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3.5.2定义目标单元 ..................................................................................................... 26 3.5.3定义接触单元 ..................................................................................................... 27 3.5.4设置接触状态 ..................................................................................................... 28 3.5.5检查接触单元情况 ............................................................................................. 29 3.6位移边界条件 ............................................................................................................ 29 3.6.1制动蹄的位移边界条件 ..................................................................................... 29 3.6.2 制动鼓的位移边界条件 .................................................................................... 30 3.6.3 施加载荷 ............................................................................................................ 31 3.7计算结果及分析 ........................................................................................................ 33 4制动器的有限元模态分析 .............................................................................................. 37 4.1引言 ............................................................................................................................ 37 4.2模态分析设置 ............................................................................................................ 37 4.3制动鼓模态分析 ........................................................................................................ 39 4.4制动蹄的模态分析 .................................................................................................... 45 总结 ..................................................................................................................................... 51 参考文献 ............................................................................................................................. 52 致 谢 ................................................................................................................................... 53
IV
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1绪论
1.1引言
汽车是现代交通工具中用得最多，最普遍，也是最方便的交通运输工具。汽车制动系是汽车底盘上的一个重要系统,它是制约汽车运动的装置。而制动器又是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关健装置，是汽车上最重要的安全件。汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大,人们对安全性、可靠性要求越来越高，为保证人身和车辆的安全,必须为汽车配备十分可靠的制动系统。本次毕业设计题目为Santana2000轿车制动系统设计。
通过查阅相关的资料，运用专业基础理论和专业知识，确定Santana2000轿车制动系统的设计方案，进行部件的设计计算和结构设计。使其达到以下要求：具有足够的制动效能以保证汽车的安全性；本系统采用X型双回路的制动管路以保证制动的可靠性；采用真空助力器使其操纵轻便；同时在材料的选择上尽量采用对人体无害的材料。
汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在长坡时能维持一定车速的能力，称为汽车的制动性。汽车的制动性由：（1）制动效能即制动距离和制动减速度；（2）制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。（3）制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑，以及失去转向能力的性能；三方面来进行评价。
对制动系的设计要求主要有以下各项；
（1）应具有足够的制动力，工作可靠。 一般在水平干燥的沥青，混凝土路面以上初速度30Km/h制动时，制动距离应保证：对轻型载货车不大于7m,中型载货汽车不大于8m,重型载货汽车不大于12m,停车制动的坡度：对于轻型货车不小于25%，中型货车不小于20%；
(2)操纵应轻便。操纵制动系所需的力不应过大，对重型载货汽车，这点极为重要。一般要实施于踏板上的力不应大于200-300N；紧急制动时，不超过700N。施于手制动杠上的不大于250-350N；
