汽车浮钳式盘式制动器有限元分析
某轿车浮动钳盘式制动器的设计与分析PPT
指导老师： 答辩人：
论 文 摘 要
摘要
汽车制动系统与行车安全和停车安全息息相关，是汽车底盘的重要组成部分。尤其是盘式制动器，在现在的轿车上 应用越来越广泛，以前受制于制造成本，影响了盘式制动器的广泛应用，随着轿车需求量的大幅增加，盘式制动器的需 求量更大，所以本文的选题及设计与市场实际相结合，并结合工程实际，这对于设计轿车盘式制动器非常重要。这次毕 业设计是以轿车的盘式制动器为研究对象，概括了轿车制动器的国内外现状，指出了研究的目的和意义。本文设计的是 浮动钳盘式制动器。然后，对盘式制动器的主要参数进行了优选，最后对制动器进行了校核计算。
ABSTRACT
The car brake system is related to the safety of driving and parking, is an important part of the car chassis. In particular, disc brakes, in the current application of the car more and more widely, previously subject to manufacturing costs, affecting the wide range of disc brakes, with a substantial increase in the demand for cars, disc brakes greater demand, This is an urgent need for disc brakes better design and optimization design, so this topic and design combined with the actual market, combined with engineering needs, how to design a good car disc brake is very important.
某轿车浮动钳盘式制动器的设计与分析开题报告
开题报告1．选题依据：1.1选题的目的及意义汽车工业发展一百多年来，人类的智慧被源源不断地融入到汽车科技之中，使汽车工业得到突飞猛进的发展。
当今社会，随着汽车工业迅速发展和人们消费水平日益提高，汽车已经成为最重要的交通工具和人类社会活动中的必需品。
我国自改革开放以来，人民生活水平不断得到提高，汽车工业也迅速发展，汽车需求量也保持快速增长[1]。
制动系的功用是使汽车以适当的减速度降速行驶直至停车；在下坡行驶时,使汽车保持适当的稳定车速；使汽车可靠地停在原地或坡道上[2]。
汽车是现在交通工具中用的最多、最普遍、也是运动得最方便的交通工具。
汽车制动系统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键装置，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、的要求越来越高，为保证人身和车辆安全，必须为汽车配备十分可靠的制动系统。
设计制动系时应满足如下要求：(1)具有足够的制动效能。
（2）工作可靠。
（3）在任何速度下制动时，汽车都不应丧失操纵性和方向稳定性。
（4）防止水和污泥进入制动器工作表面。
（5）制动能力和热稳定性良好。
（6）操纵轻便，并具有良好的随动性。
（7）制动时，制动产生的噪声尽可能小，已减少公害。
（8）作用迟后性尽可能好。
（9）摩擦衬片磨损后，应有能消除因磨损而产生间隙的机构[3]。
1.2 制动器分类制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式。
电磁式制动器虽有作用滞后性好、易于连接而且接头可靠等优点，但因成本高，只在一部分总质量较大的商用车上用作车轮制动器或缓减速器；液力式制动器一般只用作缓速器。
目前广泛使用的仍为摩擦式制动器[4]。
摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，可分为鼓式，盘式和带式三种[5]。
