毕业设计报告(论文)
报告(论文) 题目： 汽车鼓式制动关键部位研究
作者所在系部： 机械工程系
作者所在专业： 机械设计制造及其自动化
作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 甄宗建
作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 韩书葵
完 成 时 间 ： 2014年6月
北华航天工业学院教务处
北华航天工业学院
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特此声明
毕业设计（论文）作者：甄宗建 指导教师：韩书葵
2014年 06月 09日 2014年 06月 09日
摘要
本论文主要研究了汽车鼓式制动器的关键部位，希望得到一些技术上的突破。首先，从图书馆借阅鼓式制动器的资料，全面了解鼓式制动器的结构。接着，用PRO/E软件绘制出制动器的制动蹄、摩擦片的三维模型。绘制好了各个零件，再利用三维软件的装配功能，将所有的零件装配在一起，得到总的装配图。最后，先建立PRO/E软件和ANSYS 软件之间的连接，接着利用ANSYS 软件里的Workbench 模块进行有限元分析。对导入的三维模型进行参数设置、网格划分、加载荷和求解，得出分析结果。
关键字：鼓式制动器，有限元分析，网格划分。
Abstract
This paper mainly studies the key parts of drum brake, hoping to get some breakthrough in technology.First of all, from the library of drum brake materials,a comprehensive understanding of the structure of drum brake.Then, the 3Dmodel of brake shoe, brake friction lining drawing with PRO/E software. Draw the parts assembly function, using 3D software, will assemble all the parts together,get the general assembly drawings.Finally, to establish a connection between PRO/E software and ANSYS software, then using the Workbench module in ANSYS software for finite element analysis.The three-dimensional model of the set parameters, meshing, loading and solution, the results.
Key words: drum brake, the finite element analysis，meshing.
目 录
第一章 绪论 . .................................................................................................................................... 6
1.1前言 . .................................................................................................................................... 6
1.2国内外研究现状 . ................................................................................................................ 6
1.2.1国外的研究现状 . ..................................................................................................... 6
1.2.2国内研究现状 . ......................................................................................................... 7
1.3主要研究内容及意义 . ........................................................................................................ 7
1.3.1本论文的主要研究内容 . ......................................................................................... 7
1.3.2本论文的研究意义 . ................................................................................................. 7
1.4本章小结 . ............................................................................................................................ 7
第二章汽车制动系统结构分析 . ...................................................................................................... 8
2.1汽车制动系统的结构方案 . ................................................................................................ 8
2.2汽车制动系统的主要参数 . ................................................................................................ 8
2.3本章小结 . .......................................................................................................................... 10
第三章汽车制动性能评价 . ............................................................................................................ 11
3.1汽车制动受力分析 . .......................................................................................................... 11
3.2汽车制动过程中载荷分析 . .............................................................................................. 11
3.3本章小结 . .......................................................................................................................... 16
第四章鼓式汽车制动建模 . ............................................................................................................ 17
4.1建模软件介绍 . .................................................................................................................. 17
4.2主要部件分析 . .................................................................................................................. 17
4.3三维模型 . .......................................................................................................................... 18
4.4本章小结 . .......................................................................................................................... 19
第五章鼓式汽车制动有限元分析 . ................................................................................................ 21
5.1有限元软件分析 . .............................................................................................................. 21
5.2有限元模型导入 . .............................................................................................................. 21
5.3汽车制动有限元分析 . ...................................................................................................... 22
5.3.1选择单元类型 . ....................................................................................................... 22
5.3.2在软件中建立约束 . ............................................................................................... 23
