汽车制动系统之卡钳22.doc

1 PE60 卡钳优化设计 1 1 引言引言 能源短缺及环境污染问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题 无论是从社会效益还是经济效益来考虑 低油耗 低排放的节约型汽车是现代 社会可持续发展的需要 汽车轻量化技术是汽车节油的重要手段 试验表明 汽车质量每下降 10 油耗约下降 3 5 自上世纪 70 年代以来 随着材料技术和设计制造技术的进步 汽车自身质 量逐年减少 以美国为例 上世纪 80 年代初 中型轿车的平均质量为 1520kg 90 年代初下降至 1475kg 90 年代末下降至 1230kg 1985 1995 年期 间 轿车质量平均每年减少 0 9 20 世纪末和本世纪初世界各国先后出现了百 公里油耗 3L 的汽车 这类汽车的重量基本上处在 750 850kg 之间 比现今同 类车轻 50 1998 年德国大众推出的路波 3LTDI 汽车自身质量只有 800kg 奥迪公司最近开发的紧凑型 AudiA2 全铝轿车 汽车自身重量只有 895 990kg 商用车的自身质量也在逐年减少 以意大利依维柯商用车为例 2004 年其驾驶室的质量已降为 960kg 减少了 40 1 11 1 我国汽车轻量化技术发展现状我国汽车轻量化技术发展现状 与汽车自身质量下降相对应 汽车轻量化技术不断发展 主要表现在 轻质材料使用比重不断攀升 铝合金 镁合金 钛合金 高强度钢 塑料 粉 末冶金 生态复合材料及陶瓷等材料应用越来越多 结构优化和零部件的模 块化设计水平不断提高 如采用前轮驱动 高刚性结构和超轻悬架结构等 来 达到轻量化的目的 计算机辅助集成技术 CAX 包括 CAD CAE CAO 和 结构分析等技术发展为结构设计提供支撑 汽车轻量化促使汽车制造业在成形 方法和联接技术上也不断创新 近年来 我国在汽车轻量化技术方面也取得了不少成果 九五 和 十五 期 间 一批汽车新材料项目被列为国家 863 973 高新技术项目和国家科技攻关 重大项目 促进了汽车轻量化技术的进步 九五 期间 我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究 开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料 耐热铝合金 高强高韧铝合金 铝 2 基复合材料等新材料的研究取得了较大进展 半固态成型 快速凝固等先进成 型技术研究与应用也取得了突破 一汽等几大汽车生产厂家都有自己的铝合金 铸造生产线 湖南大学也正在进行汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和 关键设备的研究 重庆汽车研究所 西南铝 东北大学和一汽都进行了铝合金 板材的成形性研究 十五 期间 我国将镁合金应用与开发列为材料领域重点项目 一汽 东风 长安等汽车企业建立了压铸镁合金生产线 重庆汽车研究所在镁合金零 件的性能测试 疲劳试验 计算机模拟等方面做了大量的工作 上海交大 湖 南大学 重庆大学等高校就镁合金的强韧化 耐蚀性 阻燃性和抗高温蠕变性 等开展了较深入的研究 目前 国内汽车轻量化材料正在加速发展 车用高性 能钢板 镁合金已在汽车上有所应用 如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用 镁合金 上世纪 80 年代 重庆汽车研究所就开展了双相钢研究 一汽轿车 奇 瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验 在汽车结构优化设计方面 国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有 限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段 目前出现了一批拥有自主知 识产权的汽车车身模具开发技术 如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺 与模具设计理论方面开展了较深入的研究 北京航空航天大学开发了 CAD 系 统 CAXA 并已经开展了客车轻量化技术的研究 利用有限元法和优化设计方 法进行结构分析和结构优化设计 以减少车身骨架 发动机和车身蒙皮的重量 等 1 21 2 我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题 目前 我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国 外均有较大差距 轻量化技术的发展主要面临如下问题 1 轻量化技术涉及众多学科的研究领域 需要运用多学科交叉融合所形成 的综合性 系统性知识体系 而在目前的研发体系下 各研发机构往往只注重 单个技术的研发 很少开展各技术间的交叉与融合 2 汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术 其关键 核心技术的 突破不可能由单个企业或科研机构独立完成 必须要由国家级的研究机构对其 关键 重大问题进行战略性和前瞻性的超前部署 而目前此类机构尚未建立 3 3 产 学 研结合不够紧密 没有明确定位 合理分工 基础研究和技术 开发研究的有机衔接不够 企业规模小而分散 轻量化技术开发能力薄弱 研 发人才短缺 工艺水平落后 1 31 3 