3196 某轎車前輪制動器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計
3196 某轎車前輪制動器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計,轎車,前輪,制動器,結(jié)構(gòu),分析,設(shè)計
xxxxx 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計( 論 文 )題 目: 某轎車前輪制動器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計 專 業(yè): 班 級: 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 日 期: 目 錄引言 .21.概況與現(xiàn)狀分析 .31.1.轎車制動器概況 .31.2.制動器研究現(xiàn)狀分析 .42.制動系統(tǒng)主要參數(shù)數(shù)值及其選擇 .62.1.相關(guān)主要技術(shù)參數(shù) .62.2.同步附著系數(shù)的分析 .62.3.確定前后軸制動力矩分配系數(shù) .72.4.制動器制動力矩的確定 .73.浮鉗盤式制動器結(jié)構(gòu)分析 .93.1.盤式制動器的結(jié)構(gòu)型式及選擇 .93.2.浮鉗盤式制動器的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點 .104.浮鉗盤式制動器設(shè)計計算 .124.1.浮鉗盤式制動器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 .124.2.浮鉗盤式制動器主要部件結(jié)構(gòu)的確定 .135.制動性能分析 .165.1.制動性能評價指標(biāo) .165.2.制動器制動力分配曲線分析 .175.3.制動減速度 .185.4.制動距離 S .195.5.摩擦襯片的磨損特性計算 .196.盤式制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 .216.1.優(yōu)化模型的建立 .216.2.算法的設(shè)計 .256.3.優(yōu)化結(jié)果的分析 .277.總結(jié) .29附件:1、浮鉗盤式制動器總體裝配圖2、制動盤二維零件圖3、裝配結(jié)構(gòu)爆炸圖4、各三維零件圖1某轎車前輪制動器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計摘要:制動系統(tǒng)是汽車主動安全的重要系統(tǒng)之一,本文主要介紹了某轎車前輪制動器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。首先介紹了轎車制動器的概況和研究現(xiàn)狀,并根據(jù)給定的制動系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)確定了同步附著系數(shù)、制動力矩等變量。再通過對盤式制動器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點進行分析、設(shè)計計算、性能分析,最終確定浮鉗盤式制動器的尺寸及材料并用 CAD 畫出二維裝配圖及制動盤零件圖以及 SolidWorks 軟件繪出其裝配圖和爆炸圖。除此之外,還采用了Matlab 得到制動力分配曲線以及優(yōu)化工具箱的遺傳優(yōu)化算法對制動器尺寸進行優(yōu)化。關(guān)鍵字:轎車前輪 盤式制動器 優(yōu)化設(shè)計2引言汽車是現(xiàn)代交通工具中用得最多,最普遍,也是最方便的交通運輸工具。汽車制動系是汽車底盤上的一個重要系統(tǒng),它是制約汽車運動的裝置。而制動器又是制動系中直接作用制約汽車運動的一個關(guān)健裝置,是汽車上最重要的安全件。汽車的制動性能直接影響汽車的行駛安全性。