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《汽车制动器的设计及分析》1
上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析目录摘要………………………………………………………………………………1 ABSTRACT ……………………………………………………………………………2 1 引言………………………………………………………………………………… 3 1.1 课题的来源、意义……………………………………………………
………… 3 1.2 主要工作内容…………………………………………………………………… 3 2 汽车制动系统……………………………………………………………………… 4 2.1 制动系统的作用及工作原理…………………………………………………… 4 2.2 汽车制动器类型………………………………………………………………… 4 2.2.1 鼓式制动器…………………………………………………………………… 5 2.2.2 盘式制动器…………………………………………………………………… 7 2.3 汽车制动器的结构……………………………………………………………… 8 2.3.1 鼓式制动器的结构……………………………………………………………… 8 2.3.2 盘式制动器的结构……………………………………………………………… 8 2.4 鼓、盘式制动器的比较分析及选型………………………………………………8 3 制动系统的理论分析……………………………………………………………… 9 3.1 制动时车轮的受力情况………………………………………………………… 10 3.1.1 地面制动力…………………………………………………………………… 10 3.1.2 制动器制动力………………………………………………………………… 10 3.1.3 附着力………………………………………………………………………… 10 3.1.4 地面制动力、制动器制动力与附着力的关系……………………………… 10 3.2 制动力分配系数………………………………………………………………… 111上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析3.2.1 地面对车轮的法向反作用力………………………………………………… 11 3.2.2 理想制动力分配曲线………………………………………………………… 13 3.2.3 实际制动力分配曲线………………………………………………………… 14 3.2.4 同步附着系数………………………………………………………………… 14 3.3 制动器制动力矩的计算………………………………………………………… 14 3.4 制动效能因数…………………………………………………………………… 16 3.5 坡道驻车计算…………………………………………………………………… 17 4 制动系的设计计算………………………………………………………………… 18 4.1 整车参数………………………………………………………………………… 18 4.1.1 制动器设计基本参数………………………………………………………… 18 4.1.2 地面制动力…………………………………………………………………… 18 4.1.3 驻车能力计算………………………………………………………………… 19 4.2 制动器主要参数确定…………………………………………………………… 20 4.2.1 制动盘直径…………………………………………………………………… 20 4.2.2 制动盘厚度…………………………………………………………………… 20 4.2.3 制动衬块外半径与内半径…………………………………………………… 21 4.2.4 制动衬块的工作面积………………………………………………………… 21 4.3 制动器主要结构零件设计……………………………………………………… 22 4.3.1 制动盘………………………………………………………………………… 22 4.3.2 制动钳………………………………………………………………………… 22 4.3.3 制动衬块……………………………………………………………………… 22 4.4 制动轮缸的设计计算…………………………………………………………… 22 4.4.1 盘式制动器的压紧力计算…………………………………………………… 23 4.4.2 制动轮缸的直径和容积……………………………………………………… 232上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析4.4.3 制动主缸直径与工作容积…………………………………………………… 24 4.5 汽车的性能指标………………………………………………………………… 25 4.5.1 制动力分配曲线……………………………………………………………… 25 4.5.2 制动效能……………………………………………………………………… 29 5 紧急制动工况下制动器的温度场及热应力分析……………………………… 30 5.1 有限元软件简介………………………………………………………………… 30 5.2 有限元模型理论基础…………………………………………………………… 30 5.3 有限元计算模型建立…………………………………………………………… 32 5.3.1 几何模型的建立……………………………………………………………… 33 5.3.2 材料属性定义………………………………………………………………… 33 5.3.3 分析步及输出要求设定……………………………………………………… 34 5.3.4 接触定义……………………………………………………………………… 34 5.3.5 边界条件和载荷设定………………………………………………………… 35 5.3.6 网格划分……………………………………………………………………… 35 5.4 计算结果分析…………………………………………………………………… 36 6 总结………………………………………………………………………………… 39 参考文献……………………………………………………………………………… 40 致谢…………………………………………………………………………………… 423上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析摘要汽车工业发展到今时今日，汽车的动力性能已经能够满足绝大多数道路条件和 运输能力的要求。然而，汽车安全事故仍时有发生。因此，汽车安全性已经成为汽 车工业发展中不可忽视的领域。 汽车制动系统是保障汽车安全性的最重要组成部分， 同时其性能好坏与否也是衡量汽车安全性的重要指标。本次毕业设计将通过设计一 个汽车制动器，来系统地了解和学习汽车制动系统。 本文首先对汽车制动系统的作用和工作原理进行简要的说明，通过比较各种类 型汽车制动器结构的优势和不足，确定要设计的制动器的结构形式。然后，理论分 析了汽车制动系统制动时汽车的受力情况、制动力分配和制动器制动力矩等。接下 来，以某国产轿车的整车参数为基础，设计计算了制动器的制动盘、制动衬块、制 动钳等主要部件，并运用 UG 软件对这些部件进行三维建模。最后，利用 ABAQUS 有限元分析软件对制动盘进行了温度场和热应力分析， 确保了制动盘满足设计要求。