鼓式制動器制動鼓參數(shù)化設計研究含CAITA三維及3張CAD圖

鼓式制動器制動鼓參數(shù)化設計研究含CAITA三維及3張CAD圖,制動器,制動,參數(shù),設計,研究,鉆研,caita,三維,cad 一、選題依據(jù) 1、研究領域 車輛工程-汽車設計-汽車零部件設計-參數(shù)化設計 2、論文（設計）工作的理論意義和應用價值 鼓式制動器是汽車的主要制動器品種之一，制動器的設計往往要求快速、高質量。解決該問題的有效方法之一就是在對制動器零部件進行參數(shù)化設計的基礎上，建立先進的汽車制動器專用設計平臺。這不僅可以提高產(chǎn)品質量，縮短研制周期，降低設計成本，還可極大地減輕勞動強度。 3 、目前研究的概況和發(fā)展趨勢 “計算機輔助設計 CAD”這個概念，是由 MIT 機械工程系的 S.A.Coon 最早提出來的。80 年代中期， PTC 公司發(fā)布了首個商用參數(shù)化設計 CAD 軟件系Pro/Engineer，這款基于特征的參數(shù)化設計系統(tǒng)的問市為汽車及機械設計開發(fā)的自動化打下了夯實的現(xiàn)實基礎，將理論研究提升到現(xiàn)實應用水平，自此飛機、汽車、船舶等機械制造工業(yè)的開發(fā)設計制造開始廣泛應用參數(shù)化以及變量化的技術，并不斷發(fā)展進步，其造的經(jīng)濟效益也不斷提高。例如 2012 年，Liu Hongpu, Peng Erbao 博士， 使用 UG 對鼓式制動器進行了參數(shù)化設計，應用 UG 軟件對剎車的類型參數(shù)進行了研究和設計。在離散化的原則的基礎上,對制動鼓組件的典型特點和各個部分進行了三維參數(shù)化建模工作, 并建立了參數(shù)化模型庫調用。同年，A Rehman 博士，使用 Pro - E 分析考慮了制動鼓的熱應力和機械應力。解析了在不同負載和不同的制動鼓的輪廓下的應力分布,確保制動鼓壓力值低于允許的極限。我國的技術也在迅速提升，例如 2010 年，王庭義等為了更準確地研究具有凸輪張開裝置的領、從蹄式制動器系統(tǒng)的力學行為,在凸輪軸上施加輸入力矩來模擬仿真制動器系統(tǒng)的制動過程,并通過 ADAMS 動力學仿真軟件進行了仿真分析。2012 年，馬迅等人運用通用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 建立了某鼓式制動器的三維幾何及有限元模型。利用制動器應力測定試驗方法和試驗結果，采用三種不同的領從蹄上促動力的分配方式，并考慮凸輪轉動和摩擦系數(shù)等不同方案，分析了制動力矩在制動過程中的變化規(guī)律，得到與試驗結果相對應的仿真結果。2013 年，周吉祥等，為了使鼓式制動器的模擬仿真更 接近于真實狀態(tài),聯(lián)合運用三維 CAD 建模軟件 CATIA、有限元分析軟件 Hypermesh 及多體動力學分析軟件 MSC.ADAMS,考慮將凸輪、制動底 板、制動蹄及制動鼓視為剛性體,將摩擦片視為柔性體建立了鼓式制動器的剛柔耦合動力仿真模型,并基于動力仿真的結果為鼓式制動器的有限元熱結構耦合分析提 供實時的凸輪促動力,動力仿真得到的領、從蹄促動力關系與相關文獻吻合,驗證了模型的正確性,最后基于熱結構耦合分析了制動鼓破壞失效的原因并提出了相應的改進措施。 現(xiàn)在計算機輔助設計和分析技術成為被設計師采用的更為高效和準確的設計方法在電腦上，通過參數(shù)化建模，設計人員能夠完成汽車設計的各項工作，比如汽車結構的設計，強度計算與校核，匹配參數(shù)的選擇，工作性能和壽命的模擬分析等等。參數(shù)化建模是汽車設計的發(fā)展趨勢。 9二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題 以制動鼓為例進行設計，應用 CATIA 軟件研究建立基于快速開發(fā)鼓式制動器各個零部件的二次開發(fā)參數(shù)化設計方法。