开题报告2．本课题要研究或解决的问题和采用的研究手段：（1）完成课题所采用的方法:1.1调查研究的车型及参数和相关文献。
盘式制动器原理解析
盘式制动器原理解析制动盘与轮胎刚性连接，随轮胎转动；制动衬垫固定于制动钳外侧；摩擦片安装于制动钳内侧可以径向移动；制动活塞则固定于制动钳，能够竞相伸缩控制摩擦片的移动；制动钳安装支架则是将以上部分组合为一个完整的能夹钳住制动盘的整体，同时可以固定在车架上，避免随轮转动。
为了讲解方便将上面的盘式制动器进行横截面剖析与简化后得到如下的结构。
以下是一个浮钳盘式制动器剖面。
它有如下组成：绿色的制动钳；黄色是制动油路；在制动钳上左边红色丁字形物体是制动活塞与摩擦片；右边红色是制动衬垫；黑色部分是制动钳安装支架，在其上面固定有一根紫色的制动钳钉销，制动钳可以沿着制动钳钉销左右移动一定距离；灰色部分则是制动盘与轮轴总成；右边深灰色为轮胎。
那么这个制动钳是怎么运作的呢？当左边泵入制动油后，由于压力的作用，这就使得制动活塞向右伸出，同时由于制动活塞顶住制动盘后会给制动钳一个向左的反作用力，这样就会造成制动钳整体左移。
当抽出制动油后，在恢复弹片等结构以及油液负压的作用下，恢复原来的位置。
这样处于摩擦片与制动衬垫之间的制动盘会两面都受到挤压与摩擦，从而使得轮胎减速。
这就类似于扳手一样，我们拧紧扳手的花轮后，扳手活齿会迫使定齿向反方向移动，从而能够将螺母夹紧。
所以就可以理解为什么叫做浮钳盘式制动器，因为在上边的结构中制动钳是可以左右移动的，当制动钳固定的时候就是定钳盘式制动器。
它的制动钳结构比浮钳盘式制动要复杂，它的制动钳两边都有制动活塞，当泵入黄色的制动油后，两个制动活塞就会伸出，从而夹紧制动盘。
可以看的出与浮钳盘式制动器相比较，定钳盘式制动器的制动钳是与制动钳安装支架硬性连接的，当这种情况发生时候，为了保持两边都能夹紧，就需要原本制动衬垫的地方也能够主动伸出夹紧制动盘。
从以上可以看的出来定钳的结构中包含了横跨左右的油路，同时多了一个活塞，因此结构更加复杂，体积更为庞大，因而成本更高。
同时在制动时候横跨制动盘的油路，会很大程度受到摩擦热量的烘烤，使得制动油温度升高，这就有可能引发制动油气化或者变质。
盘式制动器有限元分析方案
一、三维模型的建立在建立热-结构耦合分析模型时，做如下假设：(1) 盘、片接触界面为理想平面；(2) 作用在制动片背面的压力均匀分布；(3) 内外两侧的制动片所产生的热负荷相等，即温度场对称于制动盘中心平面；(4) 忽略材料磨损的影响，认为动能全部转化为摩擦热而被摩擦副吸收。
在计算时，把制动盘与摩擦片的热流输入都当作边界热流输入来处理，则摩擦表面输入热流密度满足：rttrptrvtrptrq⋅⋅⋅=⋅⋅=)(),(),(),(),(ωµµ 式(1) 式中μ—制动盘与摩擦片间的摩擦系数；p(r,t)—摩擦表面上的比压，这里视为常数，MPa；v(r,t)—零件的相对移动速度，m/s；ω(t)—制动盘角速度，rad/s；r—径向坐标，m。
(5) 摩擦片作为强度热源；(6) 盘、片接触区域内界面温度相等；(7) 轮胎与地面之间的附着系数以及滑移率在制动过程中没有发生变化，车轮处在纯滚动运动状态。
根据实际情况，摩擦片不动，制动盘作圆周运动，故对摩擦片背面施加x、y轴两个方向的固定约束。
盘的中心平面沿z 方向轴向固定约束。
由于盘的内孔与轴相连接，故在内圆侧面施加z轴方向的固定约束对于为了模拟减速运动而建立的参考点，只释放其周向旋转的自由度，其他方向的自由度均被约束。
而整个模型的载荷，只是在摩擦片的背面施加压力载荷。
在直角坐标系原心处建立参考点，建立参考点与制动盘内圈的刚性接触关系。