关键词：制动器,制动力分配,三维建模,有限元分析1上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析Design and Analyze of Automobile BrakeABSTRACTGetting nowadays of the automotive industry, the power performance of the automobile has been able to meet the requirements of most of the road conditions and transportation capacity. However, the car accident still occurs frequently. Therefore, the safety performance of automobile has become an important area of the development of automobile industry. The braking system is the most important part of the automobile safety, and the performance of the automobile is the important indicator of the safety of automobile. This graduation design will design a car brake in order to understand and learn automobile braking system. In this paper, the brake system of the automobile is briefly introduced, and through comparing the advantages and disadvantages of various types of car brake structure, determine the form of the brake. Then, the braking system of the automobile is analyzed, such as the mechanical condition, the braking force distribution and the brake torque of the brake. Next, based on a domestic automobile’s parameters ,it will design and calculate of the main components of the brake, such as brake disc, brake lining block, brake calipers, and use UG software to model these components. At last, the thermal stress and temperature field of the brake disc is analyzed by ABAQUS finite element software to ensure that the selected materials meet the design requirements of the brake disc.Key words:brake， braking force distribution ,three-dimensional modeling， finite element analysis2上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析汽车制动器的设计与分析1 引言1.1 课题的来源、意义 2010 年中国汽车工业协会公布的报告显示，中国汽车生产和销售量提前 5-6 年 超过美国，成为了世界最大汽车消费市场。据预测，到 2020 年中国汽车生产量将达 到两千万辆左右，并且当中两成产品将出口到世界各地。以上这些数据说明，越来 越多人拥有汽车，汽车已成为日常生活中必不可少的交通运输工具，并在国民经济 增长中起着非常重要的作用。然而，现代城市车流密度日益增大，致使交通事故频 频发生，并造成极大的危害。因此，汽车的安全性问题成为了汽车生产商越来越关 注的问题， 而汽车制动性能作为七大汽车性能指标， 其作用就是保障汽车安全性能。 汽车制动系统由许多部件组成，制动器是其中必不可少的部件。汽车在行驶过程中 需要频繁地操作制动器进行制动，其性能可靠与否对道路安全有着很大影响。综上 所述，汽车制动性能是汽车十分重要的性能之一，不断地改进、完善汽车制动系统 终究是汽车设计过程中必不可少的任务。 通过对汽车制动器的学习和设计实践，可以更好的学习并掌握现代汽车设计与 机械设计的全面知识和锻炼学生利用所学知识分析问题和解决问题的能力。 1.2 主要工作内容 本文以某国产轿车为设计对象，基于其整车参数设计该轿车的前轮制动器。主 要内容有一下几项： （1）对轿车制动系统的作用和工作原理进行说明； （2） 对轿车制动器结构形式进行归纳分析， 并总结分析鼓式制动器和盘式制动 器的优缺点，最终确定本设计所采用的制动器形式； （3）对制动系统进行理论设计计算，分析制动系统性能，并确定制动器的结构 参数。 （4）运用 UG 软件对制动器进行三维建模；3上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析（5）运用 ABAQUS 软件对制动器进行有限元分析。2 汽车制动系统2.1 制动系统的作用及工作原理 汽车制动系的作用有:一、用来是行驶中的汽车减速或停车；二、控制汽车在下 坡行驶时的保持稳定的速度；三、汽车可以在原地或斜坡上静止停驻不动。 制动系统一般由能量供应机构、操纵机构、传动机构和制动器等组成。一般的 汽车制动系统工作原理可用图 2.1， 鼓式液压制动系统来说明。 制动鼓 8 被安装在车 轮轮毂上随着车轮旋转运动，通常制动鼓的工作面是其内圆面（少数外束型鼓式制 动器为外圆面为工作面） 。制动底板 11 被安装在车架上，不随车轮转动，两个圆弧 形的制动蹄 10 下端通过两个支撑销 12 安装在制动底板上，并可以绕支撑销转动。 摩擦片 9 镶嵌在制动蹄的外表面。制动时，制动踏板 1 被踩动，带动推杆 2 推动主 缸活塞 3 挤压主缸 4 中的油液，油液通过管路 5 到达制动轮缸 6，使制动轮缸中液 压增大推动中东轮缸中活塞运动，并带动制动蹄绕支撑销转动。这样，制动鼓内圆 面与制动蹄外圆面上的摩擦片摩擦，从而产生与车轮转动方向相反的摩擦力矩，使 制动鼓减速并带动车轮减速。图 2.1 制动系统工作原理示意图2.2 汽车制动器类型4上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析制动器是制动系统中使汽车制动减速的主要部件，它产生阻碍车轮旋转运动或 运动趋势的力矩。大多数的汽车制动器的原理都是制动器中的旋转元件与固定元件 挤压摩擦，从而产生令旋转元件产生制动力矩，使旋转元件的角速度减小。同时由 于地面与车轮的附着条件，使地面产生对车轮的制动力以使汽车减速。 现代汽车主要使用鼓式或盘式这两种摩擦制动器制动器，其产生制动力矩的方 式是由制动器内的固定元件与旋转元件工作表面的相互摩擦而产生。因此，本次毕 业设计也将选择设计摩擦式制动器。鼓式和盘式制动器作为车轮制动器的结构形式 有很多种而且各有特点。 2.2.1 鼓式制动器 内张型鼓式制动器的工作表面为制动鼓的内侧表面，这种制动器被广泛地运用 在各类汽车上，而外束型鼓式制动器的工作表面是制动鼓外侧圆柱面。此外，鼓式 制动器还可以按制动蹄的推动方式分类可分为轮缸式制动器、凸轮式制动器、楔式 制动器。而轮缸式制动器被使用得最广泛，其主要分类如下： （1）领从蹄式制动器 领从蹄式制动器（图 2.2a）(图 2.2b）的两个制动蹄的支承点都在两个制动蹄的 下端。领从蹄式制动器的制动效能及制动效能稳定性与其他形式的鼓式制动器比较 在中等水平。然而，由于无论在车前进还是倒车时，制动性能都不改变，并且其结 构相对简单，成本较低，有利于安装驻车制动机构，因此这种结构的制动器更适于 中重型货汽车的前、后轮制动器及轿车的后轮制动器。 （2）单向双领蹄式制动器 单向双领蹄制动器（图 2.2c）的两个制动蹄的支承点在两制动蹄的不同端。单 向双领蹄制动器的正向制动效能优势突出， 但是， 在倒车制动时， 则变成双从蹄式， 使制动器制动效能大大降低。单向双领蹄式制动器通常作为前轮制动器而用于中级 轿车。由于这种结构的制动器有两个轮缸，在空间上很难添加驻车制动机构。 （3）双向双领蹄式制动器 双向双领蹄式制动器（图 2.2d）的结构特点是两个制动蹄没有固定的支承点是 浮动的，即两个制动蹄的两端都各自连接着轮缸活塞，并靠两个活塞张开蹄片。因 此，无论汽车前进或倒退制动，双向双领蹄式制动器的两个制动蹄始终是领蹄，所5上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析以其拥有高效且稳定的制动效能。这种结构的制动器适用于中轻型汽车的前、后车 轮。但用作后轮制动器时，后轮不能直接装设驻车制动机构，要另外设置中央制动 器。 （4）双从蹄式制动器 双从蹄式制动器的两个制动蹄都有一个不在同一端的支承点，而且支承点的位 置为双领蹄式制动器的刚好相反。各有两个活塞的两个制动轮缸推动制动蹄张开。 双从蹄式制动器的制动器效能最低，但制动效能稳定性最好，一般汽车好少使用这 种形式的制动器。 （5）单向增力式制动器 单向增力式制动器（图 2.2e）的两个制动蹄只有其中一个有一个支承点，另一 个是浮动的，并由推杆把两个制动蹄的下端连接在一起。单向增力式制动器以一个 单活塞的轮缸来产生推力张开制动蹄。单向增力式制动器的制动效能是最高的，但 其制动效能稳定性低。因此这种制动器仅作为汽车的前轮制动器而用于少数中轻型 货车和轿车上。 （6）双向增力式制动器 双向增力式制动器（图 2.2f）制动时，两制动蹄上端部有一个不同时使用的共 用支承点，支承点下方安装了一个有两个活塞的制动轮缸用于推动两制动蹄，两制 动蹄的下端由一个推杆连接。双向增力式制动器能产生很大的制动力矩但制动效能 稳定性差，并且无论前进还是倒车制动，其制动效果都不变。这种制动器常被用作 汽车的中央制动器。6上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析图 2.2 鼓式制动器示意图2.2.2 盘式制动器 盘式制动器可分为钳盘式和全盘式。 （1）钳盘式制动器 钳盘式制动器的固定摩擦元件是制动衬块，旋转元件为制动盘。制动衬块装在 制动钳中，而制动钳又安装在车轴上，不随车轮转动。制动盘与制动衬块发生摩擦 的面积很小，制动衬块在制动盘上的中心角一般在 30 度~50 度，钳盘式制动器还可 以分为以下两种： （一）固定钳式 固定钳式的制动钳在制动盘的两边都设计有制动轮缸，其被安装在车轴上，不 随车轮转动。制动时，仅两制动轮缸中活塞推动的制动衬块向制动盘移动。 （二）浮动钳式 浮动钳式盘式制动器又可以分为滑动钳式和摆动钳式。 滑动钳式：这种结构的制动钳只有内侧的一端设有制动轮缸，这一侧的制动衬 块是可移动的，外侧制动衬块被固定安装在制动钳体上。其最大的特点是制动钳体 可以在制动盘的轴向方向上作一定的移动。制动时，内侧制动衬块被活塞推动并压 向了制动盘。 在反作用力作用下， 制动钳连同外侧的制动衬块压向制动盘的另一侧，7上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析直到外侧与内侧制动衬块的压紧力相等。 摆动钳式：这种结构盘式制动器只有一侧设有制动轮缸，制动钳体与车轴上的 固定支座连接。制动钳运动的方式与滑动式的相比从滑动变成了在与制动盘垂直的 平面内摆动。显然，这样制动衬块的磨损是不均匀的。因此，通常会把制动衬块设 计成楔形。 （2）全盘式制动器 全盘式制动器在制动时各摩擦表面都可以相互接触。这是因为全盘式制动器的 旋转元件及固定元件都设计成圆盘形，其作用原理如同普通汽车的离合器，因此这 种制动器又称为离合器式制动器。 2.3 汽车制动器的结构 2.3.1 鼓式制动器的结构 一般的鼓式制动器主要由制动底板、制动蹄、制动鼓、回位弹簧、制动轮缸、 支承销、调整凸轮等零部件组成。制动底板被固定地安装在车轴上面。制动底板上 装有制动蹄、制动轮缸、回位弹簧、定位销。汽车制动时产生摩擦力矩由制动底板 承受。每个鼓式制动器都装有两个制动蹄，在制动蹄的外圆面上又装有摩擦衬片。 制动鼓被安装在轮毂上，是旋转元件，并随车轮旋转运动。 2.3.2 盘式制动器的结构 盘式制动器主要组成部件有制动轮缸、制动盘、制动钳、支架、制动衬块、油 管等。盘式制动器的制动盘被固定安装在汽车的传动轴上，随车轮转动。制动钳体 安装固定在车轴上，而制动轮缸通常被设计在制动钳体内。制动衬块分别安装在制 动钳体内的两侧， 制动盘在两制动衬块的中间， 并与两制动衬块间留有一定的间隙。 2.4 鼓、盘式制动器的比较分析及选型 相对于鼓式制动器，盘式制动器的优势有一下几点： （1） 热稳定性好。 作用在盘式制动器制动衬块的表面压力比鼓式制动器制动蹄 的更均匀。鼓式制动器的制动鼓与制动蹄摩擦受热，使制动鼓温度升高并膨胀，制 动鼓内径变大，使制动鼓与制动蹄的间隙变小，制动鼓只能与制动蹄的中部接触， 使制动蹄的制动效能降低。而制动盘的膨胀有限，故其性能稳定。 （2）水稳定性好。盘式制动器的制动衬块对制动盘的压紧力较大，致使其单位8上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析压力较高，即使制动盘沾水，也很难渗入到制动衬块与制动盘的间隙中；同时，又 由于制动盘高速旋转，在离心力作用下和制动衬块的擦拭作用，入水后制动器效能 也很容易恢复。 （3）盘式制动器产生的制动力矩与汽车本身的运动方向没有关系。 （4） 盘式制动器设计双回路制动系统比鼓式制动器容易， 双回路制动系统能有 效地调高制动系统的安全性和可靠性。 （5）盘式制动器整体的质量和尺寸都较小，并且制动盘的散热良好。 （6） 由于作用在制动衬块上的压紧力较大且压力分布比较均匀， 故制动衬块的 磨损也更均匀。 （7）更换制动衬块简单方便。 （8） 制动协调时间短， 这是因为制动衬块与制动盘间的间隙比鼓式制动器中制 动鼓与制动蹄的间隙短。 （9）易于实现间隙自动调整。 盘式制动器的主要缺点： （1）由于制动盘基本完全暴露在外面，因此，其很难防止尘污粘在制动盘上。 制动盘比较容易锈蚀。 （2） 如果要在盘式制动器上加装驻车制动器， 需要设计的手驱动机构比较复杂。 （3）盘式制动器由于需要较大压紧力，所以其驱动的机构必须安装助力器。 （4） 盘式制动器的制动衬块工作面积比鼓式制动器的摩擦工作面积小， 因此衬 块的磨损较快，使用寿命短，需要使用高性能的材料。 综上所述，盘式制动器作为乘用车的前轮制动器上比鼓式制动器更加有优势。 因此，本次设计也将选用盘式制动器。 盘式制动器中的浮动钳式制动器仅在靠车轮的一侧设置有制动轮缸，故制动器 整体的轴向尺寸小；由于只有一个制动轮缸，所以制动器道只要设计在制动轮缸的 这一侧，并且制动轮缸冷却条件好；成本低；浮动钳的制动衬块除了作为行车制动 装置还可以用作驻车制动装置。因此，选用液压浮钳式盘式制动器。3 制动系统的理论分析9上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析3.1 制动时车轮的受力情况 汽车制动时，车轮受到三个力的作用。分别为：地面制动力、制动器制动力和 附着力。 3.1.1 地面制动力 地面制动力是车轮与地面接触过程中，地面作用于车轮上的制动力，即存在于 地面与轮胎摩擦过程中所产生的摩擦力。常用 表示地面制动力，地面制动力的方 向与汽车行驶方向相反。地面制动力由两个摩擦力决定：一是汽车制动器中制动衬 块与制动鼓 （制动盘） 摩擦副间的摩擦力， 另一个是车轮与路面摩擦副间的摩擦力。 汽车总的地面制动力与前后轴车轮的地面制动力的关系为： =
23.1.2 制动器制动力 车辆制动过程中，轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力即为制动器制动力， 常用
表示。制动器制动力的大小与踏板力成正比，随踏板力的增大而增大，且与 类型结构、摩擦系数及车轮滚动半径有关。汽车总的制动器制动力与前后轴车轮的 制动器制动力的关系为：
2制动器制动力与地面制动力的方向相反，当车轮没有被抱死时，制动器制动力 与地面制动力的大小也相等。 3.1.3 附着力 附着力表示车轮与地面附着情况，其大小等于汽车总质量乘以路面附着系数的 值，即
表示车轮法向反作用力， 表示路面附着系数。 3.1.4 地面制动力、制动器制动力与附着力的关系 汽车制动时，忽略车轮边滚边滑的情况，车轮只有滚动或抱死的情况。当制动 刚开始时，当制动踏板力不大，则制动器产生的摩擦力矩也不大，此时地面制动力 的产生的力矩大于制动器产生的摩擦力矩，使还可以滚动。显然，当车轮还处于滚 动的状态时，地面制动力 总是等于制动器制动力
