【《基于UG的浮钳盘式制动器设计案例》5800字（论文）】

基于UG的浮钳盘式制动器设计案例1.1选题背景及意义车辆作为我们日常出行的交通工具，它在我们生活中有着很重要的作用。它既可以用来输送货物，也可以用来装载乘客。目前，我国是世界上发生交通事故最为严重的国家之一，越来越多的业余驾驶员、以及密集的车流造成交通道路堵塞现象和高速上汽车高速驾驶等问题使得交通安全越来越被人们重视。在发生的汽车交通事故中，约有一半是因为汽车刹车时反应慢，刹车效果不好，不能及时刹车造成的。因此汽车安全性极其重要。通过查阅资料，针对汽车安全问题需要对制动过程进行理论分析和仿真试验，通过多次试验不断优化结构，提升汽车在行驶过程中的制动效能，增强其安全性，最终减少交通事故的发生。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状通过查阅资料，了解浮钳盘式制动器的结构。我们发现浮钳盘式制动器的主要部分分别为：制动盘、制动钳、活塞、支架以及摩擦衬片等。汽车刹车过程中，是利用摩擦制动原理制动。在刹车时，制动盘与衬片接触过程中产生摩擦力夹紧制动盘，最终实现制动。目前，国内现状有：周俊波在盘式制动器优化设计领域有一定的研究。他优化了制动块的结构使得制动过程中应力能够均匀分布，这样可以降低制动块的磨损，能够增强其使用寿命。王良对浮钳盘式制动器进行了有限元受力分析，对制动器材料领域有一定的研究。赵波主要研究领域的是汽车刹车时汽车的刹车效果，探究什么可以影响汽车的刹车效果。通过了解国内发展现状发现，目前大多数对制动器的研究局限于结构仿真分析，属于静态模型。对制动器建模动态研究并不是更多。针对以前设计存在的缺陷，本次设计采用UG软件三维建模并运用ADAMS仿真，设计出浮钳盘式制动器。1.2.2国外研究现状盘式制动器的国外现状，ZhuYuSu在汽车制动系统上面有相关理论的研究，他表示汽车刹车时，摩擦制动过程产生的热量与制动衬片的摩擦系数以及制动过程中的制动力的大小相关，而且对制动力矩的变化产生很大的影响。RichardA等人指出在刹车过程中，制动器上会产生波动。S.H.KIM通过对制动器三维建模，通过在模型中运用多体动力学，最终减小制动器波动程度。由国外的研究可以看出，摩擦过程中产生的热量是影响刹车时制动力矩变化的一个重要因素。在本次设计中，运用ADAMS软件对运动学进行分析，可以得出制动力的变化趋势以及制动角速度的变化。所以本次设计，是制动器结构和运动分析进行一个全面的设计。1.3研究方法（1）查阅资料研究法：了解发展现状，确定方向，开展设计;建模、仿真分析法：UG软件进行三维建模及ADAMS仿真分析。1.4研究内容（1）了解制动器的主要组成部分；（2）了解制动器主要参数确定并选择；（3）制动器制动效能分析；（4）运用UG软件进行三维建模及ADAMS仿真分析；（5）通过UG画出三维图纸以及二维图。