首先在参考点施加初始运动角速度场，之后施加减速度载荷，同时约束参考点其他方向的速度自由度，这样便实现了制动盘的减速运动二、输入热流三、摩擦片外表面施加均匀压力载荷，设定初始温度和角速度变化规律公式四、耦合仿真分析1 紧急制动工况下制动盘的温度场分析（1）制动盘表面径向温度分布（2）制动盘表面轴向温度分布（3）制动盘表面周向温度分布2 紧急制动工况下制动盘的等效应力场分析（1）制动盘表面沿径向的节点等效应力分布（2）制动盘表面沿轴向的节点等效应力分布（3）制动盘表面沿周向的节点等效应力分布3 紧急制动工况下制动盘的三向应力场分析（1）制动盘表面的径向应力分布（2）制动盘表面的轴向应力分布（3）制动盘表面的周向应力分布五、重复制动工况下盘式制动器热-结构耦合分析1 重复制动工况的定义2 相关边界条件的确定3 重复制动工况下制动盘的温度场分析（1）首个制动周期制动盘的温度场分布（径向、轴向、周向）（2）重复制动15次制动盘的温度场分析4重复制动工况下制动盘的温度场分析（1）首个制动周期制动盘的等效应力分布（径向、周向、轴向）（2）重复制动15次制动盘的等效应力分布5重复制动15次制动盘的三向应力分量对比分析六、制动盘的寿命研究七、改进结构1温度场分析2应力场分析3寿命研究。
某轿车浮动钳盘式制动器的设计与分析
某轿车制动器的设计与分析摘要：汽车制动系统与行车安全和停车安全息息相关，是汽车底盘的重要组成部分。
尤其是盘式制动器，在现在的轿车上应用越来越广泛，以前受制于制造成本，影响了盘式制动器的广泛应用，随着轿车需求量的大幅增加，盘式制动器的需求量更大，所以本文的选题及设计需要结合市场实际，并与工程需要相结合，这对于设计轿车盘式制动器非常重要。
这次毕业设计是以轿车的盘式制动器为研究对象，概括了轿车制动器的国内外现状，指出了研究的目的和意义。
首先，对盘式制动器和鼓式制动器的结构特点进行了分析比较。
本文设计的是浮动钳盘式制动器。
然后，对盘式制动器的主要参数进行了优选，并且对制动器进行了校核计算，最后对制动器的结构进行了CAD制图。
关键词：制动系统；盘式制动器；制动效能；制动力The design and analysis of the car brakeAbstract：The car brake system is related to the safety of driving and parking, is an important part of the car chassis. In particular, disc brakes, in the current application of the car more and more widely, previously subject to manufacturing costs, affecting the wide range of disc brakes, with a substantial increase in the demand for cars, disc brakes greater demand, This is an urgent need for disc brakes better design and optimization design, so this topic and design combined with the actual market, combined with engineering needs, how to design a good car disc brake is very important.The graduation design is based on the disc brake of the car as the research object, summarizes the domestic and international status of the car brake, pointed out the purpose and significance of the study. Firstly, the structural characteristics of disc brakes and drum brakes are analyzed and compared. The design of this paper is designed as floating clamp disc brake. Then, the main parameters of the disc brake are designed, and the brake is checked and