，此时，地面制动力与制动器 制动力随制动踏板力增大而增大， 但是它们的值不能超过附着力 随着制动进行，
。10上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析制动踏板力继续增大，当地面制动力 和制动器制动力
达到附着力的值时，因为 地面制动力的大小取决附着条件，此时，地面制动力 不再随制动踏板力的增大而 增大，其值达到最大，最大地面制动力 =
，前、后车轮抱死并拖滑。而制 动器制动力
不受附着条件的影响，其值可随制动踏板力的增大继续增大。三者关 系如图 3.1 所示：图 3.1 制动过程中地面制动力、制动器制动力及附着力的关系3.2 制动力分配系数 对一般汽车而言，当汽车的制动器制动力足够时，制动过程可能会发生的情况 有一下几种： （1）前轮比后轮先抱死拖滑； （2）后轮比前轮先抱死拖滑； （3）前、后轮同时抱死拖滑。 从《汽车理论》中可知，第一种情况属于稳定工况，但汽车在制动时不能控制 汽车方向，附着条件利用效率低；第二种情况属于不稳定工况，后轴车轮容易发生 侧滑情况，附着利用率也低；第三种情况后轴车轮不会侧滑，并且只有在最大制动 强度下，前轮才会使汽车丧失转向控制能力，附着条件利用率较好。 3.2.1 地面对车轮的法向反作用力11上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析图 3.2 是汽车制动时的受力情况。这里的理论分析假设汽车的滚动阻力力矩、 空气阻力以及旋转质量减速时产生的惯性力矩为零。此外，如只考虑汽车车轮纯滚 动的过程。对前、后轮接地点取力矩得:图 3.2 汽车受力分析图 1
........................................(3.1)
........................................(3.2) 1 ――地面对前轮的法向反作用力，N；
2 ――地面对后轮的法向反作用力，N； G――汽车重力，N； a――质心到前轴中心线的距离，mm；b――质心到后轴中心线的距离，mm； m――汽车质量，kg； ――汽车质心高度，mm；du dt――汽车减速度，m/ 2 ；令 = ，z 称为制动强度，代入式（3.1） （3.2）则：12上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析
)/………………………………………………………(3.3)
)/………………………………………………………(3.4)假设无论汽车在任何附着系数的路面上制动，前、后轮都同时抱死或分别先后 抱死，此时 =
。则地面对车轮的法向反作用力： 1 =
……………………………………………………………(3.5) ……………………………………………………………(3.6)3.2.2 理想制动力分配曲线 由《汽车理论》中可知，汽车前、后轮同时抱死时，汽车对附着条件的利用情 况和汽车制动时的方向稳定性在三种工况中是最好的。此时用理想的前、后制动器 制动力分配曲线表示前、后轴制动器制动力的关系，简称 I 曲线。汽车制动时满足 两个条件时，则前、后车轮同时抱死：第一，汽车总的制动器制动力之和与整车附 着力相等；第二，前、后轮制动器制动力分别与前、后轮的附着力相等，即： 1 +
1 …………………………………………………………（3.7）
――汽车总制动器制动力，N；
1 ――前制动器制动力，N；
2 ――后制动器制动力，N；将式（3.5） （3.6）代入（3.7）得： 1 +
+ ……………………………………………………………(3.8)消去变量φ，得： 2 =12
+ 2 1……………………………(3.9)根据式(3.9)可画出理想的前、后轮制动器制动力分配曲线（I 线） 。13上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析3.2.3 实际制动力分配曲线 实际上，当汽车没有安装制动力调节装置时，汽车前、后轴制动力的比值几乎 都为一个固定值。通常用前轮制动器制动力与汽车总制动力的比值来表示实际制动 器制动力的分配情况，这个比值称为制动力分配系数，常用β表示。β= 1 = 1
1 + 2………………………………………………………… （3.10）则前、后制动器制动力的关系可写成： 1
2= 1?……………………………………………………………………(3.11)若用
( 1 ) 表示，则
( 1 ) 为一条直线， 则 此直线 为斜 率tanθ =1 ? 的正比例直线，这条直线即为实际前、后轴制动器制动力分配曲线，称为β 曲线。 3.2.4 同步附着系数 同步附着系数 为实际前、 后轴制动器制动力分配曲线与理想前、 后轴制动器 制动力分配曲线的交点所对应的附着系数。同步附着系数表示，当汽车的前、后制 动器制动力为固定比值时，要使前、后车轮同时抱死，只有在同步附着系数的路面 上制动。 同步附着系数可用解析法求得。以式（3.8）代入（3.11）可得：β 1?β=b+
………………………………………………………………（3.12）整理得： = ?
…………………………………………………………………(3.13)3.3 制动器制动力矩的计算 假设制动器摩擦副摩擦表面接触良好，且摩擦表面各处受力分布均匀，则制动 器的制动力矩为： = 2 ………………………………………………………………(3.14)14上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析
――摩擦因数
――单侧制动衬块对制动盘的压紧力，N ――作用半径，mm取 R 等于平均半径 或有效半径图 3.3 制动衬块作用半径计算用图如图 3.3 所示，平均半径 为： =1 +1 2…………………………………………………………………（3.15）1 ――制动衬块的内半径，mm； 1 ――制动衬块的外半径，mm。有效半径 的计算公式为：4 3
1+ 2 =1?1 1 …………………………………………………（3.16）其中: m =应指出，如果 m 过小，则制动衬块的宽度过大，制动衬块外半径和内半径的摩 擦面上速度差距就会过大，造衬块的磨损不均匀，则上述计算方法就不适用了。因15上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析此，m 值一般不应小于 0.65。 3.4 制动效能因数 制动效能因数 K 用来衡量制动器的效能。 制动效能因素可定义为制动盘或制动 鼓有作用半径上所产生的摩擦力与输入力（压紧力或张开力）的比值，即：K= ………………………………………………………………………(3.17) ――制动器的摩擦力矩，N/m； F――输入力，一般取决两个制动衬块的压紧力，N； R――制动盘的作用半径，mm。制动盘在作用半径上所受的摩擦力： = 21
…………………………………………………………………… （3.18）
――制动衬块对制动盘的压紧力，N；
――制动盘所受摩擦力，N； 1 ――摩擦系数。如图 3.4 所示，得出钳盘式制动器的制动效能因数为： K== 21 ………………………………………………………………(3.19)图 3.4 制动钳与制动盘的受力图16上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析3.5 坡道驻车计算 驻坡效能通常用来表汽车在坡道上的驻车能力，用汽车在良好路面上一直能够 停驻的最大坡度来衡量。假设坡道的倾斜角为 α，则在该路面的坡度tanα ? 100% 。 图 3.5 所示为汽车在上坡路停驻是的受力示意图。图 3.5 汽车在上坡路停驻受力图可得出汽车上坡驻留时后轮的附着力为：2
………………………………………(3.20)同理可求出汽车在下坡驻留时的后轮的附着力为：′ 2
………………………………………(3.21)由于后轮附着力与地面制动力相等，则： +
…………………………………(3.22)可求得汽车在上坡可以停驻的极限角为：α= arctan? ( ?