隨著公路業(yè)的迅速發(fā)展和車流密度的日益增大,人們對安全性、可靠性要求越來越高,為保證人身和車輛的安全,必須為汽車配備十分可靠的制動系統(tǒng)。隨著汽車市場競爭的加劇,如何縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高設(shè)計效率,降低成本等,提高產(chǎn)品的市場競爭力,已經(jīng)成為企業(yè)成功的關(guān)鍵。提及汽車制動系統(tǒng),大家都知道有鼓式和盤式制動器兩種,特別是在上世紀(jì) 80 年代還是稀奇、高端玩意兒的盤式制動器,如今已基本上在民用轎車上得到了普及。由于蹄式制動器散熱性能差,在制動過程中會聚集大量的熱量。制動蹄片和輪鼓在高溫影響下較易發(fā)生極為復(fù)雜的變形,容易產(chǎn)生制動衰退和振抖現(xiàn)象,引起制動效率下降。所以,傾向于采用散熱性能較好的盤式制動器。盤式制動器的組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且還有不同的種類,盤式制動器分為鉗盤式和全盤式制動器兩大類,鉗盤式制動器又分為浮鉗盤式制動器和定鉗盤式制動器兩大類。為了防止汽車跑偏,往往前輪采用盤式制動器。本文主要對浮鉗盤式制動器進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。通過查閱相關(guān)的資料,運用專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識,根據(jù)給定的制動系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)確定了同步附著系數(shù)、制動力矩等變量。再通過對盤式制動器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點進行分析、設(shè)計計算、性能分析,最終確定浮鉗盤式制動器的尺寸及材料并用 CAD 畫出二維裝配圖及制動盤零件圖以及 SolidWorks軟件繪出各零件三維圖、三維總裝配圖和爆炸圖等。除此之外,還采用了 Matlab 得到制動力分配曲線以及優(yōu)化工具箱的遺傳優(yōu)化算法對制動器尺寸進行優(yōu)化。同時在材料的選擇上盡量采用對人體無害的材料。31.概況與現(xiàn)狀分析1.1.轎車制動器概況制動器的組成部件很多,其中的主要的部件包含制動盤、摩擦片、固定器、制動鉗體等。汽車制動的過程中各個部件均受到復(fù)雜的力和力矩的作用,因此容易造成制動盤、摩擦片、固定器、鉗體的變形等,引起磨損不均勻。有時制動器還會產(chǎn)生振動,引起噪聲,甚至引起方向盤、制動踏板、制動底板和座椅的劇烈抖動。振動還會引起汽車跑偏,嚴(yán)重影響汽車的穩(wěn)定性能。制動器在制動過程中因使用不當(dāng)或制造、裝配誤差及設(shè)計不合理等因素還會有一些工作不良或故障現(xiàn)象發(fā)生,以下對這些現(xiàn)象和原因進行簡要介紹:1)、磨損不均勻,結(jié)合不同步,導(dǎo)致先接觸點的壓力急劇加大,局部摩擦力超過摩擦片和制動盤表面的應(yīng)力極限值,導(dǎo)致嚴(yán)重的局部的磨損或者是損傷,并目會導(dǎo)致制動盤和摩擦片的局部溫度迅速升高,局部燒傷摩擦片,失去制動能力。結(jié)合不同步的主要原因還是制動器的低頻和高頻共振誘發(fā)制動系統(tǒng)的變形引起的。2)、制動振動:制動振動按照發(fā)生機理可以將其分為 3 類:低頻抖動、中頻顫動和高頻嘯叫。制動抖動是指車輛在一定車速范圍內(nèi)實施制動時引起轉(zhuǎn)向盤.、制動踏板、車身底板和座椅的劇烈抖動現(xiàn)象,是制動引起的振動的一種。低頻抖動主要是由制動力矩波動引起的低頻強迫振動,抖動的頻率和車速呈現(xiàn)一定的階次關(guān)系,頻率在 100HZ 以下,通常是1050HZ.抖動一般發(fā)生在車輛高速行駛并進行中等強度的制動時。當(dāng)車速下降到一定程度的時候制動抖動消失,制動抖動一般由低階擾動引起。中頻顫振是制動盤和摩擦片表面的摩擦特性引起的,頻率是 1001000Hz。制動引起的顫振一般發(fā)生在車速較低的情況下(低于 l0km/h。