汽车盘式制动分析毕业设计论文DOC.docx

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汽车盘式制动分析毕业设计论文DOC

摘要

随着社会的不断发展，汽车俨然成为了人们日常生活中重要的交通工具之一，而制动器对于汽车安全性与汽车舒适性的重要影响，以及如何降低汽车的制动振动噪声己经成为当今汽车研究的一个重要课题。

论文首先介绍了制动器的发展史、制动器振动的国内外研究现状，接着介绍了建立多柔体动力学模型的理论基础、盘式制动器自激振动的理论基础，这为制动器的研究提供了理论依据；随后又详细阐述了如果运用三维建模软件CATIA建立盘式制动器的虚拟样机；紧接着探讨了利用有限元软件ANSYS和动力学软件ADAMS建立盘式制动器多柔体动力学模型的方法步骤，即如何利用有限元软件ANSYS建立制动盘与制动块的模态中性文件（MNF）；得到模态中性文件后，制动器多柔体动力学模型在ADAMS中的建模过程包括：

导入柔性体；对导入的刚性体构件则需要赋于一定的材料属性，接着进行装配、添加各部件之间的约束。

对于制动盘与制动块之间正压力和摩擦力采用接触力约束的方式实现。

通过对盘式制动器多柔体动力学模型的仿真，得到制动盘角速度、角减速度、摩擦力、轴向加速度等变化曲线。

本文中建立的制动总成的模型不仅仅考虑了制动器本身的零部件的变形，同时还考虑了车轮转动惯量以及整车平移和旋转部件的等效转动惯量对制动过程的影响。

仿真结果能够反映制动时的不均匀磨损和低频振动的现象，但是未能反映出制动器的振动的对整车的影响，要仿真这一影响因素的话，必须要建立整车的模型，并考虑悬架等对制动力矩的影响。

本文中建立制动器的多柔体模型的方法是具有通用性的，为研究此类问题提供了一种可行的方法。

可以更换其中的任意的部件或者将该力学模型应用到其他的柔性体相接触的摩擦问题里面，为分析各种结构的制动器和其他的接触摩擦工况提供了便利。

关键词：

盘式制动器；虚拟样机；振动；多柔体模型

Abstract

Withthedevelopmentoftheeconomy,thevehicleshavebeenoneofthebestmeansoftransportationinmoderntime.Becausethebrakesplayanimportantpartinthevehicles’SafetyandComfort,howtoreducethecars’brakevibrationandnoisehasbecomeanimportantresearchtopic.

Firstthepaperintroducedthehistoryofbrakes.theresearchstatusofbrakevibration,thenintroducedamulti-bodydynamicmodelofthebasictheoryandself-excitedvibrationtheoreticalofthediscbrakevibration.Allthesetheoriesprovideafeasiblemeansforfurtherdevelop.Next,introducedhowtobuildtheflexiblemulti-bodyofthebrakesystemusingtheFEAtechnologyandthemulti-bodydynamictechnology.Includinghhowtogetthemodelneutralfile（MNF）ofthebrakediscandbrakepadbyutilizingtheFEAtechnology.IntheprocessofbuildingtheMNF,thefreemodelanalysisofthebrakediscandpadswerestudied.Introducedtheprocessofthemulti-bodydynamicsmodeling:

importflexiblebodiesandrigidbodies,inordertocalculateaccurately,shouldgavetherigidbodiesacertainmaterialproperties,addtheconstraintsbetweenthediscandbrakepadswereachievedbythecontactcommand.

Thebrakeangularvelocityandaccelerationcurvescanbecarriedoutbydynamicalsimulationandanalysis.Theflexiblemulti-bodymodelnotonlyconcernedtheflexibilitydeformationofthecomponentsofthebrakesystem,butalsoconcernedtheinfluenceofmomentofinertiaoftherotatingcomponentsoftheautomobile,sothesimulationwasmorereasonable.Themethodofbuildingtheflexiblemulti-bodymodelisuniversalanditcanbeusefulforfuturediskbrakenoiseanalysisandstructuraloptimizationdesign.