)…………………………………………………………(3.23)汽车在下坡可以停驻的极限角为： ’ = arctan? ( + )…………………………………………………………(3.24)17上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析4 制动系的设计计算4.1 整车参数 4.1.1 制动器设计基本参数 在汽车制动器的设计中需要用到的参数有：汽车轴距 L；车轮滚动半径 ；汽, , , 车空、满载时的总质量 , ；前轴负荷1 ，1 ；后轴负荷2 ，2 ；空、满载时的 , 质心位置：质心高度 ， 、质心距前轴距离, ，、质心距后轴距离, ，；汽车轮胎规格等。 某国产轿车相关参数如下表 4.1：表 4.1 整车基本参数 项目 整车质量 （kg） 空载 1160 前轴载荷 (N) 660 后轴载荷 (N) 500 质心高度 (mm) 480 质心距后轴距 离(mm)
轴距(mm) 车轮滚动 半径(mm)4.1.2 地面制动力 本文假设该轿车常用路面附着系数为 = 0.75。根据前文对汽车制动系统的 理论分析，汽车制动时地面作用于前、后轮的法向反作用力可用式（3.5） （3.6）来 计算，即： 1 =
……………………………………………………………(4.1)可得出，汽车空载制动时，地面对前、后车轮的法向反作用力为：18上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析 ′ 1 = 8115.93 ′ 2 = 3263.67汽车满载制动时地面对前、后轮的法向反作用力为： 1 =
= 5112.34因为地面附着力为：
故空载时附着力为：′
1 = 6086.95 ′
2 = 2447.75满载时，附着力为： 1 =
= 3834.26前文已讨论得出最大地面制动力 =
则可得出汽车空载制动
， 时的前、后轮的最大地面制动力为：′ ′
1 = 6086.85 ′ ′
2 = 2447.75满载时，前、后最大地面制动力为：xb 1 =
2 = 3834.26又因为制动力矩 =
，故汽车空载制动时前、后轮所需制动力矩为：′
1 = 1935.65
2 = 778.38
? 满载时前、后轮所需制动力矩为： 1 = 2383.82
2 = 1219.29
? 4.1.3 驻车能力计算 前文已经讨论了汽车在上下坡道时的极限坡度角的计算方法，由式（ 3.22）可19上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析求得汽车空、满载时在上坡可以停驻的极限角为：空 = 20.68 满 = 22.51由式（3.23）可求得汽车空、满载时在下坡可以停驻的极限角为：’ 空 = 15.77 ‘ 满 = 17.43由坡度 i=tanα × 100%，可得汽车空、满载时在上坡可以停驻的极限坡度为：空 = 37.75% 满 = 41.44%汽车空、满载时在下坡可以停驻的极限坡度为：’ 空 = 28.24% ‘ 满 = 31.40%从计算结果可以看出， 该轿车的极限停驻坡度均大于 20%， 满足我国法规要求。 4.2 制动器主要参数确定 4.2.1 制动盘直径 为了减小制动钳对制动衬块的夹紧力，应增大制动盘的有效半径 。因此，制 动盘直径 D 应尽可能大，从而有助于降低制动衬块的单位压力和工作温度。然而制 动盘直径取决于轮辋直径，其直径通常为轮辋直径的 70%-79%。D = 70%~79%
……………………………………………………… （4.2）
――轮辋直径，mm。其中根据车轮的滚动半径，可知轮辋直径 = 14
= 355.6 ，则制动 盘直径的取值范围为：D = 248.92 ? 280.92mm故初选制动盘直径 D 为 280mm。 4.2.2 制动盘厚度 制动盘厚度 h 应适当选取，因为其厚度的大小影响着制动盘的质量和温升。制20上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析动盘厚度太大，则使制动盘的质量太大。制动盘厚度太小，则制动盘的温升严重。 制动盘可以制成实心的或者空心的（有利于散热） 。一般情况下，根据制动盘的结构 形式采取不同的厚度，实心的制动盘厚度常取 10-20mm；通风式制动盘厚度常取 20-50mm，而通风式制动盘的厚度在实际中通常采用的是 20-30mm。 本设计初步选用实心式的制动盘，制动盘厚度取 16mm。 4.2.3 制动衬块外半径与内半径 一般推荐，制动衬块的外半径2 与内半径1 的比值2 & 1.5，如此比值太大，1制动时制动衬块的内、外缘圆周速度差异较大，致使磨损不均匀，衬块与制动盘的 接触面积减小，制动力矩的变化波动大。 在前一小节应经选定了制动盘的直径 D 为 280mm，故可以初步确定制动衬块 的外半径为：2 = = 140
2 2 由于 ≤ 1.51则1 ≥ 93.3 初步取内半径1 = 95
4.2.4 制动衬块的工作面积 制动衬块的工作面积 A 的选取， 与制动器制动衬块单位面积占有的汽车质量有 关， 一般推荐制动器制动衬块单位面积所占有的汽车质量最适宜在 1.6-3.5kg/2 范 围内选定。 由前文可知，该轿车满载制动时，地面对前轮的法向反作用力为： 1 =由
1 = 1.6~3.5 /2 4则：A = 72.78 c2 ~159.28 221上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析4.3 制动器主要结构零件设计 4.3.1 制动盘 制动盘一般可由摩擦性能良好的珠光体灰铸铁或者钢材制成，为了保证有足够 的强度和耐磨性能，灰铸铁的牌号不应低于 HT250。用于钳盘式制动器的制动盘结 构形状为礼帽形，其尺寸大小需要根据整个制动器、车轮及车轴的尺寸决定。为了 制动盘更好地散热，部分盘式制动器的制动盘做成空心的通风盘，可是制动盘的散 热效果得到明显的提升，但盘的整体厚度也会大大增加。 4.3.2 制动钳 可锻铸铁有较好的铸造性能，进行热处理后强韧性能好，因此选用可锻铸铁 KHT370-12 作为制动钳的材料。本次确定制动钳做成整体式的。为了方便制动钳和 制动衬块的检查与维修在制动钳外缘设计出开口。制动油缸加工在制动钳体内侧一 端。活塞的开口端部加工成阶梯状，便于安装密封圈和防尘罩。活塞用铸铝合金或 钢制造，并对活塞表面镀铬以提高其耐磨性制动钳安装车轴之后，这有助于减小制 动时轮毂轴承的合成载荷。 4.3.3 制动衬块 制动衬块由背板和摩擦衬块两部分组成， 两者直接压嵌在一起， 并加工成扇形。 背板面积应能使活塞应能压住尽， 以降低制动时的噪音。 制动衬块受到单位压力大， 制动时温度会变得很高，磨损较快。轻型汽车的制动衬块厚度在 7.5-16mm，本次设 计选取制动衬块的厚度为 16mm。 4.4 制动轮缸的设计计算 轮缸直径计算公式为：d=4
…………………………………………………………………(4.3)
――制动轮缸对制动衬块作用的压紧力，N； d――轮缸直径，mm； ――制动管路压力，MPa。制动管路压力一般不会超过 10-12MPa，对于盘式制动器来说可能会更高,故取22上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析制动管路压力为 13MPa。 轮缸直径 d 应在 HG 标准规定的尺寸系列中选取, 具体为 19mm、 22mm、 24mm、 25mm、 28mm、 30mm、 32mm、 35mm、 38mm、 40mm、 45mm、50mm、55mm。 4.4.1 盘式制动器的压紧力计算 前文已经分析得出，盘式制动器的制动力矩为： = 2
…………………………………………………………………(4.4)
――摩擦因数
――单侧制动衬块对制动盘的压紧力，N ――作用半径，mm其中作用半径 R 可选用平均半径或有效半径， 把整车参数代入式 （3.15） （3.16） 、 可计算得出，平均半径 = 117.5mm， = 118.92mm。 由前文可知， 该轿车满载抱死时， 前轴所需的制动力矩为 1 = 2383.82