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） (1) 用 CATIA 建立所選制動鼓的三維參數(shù)模型；(2)用 VB 等工具對 CATIA 進行二次開發(fā)，創(chuàng)建參數(shù)化設計界面；(3)對有限元模型進行求解，分析其應力、變形分布，優(yōu)化設計制動器結構，提高結構剛度和強度，減小摩擦片的不均勻磨損現(xiàn)象。3.本論文（設計）預期取得的成果 通過 CATIA 軟件研究基于特征的參數(shù)化方法設計鼓式制動器。選擇具有典型特征的制動鼓進行三維參數(shù)化建模工作，得出更好的制動鼓設計。 （1）完成 10000 字以上的論文； （2）完成 3000 字左右外文文獻翻譯； （3）使用 CATIA,ANAYS 等軟件進行建模、分析； （4）二次開發(fā)參數(shù)化設計文件一份； （5）預計 3 張 A0 圖紙。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； (1)首先翻閱各種資料，了解本設計的意義、研究概況和發(fā)展趨勢；(2)分析不同類型鼓式制動器；(3)選擇具有典型特征的制動鼓進行三維參數(shù)化建模工作；(4)通過設計結果，得出結論。2.論文（設計）進度計劃 第 1 周：理解設計題目，查找參考資料； 第 2 周：整理參考文獻，撰寫文獻綜述； 第 3 周：撰寫開題報告； 第 4 周：修改開題報告，準備開題答辯； 第 5 周：了解制動鼓的結構和工作原理； 第 6、7 周：確定制動鼓的各項參數(shù)；第 8 周：進行中期檢查并進行 1 篇外文文獻翻譯；第 9、10 周：用 CATIA 進行制動鼓的參數(shù)化設計，建立三維模型； 第 11、12 周：分析并優(yōu)化制動鼓的各項參數(shù)；第 13 周：改進完善制動鼓的優(yōu)化方案；第 14 周：撰寫畢業(yè)論文；第 15 周：修改畢業(yè)論文，準備畢業(yè)論文答辯。四、需要閱讀的參考文獻 1 趙晨. 鼓式制動器參數(shù)化設計及仿真分析D.武漢理工大學,2014. 2 劉長亮. 鼓式制動器動力學分析及制動性能優(yōu)化D.吉林大學,2011. 3 王庭義. 鼓式制動器關鍵技術研究D.長安大學,2011. 4 許自濤. 鼓式制動器應力分析與試驗測試D.燕山大學,2011. 5 馬迅,陳明東,趙旭. 鼓式制動器有限元分析方法的研究J. 機械設計與制造,2012,06:217-219. 6 王庭義,呂彭民,蘭吉光,李玉杰,孟鐵. 鼓式制動器制動過程動力學仿真J. 中國公路學報,2010,06:115-120. 7 朱斌. 汽車鼓式制動器力學特性分析D.吉林大學,2011. 8 周吉祥. 基于剛柔耦合模型的鼓式制動器動力仿真及熱性能分析D.太原理工大學,2013. 9 馬迅, 尹長城, 陳艷紅. 基于 ANSYS Workbench 的鼓式制動器的接觸分析J. 湖北汽車工業(yè)學院學報, 2010, 24(3):1-4. 10羅明軍, 謝亞清. 基于 ANSYS 鼓式制動器有限元模型的建立與分析J. 南昌大學學報工科版, 2010, 32(2):201-204. 11 Liu Hongpu, Peng Erbao, The Study of the Parameterization of the Drum Brake Design Based on UG, Energy Procedia, Volume 17, 2012, Pages 279-285 12 Uhlig R P, Suryatama D. Brake drum: US, US7849979P. 2010. 13 Kumar A, Sabarish R. Structural and thermal analysis of brake drumJ. Middle East Journal of Scientific Research, 2014. 