Keywords:

discbrakes;virtualprototyping;vibration;flexiblemuiti-bodymodel

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1制动器的分类与结构1

1.2汽车制动系统所存在的问题2

1.3制动器的研究现状4

1.3.1国内研究现状4

1.3.2国外研究现状5

1.4本课题的研究意义以及主要的研究内容5

2盘式制动器设计7

2.1设计前提条件7

2.2盘式制动器主要参数的确定7

2.3建立盘式制动器模型8

3制动器刚体模型分析15

3.1多刚体系统动力学15

3.1.1多刚体系统的坐标系15

3.1.2多刚体系统组成成分15

3.1.3多刚体系统的自由度16

3.1.4多刚体系统的动力学方程16

3.2刚体动力学模型的建立19

3.2.1SimDesigner简介19

3.2.2在Adams中导入刚体动力学模型19

3.2.3Adams简介22

3.3制动器刚体模型在Adams中的仿真与分析24

3.3.1盘式制动器的工作原理24

3.3.2设置制动力和初始角速度25

3.3.3设置制动盘转动惯量26

3.3.4制动器摩擦副的实现30

3.3.5仿真结果与分析34

4制动器的刚柔耦合分析38

4.1Ansys简介38

4.2建立刚柔耦合模型41

4.2.1制动盘的柔化41

4.2.2在ADAMS中导入柔性体49

4.3仿真与分析56

结论62

致谢63

参考文献64

附录A：

外文资料原文65

附录B：

外文资料中文翻译71

1

绪论

1.1制动器的分类与结构

制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件，后一提法适用于驻车制动器。

除了竞赛汽车上才装设的、通过张开活动翼板以增加空气阻力的空气动力缓速装置以外，一般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的旋转角速度降低，同时依靠车辆与轮面的附着作用，产生路面对车轮的制动力，以使汽车减速。

凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦作用产生制动力矩的制动器，都称为摩擦制动器。

目前，各类汽车所用的的摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。

前者摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其工作表面为圆柱面；后者的旋转元件则为圆盘状的制动盘，以端面为工作表面。

盘式制动器又叫做碟式制动器，一般是由液压控制，主要的部件有制动盘、制动钳、固定器，制动轮缸等组成。

盘式制动器分为两类：

浮钳盘式和定钳盘式。

定钳盘式制动器的制动钳固定安装在车桥上，既不能旋转，也不能沿着制动盘轴线方向移动，因此必须在制动盘的两侧都安装制动块的促动装置，以便于将两侧的制动块分别压向制动盘。

定钳盘式制动器的缺点就是：

1、制动盘的两侧各有液压缸，使制动钳的结构复杂。

2、液压缸分装于制动盘的两侧，制动液必须跨越制动盘的钳内油道或者外部的油管。

3、热负荷较大，液压缸和跨越制动盘的钳内制动管路或者是外部油管内的制动液容易气化。

4、若想兼用于驻车制动装置，则必须要添加一个机械促动的驻车制动钳。

由于上述的种种原因，定钳盘式制动装置已经很难适应现代轿车的发展趋势，也逐渐的在70年代以后让位于浮钳盘式制动器。

浮钳盘式制动器的制动钳可以沿着制动盘的轴向方向移动，只在制动盘的内侧设置液压缸，而外侧的制动块则附装在钳体上，其工作原理如图1.1所示。

图1.1浮钳盘式制动器

与定钳盘式制动器相反，浮钳盘式制动器的单侧液压缸结构不需要跨越制动盘的油道，故不仅轴向和径向的尺寸较小，又可能布置的更加接近轮毂，而且制动液受热气化的可能性也大大降低了。

此外，浮钳盘式制动器在兼行车和驻车制动的情况下不需要加设驻车制动钳，只需要在行车制动钳液压缸的附近加装一些用于推动液压缸活塞的驻车制动机械传动零件即可。

盘式制动器的制动效能相对稳定一些，而且在浸水后制动效能降低较少，间隙的自动调整机构也比较简单。

但是也有其自身的缺陷：

1、制动器和制动管路的制造要求比较高；

2、摩擦片的损耗相对较大，成本比较高，而且由于摩擦片的工作面积较小，需要的制动液压就比较高，必须要助力装置。

目前盘式制动器在轿车上的应用比较广泛，而鼓式制动器在货车上的应用较为普遍一些。

1.2汽车制动系统所存在的问题

制动器的组成部件很多，其中的主要的部件包含制动盘、摩擦片、固定器、制动钳体等。

汽车制动的过程中各个部件均受到复杂的力和力矩的作用，因此容易造成制动盘、摩擦片、固定器、钳体的变形等，引起磨损不均匀。

有时制动器还会产生振动，引起噪声，甚至引起方向盘、制动踏板、制动底板和座椅的剧烈抖动。

振动还会引起汽车跑偏，严重影响汽车的稳定性能。

制动器在制动过程成中因使用不当或制造、装配误差及设计不合理等因素，还会有一些工作不良或故障现象发生，以下对这些现象和原因进行简要介绍：

1、磨损不均匀，结合不同步，导致先接触点的压力急剧加大，局部摩擦力超过摩擦片和制动盘表面的应力极限值，导致严重的局部的磨损或者是损伤，并且会导致制动盘和摩擦片的局部温度迅速升高，局部烧伤摩擦片，失去制动能力。