我国汽车轻量化技术研发重点我国汽车轻量化技术研发重点 要提高我国汽车轻量化技术水平 当务之急是集成全国轻量化技术优势 开展产 学 研大联合 建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台 该平 台应积极推进产 学 研的合作与交流 促进汽车轻量化技术研究成果向产业 化方向转化 制定汽车轻量化技术重要产品和检测方法等规范及标准 建立高 水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术咨询的服务机构 汽车轻量化技 术科技创新平台 应重点开展以下五个方面的研发工作 1 汽车轻量化技术发展战略研究 研究国内外汽车轻量化技术的现状 发展趋势及发展环境 随时掌握国内 外汽车轻量化技术发展动态 探求突破前瞻性技术瓶颈问题的方法与措施 采 用定性与定量相结合的方法 分析不同汽车轻量化材料的不同设计理念和不同 制造工艺对汽车节能 环保 安全和可靠性的影响 并在此研究基础上 探索 适合我国国情的全新的轻量化节能型汽车的设计制造发展方向 包括材料设计 理念 制造工艺和制造装备研制的发展方向等 在汽车轻量化节能方面为汽车 行业 汽车企业和相关研究机构提供有价值的咨询服务和决策参考 2 汽车轻量化先进材料开发研究 针对汽车关键零部件对材料的使用要求 开发研究轻质 高性能 易成形 可回收的新型先进轻量化材料 为节能型汽车的设计制造提供材料基础和技术 支撑 对汽车轻量化技术及新型材料的应用技术进行深入研究 以充分发挥各 种轻量化材料的优势 并进行各种材料优势的集成 突破有关汽车轻量化材料 开发与制造方面的难点和关键瓶颈技术 3 汽车轻量化结构优化设计研究 开发汽车车身 底盘 动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的 模块化设计和制造技术 使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节 能 环保 研究常用汽车零部件模块化设计数据库及模块化方案 常用和典型 模块的参数化设计等 建立模块化设计知识库和专家系统 以计算机辅助工程 4 CAE 方法作为获取知识的手段 建立轻量化汽车零部件性能数据库及成型工艺 咨询库 建立常用车型材料在成型前 后以及不同使用时间的参数库 建立吸 能部件优化设计专家系统 开发新一代汽车 CAE 软件系统 通过这些数据库和 专家库的建立 大幅度提高我国汽车结构设计水平 为快速进行汽车结构轻量 化设计提供有力的手段和有效的工具 结合参数反演技术 多目标全局优化等 现代车身设计方法 研究汽车轻量化结构优化设计技术 包括多种轻量化材料 的匹配 零部件的优化分块等 从结构上减少零部件数量 确保在汽车整车性 能不变的前提下达到减轻自重的目的 4 汽车轻量化材料冲压理论与工艺技术研究 加强高强度 轻量化先进材料在汽车制造领域的应用基础研究 通过开展 基于 CAE 的冲压工艺设计和优化方法研究 提出轻量化材料冲压回弹预测与补 偿 起皱和拉裂预测与消除 毛坯反求与优化的新工艺 新理论与方法 从机 理上研究复杂零件冲压中不同材料流动不均匀的产生原因和影响因素 开展多 种形式的材料流动阻力控制方法及相应工艺理论和设计技术的研究 研发具有 原创性和实用性的高强度钢冲压技术 汽车结构件的超高强度钢成型技术 应 用于复杂汽车零件的液压成型技术和激光拼焊技术等 以 CAE 技术作为获取知 识的手段 建立先进材料成型工艺专家库和零件性能数据库 为新材料的推广 应用打下坚实的基础 缩短我国与发达国家在基础数据方面的差距 5 汽车轻量化激光加工技术与装备研究 激光加工技术是实现汽车轻量化的重要途径之一 系统进行激光与材料相 互作用机理 激光加工过程无损检测和控制等基础理论研究 建立激光加工工 艺方法和工艺参数的优化数据库 研究不同材料的激光切割方式 开展激光切 割 焊接 精细烧蚀 直接快速成型 激光涂敷 激光辅助切削加工等理论的 研究 开发激光三维切割工艺技术 建立工艺参数数据库及专家系统 研究激 光深熔焊接理论 开发激光三维焊接技术与装备 研究不同板厚 不同汽车材 料 尤其是轻量化材料的激光加工拼焊技术与装备 1 41 4 汽车轻量化的课题应用价值汽车轻量化的课题应用价值 本人在 2013 年 7 月份进入爱德克斯有限公司研发部参与 PE60 卡钳的研发 我们公司主要以研发出符合汽车主机厂要求的制动系统 爱德克斯公司是世界 5 唯一供应从加压系统的制动助力器 主缸 到行走系统的刹车片 制动盘产品 以及供应面向摩托车 卡车制动器的企业 我主要从事制动系统的卡钳部分 根据客户的要求 我们公司需要对卡钳结构进行优化设计 主要设计要求有 1 在卡钳结构满足受力强度的情况下 对结构进行改型设计 对于生产工艺 和模具加工可以大大降低难度和费用 2 卡钳的发展趋向于轻量化和简易化 可以节约成本 环保低碳 可增加产 量和收益 1 4 1 制动系统各部分组件 6 1 4 2 目前市场客户的需求 目前国内外汽车轻量化技术发展迅速 主要的轻量化措施是轻量化的结构 设计和分析 以及轻质材料在汽车上的应用 包括铝 镁 高强度钢 复合材 料 塑料等 其中结构设计方面 一般是通过更优化的设计 来减小车身骨架 及车身钢板的质量 同时对车身强度和刚度进行校核 以确保汽车在满足性能 的前提下减重 此外 运动化的结构也是减重的重要手段 比如采用轻量化的 悬架 可以使结构更紧凑并且提升了操控性能 或采取发动机后置后驱的方式 达到使整车局部变小 从而实现轻量化的目标 2009 年 