14 Rehman A, Das S, Dixit G. Analysis of stir die cast AlSiC composite brake drums based on coefficient of frictionJ. Tribology International, 2012, 51(7):36-41. 15 Yuan H J. Brake drum coupling analysis based on stress analysisJ. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2014. 附：文獻綜述文獻綜述1 引言作為汽車的關鍵組成部分，制動系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到汽車的安全性能。在當前蓬勃發(fā)展的汽車行業(yè)，提高汽車的制動性能，確保行車可靠安全，早已是汽車設計人員的首要任務。汽車所用的制動器幾乎都是摩擦式的，可分為鼓式和盤式兩大類。鼓式制動器摩擦副中的旋轉元件為制動鼓，其工作表面為圓柱面。鼓式制動器根據(jù)其結構都不同，又分為：雙向自增力蹄式制動器、雙領蹄式制動器、領從蹄式制動器、雙從蹄式制動器。其制動效能依次降低，最低是盤式制動器；但制動效能穩(wěn)定性卻是依次增高，盤式制動器最高。也正是因為這個原因，盤式制動器被普遍使用。但由于為了提高其制動效能而必須加制動增力系統(tǒng)，使其造價較高，故低端車一般還是使用前盤后鼓式。鼓式制動器也叫塊式制動器，是靠制動塊在制動輪上壓緊來實現(xiàn)剎車的。鼓式制動是早期設計的制動系統(tǒng)，其剎車鼓的設計 1902 年就已經(jīng)使用在馬車上了，直到 1920 年左右才開始在汽車工業(yè)廣泛應用。鼓式制動器的主流是內張式，它的制動塊(剎車蹄)位于制動輪內側，在剎車的時候制動塊向外張開，摩擦制動輪的內側，達到剎車的目的。近三十年中，鼓式制動器在轎車領域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動器。但由于成本比較低，仍然在一些經(jīng)濟類轎車中使用，主要用于制動負荷比較小的后輪和駐車制動。鼓式制動器的主要種類包括：領從蹄式、雙領蹄式、雙向雙領蹄式、雙從蹄式、單向增力式、雙向增力式等幾種。領從蹄式制動器的效能和效能穩(wěn)定性，在各式制動器中居中游；前進、倒退行駛的制動效果不變；結構簡單，成本底；便于附裝駐車制動驅動機構；調整蹄片與制動鼓之間的間隙工作容易。但領從蹄式制動器也有兩蹄片上的單位壓力不等，故兩蹄襯片磨損不均勻，壽命不同的缺點。此外，因只有一個輪缸，兩蹄必須在同一驅動回路作用下工作。領從蹄式制動器得到廣泛應用。2 國外研究現(xiàn)狀國外汽車設計和性能開發(fā)研究起步相對較早，而且發(fā)展極其迅速，其中的重要原因就是在二十世紀六七十年代左右，西方發(fā)達國家就已進入了自動化設計階段，在計算機技術的廣泛應用背景之下，國外的機械設計人員也開始逐漸使用計算機技術，使其協(xié)助他們完成復雜的工程計算以及繪制繁多的工程圖紙。80 年代中期，PTC 公司發(fā)布了首個商用參數(shù)化設計 CAD 軟件系 Pro/Engineer， 這款基于特征的參數(shù)化設計系統(tǒng)的問市為汽車及機械設計開發(fā)的自動化打下了夯實的現(xiàn)實基礎，將理論研究提升到現(xiàn)實應用水平，自此飛機、汽車、船舶等機械制造工業(yè)的開發(fā)設計制造開始廣泛應用參數(shù)化以及變量化的技術，并不斷發(fā)展進步，其造的經(jīng)濟效益也不斷提高。2012 年，Liu Hongpu, Peng Erbao 博士1，使用 UG 對鼓式制動器進行了參數(shù)化設計，應用 UG 軟件對剎車的類型參數(shù)進行了研究和設計。在離散化的原則的基礎上, 對制動鼓組件的典型特點和各個部分進行了三維參數(shù)化建模工作, 并建立了參數(shù)化模型庫調用。同年，A Rehman 博士2，使用 Pro - E 分析考慮了制動鼓的熱應力和機械應力。