calculated. Finally, the structure of the brake is CAD drawing.Keywords：The braking system; Disc brake; The braking effectiveness; Braking force目录摘要............................................................................................................................................错误!未定义书签。
浮钳盘式制动器结构和工作原理
一、浮钳盘式制动器结构：
二、浮钳盘式制动器工作原理：
1．制动的实现
制动时，油路系统向钳体输入油压，以制动盘工作面为参照物，油压推动活塞向内侧制动块加压，顶压在制动盘右侧面，由反作用力将制动钳体向相反方向推，拉动外制动块压向制动盘左侧面，内外制动块形成对制动盘的夹紧力。
通过制动盘与轮毂的固连（车轮与轮毂连接），从而实现车辆的制动，如图所示：
2．解除制动
解除制动时，油路系统卸压，“绷紧”的制动系统都向恢复到初始原位而回弹，恢复原位的动力来源是受压缩、拉伸和弯曲变形零部件的恢复回弹力。
首先是刚性值大的零部件进行回弹，如活塞、内外制动块背板、制动钳体和制动盘。
其次是在回弹刚度降至与内外制动块摩擦材料层相等时，内外制动块摩擦材料层也开始进行回弹。
与此同时，活塞密封圈与活塞同步恢复到原始状态，移动量为制动时变形量值Δ。
由于制动盘工作面与旋转轴线不垂直，端面全跳动值不等于零，造成制动盘的局部工作扇区与制动块的“碰撞”，迫使制动块退离原位而躲避制动盘，完成制动解除过程。
轿车盘式制动器关键零部件的设计及有限元分析
科技信息1.前言汽车制动系的功用是使汽车以适当的减速度降速行驶直至停车；在下坡行驶时，使汽车保持适当的稳定车速；使汽车可靠地停在原地或坡道上[1]。
目前汽车制动大多采用摩擦制动，在摩擦制动过程中产生的制动器的受迫振动，不但会产生噪声，而且还影响刹车效果[2]。
制动时制动系产生的制动噪声尽可能小是制动器设计的主要要求之一。
汽车制动过程中，作用在制动器各零件上的载荷都是动载荷，若激振频率与制动零件的固有频率接近，零件将产生强烈的共振，从而产生严重的制动噪声，甚至造成零件寿命降低和结构破坏。
制动盘作为盘式制动器的主要摩擦副，对其进行有限元模态分析，分析其振型特征，提出相应的修改方案，尽量避免产生共振和噪声，为进一步的模态试验提供参考和依据[3~5]。
2.盘式制动器结构简介制动器有鼓式与盘式之分。
行车制动是用脚踩制动踏板操纵车轮制动器来制动全部车轮；而驻车制动则多采用手制动操纵，且利用专设的中央制动器或利用车轮制动器进行制动。
按摩擦副中的固定摩擦元件的结构来分，盘式制动器分为钳盘制动器和全盘制动器两大类。
全盘制动器的固定摩擦元件和旋转元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全部接触。
这种制动器的散热性差，为此，多采用油冷式，结构复杂。
钳盘式制动器按制动钳的结构形式可分为固定钳式和浮动钳式两种。
本文以普通轿车为例其制动系统选择前盘后鼓，下面主要针对盘式制动器进行结构介绍及设计。
图1所示为盘式制动器的整体结构。
与鼓式制动器比较，盘式制动器有如下优点：（1）热稳定性好。
因无自行增力作用，衬块摩擦表面压力分布较鼓式制动器更为均匀；（2）水稳定性好。
制动衬块对盘的单位压力高，易于将水挤出，因而进水后效能降低不多；又由于离心力及衬块对盘的擦拭作用，出水后只需经一、二次制动即能恢复正常。
鼓式制动器则需经十余次制动方能恢复；（3）制动力矩与汽车运动方向无关；（4）易于构成双回路制动系，使系统具有较高的可靠性和安全性；（5）尺寸小、质量小、散热良好；（6）压力在制动衬块的分布比较均匀，故衬块磨损也均匀；（7）更换衬块简单容易；（8）衬块与制动盘之间的间隙小（0.05～0.15mm），从而缩短了制动协调时间，且易于实现间隙自动调整。
盘式制动器的结构场有限元分析
参考 文 献