5.3.3处理结果 . ............................................................................................................... 23
5.3.4划分网格 . ............................................................................................................... 24
5.3.5在软件中建立约束 . ............................................................................................... 24
5.3.6处理结果 . ............................................................................................................... 25
5.4本章小结 . .......................................................................................................................... 25
第六章小结和展望 . ........................................................................................................................ 26
6.1小结 . .................................................................................................................................. 26
6.2工作展望 . .......................................................................................................................... 26
致 谢........................................................................................................................................... 1
参考文献........................................................................................................................................... 2
第一章 绪论
1.1前言
鼓式制动器就是机车上使用的刹车器，把机械能转化成热能，从而达到减速、制动的效果。内张式是鼓式制动器结构运用的主要的结构形式，当机车刹车时，通过领从蹄带着摩擦片向外扩张与制动鼓之间产生摩擦力，将机车的动力势能转化成热力能，也就是靠制动块在制动轮上压紧产生的摩擦力来实现减速和制动的，从而保障司机和机车的生命安全。鼓式制动器是在很早就设计的一种制动系统，在1902年鼓式制动器就已经开始在一些轻型的载客马车上运用，有着不错的表现，直到1920年左右才开始广泛活跃在各大汽车企业里。鼓式制动器是一种非常实用的刹车器，主要是因为它的制作工艺简单和广泛适用性，深受机车尤其是重型机车的欢迎。鼓式制动器的应用很是广泛，例如：飞机、重型汽车、火车等重型机车上都会见到它们的身影。但是，随着汽车工业的高速发展，汽车的安全问题已经成为大家关注的焦点，而制动器又是影响汽车安全性的最为重要的部件之一，制动器性能的好坏直接影响汽车在使用过程中带给驾驶员行驶的安全感和乘坐的舒适程度。这就导致了人们对制动器的要求变得越来越谨慎、严格，比如如今的机车的速度越来越高，机车行驶过程中的惯性越来越大，随之而来需要制动器要承受的载荷越来越大，反而对制动器的尺寸要求却要越变变小，这就要求制动器的制动鼓单位面积所承受的载荷要增强。现在随着人们的生活质量不断提高，各种产品层出不穷，人类的物质生活得到了极大地满足。然而，环境不断恶化，这就使很多人的环境保护意识也日益增强，于是对制动器又提出了更加高的要求。要使制动器不仅满足高速和更大的载荷，还要使他们满足低能耗、环保等诸多的要求。所以，工程师们在改善制动器结构与提高性能方面，并力求满足环境保护要求做了很大的努力，得到了很多的成果。比如由电子控制的制动器和ABS 防抱死系统等的应用。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外的研究现状
鼓式制动器是一种三维复杂的立体结构，线性的方法根本行不通，由于实际发生问题十分之复杂，所以要想获得十分精确的解析解是非常不容易的。线性解析，行不通。于是大家只能通过模拟、假设来趋近于最贴合实际的公式。比如被广泛采用的凯瑟勒的关于鼓式制动器表面的接触压力成正弦分布这一假设等。这些在传统结构分析的理论研究中应用非常的多，具体的研究情况如下所述： ①奥莱斯卡在研究制动时出现的温度和磨损的问题时，提出了复杂的理论公式和经验公式，最后推导出了相应的温度方程和磨损方程。
②Kong 和Ashby 在做研究时，提出制动摩擦所产生的热能有可能导致制动器的升温，并做了两个假设：名义温度和闪点温度。
③Rawson 通过假设制动减速度为定值来简化三维模型，研究了制动时的热能如何进入摩擦表面的相关问题。
上述方法有很多相似的特点，就是在推导时不得不对模型进行简化，最后 把获得的结果重新还原成复杂的模型，这些都不是那么实用和有效。理论推导总不是真理，不能一劳永逸地解决一切鼓式制动器在实际运用中的问题。当然了，
一切的推导总是有局限的，这是很正常的。毕竟，假想和实际的机车使用有着不可逾越的差距。随着人们对机车的制动性能的要求不断提高，希望制动器在温度更高、扭矩等更加极端的环境下工作，但是，制动鼓磨损加剧等影响制动不稳等问题仍然困扰着广大学者。大家都努力从各个方面去做研究，以求找到问题的根源。不管怎样，努力了，也取得了一定的成果，不过要走的路还是十分的漫长。
1.2.2国内研究现状
我国对制动器的研究起步相对于外国确实晚了一些，但是大家都十分努力的想振兴自己的汽车工业，所以做出来了很多卓尔不凡的成就，特别是一些大学的研究，已经做出了非常实用的成果。国内的一些高校有：北京科技大学、、武汉大学等都对汽车鼓式制动器的数值研究和模拟作了很多的研究，范围包括了鼓式制动器的方方面面。北京科技大学的张文明教授计算分析了湿式制动器的制动过程与摩擦温度场之间的关系；武汉理工大学的程亚军教授建立了三维模型分析研究了制动器的温度场分布的规律；
除了高校之外，一些汽车制造企业也不甘示弱，努力投入资金研究以求获得更多的市场利润，于是对不同类型的制动器也做了很多分析，如青特集团对不同平台制动鼓的分析等，但是由于理论和实验的限制，企业所做的制动鼓分析具有很大局限性，不能把他们的结果运用到实践当中去并转化为直接的经济利益。除此之外，企业也很难把温度等要素添加进实验研究当中去。
1.3主要研究内容及意义
1.3.1本论文的主要研究内容
首先，搜集各种关于汽车鼓式制动器的资料，然后进行学习、研究。在充分理解了鼓式制动器的结构和原理后，再利用Pro-E 软件建立汽车鼓式制动的三维模型。接着再使用ANSYS 软件对汽车鼓式制动器模型进行网格划分并施加载荷， 最后对于关键部件的应力进行有限元分析。
1.3.2本论文的研究意义
对于重型车而言，由于在行驶过程中有巨大的惯性，在制动过程中会产生巨大的摩擦力和很多的热能，所以大部分都采用鼓式制动器。这就赋予了鼓式制动器无比艰巨的使命，良好的制动性能是人民生命财产最好的守护神。所以，本论文的研究不仅可以在技术上获得突破，更能减少车祸的产生，意义十分重大。
1.4本章小结
本章介绍了汽车鼓式制动器的基本情况、国内外的发展研究情况，并且简要地阐述了本选题的研究意义。
第二章汽车制动系统结构分析
2.1汽车制动系统的结构方案
当我们设计汽车制动系统时需要其具有足够的行车制动能力，也就是要求汽车在行驶的过程中在一定的制动距离范围内能停车或者在良好的路面上能停驻在一定坡度的路上。
汽车在制动过程中的决定性要素主要包括以下几个因素：
1、制动器效能因数
制动蹄合力作用在E 点分解为F f1和F 1。如图2-1所示。
图 2-1 受力分解
对蹄支点C 取矩，得到汽车在制动过程中的各个力之间的关系表达式为：
F 01h 1+F f 1R -F 1a 1=0
F f 1=F ⋅f
∴F f 1=F 01h 1a 1-R f （2-1）
2、制动器效能稳定性
制动器效能稳定性能的好坏，就是会不会因为f 产生微小的变化而发生巨大的改变。变化小的，就代表有好的稳定性。
2.2汽车制动系统的主要参数
汽车鼓式制动的制动鼓结构如图2-2所示，其主要包括制动鼓，摩擦衬片。
图2-2 鼓式制动器的几何参数
在鼓式制动中，制动鼓应有足够的壁厚，用来保证汽车在制动过程中具有大的强度和传热性，以减小汽车在制动时的温度升的太高。
1．制动鼓内径D
在汽车进行制动时，输入力F 0一定时，制动鼓内径越大，制动力矩越大。但增大D 受轮辋内径限制。因此我们不难发现，制动鼓的内径是一个十分重要的因素。同时，还要考虑轮胎本身的内径大小，由此来尽可能的加大内径。如若内径过小，则十分不利于散热。这里，我查了些资料。制动鼓直径与轮直径之比的范围如下：
乘用车 D ／Dr=0.64～0.74
货车： D ／Dr=0 .70～0 .83
依据我国汽车制动零件选择标准，一般的鼓式汽车制动的内经选择为220mm 。
2．摩擦村片宽度b 和包角β
摩擦村片宽度尺寸b 的选取对摩擦衬片的使用寿命有影响。如果宽度过小，则制动效果不好，大一点，成本又会增大，所以很难取舍。只能在两者之间找到一种平衡。一旦制动鼓半径R 确定后，就可以清楚的知道衬片的摩擦面积为：
Ap=Rβb.
制动器各蹄衬片受到的摩擦面积越大，就可以将大量的利分散给各个角落，不至于很短时间内就过热而报废。试验表明，摩擦衬片包角β=90°～100°时，这时候的效果最好，可以说是黄金比例，性价比可以说是最高。β角减小虽然有利于散热，可磨损将会加重，很难平衡。另外包角一般要小于120°。
取β=100°
衬片宽度b 的大小也不易把控，适度最好。根据国标，我们在这里
取b=90mm
3. 摩擦衬片起始角β0
衬片分布在蹄的中间位置，即令β0=90°－0.5β。但更多是为了更好传递力矩，而做一些适当而必要地调整。
此设计中 令β0=90°－0.5β=90°－500=40°
4. 制动器中心到张开力F 0作用线的距离e
在满足别的零件正常工作的前提下，应使距离e(图8—7) 尽可能大，这样更好。暂定 e=0.8R=0.8x110=88mm
5. 制动蹄支承点位置坐标a 和c
满足别的零件正常工作的前提下，最好使a 大一点而c 小一点，所以我们确定 a=0.8R=0.8x110=88mm
6. 摩擦片摩擦系数f
摩擦材料的摩擦系数越高，是不是这种摩擦材料就是越好呢？答案是否定的，而且是大错特错。应提高对摩擦系数的稳定性和降低制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的要求，这一点是各位工程人员所不能忽视的。正常的摩擦材料的摩擦系数的一般的经验来看，最好维持在0.3～0.5。一般说来，摩擦系数愈高的材料，其耐磨性愈差。高摩擦系数的材料并不是无往而不胜的王道，平衡才是最重要的。综合来看，我的这篇论文在这里取f=0.3。