5 月 美国总统奥巴马 公布了一项汽车节能减排最新计划 目标是到 2016 年 美国国内生产的客车和 轻型卡车百公里油耗不超过 6 62 升 二氧化碳排放比现在减少 1 3 这项计划 2012 年开始实施 将使美国在 2012 年到 2016 年减少使用原油 18 亿桶 温室 气体排放量将减少 9 亿立方 和美国类似的是 欧洲和日本不仅在减耗排放方 面推行了相关政策 而且对废旧车辆回收也作出了严格规定 如日本 2001 年规 划由抛弃型进入循环型的社会发展模式 推行全回收或零废弃的观念 其实 2001 年以前 日本已有相关法令推行绿色设计及绿色采购 事实上 在节能减排上 留给中国汽车企业的时间已经不多 来自中汽协 的调查显示 我国国产轿车品牌与国外同类车在高强度钢比例和碰撞安全性方 面存在较大差距 我国的自主品牌轿车较国外同类车重 8 10 碰撞安全性 7 差好几个星级 中汽协发布的关于 汽车轻量化意义 的报告中指出 对汽车 总体结构进行分析和优化 实现对汽车零部件的精简 整体化和轻质化 发动 机轻量化 变速器轻量化 悬架轻量化 车身轻量化和附件轻量化是当前实现 整车轻量化的六个方面 国内外许多企业 对于汽车轻量化的设计 已经融合 到了汽车设计的前期 包括铝 镁 高强度钢 复合材料 塑料等轻质材料在 汽车上的应用 与结构设计以及相应的装配 制造 防腐 连接等工艺的研究 应用融为一体 能直接使汽车轻量化并降低油耗 专家指出 事实上汽车轻量化后 加速性提高 车辆控制稳定性 噪音 振动方面的改善 从碰撞安全性考虑 碰撞时惯性小 制动距离减小等 都是 厂家在追求的目标 不仅如此 汽车轻量化还可以起到省油 生料 省工艺 为了节能减排做铺垫 8 2 2 浮动式浮动式 PE60PE60 卡钳优化设计目标卡钳优化设计目标 浮动式 PE60 卡钳是由 PR60 卡钳优化改型而来的 介于 PR60 卡钳内部结构 的应力和固有频率等因素在实际生产和应用中表现不佳 加上迎合汽车轻量化 发展的方向 为此我们对 PR60 卡钳结构进行优化设计 改良 PR60 卡钳的重量 应力和固有频率等因数 这种优化设计出的卡钳我们称它为 PE60 卡钳 2 12 1 PE60PE60 卡钳卡钳的设计目的的设计目的 经过我们公司的综合调查 现代的大部分中档和低档汽车都使用浮动式卡 钳来制动 由于对置型卡钳造价颇高 制动力也和浮动式卡钳相差不大 仅高 档车使用对置型卡钳 浮动式卡钳性能逐步提高 对置型卡钳优越性在逐渐下 降 目前我国汽车市场比例中百分之八十的汽车都使用浮动式卡钳 同时 汽 车制造商希望制动系统 1 造价低的同时性能优越 2 满足轻量化的设计要求 3 满足对汽车整体制动的需要 我们公司面对中国汽车行业的发展趋势和汽车制造商的要求制定了主要目 标 优化卡钳结构 对卡钳结构保证受力强度的情况下趋向与简易化 对于生 产工艺和模具加工可以大大降低难度和费用 卡钳的发展趋向于轻量化 节约 成本 环保低碳 可增加产量和收益 结核上诉内容 本文设计的 PE60 浮动式卡钳目的是优化卡钳 PR60 的性能 和轻量化 达到降低造价 节约成本 节能减排的作用 2 22 2 浮动式浮动式 PE60PE60 卡钳卡钳材料的选择材料的选择 根据 PE60 卡钳设计需要满足 1 造价低的同时性能优越 2 满足轻量化的设计要求 3 满足对汽车整体制动的需要 根据三个要求选择相应生产材料 在选择的过程中 需综合考虑制动强度 使用寿命 生产工艺 经济适用等方面的因素 面对 PE60 卡钳的材料选择 我 9 们团队重点考虑满足性能和使用寿命的基础上如何降低造价 主要办法有 卡 钳结构改型法和简化生产工艺法 卡钳结构的改型 根据整车制动的需要 我 们保证制动效果的同时改变 PR60 卡钳滑动钳和支架的结构 减少生产成本 简 化生产工艺法 保证制动效果 优化支架和滑动钳的结构 简化生产工艺 降 低生产成本 考虑到卡钳是暴露在空气中 满足制动需要的强度 使用寿命和材料的经 济适用等情况 经过实验分析 PR60 卡钳的材料满足我们的设计要求 所以我们 团队延续使用 PR60 卡钳的材料来生产 PE60 卡钳 2 32 3 浮动式浮动式 PE60PE60 卡钳运动机理卡钳运动机理 2 3 1 浮动式卡钳结构介绍 卡钳原先是飞机轮胎上的刹车装置 现在引用到汽车上面 可以高效率的 驻车制动 例 凯美瑞第七代给踏板 100N 的力可以产生至少 2000N 的刹车阻力 由于受力较大并且直接关系到安全系数 因此对卡钳的结构要求非常高 在设 计 PE60 卡钳之前 我们必须熟悉 PR60 卡钳内部机构 才能对其进行优化 下 图是 PR60 卡钳解析图 2 3 1 PR60 解析图 我们公司 PR60 卡钳的主要组成有 1 滑动钳 2 支架 3 活塞 4 10 放气孔 5 放气套 6 垫片 7 导向销 8 导向螺栓 9 进油孔 10 密 封圈 11 弹簧 12 防尘套 13 刹车片 14 固定销 15 固定螺栓 卡钳的主要结构是滑动钳和支架 我们在进行研究的对象主要是是滑动钳 和支架结构 根据原先的滑动钳和支架 我们找到了有关检测数据 做了分析 并依据这些数据和分析 通过 CAE 软件进行优化 优化结构设计 研发我们新 型 PE60 卡钳 并对其进行仿真和实验测试 我们研发出的新型卡钳 主要优化了支架和滑动钳等 不仅满足客户需要 的强度等要求 由于轻量化 拓展了市场 增加了该产品销量 提高了收益额 度 在符合国家节能减排要求的同时增加了效益 2 3 2 PE60 卡钳浮动机理 P E60 卡钳是优化 PR60 