(3)制动稳定。前后轴上的制动力分配应合理，左右车路上的制动力应相等；以免汽车在制动时发生侧滑和跑偏；
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(4)制动应平稳。制动时，制动力的增加应迅速，平稳。解除制动时，制动作用应迅速消除；
(5)避免自行制动。在车轮跳动或汽车转向时，不应引起自行制动；
(6)散热性好，摩擦片的抗热衰退能力要高，磨损后的间隙应调整，并且能防水，防油，防尘等。
(7)工作可靠性。制动系各部分工作应可靠，即使在系统的某些部分失效时也不至于完全丧失制动能力。为此，制动系中应有必要的安全设备和报警装置。
(8)公害程度，要求制动时制动系本身和轮胎的噪声尽可能小，并力求减小飞散在空气中的有害于大体的石棉纤维。
(9)有良好的冷态制动效能，能产生足够的制动力，使汽车的行车制动，应急制动和驻车制动性能符合强制性标准的要求。
汽车用机械摩擦式制动器可分为鼓式与盘式两种。鼓式制动器按制动可分为：领从蹄式，双领蹄式，双向双领蹄式，单向增力式等多种形式。鼓式制动器是最早形式的汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛用干各类汽车上。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型式。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，后者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半袖套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮鼓上。制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦路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，并利用制动鼓的外因柱表面与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。在汽车制动系中，带式制动器曾仅用作一些汽车的中央制动器，但现代汽车已很少采用。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。
领从蹄式制动器如图所示，若图上方的旋向箭 头代表汽车前进时制动鼓的旋转方向(制动鼓正向旋转)，则蹄1为领蹄，蹄2为从蹄。汽车倒车时制动鼓的旋转方向变为反向旋转，则相应地使领蹄与从蹄也就相互对调了。这种当制动鼓正、反方向旋转时总具有一个领蹄和一个从蹄的内张型鼓式制动器称为领从蹄式制动器。领蹄所受的摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有“增势”作用，故又称为增势蹄；而从
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蹄所受的摩擦力使蹄有离开制动鼓的趋势，即摩擦力矩具有“减势”作用，故又称为减势蹄。“增势”作用使领蹄所受的法向反力增大，而“减势”作用使从蹄所受的法向反力减小。领从蹄式制动器的效能及稳定性均处于中等水平，但由于其在汽车前进与倒车时的制动性能不变，且结构简单，造价较低，也便于附装驻车制动机构，故这
种结构仍广泛用于中、重型载货汽车的前、轮制动器及轿车的后轮制动器
图1.1 S液压式领从蹄式鼓式制动器结构示意图
1.2汽车制动系发展历史
早期汽车制动器采用的是与四轮马车相同的轮胎制动器。它利用一个长杠杆把一块摩擦衬片垫紧压在轮胎上来完成制动。1889年，德国人戴姆勒把制动鼓装在汽车后轮上，再绕上钢缆而成为制动装置。1898年，美国人埃 安 斯佩里设计汽车采用了第一个前轮盘式制动器。1902年，美国人奥尔兹在纽约沿河大道上作了一次重要的制动试验，所用的是抱闸带式制动器，当踩下制动踏板时，制动带把车轮箍紧而使汽车停住。到1904年，几乎所有厂家都在其新车的后轮上都安装了此种抱闸带式制动器。1902年，法国的雷诺发明鼓式制动器。同年英国人廷切尔在汽车上首次使用了空气制动器，利用压缩空气配以活塞和杠杆等产生很大的推力以顶住车轮。1907年，英国人弗罗特提出用石棉板作制动片的设想，随后被用于解决制动产生的噪音问题。1911年，法国人别儒设计出第一个四轮制动器。1918年，英国人洛克希德制造出了液压制动器，它是利用液压主缸和油管把压力油传递到制动轮缸，使制动系压紧制动鼓。1921年，美国人杜森贝克才第一个在汽车的四个轮子都装上了液压制动器，
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组成了完整的汽车液压制动系统。1955年，英国道路研究所实验室研制出了第一个实用的防抱死制动装置，并被命名为“马克斯雷”。1960年，重型汽车开始使用排气制动器，并在20世纪70年代生产的轻型汽车上得到普及。1973年，电子式摩擦片磨损警报装置开始使用。当摩擦片达到磨损极限时，就会立刻发出警报。1985年，通用汽车公司首先在汽车上采用电动助力制动器，它是一种全液压装置。
1.3鼓式制动器有限元分析的国内外研究状况
国内汽车鼓式制动器的研究起步较晚，基本上还是处在从运动学、动力学、摩擦学及振动学分析到热学与热弹耦合的过渡阶段。从研究方法上来看，以三维实体建模、动力学仿真和有限元为主线的虚拟样机技术已经被运用到鼓式制动器的研究当中，与国外相比，还很不成熟。1993年，华南理工大学的王涛、朱文坚对制动摩擦副材质对制动性能的影响做了研究，并提出了制动副材料的最佳匹配问题。同济大学方明霞等人用有限元法建立了鼓式制动器摩擦片的力学模型，分别计算了摩擦片在力场和温度场中的应力分布。2003年清华大学的吕振华利用有限元分析软件ADINA建立了鼓式制动器热弹顺序耦合动力学分析的三维有限元模型，通过仿真计算得到制动器工作过程中摩擦副间接触力分布、制动鼓瞬态温度场等重要信息。2005年清华大学的李亮进行了制动过程中能量耗散的研究，建立了循环制动过程中温度场分析的快速有限元仿真模型，通过试验验证，确认了仿真模型的正确性。2006年，长安大学依据传热学理论和鼓式制动器的结构特点，分析了鼓式制动器的生热和散热过程，并用有限元法建立了制动鼓瞬态温度场数值模拟计算模型，得出了鼓式制动器温度场的三维分布状况，对促进制动器的设计具有一定的现实意义。2006年北京科技大学的宁晓斌采用有限元软件ANSYS、多体动力学仿真软件MSC.ADAMS建立了鼓式吉林大学硕士学位论文制动器的虚拟样机模型，对北京首钢重型汽车制造厂32t重型汽车的鼓式制动器进行仿真计算，得出的鼓式制动器的制动效能因数与试验测试结果基本相符。2007年吉林大学用ANSYS建立了制动器的简化零件模型，并对其进行了接触和热分析，通过单场的形式仿真出了制动器零件上的应力场和温度场。2008年马讯和朱前进运用ANSYS对鼓式制动器的制动鼓在各种工况下的温升过程进行了仿真分析，得到了一些有价值的结论。
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