高頻嘯叫與制動系統(tǒng)元件的模態(tài)有關(guān)系,而與車速沒有關(guān)系,制動嘯叫的頻率一般在 1000Hz 以上,并通過空氣進行傳播?,F(xiàn)在一般認為高頻嘯叫是制動系統(tǒng)的一種自激振動。3)、制動跑偏和側(cè)滑:制動過程中車身不按照原路線和方向減速停車,而是自動脫離原行駛軌跡,偏向左或者是右側(cè)產(chǎn)生移動,這種現(xiàn)象就是制動跑偏。這種情況極容易造成交通事故。制動跑偏的原因除了車輛設(shè)計本身的問題以外,其根本的原因就在十左右車輪的制動效果不一致,特別是兩前輪的制動效果不同時,更加容易出現(xiàn)制動跑偏的現(xiàn)象。當(dāng)左右車輪的路況一致的情況下,那么原因就歸結(jié)于左右車輪的制動力矩不等,各個制動器的正壓力、摩擦系數(shù)、接觸面積,制動間隙以及各個零件所處狀態(tài)的差異,都會導(dǎo)致左右制動力矩的不等。因此在維修調(diào)整的過程中要盡量的保持制動摩擦力矩的一致。另外由十制動抱死狀態(tài)下,路面的縱向附著系數(shù)增加到最大,因此造成側(cè)向的附著系數(shù)急劇下降,容易造成制動側(cè)滑現(xiàn)象。4)、摩擦片相變和“表面碳化”現(xiàn)象:制動摩擦片的相變是指摩擦片在經(jīng)過持續(xù)高溫作用下冷卻后的殘余厚度增量。制動時摩擦片相變發(fā)生的主要原因是摩擦材料在持續(xù)高溫4后,密度會有所降低;不合格摩擦片的高溫厚度增量甚至?xí)_到 1mm,相變會達到 0.5mm;摩擦片的局部相變也是造成制動尖叫和制動自鎖的主要誘因。制動器摩擦片的“表面碳化” ,是指由十摩擦片的加工工藝采用了硫酸鋇等粘結(jié)材料,在制動高溫的作用下,與制動摩擦產(chǎn)生的微粒,在摩擦片表面燒結(jié)形成光滑的硬化層。 “表面碳化”降低制動效能,并誘發(fā)制動尖叫。以上的這些現(xiàn)象的發(fā)生直接影響這制動器的制動效能,從而影響汽車的行駛安全性。1.2.制動器研究現(xiàn)狀分析隨著公路交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展,車輛速度的提高以及車輛密度的口益增加,為了保證行車的安全性,制動系統(tǒng)的性能以及可靠性就顯得更加重要了。提高制動器的設(shè)計和制造水平,改善汽車的制動性能,減少制動時振動,噪聲,成為汽車領(lǐng)域的越來越重要的課題。盤式制動器具有散熱快,重量輕,構(gòu)造簡單,調(diào)整方便等優(yōu)點。特別是高負載時耐高溫性能好,制動效果穩(wěn)定,而且不怕泥水侵襲,在冬季和惡劣路況下行車,盤式制動比鼓式制動更容易在較短的時間內(nèi)令車停下。雖然盤式制動器的制動盤與空氣接觸的面積很大,但很多時候其散熱效果還是不能讓人滿意,于是有的制動盤上又被開了許多小孔,加速通風(fēng)散熱以提高制動效率,這就是通風(fēng)盤式制動器。一般來說,尺寸大的制動盤要比尺寸小的制動盤散熱效率高,而通風(fēng)盤則要比實體盤的散熱效率高。四輪轎車在制動過程中,一般前輪的制動力要比后輪大,后輪起輔助制動作用。因此,一般情況下,汽車前輪制動盤的尺寸要比后輪大,且前輪多采用通風(fēng)盤,后輪多采用實體盤或通風(fēng)盤。各種研究和經(jīng)驗表明,汽車制動時的共振,制動器各個部件的變形是振動、噪聲以及制動器不正常磨損的原因。迄今為止,人們已經(jīng)把全息照相、激光多普勒分析、有限兀分析以及試驗?zāi)B(tài)技術(shù)等引入到制動器的振動和噪聲研究中,并取得了大量的成果。全息照相技術(shù)向人們展示了制動過程中振動的真實形態(tài);有限兀及模態(tài)分析的統(tǒng)一,使得建立與實際相符合的振動的數(shù)學(xué)模型成為了可能,這些都對制動系統(tǒng)的設(shè)計和分析提供了便利。在對系統(tǒng)進行分析、綜合和預(yù)測時,需要給出系統(tǒng)的動態(tài)特性。此時實際系統(tǒng)可能尚未完成或者處十經(jīng)濟性、安全性等因素的考慮,無法通過試驗進行驗證,往往需要借助于系統(tǒng)仿真來實現(xiàn)這一要求。