鼓式制动器制动鼓参数化设计研究【说明书+CAD+CATIA】
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鼓式制动器制动鼓参数化设计研究【说明书+CAD+CATIA】,制动器,制动,参数,设计,研究,说明书,CAD,CATIA
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大 连 大 学 本科毕业论文(设计)开题报告 论 文 题 目： 鼓式制动器制动鼓参数化设计研究 学 院： 机械工程学院 专 业 、班 级： 车辆工程 131 学 生 姓 名： 邱越 指导教师（职称） ：郭秀丽 副教授 2016 年 12 月 23 日 填 1 毕毕业论文（设计）开题报告要求业论文（设计）开题报告要求 开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文（设计）的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。 一、选题依据一、选题依据 1.论文（设计）题目及研究领域； 2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值； 3.目前研究的概况和发展趋势。 二、论文（设计）研究的内容二、论文（设计）研究的内容 1.重点解决的问题； 2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） ； 3.本论文（设计）预期取得的成果。 三、论文（设计）工作安排三、论文（设计）工作安排 1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数） ； 2.论文（设计）进度计划。 四、文献查阅及文献综述四、文献查阅及文献综述 学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料， 并在此基础上通过分析、研究、综合，形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺，较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。 五、其他要求五、其他要求 1.开题报告应在毕业论文（设计）工作开始后的前四周内完成； 2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过； 3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论文（设计）工作，否则不允许参加答辩； 4.开题报告通过后，原则上不允许更换论文题目或指导教师； 5.开题报告的内容，要求打印并装订成册（部分专业可根据需要手写在统一纸张上，但封面需按统一格式打印） 。 2 一、选题依据一、选题依据 1、研究领域 车辆工程-汽车设计-汽车零部件设计-参数化设计 2、论文（设计）工作的理论意义和应用价值 鼓式制动器是汽车的主要制动器品种之一， 制动器的设计往往要求快速、 高质量。解决该问题的有效方法之一就是在对制动器零部件进行参数化设计的基础上， 建立先进的汽车制动器专用设计平台。这不仅可以提高产品质量，缩短研制周期，降低设计成本，还可极大地减轻劳动强度。 3 、目前研究的概况和发展趋势 “计算机辅助设计 CAD”这个概念，是由 MIT 机械工程系的 S.A.Coon 最早提出来的。80 年代中期，PTC 公司发布了首个商用参数化设计 CAD 软件系Pro/Engineer， 这款基于特征的参数化设计系统的问市为汽车及机械设计开发的自动化打下了夯实的现实基础，将理论研究提升到现实应用水平，自此飞机、汽车、船舶等机械制造工业的开发设计制造开始广泛应用参数化以及变量化的技术， 并不断发展进步，其造的经济效益也不断提高。例如 2012 年，Liu Hongpu, Peng Erbao 博士，使用 UG 对鼓式制动器进行了参数化设计， 应用 UG 软件对刹车的类型参数进行了研究和设计。在离散化的原则的基础上,对制动鼓组件的典型特点和各个部分进行了三维参数化建模工作, 并建立了参数化模型库调用。同年，A Rehman 博士，使用 Pro - E分析考虑了制动鼓的热应力和机械应力。 解析了在不同负载和不同的制动鼓的轮廓下的应力分布,确保制动鼓压力值低于允许的极限。 我国的技术也在迅速提升，例如 2010 年，王庭义等为了更准确地研究具有凸轮张开装置的领、从蹄式制动器系统的力学行为,在凸轮轴上施加输入力矩来模拟仿真制动器系统的制动过程,并通过 ADAMS 动力学仿真软件进行了仿真分析。2012 年，马迅等人运用通用有限元分析软件 ANSYS Workbench 建立了某鼓式制动器的三维几何及有限元模型。利用制动器应力测定试验方法和试验结果，采用三种不同的领从蹄上促动力的分配方式，并考虑凸轮转动和摩擦系数等不同方案，分析了制动力矩在制动过程中的变化规律，得到与试验结果相对应的仿真结果。