五菱宏光汽車鼓式制動器設(shè)計及有限元分析摘要本文主要是對五菱宏光汽車的制動器進(jìn)行分析。五菱宏光汽車屬于用途廣、功能多、質(zhì)量可靠并且物美價廉的中低端轎車。其深受我國人民的喜愛，長期位于我國汽車銷量榜的榜首。選擇設(shè)計五菱宏光汽車的制動器，首先要考慮的因素是五菱宏光汽車的使用場景。五菱宏光汽車廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，使用場景復(fù)雜，對汽車的制動性能、穩(wěn)定性和可靠性均有一定的要求。其次，五菱宏光汽車定位于中低端，制動器的成本不能太高，應(yīng)當(dāng)在保證制動性能的同時控制其成本。綜上所述，鼓式制動器憑借其穩(wěn)定可靠的性能、簡單的結(jié)構(gòu)、以及便宜的價格成為五菱宏光汽車制動器的最好選擇。而領(lǐng)從蹄式制動器在鼓式制動器中屬于最可靠和成熟的類型，能夠在充分保證制動性能的同時具備一定的可靠性，以便應(yīng)對五菱宏光汽車復(fù)雜且多樣化的使用場景。在將領(lǐng)從蹄式鼓式制動器確定為要設(shè)計的五菱宏光汽車的制動器之后，下一步便是去圖書館查閱有關(guān)五菱宏光汽車的設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要素，在了解汽車的同時對制動器全面立體的分析。使用搜集來的參數(shù)進(jìn)行合理的計算，并對選用參數(shù)的范圍進(jìn)行解釋說明。然后對制動器中的主要零部件進(jìn)行強度校核，確保其符合實際情況。之后利用建模軟件對鼓式制動器中的摩擦片和制動蹄片建模，將模型轉(zhuǎn)換為合適的格式后到導(dǎo)入至ANSYS中，接著對模型選擇兩種合適的材料并設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后施加相同條件的載荷以及約束然后求解，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析，選擇變形量更小的材料。對結(jié)果中的變形量分布情況分析以確保變形符合實際情況，接觸應(yīng)力和已有的分布規(guī)律能夠一致。關(guān)鍵詞：CATIA建模；有限元分析；網(wǎng)格劃分；鼓式制動器設(shè)計計算;強度校核目錄1緒論 11.1研究的背景與意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.2.2國外研究現(xiàn)狀 31.3主要研究內(nèi)容及方法 31.4論文的組織安排 41.5本章小結(jié) 42制動器結(jié)構(gòu)方案的分析 52.1制動器的選擇及參數(shù)的確定 52.1.1制動鼓壁厚的確定 62.1.2制動蹄摩擦襯片的包角β和寬度b 82.1.3摩擦襯片起始角β0 2.1.4張開力P的作用線至制動器中心的距離α 102.1.5制動蹄支銷中心的坐標(biāo)位置k與c 112.1.6摩擦片摩擦系數(shù)f 112.2本章小結(jié) 113鼓式制動器計算與校核 133.1鼓式制動器的結(jié)構(gòu)計算 133.1.1壓力沿襯片長度方向的分布規(guī)律 133.1.2制動器最大制動力矩 143.1.3地面對車輪的法向反作用力 153.1.4前、后輪制動力分配系數(shù)β的確定 193.1.5制動輪缸直徑d的確定 193.1.6制動主缸直徑d0的確定 3.1.7制動踏板力Fp的確定 3.1.8制動踏板工作行程Sp的確定 3.2鼓式制動器的校核 233.2.1鼓式制動器的熱容量和溫升的核算 233.2.2摩擦襯片所受力的校核 253.2.3汽車可能停駐的極限上坡路傾斜角α 263.2.4汽車可能停駐的極限下坡路傾斜角α 263.3本章小結(jié) 114鼓式制動器有限元分析 274.1主要部件分析 274.2三維模型 284.3有限元模型導(dǎo)入 304.4汽車制動有限元分析 314.4.1選擇單元類型和材料 314.4.2在軟件中建立約束 324.4.3處理結(jié)果 324.4.4處理結(jié)果 334.5本章小結(jié) 345結(jié)論 36參考文獻(xiàn) 38鼓式制動器有限元分析主要部件分析如圖4-1，制動蹄在的作用下向兩邊打開，制動蹄外表面的摩擦襯片與正在旋轉(zhuǎn)的制動鼓內(nèi)表面接觸。