卡钳设计得到 两者结构和工作原理基本一致 仅 对支架外桥结构进行了优化 实现轻量化绿色制造的目的 PR60 卡钳浮动机理 在 PR60 卡钳中 工作时制动液从滑动钳后孔进入 充满主缸里面 并通 过排气孔排除主缸里空气 当主缸里面都是制动液时 封闭排气孔 当往充满 制动液的主缸里面继续输入制动液 制动液将推动缸体向前运动 缸体再推动 刹车片 刹车片顶向制动盘 此时继续输入制动液 缸体已经不能移动 主缸 里面的制动液过多 使主缸顺着导向销向后移动 这样滑动钳就带动另一边的 刹车片靠向制动盘 并对其施加压力 制动液输入力越大 压力就越大 两边 的制动力保持一致 同时对制动盘制动 利用力的反作用 这就是浮动式卡钳 的工作原理 当车主松开踏板时 主缸活塞没有液压提供助力 密封圈恢复形状 浮动 卡钳会被恢复形变的密封圈带动 滑动钳回位 卡钳运动的循环过程如下图所 示 11 2 3 2 卡钳回位解析图 我们设计的 PE60 卡钳要在满足 PR60 卡钳运动性能的基础上 进行优化支 架和滑动钳的结构 从而达到降低造价 节约成本的作用 2 42 4 本章总结本章总结 本章介绍了 PE60 卡钳的功能 卡钳材料的选择和浮动式卡钳的运动机理 浮动式卡钳的运动过程 对浮动式卡钳的运动机理及要求进行解析 选定 PE60 卡钳材料 为 PE60 卡钳改型设计做支撑 为 PR60 卡钳改良研究选定方向 让 其能造价低的同时性能优越 满足轻量化的设计要求 同时满足对汽车整体制 动的需要 12 3 PR60 卡钳结构的轻量化设计卡钳结构的轻量化设计 支架和滑动钳为卡钳 PR60 的主要结构 我们想要进行结构改型 必须先从 支架和滑动钳入手 我们团队经过研究决先选择支架来进行改型设计 原因是 支架相对于滑动钳结构简单点 可改型的地方较多 3 13 1 PR60PR60 卡钳卡钳 Mounting Mounting 支架支架 建模建模 Mounting 支架模型的绘制由铸件部分和加工部分组成 我们首先从 Mounting 支架铸件部分开始进行 3D 模型的绘制 3 1 1 Mounting 的铸件模型 开机启动 CATIA R21 新建零件 PR60 Mounting Casting 在树形图 添加几何区域和实体区域 各添加部分的介绍示意图如下 13 3 1 2 树形图几何区域分布和实体区域分布 根据各部分区域的介绍 在 CATIA 树形图整体模型树中先建立 BASIS 原 点基准 栏 要求 Mounting 模型坐标系在选择原点以及 X Y Z 轴时 定义车 轴方向 ROTOR 中心轴线 设置成 Y 轴 此是 TOYOTA 的标准 Z 轴为高度方向 一般为模型的对称中心 一般保证模型在 YZ 坐标系的第一象限 而 X 轴方向一 般以右向为正 示意图如下所示 3 1 3 坐标示意图 14 根据示意图建立如下图要求的几何区域 BASIS 的点线面 轴为虚线 长度为 200mm 黄色加粗 基准面 XY 为绿色 XZ 为粉色 YZ 为蓝色 加粗 3 1 4 原点基准介绍 随后 根据几何区域和实体区域的介绍示意图建立如下图的树形图 3 1 5 CATIA 中的树形图分布 15 在开始草图建模之前 先对原先 PR60 卡钳支架的画法进行解剖分析 如下 图所示 支架分为五个部分 如图中箭头顺序进行草图绘制 3 1 6 PR60 卡钳支架解剖图 下面开始关于 INNER 的草图拉伸建模步骤 在零件建模模块中点击新建平 面图标 在几何区域 PART PLN 下建立以 XZ 面为基准沿 Y 轴正方向移动 61 7mm 和 45 2mm 的两个平面 这两面作为控制面来建立 为下面草图拉伸做 铺垫 名字分别为 D 61 7 和 D 45 2 3 1 7 61 7mm 平面 3 1 8 45 2mm 平面 16 在几何区域 PART SKETCH 的 INNER SKETCH 中以 D 61 7 平面新建草图 命 名为 1 3 1 9 新建的草图 在草图中建立如下形状 3 1 10 草图形状 点击退出草图 新建一个几何实体 1 然后在点击拉伸图标 类 型选择直到平面 限制栏选择上诉新建的平面 D 45 2 面 轮廓 曲面栏选择草 图 1 最后单击确定完成拉伸操作 17 3 1 11 拉伸草图 随后 在 插入 栏里面的 布尔操作 中点击功能键 弹出 对话框 分别选择几何体 1 和 INNER 3 1 12 布尔操作 最后得出下图所示树形图 3 1 13 INNER 树形图 18 根据上诉建模方式 把 CANTER PIN OUTER 和 OUTER BRIDGE 绘制完成 然后如下树形图编排 3 1 14 组合树形图 编排之后模型如下图所示 3 1 14 各个模块组合图 最后对模型进行拔模和倒圆角操作 19 3 3 2 2 PE60PE60 卡钳支架结构的优化和分析的原因卡钳支架结构的优化和分析的原因 根据优化卡钳结构的研发方向 重点对 PR60 卡钳支架结构进行改型和分 析 主要改良 PR60 卡钳支架结构和支架的应力 固有频率和噪音影响等 达到 减少生产原料 优化性能 绿色制造的目的 在进行改型和分析前 首先要对 PR60 卡钳的用途和支架结构进行了解 当 初 PR60 卡钳的设计主要是为了匹配凯美瑞第七代的需求 现在我们团队优化它 的结构同样需要满足凯美瑞第七代的需求 凯美瑞和 PR60 卡钳如图 3 2 1 3 2 2 所示 图 3 2 1 凯美瑞 图 3 2 2 凯美瑞车轮上的 PR60 卡钳 PR60 卡钳支架三维模型和卡钳 PR60 的支架产品分别如下图 3 2 3 3 2 4 