2013 年，周吉祥等，为了使鼓式制动器的模拟仿真更 接近于真实状态,联合运用三维 CAD 建模软件 CATIA、有限元分析软件 Hypermesh 及多体动力学分析软件 MSC.ADAMS,考虑将凸轮、制动底 板、制动蹄及制动鼓视为刚性体,将摩擦片视为柔性体建立了鼓式制动器的刚柔耦合动力仿真模型,并基于动力仿真的结果为鼓式制动器的有限元热结构耦合分析提 供实时的凸轮促动力,动力仿真得到的领、 从蹄促动力关系与相关文献吻合,验证了模型的正确性,最后基于热结构耦合分析了制动鼓破坏失效的原因并提出了相应的改进措施。 现在计算机辅助设计和分析技术成为被设计师采用的更为高效和准确的设计方法在电脑上，通过参数化建模，设计人员能够完成汽车设计的各项工作，比如汽车结构的设计，强度计算与校核，匹配参数的选择，工作性能和寿命的模拟分析等等。参数化建模是汽车设计的发展趋势。 3 二、论文（设计）研究的内容二、论文（设计）研究的内容 1.重点解决的问题 以制动鼓为例进行设计， 应用 CATIA 软件研究建立基于快速开发鼓式制动器各个零部件的二次开发参数化设计方法。 2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） (1) 用 CATIA 建立所选制动鼓的三维参数模型； (2)用 VB 等工具对 CATIA 进行二次开发，创建参数化设计界面； (3)对有限元模型进行求解，分析其应力、变形分布，优化设计制动器结构，提高结构刚度和强度，减小摩擦片的不均匀磨损现象。 3.本论文（设计）预期取得的成果 通过 CATIA 软件研究基于特征的参数化方法设计鼓式制动器。 选择具有典型特征的制动鼓进行三维参数化建模工作，得出更好的制动鼓设计。 （1）完成 10000 字以上的论文； （2）完成 3000 字左右外文文献翻译； （3）使用 CATIA,ANAYS 等软件进行建模、分析； （4）二次开发参数化设计文件一份； （5）预计 3 张 A0 图纸。 4 三、论文（设计）工作安排三、论文（设计）工作安排 1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数） ； (1)首先翻阅各种资料，了解本设计的意义、研究概况和发展趋势； (2)分析不同类型鼓式制动器； (3)选择具有典型特征的制动鼓进行三维参数化建模工作； (4)通过设计结果，得出结论。 2.论文（设计）进度计划 第 1 周：理解设计题目，查找参考资料； 第 2 周：整理参考文献，撰写文献综述； 第 3 周：撰写开题报告； 第 4 周：修改开题报告，准备开题答辩； 第 5 周：了解制动鼓的结构和工作原理； 第 6、7 周：确定制动鼓的各项参数； 第 8 周：进行中期检查并进行 1 篇外文文献翻译； 第 9、10 周：用 CATIA 进行制动鼓的参数化设计，建立三维模型； 第 11、12 周：分析并优化制动鼓的各项参数； 第 13 周：改进完善制动鼓的优化方案； 第 14 周：撰写毕业论文； 第 15 周：修改毕业论文，准备毕业论文答辩。 5 四、需要阅读的参考文献四、需要阅读的参考文献 1 赵晨. 鼓式制动器参数化设计及仿真分析D.武汉理工大学,2014. 2 刘长亮. 鼓式制动器动力学分析及制动性能优化D.吉林大学,2011. 3 王庭义. 鼓式制动器关键技术研究D.长安大学,2011. 4 许自涛. 鼓式制动器应力分析与试验测试D.燕山大学,2011. 5 马迅,陈明东,赵旭. 鼓式制动器有限元分析方法的研究J. 机械设计与制造,2012,06:217-219. 6 王庭义,吕彭民,兰吉光,李玉杰,孟铁. 鼓式制动器制动过程动力学仿真J. 中国公路学报,2010,06:115-120. 7 朱斌. 汽车鼓式制动器力学特性分析D.吉林大学,2011. 8 周吉祥. 基于刚柔耦合模型的鼓式制动器动力仿真及热性能分析D.太原理工大学,2013. 9 马迅, 尹长城, 陈艳红. 基于 ANSYS Workbench 的鼓式制动器的接触分析J. 湖北汽车工业学院学报, 2010, 24(3):1-4. 10罗明军, 谢亚清. 基于 ANSYS 鼓式制动器有限元模型的建立与分析J. 南昌大学学报工科版, 2010, 32(2):201-204. 11Liu Hongpu, Peng Erbao, The Study of the Parameterization of the Drum Brake Design Based on UG, Energy Procedia, Volume 17, 2012, Pages 279-285 12Uhlig R P, Suryatama D. Brake drum: US, US7849979P. 2010. 13Kumar A, Sabarish R. Structural and thermal analysis of brake drumJ. Middle East Journal of Scientific Research, 2014. 