结合不同步的主要原因还是制动器的低频和高频共振诱发制动系统的变形引起的。

2、制动振动：

制动振动按照发生机理可以将其分为3类：

低频抖动、中频颤动和高频啸叫。

制动抖动是指车辆在一定车速范围内实施制动时引起转向盘、制动踏板、车身底板和座椅的剧烈抖动现象，是制动引起的振动的一种。

低频抖动主要是由制动力矩波动引起的低频强迫振动，抖动的频率和车速呈现一定的阶次关系，频率在100Hz以下，通常是10-50Hz.抖动一般发生在车辆高速行驶并进行中等强度的制动时。

当车速下降到一定程度的时候制动抖动消失，制动抖动一般由低阶扰动引起。

中频颤振是制动盘和摩擦片表面的摩擦特性引起的，频率是100-1000Hz。

制动引起的颤振一般发生在车速较低的情况下（低于10km/h）。

高频啸叫与制动系统元件的模态有关系，而与车速没有关系，制动啸叫的频率一般在1000Hz以上，并通过空气进行传播。

现在一般认为高频啸叫是制动系统的一种自激振动。

3、制动跑偏和侧滑：

制动过程中车身不按照原路线和方向减速停车，而是自动脱离原行驶轨迹，偏向左或者是右侧产生移动，这种现象就是制动跑偏。

这种情况极容易造成交通事故。

制动跑偏的原因除了车辆设计本身的问题以外，其根本的原因就在于左右车轮的制动效果不一致，特别是两前轮的制动效果不同时，更加容易出现制动跑偏的现象。

当左右车轮的路况一致的情况下，那么原因就归结于左右车轮的制动力矩不等，各个制动器的正压力、摩擦系数、接触面积，制动间隙以及各个零件所处状态的差异，都会导致左右制动力矩的不等。

因此在维修调整的过程中要尽量的保持制动摩擦力矩的一致。

另外由于制动抱死状态下，路面的纵向附着系数增加到最大，因此造成侧向的附着系数急剧下降，容易造成制动侧滑现象。

4、摩擦片相变和“表面碳化”现象：

制动摩擦片的相变是指摩擦片在经过持续高温作用下冷却后的残余厚度增量。

制动时摩擦片相变发生的主要原因是摩擦材料在持续高温后，密度会有所降低；不合格摩擦片的高温厚度增量甚至会达到1mm，相变会达到0.5mm；摩擦片的局部相变也是造成制动尖叫和制动自锁的主要诱因。

制动器摩擦片的“表面碳化”，是指由于摩擦片的加工工艺采用了硫酸钡等粘结材料，在制动高温的作用下，与制动摩擦产生的微粒，在摩擦片表面烧结形成光滑的硬化层。

“表面碳化”降低制动效能，并诱发制动尖叫。

以上的这些现象的发生直接影响这制动器的制动效能，从而影响汽车的行驶安全性。

1.3制动器的研究现状

盘式制动器振动及其引起的噪声，成为现代汽车工业难于解决的课题，主要困难是制动振动难以捕捉和重复，以及很多设计参数影响制动振动的产生。

制动振动被认为是复杂的制动系统结构不稳定的表现，研究人员通过实验分析认为，制动器主要振动形式为制动盘的弯曲振动，摩擦衬垫振动是制动器发生振动的诱导因素，是振动的发动机，运动部件制动盘是振动的能量源，振动主要来自制动盘表面。

1.3.1国内研究现状

文献[1]借助有限元和模态综合技术建立了盘式制动器制动尖叫的摩擦耦合模型，建模步骤:

建立各部件的有限元模型，经试验验证后提取其模态参数；确定摩擦耦合环节及各弹性耦合环节的联接参数;选择模态综合方法，进行模态综合。

通过复模态分析，得到了对应于每阶振动模态的阻尼和频率，模态阻尼值揭示了哪些模态不稳定并有可能产生尖叫，最后运用耦合模型研究了摩擦因数和子结构模态对制动尖叫的影响。

文献[2]在文献[1]的基础上分析了摩擦面的摩擦耦合与各部件联接面的弹性耦合对耦合模型的影响，并发现制动钳支架的某阶弹性模态是影响尖叫发生的关键，修改该阶模态即有可能抑制制动尖叫。