如果制動蹄受到的力是以正弦分布的正壓力，那么便能夠計算出最大的正壓力大小。由于是靜載荷工況，不將摩擦力計入。因為力具有等效作用，可以計算得出正壓力的大小和作用點。圖4-1靜載荷下領(lǐng)蹄的受力情況在不計摩擦力的情況下，領(lǐng)蹄與從蹄的受力情況完全相同。采用理論分析正壓力得到正弦分布力以得到逼真的實際路面情況。把它施加在兩者的接觸表面上。靜載荷工況和它有著類似的受力。因此制動蹄與制動鼓所受的最大正壓力相等。領(lǐng)蹄摩擦力在不斷增大，這種情況下領(lǐng)蹄的促動力在減小。而從蹄的促動力在其摩擦力減勢的作用下被增大了。制動鼓制動時受力簡圖如圖4-2所示圖4-2制動鼓制動時領(lǐng)蹄受力簡圖三維模型先將基準(zhǔn)平面選好。選擇草圖先繪制好基座，然后點擊拉伸命令。再在俯視平面上進(jìn)行繪制并拉伸。然后點擊鏡像命令，使其關(guān)于坐標(biāo)軸對稱。如圖4-3所示圖4-3鼓式制動器的制動蹄接下來繪制摩擦襯片的三維模型。與之前的步驟相同，先將基準(zhǔn)平面選好，然后繪制出摩擦襯片的俯視圖并點擊鏡像命令將其關(guān)于坐標(biāo)軸對稱，下一步點擊拉伸命令，將二維圖形轉(zhuǎn)換為三維圖形，就可以得到如圖4-4摩擦襯片的三維模型。圖4-4摩擦襯片接下來按照上述方法繪制制動鼓，如圖4-5所示。圖4-5鼓式制動器制動鼓有限元模型導(dǎo)入首先，將CATIA模型保存為stp格式，然后打開ANSYS，點擊StaticStructural將保存的stp格式的文件打開，接著進(jìn)入Mechanical就可以看到之前建好的模型，如圖4-6，4-7所示。圖4-6ANSYS中的摩擦襯片模型圖4-7ANSYS中的制動蹄模型汽車制動有限元分析選擇單元類型與材料為了便于后續(xù)的計算，將實體模型劃分為若干個網(wǎng)格，選用混合型網(wǎng)格。設(shè)定好參數(shù)，就可以在模型樹上點擊網(wǎng)格劃分。為檢驗鋁合金和灰鑄鐵哪種材料作為制動蹄片的材料更為合適。如圖4-8，4-9所示，分別將鋁合金和灰鑄鐵選為制動蹄片的材料。圖4-8選取灰鑄鐵作為材料圖4-9選取鋁合金作為材料在軟件中設(shè)定載荷摩擦襯片與制動鼓內(nèi)表面接觸產(chǎn)生應(yīng)力，其表面受到的力較為均勻，為了能夠直觀的表現(xiàn)摩擦襯片上施加的載荷，將載荷施加的位置調(diào)整至摩擦襯片外側(cè)中部，如圖4-10所示。圖4-10對摩擦襯片施加載荷而制動蹄由于是外側(cè)與摩擦襯片相接觸，將載荷施加的位置調(diào)整至制動蹄外表面，如圖4-11所示。圖4-11對制動蹄施加載荷在軟件中設(shè)定約束在接著對摩擦襯片施加約束，由于摩擦襯片緊附著制動蹄，可視為對摩擦襯片的約束，因此對摩擦襯片內(nèi)表面設(shè)定約束，如圖4-12圖4-12對摩擦襯片設(shè)定約束 對制動蹄的固定處施加約束，以保證能正常工作，如圖4-13圖4-13對制動蹄設(shè)定約束處理結(jié)果從圖4-14、圖4-15兩張圖可以明顯看出，變形量最大的位置是制動蹄的頂端，最小的變形量在其固定位置。其分布變化為由頂端至固定處遞減的狀態(tài)。圖4-14鋁材料制動蹄的總變形云圖將制動蹄片的材料選為鋁合金，施加載荷和約束之后運行，可以從總變形云圖中看出在施加載荷的位置上變形較為嚴(yán)重。圖4-15灰鑄鐵材料制動蹄的總變形云圖將制動蹄片的材料選為灰鑄鐵后，在相同的位置施加大小相同的載荷和約束后運行，可以從總變形云圖中看出在施加載荷的位置上變形程度一般。本章小結(jié)本章首先對制動蹄進(jìn)行受力分析，得到正壓力的大小與作用點，并繪制出靜載荷和受力情況下的受力簡圖。然后使用CATIA繪制出零件的三維模型,并將三維模型改好格式導(dǎo)入ANSYS在一定的條件下進(jìn)行有限元分析。因此最后能得到這樣的結(jié)論，五菱宏光轎車的制動蹄片和摩擦襯片的變形與實際情況相符合，其接觸應(yīng)力和之前的分布規(guī)律相一致，因此能夠滿足需要。應(yīng)當(dāng)對變形量較大的部位采取加固加厚的優(yōu)化措施，以保證所設(shè)計的鼓式制動器在工作中較為穩(wěn)定，也能延長其使用壽命。在分別將制動蹄片的材料選為鋁合金和灰鑄鐵之后，在相同的位置處上施加了大小相同的載荷和約束。