14Rehman A, Das S, Dixit G. Analysis of stir die cast AlSiC composite brake drums based on coefficient of frictionJ. Tribology International, 2012, 51(7):36-41. 15Yuan H J. Brake drum coupling analysis based on stress analysisJ. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2014. 附：文献综述 6 文献综述 1 1 引言引言 作为汽车的关键组成部分，制动系统的性能优劣直接影响到汽车的安全性能。在当前蓬勃发展的汽车行业，提高汽车的制动性能，确保行车可靠安全，早已是汽车设计人员的首要任务。 汽车所用的制动器几乎都是摩擦式的，可分为鼓式和盘式两大类。鼓式制动器摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其工作表面为圆柱面。鼓式制动器根据其结构都不同，又分为：双向自增力蹄式制动器、双领蹄式制动器、领从蹄式制动器、双从蹄式制动器。其制动效能依次降低，最低是盘式制动器；但制动效能稳定性却是依次增高，盘式制动器最高。也正是因为这个原因，盘式制动器被普遍使用。但由于为了提高其制动效能而必须加制动增力系统，使其造价较高，故低端车一般还是使用前盘后鼓式。 鼓式制动器也叫块式制动器，是靠制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。鼓式制动是早期设计的制动系统， 其刹车鼓的设计 1902 年就已经使用在马车上了， 直到 1920年左右才开始在汽车工业广泛应用。鼓式制动器的主流是内张式，它的制动块(刹车蹄)位于制动轮内侧，在刹车的时候制动块向外张开，摩擦制动轮的内侧，达到刹车的目的。近三十年中，鼓式制动器在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本比较低，仍然在一些经济类轿车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。 鼓式制动器的主要种类包括：领从蹄式、双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向增力式、双向增力式等几种。领从蹄式制动器的效能和效能稳定性，在各式制动器中居中游；前进、倒退行驶的制动效果不变；结构简单，成本底；便于附装驻车制动驱动机构；调整蹄片与制动鼓之间的间隙工作容易。但领从蹄式制动器也有两蹄片上的单位压力不等，故两蹄衬片磨损不均匀，寿命不同的缺点。此外，因只有一个轮缸，两蹄必须在同一驱动回路作用下工作。领从蹄式制动器得到广泛应用。 2 2 国国外外研究现状研究现状 国外汽车设计和性能开发研究起步相对较早，而且发展极其迅速，其中的重要原因就是在二十世纪六七十年代左右，西方发达国家就已进入了自动化设计阶段，在计算机技术的广泛应用背景之下，国外的机械设计人员也开始逐渐使用计算机技术，使其协助他们完成复杂的工程计算以及绘制繁多的工程图纸。 80 年代中期，PTC 公司发布了首个商用参数化设计 CAD 软件系 Pro/Engineer，这款基于特征的参数化设计系统的问市为汽车及机械设计开发的自动化打下了夯实的现实基础，将理论研究提升到现实应用水平，自此飞机、汽车、船舶等机械制造工业的开发设计制造开始广泛应用参数化以及变量化的技术，并不断发展进步，其造的经济效益也不断提高。 2012 年，Liu Hongpu, Peng Erbao 博士1，使用 UG 对鼓式制动器进行了参数化设计，应用 UG 软件对刹车的类型参数进行了研究和设计。在离散化的原则的基础上,对制动鼓组件的典型特点和各个部分进行了三维参数化建模工作, 并建立了参数化模型库调用。同年，A Rehman 博士2，使用 Pro - E 分析考虑了制动鼓的热应力和机械应力。解析了在不同负载和不同的制动鼓的轮廓下的应力分布,确保制动鼓压力值低于允许的极限。2014 年，HJ Yuan 博士3针对制动鼓工作过程中的由热应力引起的温度上升,摩擦系数不稳定下降,制动转矩降低,断裂失效的制动鼓表面径向裂纹的发生等问题,。通过分析有限元(FE)模型,位移分布云图和热应力云图,以及位移分布和应力云图,。 耦合分析了接触区域外一侧内壁的制动鼓和摩擦片,交互的机械负荷和热负荷,最大应力之间的关系和制动鼓的材料强度极限。 7 德国在制动器方面的研究可以说是更上一层楼， 以 B.布勒伊尔及 K.比尔为例4，他们于各种类型的车辆制动器和制动系统都有很深研究，并以此为基础，结合全球最新制动系统科技研究成果以及各地区的实际需要，针对现代车辆制动系统的基础理论、设计要求、虚拟模拟、系统开发、部件性能分析和功能开发，将世界范围内的制动方面的新技术都一一进行了系统阐述和理论延伸。 