所謂系統(tǒng)仿真是指利用計算機來運行仿真模型,模仿實際系統(tǒng)的運行狀態(tài)及隨時間變化的過程,并通過對仿真運行過程的觀察和統(tǒng)計,得出被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特性,以此來推斷和估計實際系統(tǒng)的真實參數(shù)和真實性能。采用仿真方法研究汽車的各項性能時,需對汽車作適當(dāng)?shù)暮喕?,然后?yīng)用簡化模型進行計算分析。隨著簡化程度的不同,必然會使計算結(jié)果與實際情況之間存在不同程度的偏差。由十汽車是一個復(fù)雜的系統(tǒng),其整車、零部件以及各總成的運動模型和力學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜,對這些模型進行分析計算,同時要保證一定的精度,所需要的工作量是很大的,在很大程度上受到了計算機處理能力的限制。隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展,計算機對數(shù)據(jù)的處理能力有了突飛猛進的提高,因此5使得計算機仿真技術(shù)越來越多地用十汽車的研究開發(fā)和設(shè)計制造中。近年來,虛擬樣機技術(shù)(Virtual Prototype Technology)得到快速的發(fā)展,采用虛擬樣機技術(shù)可以綜合考慮制動器非線性法向載荷、粘滑作用、結(jié)構(gòu)禍合等因素,分析具體情況下制動器振動的主要誘因。虛擬樣機技術(shù)已成為解決工程問題的一種快速、有效的手段。盤式制動器具有散熱性好、制動效能穩(wěn)定、抗水衰退能力強、易于保養(yǎng)和維修等優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于飛機、鐵路、車輛和工程機械。對盤式制動器的早期研究側(cè)重于試驗研究其摩擦特性,隨著用戶對其制動性能和使用壽命要求的不斷提高,有關(guān)其基礎(chǔ)理論與應(yīng)用方面的研究也在深入進行由于盤式制動器在汽車中的使用日益增多,其研究工作方興未艾。由于其用途的廣泛性及結(jié)構(gòu)形式的多樣性,國內(nèi)外學(xué)者對其研究方向和研究方法的選擇不盡相同,有的從理論方面進行專題研究,有的從試驗方面進行實驗研究。要對制動器進行完整的熱分析,還要從以下幾個方面進一步研究: 由于制動過程中壓力分布與溫度場及磨損相互耦合,應(yīng)將壓力分布與熱分析及磨損作為統(tǒng)一的耦合問題來分析,同時必須采用彈塑性理論求解應(yīng)力場;由于實際接觸表面為粗糙表面,應(yīng)研究粗糙表面的形貌模型,并在該模型的基礎(chǔ)上研究制動器摩擦磨損熱動力學(xué); 現(xiàn)在對摩擦材料熱物理特性缺乏研究,今后可考慮對特定的制動材料配對進行包括材料熱物理參數(shù)在內(nèi)的整個摩擦、磨損研究。隨著高新技術(shù)的不斷應(yīng)用與發(fā)展及新材料的不斷出現(xiàn),盤式制動器的理論與試驗研究內(nèi)容也將會得到不斷更新與發(fā)展?;谀壳氨P式制動器的研究現(xiàn)狀,今計算機仿真技術(shù)、熱彈塑性理論和斷裂力學(xué)理論,研究其摩擦副間熱力耦合的摩擦機制及其破壞機理借助有限元、相似理論和模態(tài)綜合技術(shù),建立其低頻噪聲結(jié)構(gòu)耦合模型,形成數(shù)值仿真計算模型,通過試驗?zāi)B(tài)分析對試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果進行分析比較,研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對低頻噪聲的影響,進而定量提供結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。62.制動系統(tǒng)主要參數(shù)數(shù)值及其選擇2.1.