2.3本章小结
本章对汽车制动系统结构进行了详细计算和分析，分析了制动鼓内径、摩擦村片宽度b 和包角β、摩擦衬片起始角β0、制动器中心到张开力F 0作用线的距离e 、制动蹄支承点位置坐标a 和c 和摩擦片摩擦系数f 。制订了汽车制动系统的结构方案并确定了汽车制动系统的主要参数，这样就为以后的内容打下了良好的基础。
第三章汽车制动性能评价
3.1汽车制动受力分析
汽车在遇到紧急情况时，需要紧急制动。驾驶员在发现问题并实施制动动作时，作用在制动蹄上的促应力使制动蹄通过摩擦衬片给制动鼓加压，产生摩擦力，从而达到制动效果。受力的情况如图3-1所示，一目了然。
图3-1汽车制动受力分析图
G-----汽车所受重力
L-----汽车轴距
L1----汽车质心离前轴距
L2----汽车质心离后轴距离
Hg ----汽车质心高度
F B1---地面对前轮的摩擦力
F B2--地面对后轮的摩擦力
3.2汽车制动过程中载荷分析
我们令汽车的重量不便，当汽车开始刹车时，速度慢慢变小，汽车制动力的计算公式为： d 2x M 2=∑F dt (3-1)
M-汽车质量，kg ；
F-制动力，N ；
t-制动时间，S ；
在车轮抱死的情况下，就会产生滑动摩擦，汽车会继续在公路上继续滑行则得到车轮在这时的运动微分方程式： d 2x =-g ϕ (3-2) dt 2
由(3-2)中可以知，在这种情况下汽车的制动减速度与汽车自身重量没有任何系。
刹车时，汽车速度减慢，制动时间可以分为载荷增长至最大值
时间和载荷稳定作用时间，根据运动方程： ω(t ) t t t t m =m [1+0--exp(-)]ω0t 0t m t m t m
M θ=mV 2
0-mV 2
2 M =mR ω0-t [1-exp(-t)]t m (3-3)
t m -载荷增加最大时间，s ；
t o -稳定作用时间，s ；
V o -初始速度，m/s；
m -汽车质量，kg ；
M -制动力矩，N.m ；
Θ-转动角度，度；
在速度变化不明显时f>f。，且t o 远远大于t 时，速度变化慢慢减小，可以当成匀减速运动。进过理论推导我们可以清楚地发现，从制动器开始动作到车轮完全抱死的时间是固定的，变化不大，也就是0.2s ～0.8s ，时间十分的短暂，稍纵即逝。根据时间来划分，汽车滑行距离与时间的关系的公式： 1S =∑(Vt ∆t -αt (∆t) 2（) 1-s t ）2t =1 (3-4) ' n
V t 一各等分段起始时车速，m/s；
αt 一各等分段中点对应的制动减速度；
Δt 一等分段时间差；
S t 一各等分段滑移率。
汽车开始刹车到完全制动、静止，汽车所走过的总距离S ”计算公式如下： V 2
n S =s n 2⨯tg (3-5) ''
制动鼓所转动的圈数N 为：
' '' N =(S+S ) /2π⋅R (3-6)
由上式可求得制动鼓的转动距离的计算公式为如下所示： r L =2π⋅Nr =(S' +S '' ) (3-7) R
通过对于制动鼓的运动计算，可以很轻而易举的达到汽车总共进行的距离。 制动力矩的产生过程，由制动气室作用在凸轮轴上，凸轮作用力与制动蹄上，所至而来产生摩擦力矩，达到制动的目的。
(1)凸轮轴张开力
凸轮轴示意图如图3-2所示，凸轮轴张开力的计算公式为：
F 01=F ⨯i ' c ⨯η'' c =F ⨯L h +mf (3-8)
i c -力传动比；
F-气室推力；
' i c -运动传动比；
'' c -传动效率；
L -调整臂转动半径，mm ；
h -法向力的力臂；
m -切向力；
T -力臂，mm ；
f -接触点的摩擦系数
将F=11000N，L=145mm，h=12.5mm，m=30.5mm，f=0.1代入公式3-8中， 计算可得R l =102572N。
图3-2凸轮轴示意图
由于考虑制动鼓受摩擦片作用而受到法向压力与切向摩擦力，因此要对制 动蹄摩擦表面的力矩分布等进行严格细致的简化计算，如图3-3所示。
图3-3制动蹄摩擦面的压力分布图
制动蹄片上的压力是沿长度方向分布，因此摩擦衬片的径向压力公式如下： q =q max sin α （3-9） q max -制动蹄表面的最大压力，N 。
(2)制动鼓摩擦力
在对鼓式制动器的制动力矩计算之前，最重要的是先必须建立制动蹄对制动鼓的压紧力与所产生的制动力矩之间的关系。就本文对象来说，其制动鼓上的制动力矩等于两蹄摩擦力矩之和，得到的计算公式如下：
' T Tf 1=P 1fh ρ1/[c(cosδ1+fsin δ1) -f δ1]=P 1B 1 (3-10) 对于从蹄的计算可类似地表示为：
T Tf 2=p 2fh ρ2/[c' (cosδ2-fsin δ2) +f ρ2]=P 2B 2 (3-11) P 1-制动蹄的张开力，N (经过计算可得51000N ) ；
f -摩擦片的摩擦系数； N δ=arctan(y ) =arctan[(cos2α' -cos 2α'' ) /(2β-sin 2α'' +sin 2α' )]N x
β=α'' -α' ;
ρ1-摩擦力fN 1的作用半径
摩擦力作用半径计算如下：
（3-12）
ρ=[4R(cosα' -cos α'' （3-13） 对本文所采用的模型来说，其鼓式制动鼓上的制动力矩计算公式为：
T f =T Tf 1+T Tf 2=PB 11+P 2B 2 (3-14) 由计算可知B 1=O.27，B 2=O.1，因此单个制动蹄制动扭矩计算可以得出
l 8870N·m ，
而制动鼓表面的最大压力： q max1=Ph 1ρ1
bR 2(cosα' -cos α'' )[c' (cosδ1+fsin δ2) -f ρ1] (3-15)
b- 摩擦衬片宽度，mm ，本课题选用220mm 。
因此求得：
q 1max =2.38MPa
q 2max =0.88MPa
当刹车时，摩擦衬片与制动鼓内壁产生接触时，产生的摩擦力的大小为：
F f 1=μq 1max s =38734.2N
F f 2=μq 2max S =14321.9N （3-16）
(3)制动力矩计算
制动鼓所受到的法向力由两部分力组成，一个是紧蹄所提供的F l ，另一个则是松蹄提供的F 2。 F 1=h *F01
C *(cosδ+f*sinδ) -fR （3-17）
h -蹄的中心距，m ;
c -蹄片轴到蹄中心的中心距，m ；
f -摩擦系数；
R -制动器的半径，m ；
δ-x 轴和力F 1的作用线之间的夹角。 cos 2α' -cos 2α''
δ=arctan '' ' 2β-sin 2α+sin 2α （3-18）
由已知条件：
α' =21.6 ，β=54.5 ，α'' =32.9 , f =0.3, R =210mm , h =315, F 01=102572N ,c =160
cos 43.2 -cos65.8
δ=arctan =10.72
1.91-sin 65.8+sin 43.2
所以：
δ=10.72, F 1=314423.7N
F 2=h *F 01=153244.2N C *(cosδ-f*sinδ) +fR (3-19) 因此，制动力矩的大小与他们的摩擦力矩相等，则：
M 1=F 1⨯f ⨯R =314423.7⨯0.3⨯0.21=19808.7Nm
M 2=F 2⨯f ⨯R =153244.2⨯0.3⨯0.21=9654.4Nm
M =M 1+M 2=29463.1Nm
f -摩擦系数，一般取O.3；
R -制动器有效半径，m 。
3.3本章小结
本章对汽车制动时的受力做了简要的分析，同时又对汽车制动过程中载荷加以详细的分析，得出设计所需要的参数。
第四章鼓式汽车制动建模
4.1建模软件介绍
我所使用的三维建模软件是，PRO ／ENGINEER 。它是由PTC 公司研制开发出来的产品，在很多企业得到应用。该软件具有以下几个特点：功能强大，容易学习、方便使用。该软件应用领域比较广泛，例如家电生产企业、与汽车有关的零部件生产以及汽车发动机生产企业、与航空航天相关的零部件的生产制造企业和工业产品生产等企业。Pro ／E 软件功能极其强大，在各个领域，从开始设计一直到后期的生产，都能给大家提供准确而又详细的技术支持。在如今就业招聘时，这款软件也成了一些人力资源的经理对大学生的要求之一。因此，我对学好这款软件有着强大的渴望。
(1)单一数据库
Pro ／E 软件，它的强大在于它有着统一的数据库，在设计时任何一处发生改动便可以迅速反应在整个设计过程上。
(2)参数化设计功能
Pro ／E 软件是有着独一无二的技术支持，公司每年都会更新功能。使用者可以根据设计先在选定的平面建立草图，通过一系列的旋转、拉伸，顺利得到需要的零件三维图。接着，再利用装配命令，将一个一个零件组装起来。方便、可靠。Pro ／Engineer 功能如下：
①特征驱动；
②参数化；
③通过零件之间的特殊关系来进行设计；
④支持大型、复杂组合件的设计；
⑤软件的完全整体相关性，再加上其它辅助模块将会提高Pro/ENGINEER的功能。
Pro/E软件是目前很多机械企业所公认的一款绘图软件，远比Solid works的功能强大，因此我在机械绘图软件的选择上，就是Pro/E。毕竟熟能生巧，多练，多用，就会更熟练！这在我以后的工作中会起到很大的作用。
4.2主要部件分析
图4-1为蹄鼓刚刚接触时领蹄的受力简图。制动蹄在促动力F1的作用下，便会张开，与转动的制动鼓接触，假设制动蹄受到是正弦分布的正压力，可以计算出蹄鼓之间最大正压力．静载荷工况是制动鼓转动时工况的简化形式．此时并无摩擦力作用。根据力的等效原理．可以计算出正压力合力F2的大小与作用点。
图4-1静载荷领蹄受力简图
在静载荷工况下．由于没有摩擦力的作用．从蹄的受力情况跟领蹄相同。为
了更好的模拟真实情况，分析中正压力采用理论分析中得到的正弦分布力．施加在制动蹄与鼓相互接触的表面上。
受力情况与静载荷工况类似．只是此时有存在与正压力相对应的摩擦力。对于等位移制动器，制动时两蹄对鼓的压紧的力是一样的，没有任何变化．所以制动蹄和制动鼓之间的最大正压力大小相同。由于领蹄摩擦力的增势作用，领蹄的促动力减小。由于从蹄摩擦力的减势作用．从蹄的促动力增大。根据力的等效原理．亦能计算出正压力合力F 2、摩擦力合力F 3的大小与作用点，将正压力与摩擦力合成得到F 的大小及作用点。可以算出制动鼓转动工况下．领蹄、从蹄的促动力大小。
图4-2制动鼓动时领蹄受力简图
4.3三维模型
打开Pro/E软件，选择基准平面，我先在草图上画出领蹄的基座，接着拉伸就可以了。然后在基座的俯视平面上，画出领蹄的主干部分，接着再拉伸。这样，就完成了一个蹄的建模，接下来我只要通过镜像命令，就可以得到另一个从蹄。如图4-3所示：
图4-3鼓式制动器的制动蹄
另一个关键部件就是摩擦衬片，它是一种高效耐磨的材料。它位于制动蹄和制动鼓之间，传递巨大的摩擦力，产生制动力矩，起到刹车的作用。画图的步骤和制动蹄一般无二。先在选定的基准平面内，画出图形，接着拉伸、镜像，就得到如图4-4所示的摩擦衬片。
图4-4摩擦衬片
画完制动蹄和摩擦衬片，接着我又完成了底座、传动凸轮和制动鼓的绘制。然后，就开始在软件上把这些零件一个一个地装配在一起，就得到了如图4-5所示鼓式制动器的完整装配图。
图4-5为鼓式制动器的完整装配图
4.4本章小结
鼓式制动器三维模型的建立是在对它有了详细的基础上完成的，在绘制的过程中，我也遇到了很多技术性的问题，令我停滞不前。同时也对Pro/E这款软件有了更深入的了解。完成了，三维模型的绘制，就为下一阶段的有限元分析打好了基础。
