔时，活塞 会在高压油的推力作用下压向同侧的制动块，同时制动钳体沿着导向销向活塞运 动的反方向移动推动另一侧制动 块。制动时制动钳体的受力比较 大，为了满足制动时钳体的结构 强度刚度要求以及安装要求，其 结构设计的较为复杂，如图2 2 所示，其材料选用的是钢材，具 体材料参数如表2 1 所示。 制动钳支架是支撑整个制动 钳总成的核心零件，其形状因安 装要求和制动器总成强度的匹配 图2 - 2 制动卡钳几何模型图 而不同，在确定其材料的时候，一般参考制动卡钳，选择密度为7 8 5 0 k g m 3 ，弹 性模量为2 1 e l l p a ，泊松比为0 3 的钢材。其几何模型如图2 3 所示。 图2 - 3 制动卡钳支架几何模型图 图2 - 4 制动活塞几何模型图 制动活塞是力的传递构件，其结构形状以及强度刚度对整个制动器性能的影 响很大，因此，在进行结构设计时从产品布置和满足性能要求两方面着手。不同 制动器总成上的制动活塞形状大致都一样，只是尺寸上会有所差别，本课题制动 器总成制动活塞的几何尺寸与制动卡钳和制动块相匹配，其底端直径与制动卡钳 活塞腔直径一致，为5 2 m m ，内壁直径为4 8 m m ，开口端外径为5 5 m m ，开口处 法兰深为5 m m ，活塞开口端到底端的距离为4 7 m m ，底部厚度为5 m m ，几何模 型如图2 - 4 所示。由于活塞受力较大，因此其强度刚度要求较高，一般与制动卡 钳和制动钳支架相近，材料选用的也是密度为7 8 5 0 k g m 3 ，弹性模量为2 1 e 1 1 p a ， 泊松比为0 3 的钢材。 制动块又称摩擦片，制动时，摩擦片紧贴于制动盘产生一制动力矩，与车辆 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 驱动力矩方向相反，迫使车辆制动。在制动盘与摩擦片接合及制动旋转过程中， 两者之间的接触应该保持平稳，不能出现干涉以及跳动或是波动现象，因此，在 设计摩擦片的结构时，将摩擦 面两端起坡口，另外，为了使 摩擦片具备一定的柔性并能 紧密的与制动盘保持贴合，在 摩擦片中间开有一方槽凹口， 具体几何模型如图2 5 所示。 由于摩擦会产生较高的温度， 并且摩擦会磨损摩擦面使之 越来越薄，因此，制动块选用 的是专用摩擦材料，其具体参 数如表2 2 所示。 图2 - 5 制动块几何模型图 1 5 5 02 e 92 5 实际参数值 2 o 制动盘是制动器总成中的旋转部件，在制动旋转的过程中会有大量的热产 生，而高温对整个制动器的制动性能影响很大，因此，在进行制动盘结构设计 时需充分考虑其散热性，综合多种因素，采用散热效果较好的放射状通风盘式结 通风孔 图2 - 6 制动盘几何模型图 构，其外径是2 5 7 m m ，具体几何模 型如图2 6 所示。制动盘与摩擦片 直接作用摩擦制动，其结构不仅要 满足一般的机械强度刚度要求还要 能满足因摩擦生热产生的热应力要 求，因此选择密度为7 8 0 0 k g m 3 ， 弹性模量为2 0 9 e l1 p a ，泊松比为 0 3 ，热膨胀系数为1 1 e 5 k 1 ，热传 导系数为4 8 w ( m ) ，比热为 4 5 2 j ( k g k ) 的钢材作为制动盘 的材料。 2 2 制动原理及分析类型的确定 本文研究的盘式制动器属于滑动浮钳盘式制