相關(guān)主要技術(shù)參數(shù)給定的相關(guān)主要技術(shù)參數(shù)如下:整車質(zhì)量: 空載:1550kg滿載:2000kg質(zhì)心位置: a=L1=1.35m b=L2=1.25m質(zhì)心高度: 空載:hg=0.95m滿載:hg=0.85m軸 距: L=2.6m輪 距: L =1.8m0最高車速: 160km/h車輪工作半徑:370mm輪轂直徑: 140mm輪缸直徑: 54mm輪 胎: 195/60R14 85H同步附著系數(shù): 0.602.2.同步附著系數(shù)的分析同步附著系數(shù)的分析如下:(1)當(dāng) 時:制動時總是前輪先抱死,這是一種穩(wěn)定工況,但喪失了轉(zhuǎn)向能力;0(2)當(dāng) 時:制動時總是后輪先抱死,這時容易發(fā)生后軸側(cè)滑而使汽車失去方向穩(wěn)定性;(3)當(dāng) 時:制動時汽車前、后輪同時抱死,是一種穩(wěn)定工況,但也喪失了轉(zhuǎn)向能0力。分析表明,汽車在同步附著系數(shù)為 的路面上制動 (前、后車輪同時抱死)時,其制動0減速度為 ,即 ,q 為制動強度。而在其他附著系數(shù) 的路面上制動時,gqdtu0 達到前輪或后輪即將抱死的制動強度 ,這表明只有在 的路面上,地面的附著條件0才可以得到充分利用。根據(jù)相關(guān)資料查出轎車 0.6,故取 .0072.3.確定前后軸制動力矩分配系數(shù) 前后軸制動力矩分配系數(shù) 的確定常用前制動器制動力與汽車總制動力之比來表明分配的比例,稱為制動器制動力分配系數(shù),用 表示,即:uF121式中, :前制動器制動力;u:后制動器制動力;2F:制動器總制動力。u由于已經(jīng)確定同步附著系數(shù),則分配系數(shù)可由下式得到:根據(jù)公式: (2-Lhg021)得: 68.25.12.4.制動器制動力矩的確定制動器制動力矩的確定為了保證汽車有良好的制動效能,要求合理地確定前,后輪制動器的制動力矩。根據(jù)汽車滿載在瀝青,混凝土路面上緊急制動到前輪抱死拖滑,計算出后輪制動器的最大制動力矩 2M由輪胎與路面附著系數(shù)所決定的前后軸最大附著力矩:(2-egrqhLG)(1max22)式中: :該車所能遇到的最大附著系數(shù);q:制動強度;:車輪有效半徑;er:后軸最大制動力矩;max2M8G:汽車滿載質(zhì)量;L:汽車軸距;其中 q= = =0.66 (2-gha)(085.0)67.(35.13)故后軸 = =1.57 Nmmmax2M37.).(6 610后輪的制動力矩為 =0.785 Nmm2/1057.6610前軸 = T = =0.67/(1-0.67) 1.57 =3.2 Nmmmax1ax1f max2f6610前輪的制動力矩為 3.2 /2=1.6 Nmm606193.浮鉗盤式制動器結(jié)構(gòu)分析3.1.盤式制動器的結(jié)構(gòu)型式及選擇制動器是用來吸收汽車的動能,使之轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌⑹У酱髿庵?,迫使汽車車速迅速降低,直至停車的機構(gòu),是制動系中用以產(chǎn)生阻礙車輛的運動或運動趨勢的力的部件。制動器一般是利用摩擦效應(yīng)將動能轉(zhuǎn)化為熱能,因此來講,制動器的散熱性能對制動系統(tǒng)是十分重要的。如果制動系統(tǒng)長期處十一種高溫的狀態(tài),就會阻礙能量的轉(zhuǎn)換過程,造成制動效能下降。車速越高,制動時產(chǎn)生的熱能越大,對制動性能的要求也就越高。因此隨著車速的提高,現(xiàn)代轎車除了采用散熱性能較好的鋁合金車圈來降溫以外,一般都采用散熱性能優(yōu)越的盤式制動器。盤式制動器又叫做碟式制動器,一般是由液壓控制,主要的部件有制動盤、制動鉗、固定器,制動輪缸等組成。按摩擦副中固定元件的結(jié)構(gòu)不同,盤式制動器分為鉗盤式和全盤式兩類。全盤式制動器的固定摩擦元件和旋轉(zhuǎn)元件均為圓盤形,制動時各盤摩擦表面全部接觸。其工作原理如摩擦離合器,故又稱為離合器式制動器。用得較多的是多片全盤式制動器,以便獲得較大的制動力。