?m，则前轴单个车轮所需制动力矩为： 1 =
1 2 = 1191.91
? 后轴所需的制动力矩 2 = 1219.29
? ，则后轴单个车轮所需制动力矩 为：2 = 22 = 609.65
? 故由式（4.4）制动器前、后轴抱死时制动衬块所需压紧力为：1 =
= 7323.65 4.4.2 制动轮缸的直径和容积 根据式（4.3） ，可计算的出前、后轮轮缸直径为：1 = 37.45
2 = 26.78 从标准系列中选取23上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析 1 = 38
2 = 28 一个轮缸的工作容积为：
= 4 1 2 ………………………………………………………………(4.4)3
――轮缸工作容积，mmn――轮缸活塞数目，取 n=1
――单个轮缸活塞的最大行程，取 =2mm则前轴轮缸总工作容积为： 2 1
1 = 2 ? 4后轴轮缸总工作容积为： 2 = 2 ? 4假设 m 为轮缸的数量，则四个轮缸的工作容积一共是：V=
……………………………………………………………………(4.5) 1 则前、后轴四个轮缸的总工作容积为：V = 1 + 2 = 4.4.3 制动主缸直径与工作容积 在得出四个制动轮缸的总工作容积 V 后，可计算的出制动主缸的工作容积为： =
′ …………………………………………………………………(4.6)
――制动主缸工作容积，3
′ ――制动软管的变形容积，3 。对于乘用车 = 1.1，则 =
。 若令主缸活塞行程为 ，活塞直径为 ，则 =
…………………………………………………………………（4.7)424上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析 ――主缸活塞行程，mm
――主缸活塞直径，mm 一般情况下主缸活塞直径与活塞行程的关系为： = （0.8 ? 1.2） ………………………………………………………（4.8）主缸的直径 应符合 QC/T311―1999 中规定的尺寸系列， 具体为 19mm、 22mm、 26mm、28mm、32mm、35mm、38mm、40mm、45mm。 得出， =28mm， = 28mm。 4.5 汽车的性能指标 4.5.1 制动力分配曲线 若令1 、2 分别表示前、后制动轮缸液压压力，由于1 = 2 。假设制动轮缸 完好，液压正常的情况下，则有：1 = 2 = 1
2……………………………………………………………（4.9）K――制动效能因数，K = 2f = 0.7
1 、 2 ――前、后轮轮缸直径，mm R――制动盘作用半径，mm则实际该制动器能产生的制动力矩为： 1 = 2454.61
2 = 1332.70
? 显然求得的实际制动力矩满足理论制动力矩的要求。 因为制动力矩 =
则： 1 = 21 ?
/ 4 2 2 则实际前、后制动器制动力分配系数β为：25上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析2
1 1 β= = = 0.648 2 2
2 2根据前文关于理想前、后制动器制动力分配曲线（I 线）的公式，及求得的实 际前、后制动器制动力分配系数β，通过 MATLAB 软件可画出该轿车的制动力分配 曲线，程序如下： x=0:100:10000; hg=0.46; hg1=0.48; G=; G1=; L=2.5; L11=1.191; L12=1.309; L21=1.077; L22=1.423; F1=(1/2)*(((G/hg)*sqrt(L12^2+4*hg*L*x/G))-(G*L12/hg+2*x)); F2=(1/2)*(((G1/hg1)*sqrt(L22^2+4*hg1*L*x/G1))-(G1*L22/hg1+2*x)); c=0.648; y=((1-c)/c)*x; plot(x,F1,x,F2,'--',x,y,'-.'); xlabel(' Fμ1/N '); ylabel(' Fμ2/N '); axis([0 0]); title('制动力分配曲线'); legend(' I线（满载）','I线（空载）','β线（满载）'); 得出结果如下：26上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析图 4.1 初步确定参数后该轿车的制动力分配曲线从图 4.1 中分析可得出，要使得该汽车不发生后轮比前轮抱死，则在满载时汽 车必须要在φ & 0.676，空载时必须在φ & 0.410的道路上行驶。显然，现代大部 分的公路附着情况都比要求的好。所以，该汽车将很容易发生后轮比前轮先抱死， 并发生甩尾的危险状况。 现代汽车均装制动力调节装置， 可根据汽车工况来调整前、 后制动器制动力的分配情况，使后轮制动器不提前抱死，从而使实际制动力分配曲 线接近于理想制动力分配曲线。 安装感载比例阀后的用 MATLAAB 画出制动器制动力分配曲线的程序如下： F=0:; hg=0.46; hg1=0.48; G=; G1=; L=2.5; L11=1.191; L12=1.309;27上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析L21=1.077; L22=1.423; F1=(1/2)*(((G/hg)*sqrt(L12^2+4*hg*L*F/G))-(G*L12/hg+2*F)); F2=(1/2)*(((G1/hg1)*sqrt(L22^2+4*hg1*L*F/G1))-(G1*L22/hg1+2*F)); c=0.648; y=((1-c)/c)*F; k=((1-0.6708)*G*0.8-(1-0.648)*G*0.676)/(0.6708*G*0.8-0.648*G*0.676); x0==3594.84; b=y0-k*x0; F3=0:10000; y1=k*F3+b; k1=((1-0.7228)*G*0.8-(1-0.648)*G*0.410)/(0.7228*G*0.8-0.648*G*0.410); x1==1642.30; b1=y2-k1*x1; F4=0:10000; y3=k1*F4+b1; plot(F,F1,F,F2,'--',F,y,'-.',F3,y1,'r-.',F4,y3,'r-.'); xlabel('Fμ1/N'); ylabel('Fμ2/N'); axis([0 0]); title('制动力分配曲线'); legend('I 线（满载）','I 线（空载）','β 线（满载）'); 得出结果如下：28上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析图 4.2 安装感载比例阀后该轿车的制动力分配曲线图 4.2 中直线 AC 为未安装感载比例阀时的实际制动力分配曲线，线 OCAB 和 线 OCD 分别为安装感载比例阀后该轿车满载和空载时的实际制动力分配曲线。显 然安装感载比例阀后在路面附着系数φ小于常用路面最大附着系数，即φ &
= 0.8时，β线处于 I 线的下方，这降低后轮发生抱死情况的可能性，使前、后轴制动 器制动力分配更加合理。 4.5.2 制动效能 如果汽车在平整良好的路面上行驶，同时完全忽略路面附着条件，此时制动系 来自制动器作用所引发，则此时制动减速度为：a=