文献[3]针对一个有尖叫倾向的实际样车应用耦合模型，通过分析子结构模态与耦合系统不稳定模态的关系，定量地得到了各子结构模态对制动尖叫的影响大小，从而得到了决定尖叫产生与否的关键因素—支架的第n阶模态，针对该阶模态提出了结构修改方案，通过对比试验，验证了该方案确实有抑制尖叫的作用。

近年来，有限元方法己经成为了模拟盘式制动器系统和研究制动噪声问题必不可少的工具。

目前汽车制动器振动研究广泛采用了有限元方法，进行制动器的受力分析和复模态分析[4]。

复模态方法是把制动器非线性振动用线性振动近似求解，对多自由度振动系统，如果物体之间是弹性连接，可能存在共振。

制动器复模态分析，求解零件可能的共振频率，是线性化稳态分析得出近似解。

若要更准确分析制动器振动频率，以及制动器摩擦接触存在较强的非线性特征，唯一的方法是用瞬态分析方法对制动器系统作动力学分析[5]。

瞬态分析的摩擦模型可以是复杂非线性模型，通过瞬态分析方法，能分析摩擦特征和模态祸合共同作用下的制动器振动。

瞬态分析目前主要是采用有限元软件[6]或者多体动力学软件[7]~[9]，有限元既有采用显式积分法也有采用隐式积分法。

1.3.2国外研究现状

文献[10]~[12]研究了摩擦片与制动盘接触时的接触面积对制动振动的影响，通过部件参数化设计和优化制动块形状，使得作用在制动块上压力得以均匀分布。

文献[13]将目前仿真和分析方法分为两大类：

频域内的复模态分析和时域内的瞬态动力学分析有限元复模态分析方法根据分析结果，通过改变零件的形状改变其模态，选用不同的材料改变系统刚度矩阵，优化系统结构来消除振动。

该方法仅考虑了模态耦合，而未计及摩擦特征、制动压力和制动盘旋转速度等重要参数的影响，而瞬态动力学方法则能分析摩擦特征和模态耦合共同作用下的制动器振动。

文献[14]通过考查由在一点滑动接触的两个线性子系统组成的简化制动器系统的稳定性，研究制动振动现象的内在机制；在摩擦因数恒定的情况下，制动系统的不稳定性与非耦合子系统中具有连续频率的3个模态和在接触点以适当信号表示出的位移有关。

文献[15]建立了浮钳盘式制动系统的兼备集中和分布式参数的线性仿真模型，并指出由摩擦力引起的部件模态耦合是制动系统尖叫产生的原因;制动噪声频率与每个部件特别是制动盘的模态有关;系统中4700Hz左右的不稳定模态引发的制动盘与制动衬块之间的模态耦合和10000Hz以上不稳定模态引发的制动盘分离模型下的模态耦合，是导致制动系统不稳定的原因；文中还通过参数化分析得出结论：

摩擦因数、衬片刚度、制动衬块长度和衬片厚度变大，系统不稳定性增加；制动盘和制动衬块的弹性模量和质量增大，系统稳定性提高。

1.4本课题的研究意义以及主要的研究内容

制动器是汽车制动系统中最重要的安全部件，对汽车制动器的工作过程进行深入的分析、研究具有十分重要的意义。

制动器的工作环境复杂，影响因素很多，有些现象具有不可重复性，试验研究虽然是最好的方法，但这要消耗大量的人力和物力，尤其是在产品的开发阶段更是非常困难。

而且所得到的结果只能告诉我们产品是否被破坏及其破坏时的一些现象，并不能分辨出为何破坏，是哪些外力因素直接导致的产品的破坏，要将各个外力因素逐个的隔离也很困难。

但是随着计算机技术的发展，各种CAD/CAM/CAE分析软件的开发，使得模型的建立更加准确、直观，也更加能反映出原车的实际情况，日益完善的算法也更加能保证计算结果的可信程度。

因此，本研究集合有限元分析理论和动力学分析理论，结合现有的有限元和动力学分析软件，基于现有的制动器的结构图，了解制动过程中的各个部件的特性，便于快速的进行制动器的改良和改进。