但這種制動器的散熱性能較差,故多為油冷式,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。鉗盤式制動器按制動鉗的結(jié)構(gòu)型式又可分為固定鉗盤式制動器和浮鉗盤式制動器。定鉗盤式制動器的制動鉗固定安裝在車橋上,既不能旋轉(zhuǎn),也不能沿著制動盤軸線方向移動,因此必須在制動盤的兩側(cè)都安裝制動塊的促動裝置,以便于將兩側(cè)的制動塊分別壓向制動盤.。定鉗盤式制動器在制動鉗體上有兩個液壓油缸,其中各裝有一個活塞。當(dāng)壓力油液進入兩個油缸活塞外腔時,推動兩個活塞向內(nèi)將位于制動盤兩側(cè)的制動塊總成壓緊到制動盤上,從而將車輪制動。當(dāng)放松制動踏板使油液壓力減小時,回位彈簧又將兩制動塊總成及活塞推離制動盤。這種型式也稱為對置活塞式或浮動活塞式。定鉗盤式制動器的缺點就是:1) 、制動盤的兩側(cè)各有液壓缸,使制動鉗的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2) 、液壓缸分裝于制動盤的兩側(cè),制動液必須跨越制動盤的鉗內(nèi)油道或者外部的油管。3) 、熱負荷較大,液壓缸和跨越制動盤的鉗內(nèi)制動管路或者是外部油管內(nèi)的制動液容易氣化。4) 、若想兼用于駐車制動裝置,則必須要添加一個機械促動的駐車制動鉗。由于上述的種種原因,定鉗盤式制動裝置已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代轎車的發(fā)展趨勢,也逐漸的在 70 年代以后讓位于浮鉗盤式制動器。浮鉗盤式制動器只在制動盤的一側(cè)裝油缸,結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,易于布置,結(jié)構(gòu)尺寸緊湊,可以將制動器進一步移近輪轂,同一組制動塊可兼用于行車和駐車制動,在兼行車和駐車制動的情況下不需要加設(shè)駐車制動鉗,只需要在行車制動鉗液壓缸的附近加裝一10些用于推動液壓缸活塞的駐車制動機械傳動零件即可。浮動鉗由于沒有跨越制動盤的油道或油管,減少了受熱機會,單側(cè)油缸又位于盤的內(nèi)側(cè),受車輪遮蔽較少使冷卻條件較好,另外,單側(cè)油缸的活塞比兩側(cè)油缸的活塞要長,也增大了油缸的散熱面積,因此制動液溫度比用固定鉗時低 3050,氣化的可能性較小。但由于制動鉗體是浮動的,必須設(shè)法減少滑動處或擺動中心處的摩擦、磨損和噪聲。因此本設(shè)計采用浮鉗盤式制動器,3.2.浮鉗盤式制動器的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點浮鉗盤式制動器的固定摩擦元件是兩塊帶有摩擦襯塊的制動塊,后者裝在以螺栓固定于轉(zhuǎn)向節(jié)或橋殼上的制動鉗體內(nèi),其結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。制動鉗體 2 通過導(dǎo)向銷 6 與車橋7 相連,可以相對于制動盤 1 軸向移動。制動鉗體只在制動盤的內(nèi)側(cè)設(shè)置油缸,而外側(cè)的制動塊則附裝在鉗體上。兩塊制動塊之間裝有作為旋轉(zhuǎn)元件的制動盤,制動盤是以螺栓固定在輪轂上。由于制動塊的摩擦襯塊與制動盤的接觸面積很小,在制動盤上所占的中心角一般僅約為 3050,故這種盤式制動器又稱為點盤式制動器。其結(jié)構(gòu)較簡單,質(zhì)量小,散熱性較好,但因摩擦襯塊的面積較小,制動時其單位壓力很高,摩擦面的溫度較高,因此,對摩擦材料的要求也較高。圖 3-1 浮鉗盤式制動器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3-1 floats the pliers disc brake diagram of mechanism浮鉗盤式制動器除了上述特點外,與鼓式制動器相比,還具有盤式制動器共同的優(yōu)缺11點。