所 示 20 3 2 3 卡钳 PR60 支架三维模型 3 2 4 卡钳 PR60 支架产品 支架的主要受力点有三个 导向孔 固定孔和刹车片滑动轨迹区 其中在 制动时受外力影响最大的是固定孔和导向孔 而刹车片滑动轨迹区在研发计划 中是固定不变的 所以经过我们团队讨论决定放弃对主要受力区域的改型 而 选择受力区域最小的 切对整体固有频率有着关键影响的支架外桥进行改型 从支架的外观模型和受力位置不难发现外桥变化对固有频率的敏感度最大 也 是改型的关键点 3 3 3 3 支架的改型支架的改型 3 3 1 外桥圆弧大小的选择 要对支架外桥进行改型 我们根据原先 PR60 卡钳的设计资料上得出 外桥 圆弧的大小主要是用来调整固有频率的 因此我们决定加大外桥圆弧 3 3 1 支架外桥圆弧 3 3 2 支架结构优化设计 优化设计是将产品或零件的设计问题的物理模型转化为数学模型 运用最优 数学规定理论 采用适当的优化算法 并借助计算机和运用软件求解该数学模型 从而得出最佳设计方法的一种先进方法 21 有限元被广泛应用结构设计中 采用这种方法 任意复杂工程问题 都可 以通过他们的响应进行分析 高级仿真中的静力学 SESTATIC 101 单约束 解算 模块 创建出有限元模型和仿真模型后 可计算出模型位移和应力的响应值 以此来确定模型优化约束条件的基准值 利用系统提供的优化解算方案 依次 定义优化目标 约束条件和设计变量 最终可求解出模型在此条件下的优化结 果 模型也得到自动更新 达到优化设计目的 支架将采用该方法进行优化设 计 本优化目的是轻量化设计 在满足支架结构刚度 强度设计要求前提条件 下 通过改变某些设计参数 使得整个模型轻量化 这不但节省材料 方便加 工 还可是模型的第 1 阶固有频率最大 可有效避开共振 PR60 和 PE60 建模过程均使用参数化设计来实现 我们按照 PR60 建模方法 对大致修改后的 PE60 参数化建模 结构多数通过拉伸草图截面和布尔运算得到 支架所用材料为铸铁 对应 UG 材料库材料中的 Iron Cast G40 密度为 7 15e 006 kg mm3 杨氏弹性模量为 1 4e 008mN mm2 kPa 泊松比为 0 25 屈 服强度为 345MPa 下面对支架进行静力学分析 3 43 4 支架外桥的应力分析支架外桥的应力分析 3 4 1 应力的定义和危害 当材料在外力作用下不能产生位移时 它的几何形状和尺寸将发生变化 这种形变就称为应变 Strain 材料发生形变时其内部产生了大小相等但方向 相反的反作用力抵抗外力 把分布内力在一点的集度称为应力 Stress 应力 与微面积的乘积即为内力 或物体由于外因 受力 温度变化等 而变形时 在物体内各部分之间产生相互作用的内力 以抵抗这种外因的作用 并力图使 物体从变形后的位置回复到变形前的位置 应力分布是指物质在外力作用的反应 表现为外力作用导致物体变形时 物体内部每一点与相邻点之间通过力进行相互作用的强度 对于材料科学来说 物体应力分布是一个重要参数 大至楼房 桥梁 公路 小到一根针尖的设计 都要清楚明白应力分布 才能做出合适的设计 否则桥梁可能因为承重不当而 22 塌毁 针尖可能因为挤压过度而碎裂 应力定义为 单位面积上所承受的附加内力 公式记为 Fj Ai 其中 表示应力 Fj 表示在 j 方向的施力 Ai 表示在 i 方向的 受力面积 应力的危害有三方面危害 1 开裂 因为应力的存在 在受到外界作用后 如移印时接触到化学溶剂 或者烤漆后端时高温烘烤 会诱使应力释放而在应力残留位置开裂 开裂主要 集中在浇口处或过度填充处 2 翘曲及变形 因为残留应力的存在 因此产品在室温时会有较长时间的 内应力释放或者高温时出现短时间内残留应力释放的过程 同时产品局部存在 位置强度差 产品就会在应力残留位置产生翘曲或者变形问题 3 产品尺寸变化 因为应力的存在 在产品放置或后处理的过程中 如果 环境达到一定的温度 产品就会因应力释放而发生变化 根据应力三大方面的危害 开裂 翘曲及变形和产品尺寸变化 我们必须 对卡钳 PE60 进应力分析 我们通过 CATIA 对应功的数值计算和分析 启动 CATIA R21 打开 PE60 卡钳的支架 进入 CATIA 分析与模拟 中的基本结构分析 如下图所示 3 4 1 CATIA 的结构分析分析 在进行支架的应力分析之前 我们需要将支架数模进行网格划分 之后才 能进行应力分析 3 4 2 支架数模的网格划分 23 1 CATIA 的有限元网格 CATIA 有限元网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步 它直接影响 着后续数值计算分析结果的精确性 网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型 单元类型 网格生成器的选择 网格的密度 单元的编号以及几何体素 从几 何表达上讲 梁和杆是相同的 从物理和数值求解上讲则是有区别的 同理 平面应力和平面应变情况设计的单元求解方程也不相同 在有限元数值求解中 单元的等效节点力 刚度矩阵 质量矩阵等均用数值积分生成 连续体单元以 及壳 板 梁单元的面内均采用高斯 Gauss 积分 而壳 板 梁单元的厚 度方向采用辛普生 Simpson 积分 辛普生积分点的间隔是一定的 沿厚度 分成奇数积分点 由于不同单元的刚度矩阵不同 采用数值积分的求解方式不 同 因此实际应用中 一定要采用合理的单元来模拟求解 CATIA 