第五章鼓式汽车制动有限元分析
5.1有限元软件分析
ANSYS 软件基本性能
ANSYS Workbench 是一款计算机辅助工程的软件，主要提供有限元分析的功能。它可以模拟受力、加载荷，进行模拟仿真，可以做到现实中困难或者根本就完成不了的试验。它能为产品整机、多场耦合的分析提供出十分优秀的系统性的解决方案，ANSYS Workbench 仿真协同环境的目标是：通过对产品研发流程进行仿真试验，搭建一个卓有成效的仿真系统平台，帮大家解决很多这方面的问题。它这里由三个部分组成，分别是几何建模模块(Design Modeler ) 、有限元分析模块(Design Simulation) 和优化设计模块(Design explorer) 。这款软件的功能同样很强大，它虽然没有PRO/E或UG 这种专注于三维设计的软件在设计上的优势。然而，它却有着别人无法替代的作用，因为它也有进行三维图形绘制的平台，同时也可以和各种绘图软件进行连接，直接导入绘制好的三维模型。最为关键的是，它可以进行有限元分析。看这样的结构、材料是否能够满足实际工程或生产中的要求。如果不行再进行更改，更加方便、简单，比实际做实验要节省更多成本。间接的帮使用 ANSYS 软件的企业节省的成本。不仅如此， ANSYS 软件的应用领域也很广泛。机械行业肯定是离不开它的，因为各种应力分析、结构分析要依赖它；除此之外，据我所知，建筑行业同样需要其强大的模拟仿真功能，来对建筑物或内部结构的强度等进行分析并得出适当地结论。具体的功能简述如下。
(1)自动分析能力
使用者设定好参数后， ANSYS 软件会自动进行分析、计算，得出结论。
(2)自动化网格划分
ANSYS 软件，另一大显著的特点就是能够进行自动化网格划分，并且还会根据不同的材料、结构，对应着不同的网格划分精度。
(3)快捷的优化工具
在使用者通过一系列的操作，完成了三维模型、设定好参数并划分好网格，得出结果后。软件还有优化工具，帮助大家更快更好地迅速找到优化解决问题的方案。
(4)设计流程
在AW E 工作的环境中，一般的仿真分析流程分以下三步。
①首先是CAD 模型导入，实现功能模块是Design Modeler ，前提得建立绘图软件和ANSYS 的连接；
②热力耦合和电磁有限元分析，完成这些功能的模块是Design Simulation； ③优化设计，在这里能实现功能模块是Design explore。
ANSYS 软件的全名是analyze system 即：分析系统。它作为一款有限元分析软件，不仅在机械行业上有广泛的应用，而且它在建筑行业也有不俗的表现。我现在在这里使用的主要是ANSYS 它其中的Workbench 模块，运用Pro/E与Workbench 的对接技术，直接将建好的三维模型导入本软件，这样就不用我在花时间在ANSYS 再重新建立模型了，这样就是各取所长了，达到事半功倍的效果。接着进行网格划分、加载荷、求解等一系列的操作。
5.2有限元模型导入
先将Pro/E与Workbench 进行对接，这样在Pro/E的上方工具栏中就会出现一个ANSYS 的按钮选项，点击进入就可以顺利将模型导入ANSYS 里面。在软件中建立三维模型如图5-1，5-2所示。
图5-1摩擦衬片模型
图5-2制动蹄模型
模型导入ANSYS 里面以后就要进行参数设定，制动蹄材料采用球磨铸铁QT450-10．杨氏模量为1．68×10MPa ．泊松比为0．28．密度为7100kg ·m 。 3
5.3汽车制动有限元分析
5.3.1选择单元类型
在这里我使用的是三角型网格，设定好参数，就可以在模型树上点击网格划分，然后就得到了如图5-3所示的结果。
图5-3摩擦衬片的网格划分
5.3.2在软件中建立约束
在这里我把摩擦衬片所受到的力简化为在衬片中间位置的受到的集中载荷，如图5-4所示。
图5-4摩擦衬片加载荷
5.3.3处理结果
加完载荷后，就可以求解了，单击solution 按钮，系统就开始工作了。等进度条走到尽头，结果就出来了。如下图所示，摩擦衬片的变形主要集中在两端，最大的变形量达到了130.1，而最小的变形区域主要是中间部分，仅有38.838。整体还算是均匀分布。如图5-5所示。
图5-5摩擦衬片的总变形云图
5.3.4划分网格
接下来就是要选择单元类型，在这里我使用的同样是三角型网格，设定好参数，就可以在模型树上点击网格划分，然后就得到了如图5-6所示的结果。
图5-6制动蹄的网格划分
5.3.5在软件中建立约束
在这里我把摩擦衬片所受到的力简化为在衬片中间位置的受到的集中载荷，每个蹄都受到一对大小相等、方向相反的作用力的作用，并且我在下方的两个通孔处给他们下了固定命令。如图5-7所示。
图5-7制动蹄添加约束
5.3.6处理结果
由下图可知，制动蹄最大变形量位于顶端，最小的变形量分布在固定处。 体的变形是由上往下依次递减。如图5-8所示。
图5-8制动蹄的总变形云图
5.4本章小结
本章介绍了ANSYS 软件里的Workbench 与Pro/E软件对接导入模型的过程，并介绍了三维模型的参数设置、网格划分、添加约束以及最后的求解过程。制动鼓变形符合实际情况，接触应力与已有的分布规律相一致。
第六章小结和展望
6.1小结
本课题的研究主要利用Pro-E 软件建立汽车鼓式制动的三维模型并使用了ANSYS 软件对汽车鼓式制动器模型进行网格划分并施加载荷接着是对于关键部件的应力进行分析。面对论文的研究结果总结如下：
（1) 根据实际产品分析测量，绘制准确的三维模型，并对模型进行分析前处理， 为下一步的分析做准备。建模的过程中，通过加辅助虚拟的办法实现了对制动鼓 的转动约束，并且解决了制动力矩的计算。
(2)运用有限元分析软件ANSYS 进行仿真分析，有限元分析方法是一种常用的数值仿真分析方法，特别是对于结构的部件效果更为明显，运用ANSYS 软件中的Workbench 对制动鼓进行有限元分析，模拟确定实际工作中的情况，从而得到比较高的分析精度。
(3)对制动鼓的强度进行了分析，特别是制动鼓与摩擦片接触的区域。
本课题利用限元方法对汽车制动鼓工作状态进行了分析，计算得到的结论和结果对于评价制动鼓的性能，以及对制动鼓结构优化具有一定的参考价值。
6.2工作展望
本课题只是从制动鼓的受力方面进行了建模和分析，由于计算机软件和硬件等条件的限制，因此没有对结构应力场与温度场之间互相影响进行讨论。
首先，在对制动蹄进行加载荷时，由于个人的能力有限，所以我把原来应该是正弦分布的应力简化成了一个单一的集中载荷。这些，在以后的工作中是一定要改过来的，因为科学技术是容不得一点马虎的。
其次，对鼓式制动器的研究也必须包括热耦合等方面的内容，因为汽车制动时，有很大一部分的动能转换成了热量。所以，在以后的工作中热力学也必须考虑进去的。
最后，通过这次毕业设计，让我对盘式、鼓式制动器有了全面的了解，学到了很多东西。以后，我会在工作中好好运用在学校学到的东西。
致 谢
本论文是我在我敬爱的导师韩书葵老师的细心、耐心指导下完成的。在我选完课题后才发现，带我的是韩老师，这让我对我的毕业设计有了一丝期待。因为之前我偶然有幸听了一节韩老师的课，我就被这位热情、洒脱、毫不做作的老师所深深吸引，真实其实是一个人最大的魅力。所以，我想我可以通过做毕业设计向韩老师多学点东西。果然，从刚开始如何着手画三维图、ANSYS 软件的学习，到最后论文的修改和完成，韩老师尽心尽力，先是给我关于制动器的各种资料，在我遇到困难时，老师总能及时帮我解答。感谢老师的教诲，没齿难忘。
每一次，当我遇到自己无法解决的困难，我就会到办公室找韩老师。再细心的讲解之后，老师总是会发出招牌式的爽朗的笑声，让我感到很是欣慰。说实话，我不太喜欢廊坊的气候，甚至想过再也不回到这所学校了，可是，韩老师却是我忘不掉的牵挂。
还有，在这里我想感谢机械系的各位老师，感谢曾经教过我们的全部老师，是你们让我学到了知识、明白了以后工作所需要严谨务实的工作态度。另外，我还要感谢机械工程系的各位领导和辅导老师的关怀。
六月份，就要到了离开学校的日子，我并不像大多数同学那样，忧伤、不舍，甚至酗酒、痛哭，我只希望早一天离开学校，去工作，去社会上履行自己的责任和义务。雏鹰长大了，天空才是它的世界，面带微笑、拥抱蓝天，才是男儿本色！在工作中，做出成绩，才是对老师最好的回报。最后，我再次表示对各位老师的感谢，祝愿各位老师工作顺利、生活幸福、桃李满天下！
参考文献
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毕业设计报告(论文)
报告(论文) 题目： 汽车鼓式制动关键部位研究
作者所在系部： 机械工程系
作者所在专业： 机械设计制造及其自动化
作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 甄宗建
作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 韩书葵
完 成 时 间 ： 2014年6月
北华航天工业学院教务处
北华航天工业学院
本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。
特此声明
毕业设计（论文）作者：甄宗建 指导教师：韩书葵
2014年 06月 09日 2014年 06月 09日
摘要
本论文主要研究了汽车鼓式制动器的关键部位，希望得到一些技术上的突破。首先，从图书馆借阅鼓式制动器的资料，全面了解鼓式制动器的结构。接着，用PRO/E软件绘制出制动器的制动蹄、摩擦片的三维模型。绘制好了各个零件，再利用三维软件的装配功能，将所有的零件装配在一起，得到总的装配图。最后，先建立PRO/E软件和ANSYS 软件之间的连接，接着利用ANSYS 软件里的Workbench 模块进行有限元分析。对导入的三维模型进行参数设置、网格划分、加载荷和求解，得出分析结果。
关键字：鼓式制动器，有限元分析，网格划分。
Abstract
This paper mainly studies the key parts of drum brake, hoping to get some breakthrough in technology.First of all, from the library of drum brake materials,a comprehensive understanding of the structure of drum brake.Then, the 3Dmodel of brake shoe, brake friction lining drawing with PRO/E software. Draw the parts assembly function, using 3D software, will assemble all the parts together,get the general assembly drawings.Finally, to establish a connection between PRO/E software and ANSYS software, then using the Workbench module in ANSYS software for finite element analysis.The three-dimensional model of the set parameters, meshing, loading and solution, the results.
