轿车前轮制动器的结构分析与设计

工 学 院 毕 业 设 计（ 论  文 ） 题    目：  某轿车前轮制动器的结构分析与设计  专    业：    机械设计制造及其自动化        班    级：        06自动化（2）班         姓    名：            仇百好               学    号：          2006664201              指导教师：            陈  丰               日    期：          2010年6月            目  录 引言    2 1.概况与现状分析    3 1.1.轿车制动器概况    3 1.2.制动器研究现状分析    4 2.制动系统主要参数数值及其选择    6 2.1.相关主要技术参数    6 2.2.同步附着系数的分析    6 2.3.确定前后轴制动力矩分配系数    7 2.4.制动器制动力矩的确定    7 3.浮钳盘式制动器结构分析    9 3.1.盘式制动器的结构型式及选择    9 3.2.浮钳盘式制动器的结构、工作原理和特点    10 4.浮钳盘式制动器设计计算    12 4.1.浮钳盘式制动器主要结构参数的确定    12 4.2.浮钳盘式制动器主要部件结构的确定    13 5.制动性能分析    16 5.1.制动性能评价指标    16 5.2.制动器制动力分配曲线分析    17 5.3.制动减速度    18 5.4.制动距离S    19 5.5.摩擦衬片的磨损特性计算    19 6.盘式制动器结构优化设计    21 6.1.优化模型的建立    21 6.2.算法的设计    25 6.3.优化结果的分析    27 7.总结    29 附件： 1、浮钳盘式制动器总体装配图 2、制动盘二维零件图 3、装配结构爆炸图 4、各三维零件图 某轿车前轮制动器的结构分析与设计 摘要：制动系统是汽车主动安全的重要系统之一，本文主要介绍了某轿车前轮制动器的结构分析与设计。首先介绍了轿车制动器的概况和研究现状，并根据给定的制动系统的主要技术参数确定了同步附着系数、制动力矩等变量。再通过对盘式制动器的结构及优缺点进行分析、设计计算、性能分析，最终确定浮钳盘式制动器的尺寸及材料并用CAD画出二维装配图及制动盘零件图以及SolidWorks软件绘出其装配图和爆炸图。除此之外，还采用了Matlab得到制动力分配曲线以及优化工具箱的遗传优化算法对制动器尺寸进行优化。 关键字：轿车前轮  盘式制动器  优化设计 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。随着汽车市场竞争的加剧，如何缩短产品开发周期、提高设计效率，降低成本等，提高产品的市场竞争力，已经成为企业成功的关键。 提及汽车制动系统，大家都知道有鼓式和盘式制动器两种，特别是在上世纪80年代还是稀奇、高端玩意儿的盘式制动器，如今已基本上在民用轿车上得到了普及。由于蹄式制动器散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。制动蹄片和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。所以，倾向于采用散热性能较好的盘式制动器。盘式制动器的组成结构复杂，并且还有不同的种类，盘式制动器分为钳盘式和全盘式制动器两大类，钳盘式制动器又分为浮钳盘式制动器和定钳盘式制动器两大类。为了防止汽车跑偏，往往前轮采用盘式制动器。 本文主要对浮钳盘式制动器进行结构分析与设计。通过查阅相关的资料，运用专业基础理论和专业知识，根据给定的制动系统的主要技术参数确定了同步附着系数、制动力矩等变量。再通过对盘式制动器的结构及优缺点进行分析、设计计算、性能分析，最终确定浮钳盘式制动器的尺寸及材料并用CAD画出二维装配图及制动盘零件图以及SolidWorks软件绘出各零件三维图、三维总装配图和爆炸图等。除此之外，还采用了Matlab得到制动力分配曲线以及优化工具箱的遗传优化算法对制动器尺寸进行优化。 同时在材料的选择上尽量采用对人体无害的材料。 概况与现状分析 轿车制动器概况 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，并目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l0km/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，其根本的原因就在十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。另外由十制动抱死状态下，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”，是指由十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。 制动器研究现状分析 随着公路交通系统的迅速发展，车辆速度的提高以及车辆密度的口益增加，为了保证行车的安全性，制动系统的性能以及可靠性就显得更加重要了。提高制动器的设计和制造水平，改善汽车的制动性能，减少制动时振动，噪声，成为汽车领域的越来越重要的课题。盘式制动器具有散热快，重量轻，构造简单，调整方便等优点。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，盘式制动比鼓式制动更容易在较短的时间内令车停下。虽然盘式制动器的制动盘与空气接触的面积很大，但很多时候其散热效果还是不能让人满意，于是有的制动盘上又被开了许多小孔，加速通风散热以提高制动效率，这就是通风盘式制动器。一般来说，尺寸大的制动盘要比尺寸小的制动盘散热效率高，而通风盘则要比实体盘的散热效率高。四轮轿车在制动过程中，一般前轮的制动力要比后轮大，后轮起辅助制动作用。因此，一般情况下，汽车前轮制动盘的尺寸要比后轮大，且前轮多采用通风盘，后轮多采用实体盘或通风盘。各种研究和经验表明，汽车制动时的共振，制动器各个部件的变形是振动、噪声以及制动器不正常磨损的原因。 迄今为止，人们已经把全息照相、激光多普勒分析、有限兀分析以及试验模态技术等引入到制动器的振动和噪声研究中，并取得了大量的成果。全息照相技术向人们展示了制动过程中振动的真实形态;有限兀及模态分析的统一，使得建立与实际相符合的振动的数学模型成为了可能，这些都对制动系统的设计和分析提供了便利。 在对系统进行分析、综合和预测时，需要给出系统的动态特性。此时实际系统可能尚未完成或者处十经济性、安全性等因素的考虑，无法通过试验进行验证，往往需要借助于系统仿真来实现这一要求。所谓系统仿真是指利用计算机来运行仿真模型，模仿实际系统的运行状态及随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得出被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来推断和估计实际系统的真实参数和真实性能。