2浮钳盘式制动器的结构2.1制动器结构与制动原理2.2.1制动器结构的确定如图2-1所示，浮钳盘式制动器由：制动盘、制动钳体、摩擦片、活塞、液压油路、消声片、钳体支架等组成。1-制动盘2-制动钳体3-摩擦片4-活塞5-液压油路6-消声片7-钳体支架图2-1浮钳盘式制动器的制动原理示意图2.2.2制动器的制动原理通过阅读大量的参考文献，我们发现，汽车刹车时主要运用的是摩擦制动原理。摩擦制动指的是，刹车时制动器制动盘与衬片结合，通过夹紧力是制动盘停止运动，最后从而实现制动。浮钳盘式制动器在汽车刹车时工作原理是：汽车的油压通过通道5向制动钳2输入液压油，此时有油压产生，输入的油压将会推动活塞4左侧摩擦衬片3加压，产生的压力会作用在制动盘的左侧面。此时，钳体会受到的反作用力将钳体2往相反方向推，这会拉动摩擦衬片3向制动盘右侧面，制动盘两侧的摩擦衬片会对制动盘产生一个夹紧力。最后，通过制动盘1和轮毂的相连，轮毂也会与车轮固连，从而对汽车进行制动。解除汽车的制动，通过油路系统的泄压来实现。2.2制动器的特点汽车制动器主要有盘式制动器和鼓式制动器两种类型。对于盘式制动器制动盘设有通风孔道，散热性能较好，质量轻，其结构更加简单，所以，该制动器制动性能好。正是因为盘式制动器散热性能好，所以制动盘产生的热量可以迅速散发，能够减少制动盘的磨损，最终能够延长制动器上零部件的寿命。浮钳盘式制动器具有的很多零部件，但其结构简单。汽车在刹车过程中，产生的力和力矩可能分配不均匀坐落于各个零部件，造成制动盘、制动钳体、摩擦衬片等发生变形；严重的话，可能造成制动器制动过程中抖动，是汽车制动过程中产生跑偏，从而对汽车的行驶的安全性能产生极大地影响。本次设计为浮钳盘式制动器，散热好，制动盘旋转，带动空气流动，可以增加制动器的散热性，使工作过程中的制动器更容易冷却，且不会轻易产生变形。根据查阅资料，我们了解到摩擦系数对刹车时影响很小，制动效果好且比较稳定。制动器发热时，制动盘几乎不会出现膨胀。浮浅盘式制动器可以实现自身调整制动间隙。通过试验发现，制动器进时，刹车效果不好。对于浮钳盘式制动器还是存在较大的缺点的，主要是制动盘制动是利用摩擦衬片制动，摩擦衬片直接作用于制动盘上，这不能实现自动增加摩擦力作用，制动器的制动效果不好。浮钳盘式制动器存在液压油路。在制动过程中，汽车需要加装动力辅助装置，避免促动管路压力太大。加装辅助装置，使得其结构更为复杂，同时在车轮上应用也会被限制。3参数选择及性能分析在本次设计过程中，若需要确定主要参数，首先应该了解盘式制动器的结构以及原始设计参数，通过该基础，对某车进行设计，设计参数如下表3-1所示：表3-1某车型汽车原始设计参数整车空载质量整车满载质量前轴至质心位置a/L1后轴至质心位置b/L21550kg2000kg1.35m1.25m质心空载高度hg质心满载高度hg轴距L轮距L00.95m0.85m2.6m1.8m最高车速轮胎规格车轮工作半径re轮毂直径160km/h255/50R19370mm140mm轮缸直径前轮空载时的载荷汽车制动前力矩汽车制动后力矩54mm852.