………………………………………………………………………(4.10)可求得满载时制动减速度a = 7.36m/ 2 。 制动距离的公式如下：s=1 3.61 + 2 2 + 2 25.92………………………………………………(4.11)1 ――制动机构滞后时间，s； 2 ――制动器制动力增长时间，s；29上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析 V――制动初速度，km/h。故该轿车以初始车速 v=80km/h 制动时，其满载制动距离为：802 s = 0.1 ? 80 + = 41.55m 25.92 ? 7.36则制动距离小于 50.57m，符合 GB1 的规定。5 紧急制动工况下制动器的温度场及热应力分析5.1 有限元软件简介 本次毕设分析部分将选用 ABAQUS 有限元软件对盘式制动器的制动盘和制动 衬块进行温度场及热应力分析。 ABAQUS 由法国达索公司设计开发， 是一款功能强大的有限元软件。 ABAQUS 不仅 能分析计算简单的线性分析，还可以解决复杂的非线性问题。ABAQUS 预设了完整、 充足的单元库和材料模拟库，基本应付绝大多数现代工程材料性能的仿真分析，如 金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土等材料。ABAQUS 有良好的用户交 互界面，即使是新用户也能很快地上手。ABAQUS 的功能广泛，但即使是十分复杂的 问题也能通过不同的选项块地组合轻易地模拟出来。在大部分模型建立过程中，用 户只要通过提供该模拟工程的参数数据， 如结构的几何形状、 各工程元件材料属性、 各元件的边界条件及载荷工况。在计算非线性问题时，ABAQUS 能够根据该问题的情 况自动地调整载荷增量和收敛限度。为了保证得出有效的精确解，ABAQUS 会不断地 调整参数。 用户也可以通过自主操作参数的定义设置， 来确保模拟分析的计算结果。 基 于 ABAQUS 对 温 度 场 以 及 热 应 力 的 仿 真 比 较 成 熟 的 原 因 ， 因 此 选 择 ABAQUS 进行有限元分析。 5.2 有限元模型理论基础 根据热分析遵循热力学第一定律，如果封闭系统的流入热量与系统产生的热量 之和与系统流出的热量相等时，该系统处于热稳定状态。而盘式制动器在制动过程 中是一个瞬态传热过程，根据能量守恒定律，瞬态热平衡的数学表达式为：
……………………………………………………(5.1)30上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析
――传导矩阵，包含导热系数、对流系数和辐射率以及形状系数。
――比热矩阵，用于考虑系统内能的增加。
――节点温度向量。
――温度对时间的一阶导数。
――节点热流率向量，包含热生成。把材料性能、边界条件、单元属性和热辐射等非线性因素加以考虑，则热平衡 矩阵方程为：
………………………………………(5.2)由于制动器本身没有热源，且制动器的材料是各向同性的，根据传热学理论， 可推出其热传导方程为： 2
……………………………………………………(5.3)T――温度，K； t――时间，s； ――材料密度，kg/3 ； c――材料比热容，J/(kg. K)； ――材料导热系数，W/(m.K)。假设制动盘的初始温度为 20 摄氏度。 制动器开始工作后， 制动盘和制动衬块因 摩擦副摩擦产生的热量使其温度不断升高，同时还会发生热传导、热对流和热辐射 换热等物理现象。因此，根据这样一个过程，可以确定边界条件为： 初始时刻 t=0 时T
………………………………………………………………(5.4)制动盘所有换热界面上 ?
………………………………………(5.5)3144上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析参与摩擦的界面上 ?
) …………………………………(5.6) 4 4 ――环境温度，K； n――各界面的法向单位向量； ――各界面的对流换热系数，W/(2 . K)；
――各界面的热辐射率； ――斯蒂芬―玻尔兹曼常数，W/(2 .
4 )； q――制动盘摩擦面吸收的热流密度，W/2 。5.3 有限元计算模型建立 前文已经对选用的有限元件进行了简单的介绍，同时，也简要地说明的温度场 及热应力的相关理论。最终得出了合理的有限元仿真计算模型。整个分析的过程如 图 5.1。首先，要建立制动盘和制动衬块的几何模型，设置材料属性和分配截面属性 等。然后，在定义合理的接触、设置边界条件和施加适当的载荷后，对模型选择合 适的单元类型并划分合理地网格。最后，运行模型进行计算分析并对结果分析其正 确性。图 5.1 制动器分析过程32上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析5.3.1 几何模型的建立 ABAQUS 的几何模型有两种建立方法：一是通过 ABAQUS 自身的建模模块建 立三维的实体；二是用专门的三维制图软件建立完结构的特征模型后，通过转换文 件格式，再导入到 ABAQUS 中。本次要分析制动盘及制动衬块结构都相对简单， 因此， 选用了第一种方法来进行几何模型的建立， 最后的得出简化后的模型如图 5.2、 5.3。图 5.2 制动盘简化模型图 5.3 制动衬块简化模型5.3.2 材料属性定义33上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析制动盘和制动衬块拥有不同的材料属性。因此，需要分别定义其材料属性。其 中，材料的部分属性会随着温度上升而产生变化，其中不随温度变化的材料参数如 表 5.1 所示，随温度变化的材料参数如表 5.2 所示。表 5.1 不随温度变化的材料参数 密度 kg/3 制动盘 制动衬块
弹性模量 Pa 2.09E11 0.3 0.25 泊松比 热膨胀系 数
?1 1.1E-5 热传导系数 W/(m. ℃) 48 0.9 比热容 J/(kg. K) 452 1200表 5.2 制动衬块随温度变化的材料属性 温度/℃ 弹性模量/Pa 热膨胀系数/ ?1 20 2.2E9 1E-5 100 1.3E9 200 5.3E8 3E-5 300 3.2E85.3.3 分析步及输出要求设定 在盘式制动器制动过程中，制动盘存在从转动到停止的动态过程，而制动衬块 则存在压力从零到特定值的施加过程。因此，需要设定一个包括以上两个过程的分 析步。 假设该轿车在平直的公路上在 120km/h 速度下以最大制动强度进行紧急制动， 制动盘及制动衬块的初始温度和环境温度均为 20℃，经计算得出该轿车的制动时间 为 3.92s。因此，设定分析步的时间为 3.92s。 在设定完分析步之后，要定义分析所需要怎样结果，因此需要设置场输出和历 程输出。将制动盘和制动衬块同时作为场输出的观察变量，设定同时观察盘及衬块 的温度分布情况和热应力大小及分布情况。历程输出设置为每 999 个增量，这样就 可以观察整个制动过中制动盘的温度及热应力变化情况。 5.3.4 接触定义 首先， 定义制动盘与制动衬块的相互作用属性为接触， 接触形式为面―面接触，34上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析其中目标面为制动盘的接触面，接触面为制动衬块的接触面。接触面间的切向行为 的摩擦公式选用罚函数，由于摩擦系数是随温度上升而产生改变，其变化趋势如表 5.3。表 5.3 摩擦系数随温度变化表 温度/℃ 摩擦系数 20 0.37 100 0.38 200 0.41 300 0.39 400 0.24接下来定义该接触热属性为与压力相关的热传导。然后，把热生成设置成默认 值，从而完成接触属性的定义。在分析过程中，由于制动盘及制动衬块会与周围环 境，如空气、互相接触的部件，进行热交换。因此，需要定义制动盘及制动衬块不 接触的外表面为表面热交换条件。 5.3.5 边界条件和载荷设定 制动器在不工作的时候，为了不妨碍汽车车轮的滚动，在制动盘与制动衬块会 留有一定的装配间隙。在汽车制动器工作过程中，制动衬块相对制动盘只做轴向的 移动，而制动盘相对制动衬块高速转动。在进行本次有限元仿真分析时，由于只分 析该制动器摩擦副之间的相互作用，因此，不考虑汽车向前运动速度对制动盘的实 际影响。 定义边界条件时，对于制动盘要约束其 Z 轴上的位移的自由度；对于制动衬块 要约束其 X,Y 轴上的位移和绕 Z 轴的旋转的自由度。