Key words: drum brake, the finite element analysis，meshing.
目 录
第一章 绪论 . .................................................................................................................................... 6
1.1前言 . .................................................................................................................................... 6
1.2国内外研究现状 . ................................................................................................................ 6
1.2.1国外的研究现状 . ..................................................................................................... 6
1.2.2国内研究现状 . ......................................................................................................... 7
1.3主要研究内容及意义 . ........................................................................................................ 7
1.3.1本论文的主要研究内容 . ......................................................................................... 7
1.3.2本论文的研究意义 . ................................................................................................. 7
1.4本章小结 . ............................................................................................................................ 7
第二章汽车制动系统结构分析 . ...................................................................................................... 8
2.1汽车制动系统的结构方案 . ................................................................................................ 8
2.2汽车制动系统的主要参数 . ................................................................................................ 8
2.3本章小结 . .......................................................................................................................... 10
第三章汽车制动性能评价 . ............................................................................................................ 11
3.1汽车制动受力分析 . .......................................................................................................... 11
3.2汽车制动过程中载荷分析 . .............................................................................................. 11
3.3本章小结 . .......................................................................................................................... 16
第四章鼓式汽车制动建模 . ............................................................................................................ 17
4.1建模软件介绍 . .................................................................................................................. 17
4.2主要部件分析 . .................................................................................................................. 17
4.3三维模型 . .......................................................................................................................... 18
4.4本章小结 . .......................................................................................................................... 19
第五章鼓式汽车制动有限元分析 . ................................................................................................ 21
5.1有限元软件分析 . .............................................................................................................. 21
5.2有限元模型导入 . .............................................................................................................. 21
5.3汽车制动有限元分析 . ...................................................................................................... 22
5.3.1选择单元类型 . ....................................................................................................... 22
5.3.2在软件中建立约束 . ............................................................................................... 23
5.3.3处理结果 . ............................................................................................................... 23
5.3.4划分网格 . ............................................................................................................... 24
5.3.5在软件中建立约束 . ............................................................................................... 24
5.3.6处理结果 . ............................................................................................................... 25
5.4本章小结 . .......................................................................................................................... 25