5kg785Nm1600Nm3.1同步附着系数通过查阅资料，同步附着系数有三种情况。对于本次设计，在路面附着系数为刹车时，若是汽车前轮与后轮同时抱死，则要求制动强度，这表明当在的路面上刹车时，路面的附着条件可以得到充分的利用。通过阅读相关文献，了解汽车的同步附着系数。所以，取同步附着系数。3.2前后轴制动力矩分配系数刹车时，汽车制动器制动力矩分配系数是指：前制动器制动力与车辆总的制动力的比。大多数情况下用来表示，也就是：(3-1)(3-2)其中，—前制动器制动力；—后制动器制动力；—制动器总制动力。根据上述知：，得出分配系数为：由公式：(3-3)根据上述数据知：L2=1.25m，=0.6，hg=0.85m，L=2.6m,代入得：。3.3制动器的制动力矩通常情况下，车辆的制动效果的好坏是通过制动器制动的力矩来进行评价。假设车辆行驶在沥青路面，在危急情况刹车时，假设前轮抱死并出现拖滑现象。经过计算，得到最大制动力矩。由轮胎与路面附着系数所决定的前后轴最大附着力矩：(3-4)式中，—表示汽车的最大附着系数；q—制动强度；re—车轮的有效半径；—后轴最大制动力矩；G—汽车满载质量；L—汽车轮距；知，(3-5)通过上式，我们可得到汽车制动强度为q=0.66；后轮最大制动力矩为，前轮的制动力矩为。前轴制动力矩根据(3-6)根据上述公式，计算得，前轴的制动力矩为。3.4主要结构参数确定3.4.1制动盘直径制动器在工作时，制动器上会产生较大力矩，导致制动器温度快速升高。所以，在刹车时我们要求减小压力和制动温度。数值大的有效制动盘半径，一方面可以降低夹紧力，这个力是衬片和制动盘结合过程中产生的。另一方面可以降低制动过程衬片的温度和单位面积上所承受的压力。通过查阅资料，一般来说，制动盘的直径只占轮毂的。对于少数车辆总质量太重则应该取上限。本次浮钳盘式制动器设计的轮辋直径为19英寸。其中1英寸等于2.54cm，假设本次设计取其上限。在本设计中有:，所以取D=380mm。3.4.2制动盘厚度根据查阅资料，制动盘工作时产生温度和质量是影响其厚度的重要因素。要求制动盘的厚度不应该太厚，避免制动器笨重。但是也不能太薄，厚度太薄使得制动器会产生高温。一般来说，大多数制动盘会做成实心，但是为了增加散性，会在制动盘设计通风孔道。有时会在制动器通风处设有叶片，这有利于增加制动盘冷却面积，也是用来增加散热的。根据查阅资料，本次设计取制动器的厚度为25mm，是因为带有通风功能的制动器厚度在之间。本次设计的制动器具有良好的散热性。3.4.3衬块外半径与内半径通过查阅资料和阅读相关文献，知道衬块外内半径的比值应该小于1.5。设外半径为外半径、设内半径；则有但要求。当比值过大，制动器的制动力矩会变大，降低摩擦衬片的使用寿命。针对于本次设计，我们选取摩擦衬片角度为60°。取R1=92mm、R2=135mm，衬片与制动盘同心。外内半径的比值，内外半径比值。3.4.4摩擦衬块工作面积通过阅读相关文件和参考文献，本次设计取衬块占车辆质量为25kg/cm2。由于上述原始参数知：车辆满载时的质量为2000kg，所以根据计算可得面积为：2000/25=80cm2。故衬块工作面积A=80cm2。3.4.5摩擦衬块工作面积在汽车刹车过程中，摩擦片直接作用于制动盘。由于制动过程是摩擦制动，会导致摩擦衬片的温度较高，单位面积的压力较大。因此，我们在设计过程中，应该使厚度尽量大一些。通过查阅资料，我们得出一般来说轿车的摩擦衬片厚度在7.5mm～16mm之间；在设计时，我们可以在浮钳盘式制动器上装上报警装置，当摩擦衬片过渡磨损失效时，能够报警。增强汽车行驶的安全性。本次设计的浮钳盘式制动器的摩擦衬片厚度选取为13mm。3.4.6制动块制动时，该零部件需要承受较大作用力，这就要求制动钳体强度好。多数设计会使用铝合金制造活塞，这可以提高活塞的磨损特性，以用来延长活塞的寿命。