网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划 包括物理模型的构 造 单元类型的选择 网格密度的确定等多方面的内容 在网格划分和初步求 解时 做到先简单后复杂 先粗后精 2D 单元和 3D 单元合理搭配使用 为提 高求解的效率要充分利用重复与对称等特征 由于工程结构一般具有重复对称 或轴对称 镜象对称等特点 采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精 度 利用轴对称或子结构时要注意场合 如在进行模态分析 屈曲分析整体求 解时 则应采用整体模型 同时选择合理的起点并设置合理的坐标系 可以提 高求解的精度和效率 例如 轴对称场合多采用柱坐标系 有限元分析的精度 和效率与单元的密度和几何形状有着密切的关系 按照相应的误差准则和网格 疏密程度 避免网格的畸形 在网格重划分过程中常采用曲率控制 单元尺寸 与数量控制 穿透控制等控制准则 在选用单元时要注意剪力自锁 沙漏和网 格扭曲 不可压缩材料的体积自锁等问题 CATIA 软件平台提供了网格映射划分和自由适应划分的策略 映射划分用于 曲线 曲面 实体的网格划分方法 可使用三角形 四边形 四面体 五面体 和六面体 通过指定单元边长 网格数量等参数对网格进行严格控制 映射划 分只用于规则的几何图素 对于裁剪曲面或者空间自由曲面等复杂几何体则难 以控制 自由网格划分用于空间自由曲面和复杂实体 采用三角形 四边形 四面体进行划分 采用网格数量 边长及曲率来控制网格的质量 24 2 网格划分 接下我们打开 CATIA 的有限元模块在进行网格设置之前 我们根据网格划 分对支架精度的影响原因 所以我们使用四面体网格设置 点击定义网格尺寸 为 5mm 绝对弧差值为 1 9mm 选择支架外桥边来定义局部区域的大小 然后 选择支架外桥外边边线来定义边线分配 我们在外桥最顶端设置了一个点来定 义强制点 满足这些步骤之后 我们进行网格的分析 如下图所示 3 4 2 网格设置的参数 强制点 3 4 3 支架网格和强制点 在进行完网格划分之后 我们需要对网格的品质进行分析和评价 在现用 的模块中进入 CATIA 的进阶网格化工具模块 如图 3 4 4 所示 25 3 4 4 进阶网格化工具模块 显示这样的对话框之后 表示我们正确的进入了 进阶网格化工具模块 3 4 5 分析管理树立 右击 节点和元素 选择 下图红框所示 对支架网格进行分 析和评价 26 3 4 6 网格进行分析和评价 等 CATIA 软件计算完成后显示如下 3 4 7 图框的分析报告 当如下图红 框表示的 坏的 都为百分之零时 该网格品质为合格 3 4 7 网格分析报告 前期的网格准备结束 接下我们开始对支架外桥进行应力分析 省却繁琐 的操作步骤 我们得出如下图的图片结论 27 3 4 8 应力分析图 3 4 9 应功分析图 从 应功分析图 看出 PE60 卡钳百分之九十为深白色的区域 而深白色 没有出现在颜色区分表中 就表示其区域所含的应功几乎没有 这些区域并不 受应力影响 所以没有显示在颜色区分表中 剩下百分之十的区域由蓝色到深 红色覆盖 图中显示的数值为 0 00863N m2到 1 66N m2 我们的卡钳形状的大 小相对于平方米较小 平方毫米比较适合来表示 PE60 卡钳支架 所以我们进行 单位换算 数值为 0 000000863N mm2到 0 000166N mm2 数值非常小 然而本 身 PE60 卡钳所产生的制动最大效果不低于 2000N 的压力 换一种说法就是卡钳 本体的结构支架肯定能受得了 2000N 的压力 相对于深红色区域受到的最大应 功 0 000166N mm2 这个应功对卡钳支架和结构的影响就显得微不足道了 本小节对卡钳的结构支架的应力进行分析 根据综上所述的内容得出 该 PE60 卡钳结构支架完全不受其应力影响 符合机械设计的要求 满足卡钳性能 上的要求 3 53 5 固有频率分析固有频率分析 在整个汽车制动系统中 执行系统卡钳的主缸受到液压作用推动刹车片和 滑动钳 而支架起到固定整个卡钳的作用 刹车片和滑动钳在运动时所产生的 振动 会通过导向销和弹簧传给支架 使支架振动起来 卡钳所有的部件都在 运动 每个零部件都有自己的振动频率 而起固定作用的支架便显得尤为重要 所有支架的振动频率绝对不能与其他卡钳零件共振 物体做自由振动时 其位移随时间按正弦规律变化 又称为简谐振动 简 谐振动的振幅及初相位与振动的初始条件有关 振动的周期或频率与初始条件 无关 而与系统的固有特性有关 称为固有频率或者固有周期 物体自由振动的一阶频率计算公式为 A k m 2 共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语 是指一物理系统在特 定频率下 比其他频率以更大的振幅做振动的情形 这些特定频率称之为共振 频率 在共振频率下 很小的周期振动便可产生很大的振动 因为系统储存了 动能 当阻力很小时 共振频率大约与系统自然频率或称固有频率相等 后者 是自由振荡时的频率 自然中有许多地方有共振的现象 人类也在其技术中利 用或者试图避免共振现象 一些共振的例子比如有 乐器的音响共振 太阳系 28 一些类木行星的卫星之间的轨道共振 动物耳中基底膜的共振 电路的共振等 等 共振频率计算公式为 共振周期的计算公式 共振周期与共振频率是倒数的关系 为 现在我们将 K 的数值定义为 0 2 m 的数值在 0kg 到 60kg 之间 根据上诉固 有频率公式和共振频率 共振周期计算公式得出下表 3 5 1 表格 