解析了在不同負載和不同的制動鼓的輪廓下的應力分布,確保制動鼓壓力值低于允許的極限。2014 年，HJ Yuan 博士3針對制動鼓工作過程中的由熱應力引起的溫度上升,摩擦系數(shù)不穩(wěn)定下降,制動轉矩降低,斷裂失效的制動鼓表面徑向裂紋的發(fā)生等問題,。通過分析有限元(FE)模型,位移分布云圖和熱應力云圖,以及位移分布和應力云圖,。耦合分析了接觸區(qū)域外一側內壁的制動鼓和摩擦片,交互的機械負荷和熱負荷,最大應力之間的關系和制動鼓的材料強度極限。德國在制動器方面的研究可以說是更上一層樓，以 B.布勒伊爾及 K.比爾為例4， 他們于各種類型的車輛制動器和制動系統(tǒng)都有很深研究，并以此為基礎，結合全球最新制動系統(tǒng)科技研究成果以及各地區(qū)的實際需要，針對現(xiàn)代車輛制動系統(tǒng)的基礎理論、設計要求、虛擬模擬、系統(tǒng)開發(fā)、部件性能分析和功能開發(fā)，將世界范圍內的制動方面的新技術都一一進行了系統(tǒng)闡述和理論延伸。此外，印度 Bharath 大學的 Anup Kumar and R. Sabarish 教授5 元分析法和 pro/e 分析了在經(jīng)歷高溫和熱應力提高的制動過程中制動鼓的結構和熱能的各種變化。3 國內研究現(xiàn)狀我國對制動器的研究開發(fā)初步具有成效，但還需要進一步的發(fā)展。 我國的 CAD 技術研究起源于 20 世紀 70 年代初，在中國研究人員對汽車鼓式制動器研究的幾十年內，取得了一系列成果。2010 年，王庭義等人6為了更準確地研究具有凸輪張開裝置的領、從蹄式制動器系統(tǒng)的力學行為,在凸輪軸上施加輸入力矩來模擬仿真制動器系統(tǒng)的制動過程,并通過 ADAMS 動力學仿真軟件進行仿真分析。同年，羅明軍等人7基于 ANSYS 對鼓式制動器的受力分析,建立了其關鍵受力部件的力學模型?；诠氖街苿悠鲗嶓w模型建立了其有限元模型,為了更真實模擬制動器的工作狀態(tài),將制動蹄、制動鼓和摩擦襯片作為一個整體進行分析,研究了其工作狀態(tài)下摩擦襯片的壓力分布、制動力矩、制動器的應力分布和制動器的變形。這為鼓式制動器的改進設計提供了可靠依據(jù)。此外，馬迅等8, 運用 ANSYS Workbench 平臺建立了某鼓式制動器的三維有限元模型。對摩擦襯片與制動鼓之間的摩擦接觸進行模擬，考慮了制動鼓和摩擦襯片間的滑動，較真實的模擬了制動的工作過程。 研究了制動力矩在制動過程中的變化規(guī)律，反算出制動效能因素，得出促動力重新分配后接觸壓強的分布特性及制動器的等效應力。為進一步改進制動器結構設計提供了依據(jù) 2012 年馬迅等人9運用通用有限元分析軟件 ANSYSWorkbench 建立了某鼓式制動器的三維幾何及有限元模型。利用制動器應力測定試驗方法和試驗結果，采用三種不同的領從蹄上促動力的分配方式，并考慮凸輪轉動和摩擦系數(shù)等不同方案，分析了制動力矩在制動過程中的變化規(guī)律，得到與試驗結果相對應的仿真結果。將仿真結果與試驗結果進行比較分析，研究合理的制動器應力場的有限元分析方法。在此基礎上得出制動蹄與鼓之間的接觸壓強的分布特性及制動器各部件上的等效應力。2013 年，周吉祥等10，為了使鼓式制動器的模擬仿真更 接近于真實狀態(tài),聯(lián)合運用三維 CAD 建模軟件 CATIA、有限元分析軟件 Hypermesh 及多體動力學分析軟件 MSC.ADAMS,考慮將凸輪、制動底 板、制動蹄及制動鼓視為剛性體,將摩擦片視為柔性體建立了鼓式制動器的剛柔耦合動力仿真模型,并基于動力仿真的結果為鼓式制動器的有限元熱結構耦合分析提 供實時的凸輪促動力,動力仿真得到的領、從蹄促動力關系與相關文獻吻合,驗證了模型的正確性,最后基于熱結構耦合分析了制動鼓破壞失效的原因并提出了相應的改進措施。2014 年，崔功軍，盧磊，吳娟三人11 采用 SolidWorks 建立帶式輸送機鼓式制動器三維模型,導入 ANSYS Workbench 進行溫度場與應力場的耦合分析,研究了在不同制動速度和制動壓力下模型的應力應變與溫度分布變化情況.