制动摩擦片与制动盘虽然刚度系数很大，但并不是刚性体，一旦它们之间有相互力作用，必然会产生一定量的变形，而且是随时间变化的。

如果变形太大，就会有发啃和振动等现象的发生。

本论文针对制动器在制动过程中，出现制动器异常磨损和振动等现象，进行多柔体动力学建模，分析对异常磨损和振动的影响因素。

为这一问题的深入研究提供一种可行的研究手段和数据参考。

本论文的分析重点：

1、刹车作用进行时，摩擦力和正压力的分布情况，及其随时间的变化情况；

2、制动盘在制动过程中的速度，减速度，分析其振动情况；

主要的工作内容：

本论文主要应用Ansys做有限元分析，应用Adams做动力学分析，主要的研究过程如下：

1、将现有的Catia三维结构模型导入到Ansys中进行几何处理，包括对模型的一些简化工作；

2、在Ansys中进行有限元网格的划分，材料的定义以及单元格的属性的定义等等。

3、将制动盘在Ansys中生成柔性体，到处MNF中性文件。

4、将MNF格式中性文件导入Adams中施加约束及载荷进行动力学的分析；

5、利用Adams后处理器察看模型的分析的具体的结果，包括振动频率、摩擦力、正压力以及制动减速度等等；

2盘式制动器设计

本章简要介绍了某车型的盘式制动器的设计过程，并对于设计后的制动盘参数，使用Catia进行三维实体建模，并简要介绍了逆向建模的方法。

2.1设计前提条件

本文采用大众公司的一款汽车进行盘式制动器的设计，车型参数如下：

整车质量：

1909/2503，整车质心：

580/698，轴距：

2985，驱动形式：

前置后驱，前轴轴荷：

1006/1174，后轴轴荷：

903/1356，轮胎型号：

205/70r15，轮胎半径：

340.5，轮缸直径：

36，制动器作用半径：

120。

（单位：

Kg-s-mm-N-Deg）

2.2盘式制动器主要参数的确定

（1）制动盘直径D

制动盘直径D应尽可能取大些，这是制动盘的有效半径得到增大，可以减小制动钳的夹紧力，降低衬块的单位压力和工作温度，受轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为70％～79％，而总质量大于2t的汽车应取上限。

在本设计中：

取D=240mm。

（2）制动盘厚度h

制动盘厚度h直接影响着制动盘质量和工作时的温升。

为使质量不至太大，制动盘的厚度不宜过小。

制动盘可以制成实心的，而为了通风散热，有可在制动盘的两个工作面之间铸出通风孔道。

通常，实心制动盘厚度可取10mm~20mm；具有通风孔道的制动盘的两个工作面之间的尺寸，即制动盘的厚度取20mm~50mm，但多采用20mm~30mm。

在本设计中：

制动盘采用实心盘，厚度为12mm。

（3）摩擦衬块内径R1与外径R2

推荐摩擦衬块外半径R2与内半径R1的比值不大于1.5。

若此比值偏大，工作时衬块的外缘与内侧圆周速度相差较多，磨损不均匀，接触面积减小，最终将导致制动力矩变化过大。

在本设计中：

取R1=110mm，R2=154mm。

（4）摩擦衬块工作面积A

一般摩擦衬块单位面积在1.6

～3.5

范围内选取，考虑到现今摩擦材料的不断升级，此范围可适当扩大些。

本次设计使用半金属摩擦材料。

其摩擦优于石棉材料。

故取制动器的摩擦衬块工作面积75

。

2.3建立盘式制动器模型

本文采用CATIA建立制动器的三维模型。

CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。

作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。

模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。

CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。

通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。

自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。

CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：

汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。

为了便于导入ADAMS和ANSYS中去，采用的版本是V5R17。

所需要建立的主要零部件如图2.1所示。

采用CATIA的机械零件模块即可基本建立出所需要的零件。

因为本文的重点并不是建模，而是刚柔耦合的分析，所以对于制动钳体上的部分复杂曲面，采取简化的方式，避免使用CATIA中的曲面模块。

图2.1制动器主要零件

本文设计的制动器模型形状与桑塔纳2000型轿车的制动盘相近，故为了勾勒轮廓的的简便，采用逆向建模。

大致步骤如下：

1、进入CATIA的SketchTracer模块，进行正视图的导入。

2、点击正视图，随后再点击CreatanImmersiveSketch，在弹出的文本框中选中要导入的图片文件。

双击图片，拖动剪头，截取长度，并在数值处输入参数，进行参数化的设置。

如图2.2所示。

3、点击进入零件设计模块，再进入草图平面，则可以根据图片的轮廓描出制动块的大致形状，如图2.3所示，此方法比直接进行参数化要方便很多，在对精度要求不是特别高的情况下，不失为一种快速的建模方法。