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轻型载货汽车后鼓式制动器CADCAE设计.rar

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    编号:20181030005351708    类型:共享资源    大小:6.76MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    轻型 载货 汽车 后鼓式 制动器 CADCAE 设计
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    哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)I轻型载货汽车后鼓式制动器 CAD/CAE设计摘 要汽车制动既能使行驶中的汽车减速,又能使车辆能稳定地停驻在原地不动。随着现代社会的发展,汽车的保有量越来越多,并且随着汽车技术的发展,高速公路的增加以及汽车行驶速度的提高,汽车的制动性越来越重要。汽车的制动性是汽车的主要性能之一,制动性直接关系到交通安全,重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等情况有关,而良好的制动性能,可以化险为夷,避免交通事故。所以汽车的制动性是汽车安全行驶的重要保障。本次论文通过对轻型载货汽车后鼓式制动器的 CAD/CAE 设计,详细地对制动系统进行了阐述。首先根据设计任务书上提供的整车制动参数绘制出理想制动力分配 I 曲线,利用图像法确定空载和满载状态的同步附着系数,然后计算出制动器制动力分配系数,绘出 β 曲线,初步选择合适的制动力分配系数。通过设计经验对制动器的结构形式进行选择,绘制并验证利用附着系数与制动强度的关系曲线。对制动器主要零部件的结构进行设计与强度计算,选择与设计制动驱动机构的结构型式。对制动器主要零部件如制动蹄进行有限元分析,校核了强度。在本次设计中,轻型载货汽车选择了真空伺服鼓式制动器,确定了轻型载货汽车的同步附着系数、制动器最大制动力矩,制动器因数等参数。通过对制动鼓和制动蹄进行 ANSYS 有限元分析,结果显示其应力应变均处在允许范围内,并且适当的减少了制动蹄的材料,以减轻簧下质量,提高行驶平顺性。关键词:轻型载货汽车;制动系统;制动器;有限元分析哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)IIAbstractThe brake of the car can make the car slow down and keep the vehicle stable and stopping in place. With the development of modern society, the number of car ownership is increasing, and with the development of automobile technology, the improvement of highway and the increase of vehicle speed, vehicle brake become more and more important. The braking performance is one of the main properties of the car, the brake related to traffic safety directly, many traffic accidents just because the braking distance is too long, and emergency braking sideslip, and good braking performance can save and avoid the traffic accidents. So the vehicle brake is the important guarantee for the safe driving of the car.In this paper, through the CAD/CAE design of rear drum brake light duty vehicle, the braking system are described in detail. First of all, draw the ideal brake force distribution curve I according to the braking parameters provided by the design task book, using the least square method to determine the synchronous adhesion coefficient of no-load and full-load condition, then calculate the brake force distribution coefficient, draw the curve β, and select the appropriate brake force distribution coefficient initially. Select the structure form of the brake by design experience, draw and verify the curve of utilization of attachment coefficient and brake strength. Do the design and strength calculation to the main components of the structure of the brake, select and design of the brake drive mechanism. Have the finite element analysis to the main parts of the brake such as the brake shoes, and checking the strength.In this design, the light-duty vehicle chooses vacuum servo brake and determines the synchronous adhesion coefficient, brake maximum braking torque and brake factor and other parameters of light truck. By ANSYS finite element analysis of brake drum and brake shoes, the result shows that the stress and strain are in allowable range, and by reducing the brake shoe materials appropriately, can reduce unsprung mass and improve ride comfort.Keywords: light duty vehicle, the braking system, brake, finite element analysis 哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)III目 录摘 要 ...........................................................................................................................IAbstract ........................................................................................................................II第 1 章 绪 论 ............................................................................................................11.1 课题背景及研究的目的和意义 .......................................................................11.2 国内外研究现状 ...............................................................................................21.2.1 