此外，印度 Bharath 大学的 Anup Kumar and R. Sabarish 教授5元分析法和 pro/e分析了在经历高温和热应力提高的制动过程中制动鼓的结构和热能的各种变化。 3 3 国国内内研究现状研究现状 我国对制动器的研究开发初步具有成效，但还需要进一步的发展。 我国的 CAD 技术研究起源于 20 世纪 70 年代初， 在中国研究人员对汽车鼓式制动器研究的几十年内，取得了一系列成果。 2010 年，王庭义等人6为了更准确地研究具有凸轮张开装置的领、从蹄式制动器系统的力学行为,在凸轮轴上施加输入力矩来模拟仿真制动器系统的制动过程,并通过 ADAMS 动力学仿真软件进行仿真分析。同年，罗明军等人7基于 ANSYS 对鼓式制动器的受力分析,建立了其关键受力部件的力学模型。基于鼓式制动器实体模型建立了其有限元模型,为了更真实模拟制动器的工作状态,将制动蹄、 制动鼓和摩擦衬片作为一个整体进行分析,研究了其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。这为鼓式制动器的改进设计提供了可靠依据。此外，马迅等8, 运用 ANSYS Workbench 平台建立了某鼓式制动器的三维有限元模型。 对摩擦衬片与制动鼓之间的摩擦接触进行模拟，考虑了制动鼓和摩擦衬片间的滑动，较真实的模拟了制动的工作过程。 研究了制动力矩在制动过程中的变化规律，反算出制动效能因素，得出促动力重新分配后接触压强的分布特性及制动器的等效应力。为进一步改进制动器结构设计提供了依据 2012 年马迅等人9运用通用有限元分析软件 ANSYS Workbench 建立了某鼓式制动器的三维几何及有限元模型。 利用制动器应力测定试验方法和试验结果，采用三种不同的领从蹄上促动力的分配方式，并考虑凸轮转动和摩擦系数等不同方案，分析了制动力矩在制动过程中的变化规律，得到与试验结果相对应的仿真结果。将仿真结果与试验结果进行比较分析，研究合理的制动器应力场的有限元分析方法。 在此基础上得出制动蹄与鼓之间的接触压强的分布特性及制动器各部件上的等效应力。2013 年，周吉祥等10，为了使鼓式制动器的模拟仿真更 接近于真实状态,联合运用三维 CAD 建模软件 CATIA、 有限元分析软件 Hypermesh 及多体动力学分析软件 MSC.ADAMS,考虑将凸轮、 制动底 板、 制动蹄及制动鼓视为刚性体,将摩擦片视为柔性体建立了鼓式制动器的刚柔耦合动力仿真模型,并基于动力仿真的结果为鼓式制动器的有限元热结构耦合分析提 供实时的凸轮促动力,动力仿真得到的领、 从蹄促动力关系与相关文献吻合,验证了模型的正确性,最后基于热结构耦合分析了制动鼓破坏失效的原因并提出了相应的改进措施。2014 年，崔功军，卢磊，吴娟三人11 采用 SolidWorks 建立带式输送机鼓式制动器三维模型,导入 ANSYS Workbench 进行温度场与应力场的耦合分析,研究了在不同制动速度和制动压力下模型的应力应变与温度分布变化情况.结果表明:应力主要集中在制动轮 上;应变主要集中在摩擦片上;应力应变与温度均随制动速度与制动压力的增加而增加;应变与温度均随制动时间增加而增大,应力随制动时间的增加趋于稳定;应 力波动幅度随制动速度的增加而增大,应变处于稳定值的时间随制动速度的增加而减少。 4 4 发展趋势及展望发展趋势及展望 从人类第一次设计汽车开始，计算机辅助技术就越来越多的运用到设计里面。 起初设计师设计汽车零件是通过不断积累的经验， 而现在计算机辅助设计和分析技术成为被设计师采用的更为高效和准确的设计方法在电脑上，通过参数化建模，设计人8 员能够完成汽车设计的各项工作，比如汽车结构的设计，强度计算与校核，匹配参数的选择，工作性能和寿命的模拟分析等等。 参数化建模是汽车设计的发展趋势。参数化设计是 Revit Building 的一个重要思想，Revit Building 中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。常用的参数化设计 CAD 软件中， 主流的应用软件有 Pro/Engineer、 UGNX、 CATIA 和 Solidworks四大软件，四大软件各有特点并在不同的领域分别占据一定的市场份额。本次设计就是使用 CATIA 进行参数化设计。 5 5 本文开展的工作本文开展的工作 (1)用 CATIA 建立所选制动鼓的三维参数模型； (2)用 VB 等工具对 CATIA 进行二次开发，创建参数化设计界面； (3)对有限元模型进行求解，分析其应力、变形分布，优化设计制动器结构，提高结构刚度和强度，减小摩擦片的不均匀磨损现象。 参考文献参考文献 1 Liu Hongpu, Peng Erbao, The Study of the Parameterization of t
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