經(jīng)過對比總變形云圖可以明顯看出灰鑄鐵作為制動蹄片的材料時變形量低于鋁合金作為制動蹄片的材料。因此將灰鑄鐵選作五菱宏光汽車鼓式制動器的制動蹄片的材料。結(jié)論本課題的主要內(nèi)容是先使用建立了所需零件的三維模型，接著將三維模型導(dǎo)入進(jìn)中，分別以兩種不同的材料對其施加相同的載荷與約束。觀察其變化量的分布規(guī)律以及不同材料變化量的對比。本設(shè)計根據(jù)給定的整車技術(shù)參數(shù)、使用要求，選定了制動器的結(jié)構(gòu)形式，然后對各項參數(shù)計算，校核檢驗其是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。通過得到論文的研究成果能夠總結(jié)以下結(jié)論：（1）分析測量實際物品，以繪制精準(zhǔn)的三維模型，在分析前能夠有效處理，并對下一步的分析提前做出應(yīng)對措施。（2）為模擬制動蹄在與制動鼓接觸時受到載荷時的受力情況，在直觀且方便計算的位置施加方向、大小合適的載荷，并在其固定處施加相應(yīng)的約束。得到制動蹄的頂端變形量最大，最小的變形量在其固定位置。其分布變化為由頂端至固定處遞減的狀態(tài)的結(jié)論。（3）對制動蹄的材料進(jìn)行了分析，確保灰鑄鐵和鋁合金兩種材料在相同位置受到相同載荷的情況下，比較模型變形量的大小，選取變形量較小的灰鑄鐵作為制動蹄的材料。采用有限元分析的方式能夠直觀的表現(xiàn)其在工作時的狀態(tài)，并對選用合適的材料、優(yōu)化制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強穩(wěn)定性和安全性并強化制動效能有著積極而深遠(yuǎn)的意義。參考文獻(xiàn)[1]劉軍.汽車制動器的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2017[2]劉少華,劉晨.論述汽車制動器剎車原理及發(fā)展方向[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2016[3]甄宗建.汽車鼓式制動關(guān)鍵部位研究[D].北華航天工業(yè)學(xué)院,2014[4]鼓式制動器的有限元分析[J].劉立剛,王學(xué)林.專用汽車.2003[5]張帥鵬,張安寧.基于ANSYSWorkbench的鼓式制動蹄的模態(tài)分析和拓?fù)鋬?yōu)化[J].煤礦機械.2016[6]鄭彬,殷國富.農(nóng)用自卸車制動蹄有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2019[7]李鵬.重卡鋁鎂合金制動器改進(jìn)設(shè)計與分析[D].中北大學(xué),2019[8]王吉忠,王增文,楊志誠,夏波.鼓式制動器制動蹄的有限元分析[J].制造業(yè)自動化,2015[9]韓文明,呂振華.關(guān)于鼓式制動器效能因數(shù)變化特性的新探討[J].公路交通科技,2004[10]侯艷,張武.貨車鼓式制動器組件接觸特性研究[J].新技術(shù)新工藝,2016[11]杜平安．有限元網(wǎng)格劃分基本原則［J］．機械設(shè)計與制造，2000[12]石秀勇,胡云萍,鄭媛媛,倪計民.汽車鼓式制動器瞬態(tài)溫度—應(yīng)力場三維仿真與模擬[J].汽車技術(shù).2013[13]馮向波,喻高遠(yuǎn),孫瑞,孫汝奇,石永軍.新型盤鼓式制動器設(shè)計與分析[J].機械設(shè)計,2015[14]騰訊網(wǎng).盤式制動器原理,2016[15]汽車工程手冊編輯委員會．汽車工程手冊·設(shè)計篇：人民交通出版社，2001[16]楊生建.車輛鼓式制動器結(jié)構(gòu)原理及發(fā)展研究,2018[17]FrictionalWearandThermalFatigueBehavioursofBiomimeticCouplingMaterialsforBrakeDrums[J].YuZhao,Lu-quanRen,XinTong,HongZhou,LiChen.

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