国外研究现状 ............................................................................................21.2.2 国内研究现状 ............................................................................................21.2.3 汽车制动系统未来趋势 ............................................................................31.3 制动系统组成与分类 .......................................................................................31.3.1 制动系统的组成 ........................................................................................31.3.2 制动系统的分类 ........................................................................................31.4 本文的主要研究内容 .......................................................................................4第 2 章 制动器的结构型式选择及方案分析 ............................................................52.1 制动器的结构型式的选择 ...............................................................................52.2 制动管路的多回路系统 ...................................................................................62.3 制动驱动机构的型式选择 ...............................................................................92.3.1 简单制动系 ................................................................................................92.3.2 动力制动系 ................................................................................................92.3.3 气压制动系 ..............................................................................................102.3.4 全液压动力制动系 ..................................................................................102.3.5 伺服制动系 ..............................................................................................112.4 本章小结 .........................................................................................................11第 3 章 鼓式制动器主要参数的确定与设计计算 ..................................................123.1 制动力与制动力分配系数 .............................................................................123.2 同步附着系数 .................................................................................................173.3 制动强度与附着系数利用率 .........................................................................193.4 制动器因数与制动蹄因数 .............................................................................203.5 制动器最大制动力矩 .....................................................................................203.6 利用附着系数与制动效率 .............................................................................213.7 鼓式制动器的结构参数与摩擦系数 .............................................................24哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)IV3.7.1 制动鼓内径 ..............................................................................................253.7.2 摩擦衬片宽度与包角 ..............................................................................253.7.3 摩擦衬片起始角 ......................................................................................263.7.4 制动器中心到张开力作用线的距离 ......................................................263.7.5 制动蹄支承点位置坐标 k 与 c................................................................273.7.6 摩擦片摩擦系数 ......................................................................................273.8 驻车制动能力的计算 .....................................................................................273.9 压力沿衬片长度方向的分布规律及径向变形规律 .....................................283.10 制动蹄片上的制动力矩 ...............................................................................303.11 检查制动蹄有无自锁 ...................................................................................323.12 摩擦衬片磨损特性计算 ...............................................................................333.13 制动器主要零件的结构设计 .......................................................................343.13.1 制动鼓 ....................................................................................................343.13.2 制动蹄 ....................................................................................................353.13.3 