１陈家瑞 ． 汽车构造． 北京 ： 人民交通出版社 ，９ ７ １９ ． ２林 宁． 汽车设 计． 京 ： 北 机械＿ Ｔ业出版社 ，９ ９ １９、 ３王涛， 朱文坚 编 著 摩 擦 制动器一原理 、 结构 与设计、 广州 ： 华南理工大
学 出版 社 ，９ ２ １９ 、
由图示 结果 的对 比可 以得 出 ：由于通风盘式制动器与实心
３１通风 盘和 实心 盘在 三 种不 同速 度 下制动 结束 时摩 盘结构上 的不 同 ，造成 了制动结束时二者 的进 出口处应力分布 ． 擦 片上 的接 触压 力分 布对 比
嘲 ３ 图 ８为通风盘 式制动器 与实心 盘式制动 器二者 的摩 ～
维普资讯
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８ ６一
李 衡 等 ： 式制 动 器 的结 构场 有 限元 分析 盘
表 １三种工况下， 制动结束时的参数对比
第 ６期
２２有 限元分 析 的载 荷设 置 。
先给 圆盘 中心 的质点一个转动速度使 圆盘转动起来 ，后于 摩擦片上表面施加一个压力 ， 为在计算过程 中利 于计算收敛 ， 摩 擦 片上 的压力载荷需要分几个子步 ， 逐步施加 。
Ｂ图对 比通 风 盘 与 实 心 盘 ， 者 周 围应 力 较 实 心 盘 大 ， 中 上 的变 化对 两种 制 动 盘制 动 时 产 生 的应 力 分 布 的影 响 不 是很 大 。 二 盘
ห้องสมุดไป่ตู้（） ２ 在低 速条 件下 ， 摩擦片上 的接触压力受制动影响较大。
（） ３ 制动时应力较 大的部分及应力较 小部 分分别位 于 ， 擦 摩
对 比结 果
＋ ∞
图 ９图 １ 、 ０为通风盘式制动 器与实心盘式制动器在制动盘
浮钳盘式制动器制动块有限元分析及结构优化
ｄ ｓｒｂ ｔ ｎａ ｄｃ ｎ ａ ｔ ｔ ｔ ｓａ ｅｄ ａ ｄ Ｂａ ｅ ｎ ｔｅ ｅｒ ｓ ｌ ，ｈ ｔｕ ｔ ｒ ｓｏ ｔｍｉｅ ． ｉｔｉｕ ｉ ｎ ｏ ｔｃ ａｕ ｒ ｒ ｗｅ ． ｓ ｄ ｏ ｓ ｅ ｕ ｔ ｔ ｅｓｒ ｃｕ ｅｉ ｐｉ ｚ ｄ ｏ ｓ ｈ ｓ
位 ，两侧还有很大的面积没有接触上 ，因此两侧 的 制动效果较差 ，从而影响整个制动器的制动效能 ，
（ ） １ 制动轮缸 的液体压强通过活塞作用在制
动背板上 ， 制动液压强为 ： ． ＭＰ ， ８ ６ ａ 轮缸直径为 １ ４ ｌ ，活塞与背板接触圆面直接为 ５ Ｉ ，因此 ８ｉ ｌ ｉ ｎ ８Ｔ Ｉ １Ｔ １
轴方向平动， 因此约束耳轴处的 和 ｙ 方向的平动．
如图 ２ 所示 的 Ｃ ｎｔｎｔ Ｘ ． ｏ ｓａｉ ｙ ｒ ｓ
图 ３摩擦块 应力分布
图 １ 制动块接触分析边界条件施 加
图 ４ 摩 擦 块 与 制 动 盘 接 触 状 态
Ｋ ｅ ｒ ｓ ｆ ｉ ｔ ｎ ｐ ｄ ｃ ｎ ａ ｔａ ａ ｙ ｉ ； ｔｕ ｔ ｒ ｐ ｉ ｚ ｔ ｎ Ｍ Ｓ ａ ｃ ｙ ｗｏ ｄ ： ｒｃ ｉ ａ ； ｏ ｔ ｃ ｎ ｌ ｓｓ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｔｍｉ ａ ｉ ； ｏ ｏ Ｃ Ｍ ｒ
Ｏ 引 言
汽车的制动性能是汽车的主要性能之Байду номын сангаас ，也是
关 键词 ：制 动 块 ；接 触 分 析 ；结 构优 化 ；ＭＳ ｒ ＣＭａｃ 中 图分 类 号 ：Ｕ６ ４３ ６ ．６ 文 献标 志码 ：Ａ
Ｆｉ ｉｅＥｌ ｍ ｅ ｔＡ ｎａ ｙ ｉ ｎ ｔ ｕｃ ｕｒ ｐｔｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｌ ｓｓａ ｄ Ｓ ｒ ｔ ｅＯ ｉ ｚ ｔｏ ｆ
某轿车浮动钳盘式制动器的设计与分析中期报告
3、用AutoCAD进行绘图时，软件操作不是很熟练，画图速度缓慢，需要在平时多加练习。
（2）下一步的主要研究任务，具体设想与安排:
在已经完成中期报告的基础之上继续学习CAD等软件，利用CAD完成所有零件的出图并进行后期的修饰，同时用CAD画出盘式制动器的结构图。最终完成毕业设计的后期报告，并初步进行毕业设计论文的撰写以及准备答辩。在此先向一直对我进行指导帮助的赵利华老师进行致敬，感谢您的帮助，我会努力认真准确的完成最终的任务。