第六章小结和展望 . ........................................................................................................................ 26
6.1小结 . .................................................................................................................................. 26
6.2工作展望 . .......................................................................................................................... 26
致 谢........................................................................................................................................... 1
参考文献........................................................................................................................................... 2
第一章 绪论
1.1前言
鼓式制动器就是机车上使用的刹车器，把机械能转化成热能，从而达到减速、制动的效果。内张式是鼓式制动器结构运用的主要的结构形式，当机车刹车时，通过领从蹄带着摩擦片向外扩张与制动鼓之间产生摩擦力，将机车的动力势能转化成热力能，也就是靠制动块在制动轮上压紧产生的摩擦力来实现减速和制动的，从而保障司机和机车的生命安全。鼓式制动器是在很早就设计的一种制动系统，在1902年鼓式制动器就已经开始在一些轻型的载客马车上运用，有着不错的表现，直到1920年左右才开始广泛活跃在各大汽车企业里。鼓式制动器是一种非常实用的刹车器，主要是因为它的制作工艺简单和广泛适用性，深受机车尤其是重型机车的欢迎。鼓式制动器的应用很是广泛，例如：飞机、重型汽车、火车等重型机车上都会见到它们的身影。但是，随着汽车工业的高速发展，汽车的安全问题已经成为大家关注的焦点，而制动器又是影响汽车安全性的最为重要的部件之一，制动器性能的好坏直接影响汽车在使用过程中带给驾驶员行驶的安全感和乘坐的舒适程度。这就导致了人们对制动器的要求变得越来越谨慎、严格，比如如今的机车的速度越来越高，机车行驶过程中的惯性越来越大，随之而来需要制动器要承受的载荷越来越大，反而对制动器的尺寸要求却要越变变小，这就要求制动器的制动鼓单位面积所承受的载荷要增强。现在随着人们的生活质量不断提高，各种产品层出不穷，人类的物质生活得到了极大地满足。然而，环境不断恶化，这就使很多人的环境保护意识也日益增强，于是对制动器又提出了更加高的要求。要使制动器不仅满足高速和更大的载荷，还要使他们满足低能耗、环保等诸多的要求。所以，工程师们在改善制动器结构与提高性能方面，并力求满足环境保护要求做了很大的努力，得到了很多的成果。比如由电子控制的制动器和ABS 防抱死系统等的应用。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外的研究现状
鼓式制动器是一种三维复杂的立体结构，线性的方法根本行不通，由于实际发生问题十分之复杂，所以要想获得十分精确的解析解是非常不容易的。线性解析，行不通。于是大家只能通过模拟、假设来趋近于最贴合实际的公式。比如被广泛采用的凯瑟勒的关于鼓式制动器表面的接触压力成正弦分布这一假设等。这些在传统结构分析的理论研究中应用非常的多，具体的研究情况如下所述： ①奥莱斯卡在研究制动时出现的温度和磨损的问题时，提出了复杂的理论公式和经验公式，最后推导出了相应的温度方程和磨损方程。
②Kong 和Ashby 在做研究时，提出制动摩擦所产生的热能有可能导致制动器的升温，并做了两个假设：名义温度和闪点温度。
③Rawson 通过假设制动减速度为定值来简化三维模型，研究了制动时的热能如何进入摩擦表面的相关问题。
上述方法有很多相似的特点，就是在推导时不得不对模型进行简化，最后 把获得的结果重新还原成复杂的模型，这些都不是那么实用和有效。理论推导总不是真理，不能一劳永逸地解决一切鼓式制动器在实际运用中的问题。当然了，
一切的推导总是有局限的，这是很正常的。毕竟，假想和实际的机车使用有着不可逾越的差距。随着人们对机车的制动性能的要求不断提高，希望制动器在温度更高、扭矩等更加极端的环境下工作，但是，制动鼓磨损加剧等影响制动不稳等问题仍然困扰着广大学者。大家都努力从各个方面去做研究，以求找到问题的根源。不管怎样，努力了，也取得了一定的成果，不过要走的路还是十分的漫长。
1.2.2国内研究现状
我国对制动器的研究起步相对于外国确实晚了一些，但是大家都十分努力的想振兴自己的汽车工业，所以做出来了很多卓尔不凡的成就，特别是一些大学的研究，已经做出了非常实用的成果。国内的一些高校有：北京科技大学、、武汉大学等都对汽车鼓式制动器的数值研究和模拟作了很多的研究，范围包括了鼓式制动器的方方面面。北京科技大学的张文明教授计算分析了湿式制动器的制动过程与摩擦温度场之间的关系；武汉理工大学的程亚军教授建立了三维模型分析研究了制动器的温度场分布的规律；
除了高校之外，一些汽车制造企业也不甘示弱，努力投入资金研究以求获得更多的市场利润，于是对不同类型的制动器也做了很多分析，如青特集团对不同平台制动鼓的分析等，但是由于理论和实验的限制，企业所做的制动鼓分析具有很大局限性，不能把他们的结果运用到实践当中去并转化为直接的经济利益。除此之外，企业也很难把温度等要素添加进实验研究当中去。
1.3主要研究内容及意义
1.3.1本论文的主要研究内容
首先，搜集各种关于汽车鼓式制动器的资料，然后进行学习、研究。在充分理解了鼓式制动器的结构和原理后，再利用Pro-E 软件建立汽车鼓式制动的三维模型。接着再使用ANSYS 软件对汽车鼓式制动器模型进行网格划分并施加载荷， 最后对于关键部件的应力进行有限元分析。
1.3.2本论文的研究意义
对于重型车而言，由于在行驶过程中有巨大的惯性，在制动过程中会产生巨大的摩擦力和很多的热能，所以大部分都采用鼓式制动器。这就赋予了鼓式制动器无比艰巨的使命，良好的制动性能是人民生命财产最好的守护神。所以，本论文的研究不仅可以在技术上获得突破，更能减少车祸的产生，意义十分重大。
1.4本章小结
本章介绍了汽车鼓式制动器的基本情况、国内外的发展研究情况，并且简要地阐述了本选题的研究意义。
第二章汽车制动系统结构分析
2.1汽车制动系统的结构方案
当我们设计汽车制动系统时需要其具有足够的行车制动能力，也就是要求汽车在行驶的过程中在一定的制动距离范围内能停车或者在良好的路面上能停驻在一定坡度的路上。
汽车在制动过程中的决定性要素主要包括以下几个因素：
1、制动器效能因数
制动蹄合力作用在E 点分解为F f1和F 1。如图2-1所示。
图 2-1 受力分解
对蹄支点C 取矩，得到汽车在制动过程中的各个力之间的关系表达式为：
F 01h 1+F f 1R -F 1a 1=0
F f 1=F ⋅f
∴F f 1=F 01h 1a 1-R f （2-1）
2、制动器效能稳定性
制动器效能稳定性能的好坏，就是会不会因为f 产生微小的变化而发生巨大的改变。变化小的，就代表有好的稳定性。
2.2汽车制动系统的主要参数
汽车鼓式制动的制动鼓结构如图2-2所示，其主要包括制动鼓，摩擦衬片。
图2-2 鼓式制动器的几何参数
在鼓式制动中，制动鼓应有足够的壁厚，用来保证汽车在制动过程中具有大的强度和传热性，以减小汽车在制动时的温度升的太高。
1．制动鼓内径D
在汽车进行制动时，输入力F 0一定时，制动鼓内径越大，制动力矩越大。但增大D 受轮辋内径限制。因此我们不难发现，制动鼓的内径是一个十分重要的因素。同时，还要考虑轮胎本身的内径大小，由此来尽可能的加大内径。如若内径过小，则十分不利于散热。这里，我查了些资料。制动鼓直径与轮直径之比的范围如下：
乘用车 D ／Dr=0.64～0.74
货车： D ／Dr=0 .70～0 .83
依据我国汽车制动零件选择标准，一般的鼓式汽车制动的内经选择为220mm 。
2．摩擦村片宽度b 和包角β
摩擦村片宽度尺寸b 的选取对摩擦衬片的使用寿命有影响。如果宽度过小，则制动效果不好，大一点，成本又会增大，所以很难取舍。只能在两者之间找到一种平衡。一旦制动鼓半径R 确定后，就可以清楚的知道衬片的摩擦面积为：
Ap=Rβb.
制动器各蹄衬片受到的摩擦面积越大，就可以将大量的利分散给各个角落，不至于很短时间内就过热而报废。试验表明，摩擦衬片包角β=90°～100°时，这时候的效果最好，可以说是黄金比例，性价比可以说是最高。β角减小虽然有利于散热，可磨损将会加重，很难平衡。另外包角一般要小于120°。
取β=100°
衬片宽度b 的大小也不易把控，适度最好。根据国标，我们在这里
取b=90mm
3. 摩擦衬片起始角β0
衬片分布在蹄的中间位置，即令β0=90°－0.5β。但更多是为了更好传递力矩，而做一些适当而必要地调整。
此设计中 令β0=90°－0.5β=90°－500=40°
4. 制动器中心到张开力F 0作用线的距离e
在满足别的零件正常工作的前提下，应使距离e(图8—7) 尽可能大，这样更好。暂定 e=0.8R=0.8x110=88mm
5. 制动蹄支承点位置坐标a 和c
满足别的零件正常工作的前提下，最好使a 大一点而c 小一点，所以我们确定 a=0.8R=0.8x110=88mm
6. 摩擦片摩擦系数f
摩擦材料的摩擦系数越高，是不是这种摩擦材料就是越好呢？答案是否定的，而且是大错特错。应提高对摩擦系数的稳定性和降低制动器对摩擦系数偏离正常值的敏感性的要求，这一点是各位工程人员所不能忽视的。正常的摩擦材料的摩擦系数的一般的经验来看，最好维持在0.3～0.5。一般说来，摩擦系数愈高的材料，其耐磨性愈差。高摩擦系数的材料并不是无往而不胜的王道，平衡才是最重要的。综合来看，我的这篇论文在这里取f=0.3。