制动底板 ................................................................................................363.13.4 制动蹄支承 ............................................................................................363.13.5 制动轮缸 ................................................................................................363.13.6 摩擦材料 ................................................................................................363.13.7 制动摩擦衬片 ........................................................................................373.13.8 制动器间隙的调整方法及相应机构 ....................................................383.13.9 制动蹄支承销剪切应力计算 ................................................................393.14 制动主缸和制动轮缸的设计计算 ...............................................................403.14.1 制动轮缸直径与工作容积 .....................................................................403.14.2 制动轮缸活塞宽度与缸筒的壁厚 ........................................................423.14.3 制动主缸直径与工作容积 ....................................................................433.14.4 制动主缸行程的计算 ............................................................................433.14.5 制动主缸活塞宽度与缸筒的壁厚 ........................................................443.14.6 制动踏板力与踏板行程 ........................................................................443.14.7 真空助力器的选择 ................................................................................463.14.8 制动液的选择与使用 ............................................................................473.14.9 制动力分配的调节装置 ........................................................................483.15 三维建模 .......................................................................................................483.15.1 制动器主要零部件建模 ........................................................................48哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)V3.15.2 鼓式制动器建模 ....................................................................................493.16 本章小结 .......................................................................................................50第 4 章 鼓式制动器的有限元分析 ..........................................................................514.1 有限元分析模型的建立 .................................................................................514.2 边界条件施加方式的确定 .............................................................................524.3 加载过程 .........................................................................................................534.4 计算结果 .........................................................................................................534.5 本章小结 .........................................................................................................54结 论 ........................................................................................................................55致 谢 ........................................................................................................................56参考文献 ....................................................................................................................57哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)- 1 -第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义随着汽车的增多、车速的提高以及车流密度的日益增大,为了保证行车安全,汽车制动系的工作可靠性显得非常重要,提高制动器的设计和制造水平具有重要的现实意义 [1]。制动系统对于汽车行驶的安全性起着重要的保证作用,制动器是保证汽车能够有效操控和安全行驶的重要装置,它能够使汽车在行驶过程中,车速能得到有效的控制,或使汽车能以适当的减速度平稳减速,直至停止行驶。对后鼓式制动器进行 CAD/CAE 设计,可缩短设计时间,提高设计质量。有限元分析为深入研究摩擦副接触压强分布特性、优化制动器结构参数以及改善制动效能等方面提供了依据 [2]。汽车制动系统的发展和汽车性能的提高及汽车结构型式的变化密切相关,制动系统是汽车的重要组成部分之一,是汽车安全行驶的重要保证,它直接关系着人们的生命财产安全 [3]。本次设计为鼓式制动器。鼓式制动器分为领从蹄式、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 [4]。就制动效能而言,自增力式制动器由于对摩擦助势作用利用的最为充分而居首位,以下依次为双领蹄式、领从蹄式、双从蹄式。但是蹄鼓之间的摩擦系数本身是一个不稳定的因素,随着蹄片材料、温度和表面状况有很大变化。自增力式制动器的效能对摩擦系数的依赖性最大,因而其制动效能的热稳定性最差。一般来说,在相同的散热条件下,制动效能越好的制动器,它的制动效能热稳定性就越差。现代汽车普遍采用的摩擦式制动器的实际工作性能是整个制动系中最复杂、最不稳定的因素,因此改进制动器机构、解决制约其性能的突出问题具有非常重要的意义 [5]。