本次毕业设计的题目为某型轿车制动器的设计与分析在设计计算过程中运用到了们车辆工程专业所学过课程中的汽车构造与原理汽车设计汽车理论等书中的专业知识查找与论文所研究的内容相关的设计文章或者其他前人所做的研究并在图书馆中翻阅了一部分书籍
中期报告
系名
专业
学生姓名班级学号Fra bibliotek设计题目：
某轿车制动器的设计与分析
本人在该设计中具体
中期报告
3.指导教师对该学生前期研究工作的评价（是否同意继续研究工作）
指导教师亲笔签字：
年月日
备注：1、本表由学生填写，指导教师亲笔签署意见。
2、以上各项句间距可以根据实际内容需要调整。
②完成毕业设计任务要求；
③撰写毕业设计论文一篇。
1.简述毕业设计开始以来所做的具体工作和取得的进展：
（1）自上交开题报告之后，针对毕业设计所要研究的内容，展开了一系列的工作：
本次毕业设计的题目为某型轿车制动器的设计与分析，在设计计算过程中运用到了我们车辆工程专业所学过课程中的汽车构造与原理、汽车设计、汽车理论等书中的专业知识，查找与论文所研究的内容相关的设计、文章或者其他前人所做的研究，并在图书馆中翻阅了一部分书籍。我首先对制动器的结构形式做出了一定了解，并分析其优缺点，然后根据所给出的数据结合所学知识开始计算该车型制动系统制动力及制动器最大制动力矩、制动器的结构形式及选择、制动器主要参数的计算与确定、制动力矩的计算与校核等等。因为我们已经在开题报告中列出了计划，根据已经得到的数据，按部就班地完成论设计，在设计的过程中要不断地对内容加以补充和修改，更要适时的表达自己的观点，使论文结构立体化。
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汽车浮钳式盘式制动器有限元分析
作者：张兴唐昳
来源：《科技创新导报》2013年第02期
摘要：盘式制动器由液压控制，随车轮转动，具有散热快、重量轻、构造简单、调整方便，制动效果稳定等优点。
该文对制动器进行有限元分析，并对结果进行分析。
关键词：盘式制动器 ANSYS 有限元分析
中图分类号：U463.51+2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（b）-00-01
汽车制动系统是汽车行驶的一个重要的主动安全系统，其性能对汽车行驶安全有着重要影响。
浮钳式盘式制动器在制动盘一侧设有加压机构，可在制动盘的另一侧产生压紧力。
1 制动器有限元模型建立
将CATIA软件中建立的浮钳式盘式制动器三维模型导入ANSYS中。
首先简化模型，采用10节点四面体单元作为划分网格类型，可在边缘和高应力处细化和改善网格。
活塞的网格节点数为25995，单元数为13160，制动钳钳体的网格节点数为36535，单元数为18526。
活塞及钳体的有限元模型如图1，图2所示。
2 材料属性的添加
设定弹性模量和泊松比，其中活塞采用的材料为08AL，钳体采用QT500-7，活塞的弹性模量（Gpa）190，制动钳钳体为173，泊松比活塞为0.25，制动钳钳体为0.3。
3 载荷和约束的施加
活塞液压缸的制动压强直接均匀作用在活塞上，压强P=2 mpa。
制动钳钳体的油缸内壁受到均匀分布的液压压强P，油缸内直径D=56 mm，制动盘反作用力通过外侧摩擦块对钳体产生一个推力F=10231 N，载荷均布在衬块底板与钳体接触处。
各零件的约束条件施加情况为：活塞只能沿着液压缸内径X方向作平动，所以需要约束Y，Z方向的平动和三个转动；制动时，可使钳体沿着平行导向销的轴向运动，通过自定义来约束沿Y，Z轴方向运动和绕XYZ的转动，5个自由度。
4 仿真计算与结果分析
有限元分析结果如图3，图4所示。
在应力云图中可知，活塞受到的最大冯氏应力为64.748 mpa，应力最大处为活塞壁底部
边缘。
制动钳受到最大应力为0.72387 mpa，应力最大处为缸体内侧，通过对比发现应力最大处均小于屈服极值，满足强度要求。
参考文献
[1] 吴社强，吴政清，姜斯平.汽车构造[M].上海：上海科学技术出版社，2002.
[2] 文九巴.机械工程材料[M].北京：机械工业出版社.。