大多数情况下，在制造过程中会在活塞表面镀铬。制动钳体可以安装在不同的位置，归结起来有两种情况。第一种，可以安装在半轴前方，可有效避免汽车行驶时，由于车轮在泥泞路面甩出的污泥和泥水流入制动钳。第二种，安装在半轴后方时，这有利于减少汽车车轮轮毂轴承的合成载荷。那么，针对于本次设计，选择第一种汽车制动器的制动钳安装在车轴前。3.5制动效能分析3.5.1制动减速度倘若设计车辆行驶在积水的柏油路道路上，若忽略路面的附着条件，那么制动减速度为：(3-7)式中：—制动减速度；—汽车前、后轮制动力矩的总合；—车轮工作半径；—满载时汽车质量。(3-8)将,,代入，求得制动减速度。通过阅读资料和相关文献，知刹车时减速度应在之间，故该设计满足要求。3.5.2制动距离在汽车行驶过程中，我们知道，车辆刹车时的制动效果会对其安全有极大的影响。刹车距离是指司机在踩下制动踏板时起到汽车完全停住的过程中所行驶距离。通过阅读相关文献，影响汽车制动距离的因素包括:制动时对制动踏板所施加的制动踏板力、行驶路面的附着条件、车辆所承受的载荷、以及发动机功率等相关。在汽车制动过程中，制动器制动是利用摩擦制动原理，制动器会产生大量热量。通过查阅资料，我们发现汽车刹车时的刹车距离与制动器产生的热量有关。因此，我们将本次试验让制动器在100℃以下的温度进行。整个制动过程中，汽车做匀减速制动。以制动减速度做匀减速运动，记初始速度为，所致刹车距离为：(3-9)式中：—消除制动盘与衬块间隙的时间，取；—制动力增长过程所需时间，取；—汽车开始制动时的速度，单位km/h。其中，故。轿车的最大制动距离为：(3-10)求得：，经计算，故该设计满足要求。3.5.3衬片磨损性能制动器的摩擦衬片用于制动过程中夹紧制动盘。因此，摩擦衬片的磨损特性与其表面的温度、加工情况、压力等很多因素密切相关。通过试验，我们了解到在影响摩擦衬片的各种因素中，最主要的影响因素是：衬片的表面温度、衬片所受的载荷、摩擦系数和衬片的表面粗糙度。汽车制动器的比能量耗散率为：(3-11)式中：—回转质量的换算系数；—汽车的总质量；—制动时的初速度；—刹车时结束速度；—刹车过程的时间；—衬片的摩擦面积；—制动力分配系数。其中；；；(3-12)Ji也就是计算可得：(3-13)所以满足要求。4浮钳盘式制动器的三维建模4.1UG的简介UG的功能十分广泛。它拥有强大的计算能力，满足使用者的各种要求。UG操作简单，它既能满足小零件设计，也能满足大零件的装配。同时，一方面他给用户产品设计和加工阶段提供了数字化模型，另一方面还可以为其提供验证手段。UG软件可以建立仿真，模拟零件的工作状态和运转过程，能够节省人力物力，以及节约时间。由于UG优点众多，在应用范围越来越广泛，现在越来越受到人们的喜爱。4.2浮钳盘式制动器的三维建模根据制动器主要零部件参数，在UG软件中进行建模，分别如图：图4-1制动盘图4-2制动钳体图4-3钳体支架图4-4浮钳盘式制动器装配图5浮钳盘式制动器的仿真分析5.1浮钳盘式制动器的模型建立根据前面的设计，将UG中绘制的三维模型在ADAMS软件中进行建模。首先，将UG中的装配图文件保存为.igs格式。然后，打开ADAMS软件，在软件中新建模型，将桌面的.igs文件导入到ADAMS。生成ADAMS模型，完成该软件建模。5.2浮钳盘制动器的仿真分析过程5.2.1添加约束在摩擦块和地面直接添加滑动副，即摩擦块向制动盘移动、在制动盘与地面之间添加转动副，即制动盘的旋转部件，对初始转动角速度进行设置，针对于本次设计，将初始并转动角速度设为80rad/s。如下图5-1所示。图5-1制动盘初始转动角速度5.2.2施加载荷由于汽车在制动过程中，由于驾驶员会施加制动踏板力。根据查阅资料，国标规定，普通轿车的制动踏板力不超过500N，货车不大于700N。对于本次设计，制动踏板力选择400N，在ADAMS仿真中，对摩擦衬块两端分别施加200