本次毕业设计以轻型载货汽车为研究对象,对制动系统的设计进行了阐述,同时对制动系统进行有限元分析,提高汽车的制动性能,进而提高车辆主动安全性能,同时锻炼自己的软件使用能力、专业知识运用能力、分析和解决实际工程问题的能力。哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)- 2 -1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国外对汽车鼓式制动器动力学的研究起步较早,研究方法以物理试验和建模仿真为主,建模方法己从多刚体动力学建模过渡到多柔性体建模,研究内容已经从动力学和摩擦学分析逐步过渡到考虑热学的动力学分析。随着研究的深入,国外在建立制动器的柔性多体系统模型和刚柔祸合动力学分析方面己比较成熟。美国福特汽车公司的 YitZong(Jim) Chern 等人 2005 年证明了有限元方法对制动器的动力学性能预测得比较准。法国里昂 INSA 工程师学院的Franecsco Massi 等人 2007 年用 plast3 有限元程序研究变形体间伴随摩擦的接触问题,推进了伴随摩擦的柔性体接触问题的研究。最近几年,国外在建立基于热弹耦合的制动器柔性体模型方面研究较多。考虑到有限元模型的计算量,2008 年,Jiayin Li 和 Barber 等人指出有限元方法可进行热弹接触瞬态仿真,但当机构之间作相对滑动时对流换热和热传导方程可导致数值收敛性和稳定性上的困难,且计算时间长,由此,利用高速算法简化模型来研究制动器的性能,取得较好的收敛效果。2011 年,法国阿尔萨斯大学的 Lyes Nechak 等人研究了摩擦系统在非线性摩擦系数下的动态行为,并证明此方法应用到鼓式制动器上时与经典方法同样有效 [6]。1.2.2 国内研究现状一些学者运用有限元模型对鼓式制动器进行了研究,但其中研究制动过程中的温度场问题和接触问题的较多。吕彭民等为研究径向浮动蹄式制动器的性能特点,利用接触与多点约束相结合的方法,建立了结构有限元模型。经对比发现,该模型较传统模型能更准确的反映摩擦片的受力状态,且制动力矩仿真结果与试验数据有较好的一致性 [7]。形成完整的鼓式制动器设计方法由于是实践性课题,常见于硕士生研究论文。王宣锋即以此种制动器为研究对象,以提高其实际输出制动力矩为研究目的,既满足社会的现实需要又提高现生产和现使用的重型载货车的制动安全性[8]。吴永海以制动器为研究对象,提出制动器及组件快速建模策略,构建了参数化的制动器典型组件库和特征库;库系统采用参数化图库引用、管理机制并哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)- 3 -拥有一个开放的扩充接口;以 Pro/E 为 CAD 支撑软件,采用 VC++语言,开发了车辆制动器 CAD 系统 [9]。对机械设计过程的进一步发展也有很好的提示作用。1.2.3 汽车制动系统未来趋势从国内外的发展动向来看,近年来汽车的性能在向高速发展,发动机的功率和转速不断提高,道路的复杂性也越来越高,由此,对制动系统的使用要求也越来越高。所以,增加制动系统的可靠性和稳定性,提高其使用寿命,简化操作,已经成为目前制动系统的发展趋势。此次课题对制动系统的研究,主要是在制动系统满足汽车使用要求和结构强度要求的基础上,对制动力分配进行仿真优化设计,进而设计操作更为轻便,可靠性高的制动系统,实现汽车对复杂道路环境适应性的优化。1.3 制动系统组成与分类1.3.1 制动系统的组成制动系统是由制动器和制动驱动机构组成的。制动器是指产生阻碍车辆运动或运动趋势的力(制动力)的部件,其中也包括辅助制动系统中的缓速装置。制动驱动机构包括功能装置、控制装置、传动装置、制动力调节装置以及报警装置、压力保护装置等附加装置。供能装置供给、调节制动所需能量并改善传能介质状态。其中,产生制动能量的部分称为制动能源 [10]。1.3.2 制动系统的分类制动系统按其功用可分类为:(1)行车制动系统——使行驶的汽车降低速度甚至停车的一套装置。(2)驻车制动系统——使已停驶的汽车驻留原地不动的一套装置。(3)第二制动系统——在行车制动系统失效的情况下,保证汽车仍能实现减速或停车的一套装置。(4)辅助制动系统——在汽车下坡时用以稳定车速的一套装置。哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)- 4 -按制动系统的制动能源分类:(1)人力制动系统——以驾驶员的肌体作为制动能源的制动系统。(2)动力制动系统——完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制动的制动系统。(3)伺服制动系统——兼用人力和发动机力进行制动的制动系统 [11]。按照制动能量的传输方式,制动系统又可分为机械式、液压式、气压式和电磁式等。同时采用两种以上传能方式的制动系统,可称为组合式制动系统。传动装置采用单一的气压或液压回路的制动系统称为单回路制动系统,规定所有汽车必须采用双回路制动系统。在双回路制动系统中,所有行车制动器的气压或液压管路分属于两个彼此隔绝的回路。这样,即使其中一个回路失效,还能利用另一回路获得一定的制动力 [12]。1.4 本文的主要研究内容本论文主要以轻型载货汽车整车参数为依据,研究后鼓式制动器的结构设计及其制动性能的优化,要求所设计的制动系统具有足够的制动效能。本次毕业设计的主要内容有:(1)查阅书籍以及文献等资料了解汽车制动系统的现状,熟悉其发展状况,掌握汽车制动系统的详细构造和工作原理,深入分析各种鼓式制动调节装置和控制原理,对鼓式制动器的型式进行选择。(2)以轻型载货汽车整车参数为依据,进行后鼓式制动器的设计和计算,以及制动驱动机构的计算,使其具有较好的稳定性,可靠性。(3)对设计出的制动系统各部件尺寸进行详细深入分析、建模。熟悉并运用 MATLAB 等工程软件,并对汽车制动系统进行优化。(4)结合轻型载货汽车整车参数,根据设计的结构和尺寸用 CAD/CAE软件建造制动系统的三维模型,以及绘制后鼓式制动器的总体装配图,部件装配图和零件图。GB12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法 》 、GB13594-2003《机动车和挂车防抱制动性能和试验方法》 、GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》等对制动系统的性能、要求及试验方法都作了详细的规定,因此,制动系统设计首先应满足以上法规的要求。同时,为提高整车性能,不同级别的车型,又会对制动性能提出高于以上标准的要求,这些要求会在设计任务书中体现。哈尔滨工业大学本科毕业论文(设计)- 5 -第 2 章 制动器的结构型式选择及方案分析2.1 制动器的结构型式的选择车轮制动器主要用于行车制动系统,有时也兼作驻车制动之用。制动器主要有摩擦式、液力式、和电磁式等三种形式。电磁式制动器虽有作用滞后性好、易于连接而且接头可靠等优点,但因成本太高,只在一部分总质量较大的商用车上用作车轮制动器或缓速器;液力式制动器一般只用缓速器。目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。摩擦式制动器按摩擦副结构不同,可以分为鼓式、盘式和带式三种。带式只用于中央制动器;鼓式和盘式应用最为广泛。鼓式制动器广泛应用于商用车,轻重型载货汽车;同时鼓式制动器结构简单、制造成本低。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构形式。内张型鼓式制动器的固定摩擦元件是一对带有摩擦蹄片的制动蹄,后者又安装在制动底板上,而制动底板则又紧固于前梁或后桥壳的凸缘上(对车轮制动器)或变速器壳或与其相固定的支架上(对中央制动器);其旋转摩擦元件为固定在轮毂上或变速器第二轴后端的制动鼓,并利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩,故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带;其旋转摩擦元件为制动鼓,并利用制动鼓的外圆柱表面和制动带摩擦片的内圆弧面作为一对摩擦表面,产生摩擦力矩作用于制动鼓,故又称为带式制动器。但现在汽车以很少采用。由于外束型鼓式制动器通产建成为带式制动器,而且在现代汽车商已很少采用,所以内张型鼓式制动器通常简称为鼓式制动器,通常所说的鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构。本次设计车型为轻型载货汽车,出于制造成本及维修成本方面考虑,采用内张型鼓式制动器。鼓式制动器一般可按其制动蹄的受力情况进行分类,它们的制动效能、制动鼓的受力平衡状态以及车轮旋转方向对制动效能的影响均不同。制动蹄按其张开时的转动方向与制动鼓的旋转方向是否一致而分为领蹄和从蹄两种类型。制动蹄张开的转动方向与制动鼓的旋转方向一致的制动蹄称为领蹄,俩者不一致的则称从蹄。不同形式的鼓式制动器的主要区别有:
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