接下来我们通过 CATIA 软件的有限元模块对 PE60 支架受力所产生的振动进 行分析 振幅结果数据报告的截图如下图 3 5 2 所示 3 5 2 振幅分析数据报告 结论 根据 2D 图表现出来的频率来看 振幅数值徘徊在 30un s 左右 符 29 合设计要求 最高数值没有超过 60un s 凯美瑞设计要求的值为 20un s 到 100un s 之间 该卡钳最大值的振幅满足要求 3 6 噪音频率计算分析噪音频率计算分析 PE60 支架噪音在 CATIA 有限元模块的分析下 形成 2D 报告图 部分截 图如下 3 6 1 所示 3 6 1 噪音分析 2D 图 从 2D 上可以看出 支架在受到不同的作用力时 振动频率的整体变化较 大 无规律表现 可以有效的避免与滑动钳等部件产生共振 保证卡钳综合质 量 耐久和安全系数等 3 73 7 卡钳支架固定孔的校核计算卡钳支架固定孔的校核计算 汽车制动系统卡钳中的支架固定过程中既受到弯矩又受到扭矩的作用 按 照轴受载荷不同的分类 支架孔属于固定孔 其选用材料为铸铁 初步设计转 轴最小直径为 7 5mm 支架孔按照弯扭合成强度条件校核计算 受力分析如图 3 7 1 所示 30 T1 F1 Fv1 Fh1 W Ft Fr Fa Fv2 Fh2 Mh T Ft Fh1Fh2 Fh Fa F1 Fr Fv1Fv2 Mv Fv 3 7 1 扭矩图 1 受力分析 受力分析 水平方向上受力平衡 3 1 21hht FFF 水平方向上弯矩平衡 3 2 2211 LFLF hh 垂直方向上受力平衡 3 3 a FF 1 31 3 4 21VVr FFF 垂直方向上弯矩平衡 3 5 2 2211 D FLFLF aVv 式中 圆周力 径向力 轴向力 轴承 t FNFrN a FN 1h F 1 水平方向力 轴承 1 垂直方向力 轴承 2 水平方向力 N 1v FN 2h F 轴承 2 水平方向力 轴承 1 距主动轮距离 轴承N 2v FN 1 Lmm 2 L 2 距主动轮距离 转轴的直径 mmDmm 计算得 332 7 186 9 167 5 5 2 1h FN 1v FN 2h FN 2v FN 本身 PR60 卡钳所产生的制动最大效果不低于 2000N 的压力 换一种说法就 是卡钳本体的结构支架肯定能受得了 2000N 的压力 起到固定作用的孔所能承 受的压力不可能低于 2000N 上诉计算所得最大力为 332 7 远比孔的承1h FN 受力要小 所以符合设计要求 2 强度校核 强度校核 3 6 1 2 W TM ca 其中 轴的抗弯截面系数 0 6 脉动循环变应力折合 33 1 0 32 ddW 系数 60Mpa 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力 经计算得 1 MPa 安全的 8 16 ca 1 3 刚度校核计算 刚度校核计算 3 7 nGI T p 180 max max 其中 960 80Gpa 切变模量 极惯性矩 max TN m G 4 32 DI 1 5 m 得 0 56 1 5 安全的 max m m 总结以上计算和分析 支架孔按照弯扭合成强度条件校核结果表示受力 32 强度和刚度均满足设计要求 3 83 8 惯量测量与比较惯量测量与比较 经过上诉对改型支架进行的分析和计算 改型后的支架应力 固有频率额 和噪音影响均得到了改善 固定孔的校核计算也满足卡钳的设计需要 接下来 我们将新旧卡钳的支架体积 表面积和质量进行对比 分析它们生产时的使用 量 首先我们先通过 CATIA 软件对 PR60 卡钳支架和 PE60 卡钳支架的体积 表面积 质量和密度进行测量 如下图 3 8 1 所示为 PR60 支架 生产支架的材 料为铁 steel 体积为 2 856e 004m3 表面积为 0 051m2 质量为 2245g 密度为 7 86g mm3 下图 3 8 2 所示为 PE60 支架 生产支架的材料为铸铁 体积为 2 676e 004m3 表面积为 0 051m2 质量为 2106g 密度为 7 86g mm3 3 8 1 PR60 支架基本惯量 3 8 2 PE60 支架基本惯量 通过 CATIA 软件对 PE60 和 PR60 的支架 三维数模 进行惯量测量 测量 结果显示如上图所示 两支架表面积和材料密度一样 体积相差 0 19e004m3 PE60 支架的质量比 PR60 支架质量小了 1390g 达到了轻量化的 设计要求 生产实图与 PE60 支架对比图如下图所示 外桥 3 8 3 支架改善图 33 3 93 9 本章总结本章总结 支架外桥的优化和分析加大了 PR60 支架外桥结构弯曲弧形 优化了 PE60 卡钳支架的应力大小 固有频率和噪音影响 减轻了卡钳支架的重量 固定孔 也满足改型之后的支架所受的力 本章对支架外桥的优化设计达到了减少生产 原料 优化性能 绿色制造的目的 34 4 4 卡钳主缸卡钳主缸的液压分析和受力分析的液压分析和受力分析 经过第三章里面对 PR60 卡钳支架的设计和分析得出的 PE60 卡钳支架 满 足了轻量化设计要求 为此我们将研发出的支架与 PR60 卡钳的支架进行更换 研究分析新支架对卡钳主缸的液压影响的情况 并计算该卡钳制动力 分析该 支架结构的改变对液压和制动力的影响 验证支架有没有满足 PE60 卡钳对制 动性能的要求 在卡钳主缸的液压和受力分析之前 我们需要了解下 PE60 卡钳服务对象凯 美瑞第七代的制动系统 制动系统是由踏板 真空助力器 ECU 和卡钳等组成 