2.3本章小结
本章对汽车制动系统结构进行了详细计算和分析，分析了制动鼓内径、摩擦村片宽度b 和包角β、摩擦衬片起始角β0、制动器中心到张开力F 0作用线的距离e 、制动蹄支承点位置坐标a 和c 和摩擦片摩擦系数f 。制订了汽车制动系统的结构方案并确定了汽车制动系统的主要参数，这样就为以后的内容打下了良好的基础。
第三章汽车制动性能评价
3.1汽车制动受力分析
汽车在遇到紧急情况时，需要紧急制动。驾驶员在发现问题并实施制动动作时，作用在制动蹄上的促应力使制动蹄通过摩擦衬片给制动鼓加压，产生摩擦力，从而达到制动效果。受力的情况如图3-1所示，一目了然。
图3-1汽车制动受力分析图
G-----汽车所受重力
L-----汽车轴距
L1----汽车质心离前轴距
L2----汽车质心离后轴距离
Hg ----汽车质心高度
F B1---地面对前轮的摩擦力
F B2--地面对后轮的摩擦力
3.2汽车制动过程中载荷分析
我们令汽车的重量不便，当汽车开始刹车时，速度慢慢变小，汽车制动力的计算公式为： d 2x M 2=∑F dt (3-1)
M-汽车质量，kg ；
F-制动力，N ；
t-制动时间，S ；
在车轮抱死的情况下，就会产生滑动摩擦，汽车会继续在公路上继续滑行则得到车轮在这时的运动微分方程式： d 2x =-g ϕ (3-2) dt 2
由(3-2)中可以知，在这种情况下汽车的制动减速度与汽车自身重量没有任何系。
刹车时，汽车速度减慢，制动时间可以分为载荷增长至最大值
时间和载荷稳定作用时间，根据运动方程： ω(t ) t t t t m =m [1+0--exp(-)]ω0t 0t m t m t m
M θ=mV 2
0-mV 2
2 M =mR ω0-t [1-exp(-t)]t m (3-3)
t m -载荷增加最大时间，s ；
t o -稳定作用时间，s ；
V o -初始速度，m/s；
m -汽车质量，kg ；
M -制动力矩，N.m ；
Θ-转动角度，度；
在速度变化不明显时f>f。，且t o 远远大于t 时，速度变化慢慢减小，可以当成匀减速运动。进过理论推导我们可以清楚地发现，从制动器开始动作到车轮完全抱死的时间是固定的，变化不大，也就是0.2s ～0.8s ，时间十分的短暂，稍纵即逝。根据时间来划分，汽车滑行距离与时间的关系的公式： 1S =∑(Vt ∆t -αt (∆t) 2（) 1-s t ）2t =1 (3-4) ' n
V t 一各等分段起始时车速，m/s；
αt 一各等分段中点对应的制动减速度；
Δt 一等分段时间差；
S t 一各等分段滑移率。
汽车开始刹车到完全制动、静止，汽车所走过的总距离S ”计算公式如下： V 2
n S =s n 2⨯tg (3-5) ''
制动鼓所转动的圈数N 为：
' '' N =(S+S ) /2π⋅R (3-6)
由上式可求得制动鼓的转动距离的计算公式为如下所示： r L =2π⋅Nr =(S' +S '' ) (3-7) R
通过对于制动鼓的运动计算，可以很轻而易举的达到汽车总共进行的距离。 制动力矩的产生过程，由制动气室作用在凸轮轴上，凸轮作用力与制动蹄上，所至而来产生摩擦力矩，达到制动的目的。
(1)凸轮轴张开力
凸轮轴示意图如图3-2所示，凸轮轴张开力的计算公式为：
F 01=F ⨯i ' c ⨯η'' c =F ⨯L h +mf (3-8)
i c -力传动比；
F-气室推力；
' i c -运动传动比；
'' c -传动效率；
L -调整臂转动半径，mm ；
h -法向力的力臂；
m -切向力；
T -力臂，mm ；
f -接触点的摩擦系数
将F=11000N，L=145mm，h=12.5mm，m=30.5mm，f=0.1代入公式3-8中， 计算可得R l =102572N。
图3-2凸轮轴示意图
由于考虑制动鼓受摩擦片作用而受到法向压力与切向摩擦力，因此要对制 动蹄摩擦表面的力矩分布等进行严格细致的简化计算，如图3-3所示。
图3-3制动蹄摩擦面的压力分布图
制动蹄片上的压力是沿长度方向分布，因此摩擦衬片的径向压力公式如下： q =q max sin α （3-9） q max -制动蹄表面的最大压力，N 。
(2)制动鼓摩擦力
在对鼓式制动器的制动力矩计算之前，最重要的是先必须建立制动蹄对制动鼓的压紧力与所产生的制动力矩之间的关系。就本文对象来说，其制动鼓上的制动力矩等于两蹄摩擦力矩之和，得到的计算公式如下：
' T Tf 1=P 1fh ρ1/[c(cosδ1+fsin δ1) -f δ1]=P 1B 1 (3-10) 对于从蹄的计算可类似地表示为：
T Tf 2=p 2fh ρ2/[c' (cosδ2-fsin δ2) +f ρ2]=P 2B 2 (3-11) P 1-制动蹄的张开力，N (经过计算可得51000N ) ；
f -摩擦片的摩擦系数； N δ=arctan(y ) =arctan[(cos2α' -cos 2α'' ) /(2β-sin 2α'' +sin 2α' )]N x
β=α'' -α' ;
ρ1-摩擦力fN 1的作用半径
摩擦力作用半径计算如下：
（3-12）
ρ=[4R(cosα' -cos α'' （3-13） 对本文所采用的模型来说，其鼓式制动鼓上的制动力矩计算公式为：
T f =T Tf 1+T Tf 2=PB 11+P 2B 2 (3-14) 由计算可知B 1=O.27，B 2=O.1，因此单个制动蹄制动扭矩计算可以得出
l 8870N·m ，
而制动鼓表面的最大压力： q max1=Ph 1ρ1
bR 2(cosα' -cos α'' )[c' (cosδ1+fsin δ2) -f ρ1] (3-15)
b- 摩擦衬片宽度，mm ，本课题选用220mm 。
因此求得：
q 1max =2.38MPa
q 2max =0.88MPa
当刹车时，摩擦衬片与制动鼓内壁产生接触时，产生的摩擦力的大小为：
F f 1=μq 1max s =38734.2N
F f 2=μq 2max S =14321.9N （3-16）
(3)制动力矩计算
制动鼓所受到的法向力由两部分力组成，一个是紧蹄所提供的F l ，另一个则是松蹄提供的F 2。 F 1=h *F01
C *(cosδ+f*sinδ) -fR （3-17）
h -蹄的中心距，m ;
c -蹄片轴到蹄中心的中心距，m ；
f -摩擦系数；
R -制动器的半径，m ；
δ-x 轴和力F 1的作用线之间的夹角。 cos 2α' -cos 2α''
δ=arctan '' ' 2β-sin 2α+sin 2α （3-18）
由已知条件：
α' =21.6 ，β=54.5 ，α'' =32.9 , f =0.3, R =210mm , h =315, F 01=102572N ,c =160
cos 43.2 -cos65.8
δ=arctan =10.72
1.91-sin 65.8+sin 43.2
所以：
δ=10.72, F 1=314423.7N
F 2=h *F 01=153244.2N C *(cosδ-f*sinδ) +fR (3-19) 因此，制动力矩的大小与他们的摩擦力矩相等，则：
M 1=F 1⨯f ⨯R =314423.7⨯0.3⨯0.21=19808.7Nm
M 2=F 2⨯f ⨯R =153244.2⨯0.3⨯0.21=9654.4Nm
M =M 1+M 2=29463.1Nm
f -摩擦系数，一般取O.3；
R -制动器有效半径，m 。
3.3本章小结
本章对汽车制动时的受力做了简要的分析，同时又对汽车制动过程中载荷加以详细的分析，得出设计所需要的参数。
第四章鼓式汽车制动建模
4.1建模软件介绍
我所使用的三维建模软件是，PRO ／ENGINEER 。它是由PTC 公司研制开发出来的产品，在很多企业得到应用。该软件具有以下几个特点：功能强大，容易学习、方便使用。该软件应用领域比较广泛，例如家电生产企业、与汽车有关的零部件生产以及汽车发动机生产企业、与航空航天相关的零部件的生产制造企业和工业产品生产等企业。Pro ／E 软件功能极其强大，在各个领域，从开始设计一直到后期的生产，都能给大家提供准确而又详细的技术支持。在如今就业招聘时，这款软件也成了一些人力资源的经理对大学生的要求之一。因此，我对学好这款软件有着强大的渴望。
(1)单一数据库
Pro ／E 软件，它的强大在于它有着统一的数据库，在设计时任何一处发生改动便可以迅速反应在整个设计过程上。
(2)参数化设计功能
Pro ／E 软件是有着独一无二的技术支持，公司每年都会更新功能。使用者可以根据设计先在选定的平面建立草图，通过一系列的旋转、拉伸，顺利得到需要的零件三维图。接着，再利用装配命令，将一个一个零件组装起来。方便、可靠。Pro ／Engineer 功能如下：
①特征驱动；
②参数化；
③通过零件之间的特殊关系来进行设计；
④支持大型、复杂组合件的设计；
⑤软件的完全整体相关性，再加上其它辅助模块将会提高Pro/ENGINEER的功能。
Pro/E软件是目前很多机械企业所公认的一款绘图软件，远比Solid works的功能强大，因此我在机械绘图软件的选择上，就是Pro/E。毕竟熟能生巧，多练，多用，就会更熟练！这在我以后的工作中会起到很大的作用。
4.2主要部件分析
图4-1为蹄鼓刚刚接触时领蹄的受力简图。制动蹄在促动力F1的作用下，便会张开，与转动的制动鼓接触，假设制动蹄受到是正弦分布的正压力，可以计算出蹄鼓之间最大正压力．静载荷工况是制动鼓转动时工况的简化形式．此时并无摩擦力作用。根据力的等效原理．可以计算出正压力合力F2的大小与作用点。
图4-1静载荷领蹄受力简图
在静载荷工况下．由于没有摩擦力的作用．从蹄的受力情况跟领蹄相同。为
了更好的模拟真实情况，分析中正压力采用理论分析中得到的正弦分布力．施加在制动蹄与鼓相互接触的表面上。