結果表明:應力主要集中在制動輪 上;應變主要集中在摩擦片上;應力應變與溫度均隨制動速度與制動壓力的增加而增加;應變與溫度均隨制動時間增加而增大,應力隨制動時間的增加趨于穩(wěn)定;應 力波動幅度隨制動速度的增加而增大, 應變處于穩(wěn)定值的時間隨制動速度的增加而減少。4 發(fā)展趨勢及展望從人類第一次設計汽車開始，計算機輔助技術就越來越多的運用到設計里面。起初設計師設計汽車零件是通過不斷積累的經(jīng)驗，而現(xiàn)在計算機輔助設計和分析技術成為被設計師采用的更為高效和準確的設計方法在電腦上，通過參數(shù)化建模，設計人員能夠完成汽車設計的各項工作，比如汽車結構的設計，強度計算與校核，匹配參數(shù)的選擇，工作性能和壽命的模擬分析等等。參數(shù)化建模是汽車設計的發(fā)展趨勢。參數(shù)化設計是 Revit Building 的一個重要思想，Revit Building 中的圖元都是以構件的形式出現(xiàn)，這些構件之間的不同，是通過參數(shù)的調整反映出來的，參數(shù)保存了圖元作為數(shù)字化建筑構件的所有信息。常用的參數(shù)化設計 CAD 軟件中，主流的應用軟件有 Pro/Engineer、UGNX、CATIA 和 Solidworks 四大軟件，四大軟件各有特點并在不同的領域分別占據(jù)一定的市場份額。本次設計就是使用 CATIA 進行參數(shù)化設計。5 本文開展的工作(1)用 CATIA 建立所選制動鼓的三維參數(shù)模型；(2)用 VB 等工具對 CATIA 進行二次開發(fā)，創(chuàng)建參數(shù)化設計界面；(3)對有限元模型進行求解，分析其應力、變形分布，優(yōu)化設計制動器結構，提高結構剛度和強度，減小摩擦片的不均勻磨損現(xiàn)象。參考文獻1 Liu Hongpu, Peng Erbao, The Study of the Parameterization of the Drum Brake Design Based on UG, Energy Procedia, Volume 17, 2012, Pages 279-2852 Rehman A, Das S, Dixit G. Analysis of stir die cast AlSiC composite brake drums based on coefficient of frictionJ. Tribology International, 2012, 51(7):36-41.3 Yuan H J. Brake drum coupling analysis based on stress analysisJ. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2014.4 (德)B.布勒伊爾,K.比爾著.劉希恭等譯.制動技術手冊,機械工業(yè)出版社,2011.5 Kumar A, Sabarish R. Structural and thermal analysis of brake drumJ. Middle East Journal of Scientific Research, 2014.6 王庭義. 鼓式制動器關鍵技術研究D.長安大學,2011.7 羅明軍, 謝亞清. 基于 ANSYS 鼓式制動器有限元模型的建立與分析J. 南昌大學學報工科版, 2010, 32(2):201-204.8 馬迅, 尹長城, 陳艷紅. 基于 ANSYS Workbench 的鼓式制動器的接觸分析J. 湖北汽車工業(yè)學院學報, 2010, 24(3):1-4.9 馬迅,陳明東,趙旭. 鼓式制動器有限元分析方法的研究J. 機械設計與制造,2012,06:217-219.10周吉祥. 基于剛柔耦合模型的鼓式制動器動力仿真及熱性能分析D.太原理工大學,2013.11崔功軍, 盧磊, 吳娟. 鼓式制動器摩擦副熱力耦合分析J. 礦山機械, 2015(4):51-55.