同时，在制动盘的孔心定义一 个耦合点，赋予该耦合点一个初始转速。 最后，给制动衬块的背面施加一个 14318.27 载荷。 5.3.6 网格划分 在划分网格之前，要定义分析部件的单元类型。六面体单元的计算精度高，抗 变形能力较好，划分的网格单元少，而且在 ABAQUS 中六面体单元划分简便，因 此确定制动盘及制动衬块的单元类型为温度―位移耦合的八结点热耦合六面体单元 C2D8T。为了使计算结果更加精确，制动盘与制动衬块接触的一侧网格都画得更加 细密，该网格没有采用自动划分而是手动划分，如图 5.4、5.5 分别为制动盘和制动35上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析衬块的网格模型图。最终制动盘和制动衬块画分出的总节点数为 2032，单元数为 2236。图 5.4 制动盘网格模型图 5.5 制动衬块网格模型5.4 计算结果分析 在完成了有限元模型的建立，设置好相关参数后，运算得出了相应的热应力和 温度场的计算结果。图 5.6 为制动过程中不同时刻和制动结束时制动盘表面的温度 场分布云图36上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析(a)T=1s（b）T=2s(c)T=3s(d)T=3.9s 图 5.6 制动盘温度场分布云图从图 5.7 中可看出，制动盘摩擦区域的温度从一开始就快速地上升，而且明显 比其他区域温度上升的速度要快得多，最高温度达到 360 摄氏度。这是因为制动盘 和制动衬块的接触面的摩擦生热产生了大量的热，这些热量要向外扩散和向内传导 也是需要一定的时间的。但是，制动盘与接触零件间的热传导和与空气的热扩散速 度远小于摩擦副摩擦产生热量的速度。此外，由于整个制动的时间较短，同时热量 传递的时间也短， 因此非摩擦区域温度上升幅度较小， 故凸台处的温度变化不明显。 图 5.8 为制动过程中不同时刻和制动结束时制动盘表面的热应力云图。从图中37上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析可看出，制动开始时，制动盘与凸台连接处的应力最大。但是，随着制动的进行， 最大应力出现在了制动盘的摩擦区域。制动终了时最大应力为 385MPa。对比图 5.7 温度场分布云图和图 5.7 热应力云图可得出，制动器制动时，制动盘与制动衬块摩 擦会在短时间内产生大量的热，造成制动盘温度会快速上升；制动盘上温度越高的 地方，其热应力也越高，这说明了制动温度对制动器的强度、刚度都有影响；在紧 急制动时，制动盘上产生的最大应力为 385MPa，而该制动盘使用的钢材，其许可 应力在 400MPa 以上，因此，能够达到该状况下制动盘的强度和刚度的要求。(a)T=1s（b）t=2s(c)T=3s(d)T=3.9s图 5.7 制动盘热应力云图38上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析6 总结本次设计是为某国产轿车设计一个制动器。通过前期的资料、文献的收集和整 理分析后，确定了设计方法和设计步骤。然后，基于该轿车的整车参数计算出其主 要数据， 并利用三维制图软件 UG 和二维制图软件 AUTOCAD 绘制出该制动器的零 件图和装配图。最后用 ABAQUS 有限元分析软件对制动盘进行了热应力和温度场 分析。 通过本次设计，总结出了一下几点： （1） 比较分析了各种常用的汽车制动器， 并确定了本次设计的制动器结构形式 为液压浮钳式盘式制动器。 （2）通过对该轿车的整车参数，计算得出该轿车在空、满载工况下所需要的制 动力和制动力矩。 （3）设计计算出盘式制动器的制动盘、制动衬块等部件的尺寸，保证了该制动 器满足设计要求。 （4）根据计算所得理论和实际的制动力，绘制出制动力分配曲线，并分析得出 在安装了感载比例阀后，制动力分配和制动效能满足满足制动法规的要求。 （5） 对该制动器制动盘在紧急制动状况下的热应力及温度场进行了分析， 通过 分析热应力云图和温度场云图，确保了材料和设计满足制动盘的要求。39上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析参考文献[1] 余志生.汽车理论(第五版)[M]. 北京：机械工业出版社,2009. [2] 王望予.汽车设计[M]. 北京：机械工业出版社，2004. [3] 吉林工业大学汽车教研室编.汽车设计[M]. 北京：机械工业出版社，1981. [4] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社，2005. [5] 蒋京.盘式制动器重复制动温度计算[J].汽车工程，）：168-174. [6] James Walker，Jr. The Physics of Braking Systems[OL].STOP TECH LLC，2005. /link?url=4d-2SHjGjo-yBivdPDAPpGP-YDGeeBPOCA1xog hkqlhQHG6AzdrvqEdw-X8XxJmj5MG8zZ5ZqmnaHUF3SQn8qBKcryopIRutRzJhH pyMzAy. [7] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计(第九版)[M].北京：高等教育出版社，2013. [8] 王丰元，马明星.汽车设计课程设计指导书[M].北京：中国电力出版社，2009. [9]赵波，龚勉，屠建中. UG CAD 实用教程[M]. 北京：清华大学出版社，2004. [10] 单辉祖.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004. [11] 谭继锦.汽车有限元法[M].北京：人民交通出版社，2012. [12] 周玉凤.杜向阳.互换性与技术测量[M].北京：清华大学出版社，2008. [13] 唐平.轿车制动系统的设计与优化[D].四川：西华大学汽车工程学院，2012. [14] 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册 （设计篇） [M].北京： 人民交通出版社， 2001. [15] 王志刚.盘式制动器摩擦温升的解析计算[J]. 四川工业学院学报， 1995， 14 （3） ： 70-73. [16] 吴栋楠.浮钳盘式制动器结构分析[D].湖北：武汉理工大学理学院，2013. [17] 张琪.基于总成的盘式制动器强度和刚度分析[D].湖北： 武汉理工大学汽车工程 学院，2011. [18]David J.Edwards， Peter Baum.Automobile drum brake， US， [P].. [19] 刘惟信.汽车制动系的结构分析与设计计算[M].北京：清华大学出版社，2004.40上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析[20] 孟祥宝.基于 ANSYS 的制动器摩擦生热分析[D].吉林：延边大学，2014.41上海工程技术大学毕业设计（论文）汽车制动器的设计与分析致谢光阴似箭，日月如梭！一瞬间四年的大学生活即将结束。在这宝贵的四年大学 学习时间里，我学习到了各种专业的知识，但更重要的是学会如何学习这本质的知 识。这将是我以后工作和生活中最宝贵的财富。在本次毕业设计过程中，我得到了 很多人的帮助和指点，对此我要向他们表示衷心的感谢。 首先，一定要感谢我的指导老师――范平清老师。在整个毕设过程中，都离不 开范老师的悉心教导。每一次我遇到解决不了的问题时，范老师都会给我指明继续 前进的方向，致使我可以顺利地完成论文。 然后， 我要感谢我的父母， 无论是精神上还是物质上， 他们都给我最大的支持， 如果没有他们的无私奉献和鼓励，我不能全身心地投入到大学紧张的学习当中。在 此，我对他们表达万分的谢意。42