受力情况与静载荷工况类似．只是此时有存在与正压力相对应的摩擦力。对于等位移制动器，制动时两蹄对鼓的压紧的力是一样的，没有任何变化．所以制动蹄和制动鼓之间的最大正压力大小相同。由于领蹄摩擦力的增势作用，领蹄的促动力减小。由于从蹄摩擦力的减势作用．从蹄的促动力增大。根据力的等效原理．亦能计算出正压力合力F 2、摩擦力合力F 3的大小与作用点，将正压力与摩擦力合成得到F 的大小及作用点。可以算出制动鼓转动工况下．领蹄、从蹄的促动力大小。
图4-2制动鼓动时领蹄受力简图
4.3三维模型
打开Pro/E软件，选择基准平面，我先在草图上画出领蹄的基座，接着拉伸就可以了。然后在基座的俯视平面上，画出领蹄的主干部分，接着再拉伸。这样，就完成了一个蹄的建模，接下来我只要通过镜像命令，就可以得到另一个从蹄。如图4-3所示：
图4-3鼓式制动器的制动蹄
另一个关键部件就是摩擦衬片，它是一种高效耐磨的材料。它位于制动蹄和制动鼓之间，传递巨大的摩擦力，产生制动力矩，起到刹车的作用。画图的步骤和制动蹄一般无二。先在选定的基准平面内，画出图形，接着拉伸、镜像，就得到如图4-4所示的摩擦衬片。
图4-4摩擦衬片
画完制动蹄和摩擦衬片，接着我又完成了底座、传动凸轮和制动鼓的绘制。然后，就开始在软件上把这些零件一个一个地装配在一起，就得到了如图4-5所示鼓式制动器的完整装配图。
图4-5为鼓式制动器的完整装配图
4.4本章小结
鼓式制动器三维模型的建立是在对它有了详细的基础上完成的，在绘制的过程中，我也遇到了很多技术性的问题，令我停滞不前。同时也对Pro/E这款软件有了更深入的了解。完成了，三维模型的绘制，就为下一阶段的有限元分析打好了基础。
第五章鼓式汽车制动有限元分析
5.1有限元软件分析
ANSYS 软件基本性能
ANSYS Workbench 是一款计算机辅助工程的软件，主要提供有限元分析的功能。它可以模拟受力、加载荷，进行模拟仿真，可以做到现实中困难或者根本就完成不了的试验。它能为产品整机、多场耦合的分析提供出十分优秀的系统性的解决方案，ANSYS Workbench 仿真协同环境的目标是：通过对产品研发流程进行仿真试验，搭建一个卓有成效的仿真系统平台，帮大家解决很多这方面的问题。它这里由三个部分组成，分别是几何建模模块(Design Modeler ) 、有限元分析模块(Design Simulation) 和优化设计模块(Design explorer) 。这款软件的功能同样很强大，它虽然没有PRO/E或UG 这种专注于三维设计的软件在设计上的优势。然而，它却有着别人无法替代的作用，因为它也有进行三维图形绘制的平台，同时也可以和各种绘图软件进行连接，直接导入绘制好的三维模型。最为关键的是，它可以进行有限元分析。看这样的结构、材料是否能够满足实际工程或生产中的要求。如果不行再进行更改，更加方便、简单，比实际做实验要节省更多成本。间接的帮使用 ANSYS 软件的企业节省的成本。不仅如此， ANSYS 软件的应用领域也很广泛。机械行业肯定是离不开它的，因为各种应力分析、结构分析要依赖它；除此之外，据我所知，建筑行业同样需要其强大的模拟仿真功能，来对建筑物或内部结构的强度等进行分析并得出适当地结论。具体的功能简述如下。
(1)自动分析能力
使用者设定好参数后， ANSYS 软件会自动进行分析、计算，得出结论。
(2)自动化网格划分
ANSYS 软件，另一大显著的特点就是能够进行自动化网格划分，并且还会根据不同的材料、结构，对应着不同的网格划分精度。
(3)快捷的优化工具
在使用者通过一系列的操作，完成了三维模型、设定好参数并划分好网格，得出结果后。软件还有优化工具，帮助大家更快更好地迅速找到优化解决问题的方案。
(4)设计流程
在AW E 工作的环境中，一般的仿真分析流程分以下三步。
①首先是CAD 模型导入，实现功能模块是Design Modeler ，前提得建立绘图软件和ANSYS 的连接；
②热力耦合和电磁有限元分析，完成这些功能的模块是Design Simulation； ③优化设计，在这里能实现功能模块是Design explore。
ANSYS 软件的全名是analyze system 即：分析系统。它作为一款有限元分析软件，不仅在机械行业上有广泛的应用，而且它在建筑行业也有不俗的表现。我现在在这里使用的主要是ANSYS 它其中的Workbench 模块，运用Pro/E与Workbench 的对接技术，直接将建好的三维模型导入本软件，这样就不用我在花时间在ANSYS 再重新建立模型了，这样就是各取所长了，达到事半功倍的效果。接着进行网格划分、加载荷、求解等一系列的操作。
5.2有限元模型导入
先将Pro/E与Workbench 进行对接，这样在Pro/E的上方工具栏中就会出现一个ANSYS 的按钮选项，点击进入就可以顺利将模型导入ANSYS 里面。在软件中建立三维模型如图5-1，5-2所示。
图5-1摩擦衬片模型
图5-2制动蹄模型
模型导入ANSYS 里面以后就要进行参数设定，制动蹄材料采用球磨铸铁QT450-10．杨氏模量为1．68×10MPa ．泊松比为0．28．密度为7100kg ·m 。 3
5.3汽车制动有限元分析
5.3.1选择单元类型
在这里我使用的是三角型网格，设定好参数，就可以在模型树上点击网格划分，然后就得到了如图5-3所示的结果。
图5-3摩擦衬片的网格划分
5.3.2在软件中建立约束
在这里我把摩擦衬片所受到的力简化为在衬片中间位置的受到的集中载荷，如图5-4所示。
图5-4摩擦衬片加载荷
5.3.3处理结果
加完载荷后，就可以求解了，单击solution 按钮，系统就开始工作了。等进度条走到尽头，结果就出来了。如下图所示，摩擦衬片的变形主要集中在两端，最大的变形量达到了130.1，而最小的变形区域主要是中间部分，仅有38.838。整体还算是均匀分布。如图5-5所示。
图5-5摩擦衬片的总变形云图
5.3.4划分网格
接下来就是要选择单元类型，在这里我使用的同样是三角型网格，设定好参数，就可以在模型树上点击网格划分，然后就得到了如图5-6所示的结果。
图5-6制动蹄的网格划分
5.3.5在软件中建立约束
在这里我把摩擦衬片所受到的力简化为在衬片中间位置的受到的集中载荷，每个蹄都受到一对大小相等、方向相反的作用力的作用，并且我在下方的两个通孔处给他们下了固定命令。如图5-7所示。
图5-7制动蹄添加约束
5.3.6处理结果
由下图可知，制动蹄最大变形量位于顶端，最小的变形量分布在固定处。 体的变形是由上往下依次递减。如图5-8所示。
图5-8制动蹄的总变形云图
5.4本章小结
本章介绍了ANSYS 软件里的Workbench 与Pro/E软件对接导入模型的过程，并介绍了三维模型的参数设置、网格划分、添加约束以及最后的求解过程。制动鼓变形符合实际情况，接触应力与已有的分布规律相一致。
第六章小结和展望
6.1小结
本课题的研究主要利用Pro-E 软件建立汽车鼓式制动的三维模型并使用了ANSYS 软件对汽车鼓式制动器模型进行网格划分并施加载荷接着是对于关键部件的应力进行分析。面对论文的研究结果总结如下：
（1) 根据实际产品分析测量，绘制准确的三维模型，并对模型进行分析前处理， 为下一步的分析做准备。建模的过程中，通过加辅助虚拟的办法实现了对制动鼓 的转动约束，并且解决了制动力矩的计算。
(2)运用有限元分析软件ANSYS 进行仿真分析，有限元分析方法是一种常用的数值仿真分析方法，特别是对于结构的部件效果更为明显，运用ANSYS 软件中的Workbench 对制动鼓进行有限元分析，模拟确定实际工作中的情况，从而得到比较高的分析精度。
(3)对制动鼓的强度进行了分析，特别是制动鼓与摩擦片接触的区域。
本课题利用限元方法对汽车制动鼓工作状态进行了分析，计算得到的结论和结果对于评价制动鼓的性能，以及对制动鼓结构优化具有一定的参考价值。
6.2工作展望
本课题只是从制动鼓的受力方面进行了建模和分析，由于计算机软件和硬件等条件的限制，因此没有对结构应力场与温度场之间互相影响进行讨论。
首先，在对制动蹄进行加载荷时，由于个人的能力有限，所以我把原来应该是正弦分布的应力简化成了一个单一的集中载荷。这些，在以后的工作中是一定要改过来的，因为科学技术是容不得一点马虎的。
其次，对鼓式制动器的研究也必须包括热耦合等方面的内容，因为汽车制动时，有很大一部分的动能转换成了热量。所以，在以后的工作中热力学也必须考虑进去的。
最后，通过这次毕业设计，让我对盘式、鼓式制动器有了全面的了解，学到了很多东西。以后，我会在工作中好好运用在学校学到的东西。
致 谢
本论文是我在我敬爱的导师韩书葵老师的细心、耐心指导下完成的。在我选完课题后才发现，带我的是韩老师，这让我对我的毕业设计有了一丝期待。因为之前我偶然有幸听了一节韩老师的课，我就被这位热情、洒脱、毫不做作的老师所深深吸引，真实其实是一个人最大的魅力。所以，我想我可以通过做毕业设计向韩老师多学点东西。果然，从刚开始如何着手画三维图、ANSYS 软件的学习，到最后论文的修改和完成，韩老师尽心尽力，先是给我关于制动器的各种资料，在我遇到困难时，老师总能及时帮我解答。感谢老师的教诲，没齿难忘。
每一次，当我遇到自己无法解决的困难，我就会到办公室找韩老师。再细心的讲解之后，老师总是会发出招牌式的爽朗的笑声，让我感到很是欣慰。说实话，我不太喜欢廊坊的气候，甚至想过再也不回到这所学校了，可是，韩老师却是我忘不掉的牵挂。
还有，在这里我想感谢机械系的各位老师，感谢曾经教过我们的全部老师，是你们让我学到了知识、明白了以后工作所需要严谨务实的工作态度。另外，我还要感谢机械工程系的各位领导和辅导老师的关怀。
六月份，就要到了离开学校的日子，我并不像大多数同学那样，忧伤、不舍，甚至酗酒、痛哭，我只希望早一天离开学校，去工作，去社会上履行自己的责任和义务。雏鹰长大了，天空才是它的世界，面带微笑、拥抱蓝天，才是男儿本色！在工作中，做出成绩，才是对老师最好的回报。最后，我再次表示对各位老师的感谢，祝愿各位老师工作顺利、生活幸福、桃李满天下！
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