工作流程是驾驶员的脚采下踏板开始 脚踏力开始进过踏板内部结构可放大力 进过真空助力器力以液压的形式将再次被放大 然后进入 ECU 控制器调节制动 液的输出 最后到达卡钳主缸 制动液进入主缸 强大的液压推动活塞前移 带动刹车片靠向高速运转的制动盘 利用动能转换成热能的原理将制动判的旋 转力降低 致使停止 凯美瑞制动系统布局如下图 4 1 制动系统的简易图 4 2 如下 图 4 1 凯美瑞制动系统 制动踏板 液压助力器 真空助力器 制动主缸 比例阀 P 阀 驻车制动器 PKB 踏板 拉 索 制动软管 柔性管 制动管 ABS ESC 执行元件 ECU 车体减速度传感器 G 传感器 偏航角速度传感器 制动钳 制动盘 刹车片 轮速传感器 35 加压系部件 把踏板的踏力转换成液压 行走系部件 把液压转换为摩擦力 制动器总成系列部品 传递系部件 将发生在加压系的液压传给行走系 驻车制动系部件 构成驻车制动系统 PKB 系部件 控制系部件 对液压进行控制 4 2 制动系统的简易图 4 14 1 通过通过 FluentFluent 数值模拟液压分析数值模拟液压分析 4 1 1 Fluent 软件概述 Fluent 软件是美国 Fluent 公司开发的一款功能强大 使用范围广泛 适 合于工程问题的计算流体力学 CFD 软件 它具有丰富的物理模型 先进的数 值方法及强大的后处理功能 其广泛应用于航空航天 石油天然气 汽车设计 涡轮机设计 电子 化工等方面 Fluent 软件设计基于 CFD 软件群思想 从用 户角度出发 针对各种复杂流动和物理现象 采用不同的离散格式和数值方法 在计算速度 结果精度和稳定性等方面达到优化组合 从而高效地解决各个领 域的流动计算问题 在传热 燃烧 化学反应和多相流等方面都有着广泛的应 用 i Fluent 软件还提供了多孔介质模型 可以应用于很多现实问题 如滤纸 过滤 充满介质的流动 穿孔圆盘的流动等 Fluent 软件基本程序结构如图 4 1 1 所示 36 4 1 1 Fluent 软件基本程序结构图 4 1 2 数学模型 本文对卡钳主缸内部流场描述采用质量守恒方程 能量守恒方程 动量守 恒方程和标准 k epsilon 模型描述 ii 1 能量守恒方程 能量守恒方程式任何流动问题都必须满足的 可表述为 单位时间内流体微元 体中质量的增加 等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量 质量守恒方程 如下 4 1 0 z w y v x u t 式中 流体密度 时间 是速度矢量在 x y z 方向的分 twv u 量 2 动量守恒方程 动量守恒定律是任何流动系统必须满足的基本定律 该定律实际是牛顿第 二定律 可表述为 微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微 元体上的各种力之和 x y 和 z 三个方向的动量方程如下 4 2 x F div zyxx P u t u zx yx xx 37 4 3 y F div zyxy P v t v zyyyxy 4 4 z zz yz xz zyxx P w t w F div 式中 流体微元体上的压力 和等式因分子粘性作用而产生的作 P xx yx zx 用在微元体表面上的粘性应力的分量 和是微元体上的分力 若体 x F y F z F 积力只有重力 且 Z 轴竖直向上 则 0Fx 0Fy gFz 3 能量守恒方程 能量守恒方程是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律 该定律可表 述为 微元体中能量的增加率等于进入微元体的净流量加上体积力和表面力对 微元体所做的功 该定律实际是热力学第一定律 能量守恒方程如下 4 5 T S TTTTTTT zc K zyc K yxc K xz w y v x u t ppp 式中 比热容 温度 流体的传热系数 流体的内热源及由 p c TKT S 于粘性作用流体机械能转换为热能的部分 粘性耗散项 T S 4 标准 k epsilon 方程 工程装置中的流动常常是液压 卡钳主缸中的液体流动是三维液压流动 对其流动的模拟必然要涉及到对液压的描述 iii FLUENT 提供的液压模型包括 单方程 Spalart Allmmaras 模型 双方程模型 标准 k epsilon 模型 修 正的 k epsilon 模型及雷诺应力模型和大涡模拟等 本文采用标准 k epsilon 模型模拟卡钳主缸内部流场流动 以下是标准 k epsilon 模型的方程 液压能等式 k 4 6 GvK k v uK t k t t lam 液压能耗散率 等式如下 4 7 K C K GvC v u t t k t lam 2 2 2 1 液压能的产生项 G 由下式计算 38 4 8 2 2 2 2 2 2 2 z v y w x w z u x v y u z u y u x u G 液压粘度可表示与和的函数 k 4 9 2 k C t 标准 k epsilon 模型中有 4 个常数 采用 Launder 和 Spalding 的推荐值 如表 4 1 所示 表 4 1 标准 k epsilon 模型中常数 C k 1 2 0 091 01 31 441 92 4 2 3 Fluent 数值模拟步骤 本文主要是对 PE60 卡钳内的制动液流动进行数值计算 针对不同液压的速 度下 PE60 主缸内部液体压力场和速度场分布情况进行分析 在 Fluent 模拟 过程中 求解过程都