1)熱穩(wěn)定性好,由于制動盤暴露在外,散熱快,所以基本無熱衰退現(xiàn)象,連續(xù)多次使用制動力矩變化小;一般無自行増力作用,襯塊摩擦表現(xiàn)壓力分布較鼓式中的襯片更為均勻,此外,制動鼓在受熱膨脹后,工作半徑增大,使其只能與蹄的中部接觸,從而降低了制動效能,這稱為機械衰退,制動盤的軸向膨脹極小,徑向膨脹根本與性能無關(guān),故無機械衰退問題,因此,前輪采用盤式制動器。汽車制動時不易跑偏。2)水穩(wěn)定性好,制動盤對盤的單位壓力高,易將水?dāng)D出,并且由于襯塊對盤的擦拭作用和旋轉(zhuǎn)離心甩水作用,使得比蹄式制動器排水容易得多,浸水后制動效率降低不多;出水后只需經(jīng)一,二次制動即能恢復(fù)正常。鼓式制動器則需經(jīng)十余次制動方能恢復(fù)。3)制動力矩比較平穩(wěn),與車輛運動方向無關(guān),而且由于沒有如蹄式制動器的增力作用,因此摩擦系數(shù)變化對制動效率沒有多大影響。4)制動襯塊上壓力分布均勻,磨損均勻,比蹄式制動器使用壽命長,維修方便。5)襯塊與制動盤之間的間隙小(0.05-0.15mm) ,從而縮短了制動協(xié)調(diào)時間。此外由于鉗盤式制動器在輪毅外,所以更換襯塊比較方便,本身結(jié)構(gòu)上具有自動調(diào)整襯塊和盤之間間隙的功能,不需要經(jīng)常調(diào)整間隙。當(dāng)然,鉗盤式制動器也有以下缺點:1)摩擦面積小,單位壓力高,造成工作溫度高,因此要求摩擦材料能耐高壓和高溫。2)暴露在外難以防止塵土、沙粒,易磨損和銹蝕。3)沒有增力作用.制動效率系數(shù)低。124.浮鉗盤式制動器設(shè)計計算4.1.浮鉗盤式制動器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定4.1.1.制動盤直徑 D制動盤直徑 D 希望盡量大些,這時制動盤的有效半徑得以增大,就可以降低制動鉗的夾緊力,降低摩擦襯塊的單位壓力和工作溫度。但制動盤直徑 D 受輪毅直徑的限制通常,制動盤的直徑 D 選擇為輪毅直徑的 70%90%,總質(zhì)量大于 2t 的車輛應(yīng)取其上限。通常,制造商在保持有效的制動性能的情況下,盡可能將零件做的小些,輕些。輪輞直徑為 14 英寸,又因為 M=2000kg,取其上限。在本設(shè)計中: ,取 D=256mm。032.564.21%72r4.1.2.制動盤厚度 h制動盤厚度 h 直接影響著制動盤質(zhì)量和工作時的溫升。為使質(zhì)量不致太大,制動盤厚度應(yīng)取得適當(dāng)小些;為了降低制動工作時的溫升,制動盤厚度又不宜過小。制動盤可以制成實心的,而為了通風(fēng)散熱,可以在制動盤的兩工作面之間鑄出通風(fēng)孔道。通風(fēng)的制動盤在兩個制動表面之間鑄有冷卻葉片。這種結(jié)構(gòu)使制動盤鑄件顯著的增加了冷卻面積。車輪轉(zhuǎn)動時,盤內(nèi)扇形葉片的選擇了空氣循環(huán),有效的冷卻制動。通常,實心制動盤厚度為l0mm 20mm,具有通風(fēng)孔道的制動盤厚度取為 20mm 50mm,但多采用 20mm30mm。在本設(shè)計中選用通風(fēng)式制動盤,h 取 20mm。圖 4-1 制動盤的二維圖及三維圖Fig.4-1 brake discs two dimensional plot and graphic model 4.1.3.摩擦襯塊外半徑 R2 與內(nèi)半徑 R1推薦摩擦襯塊外半徑 R2 與內(nèi)半徑 R1 的比值不大于 1.5。若比值偏大,工作時襯塊的外緣與內(nèi)側(cè)圓周速度相差較多,磨損不均勻,接觸面積減少,最終將導(dǎo)致制動力矩變化大。13在本設(shè)計中取外半徑 R2=104mm, ,則內(nèi)半徑 R1=80mm。3.124.1.4.摩擦襯塊工作面積 A摩擦襯塊單位面積占有的車輛質(zhì)量在 1.6kg/ 3.5kg/ 范圍內(nèi)選取。汽車空載質(zhì)2cm2c量為 1550kg,前輪空載時地載荷為 852.5kg,所以 852.5/(3.5*4) A852.5/(1.6*4) ,2cm即 60.89 A110.7 。2cm2c在本設(shè)計中取襯塊的夾角 為 50。摩擦襯塊的工作面積 A:A 取 76。2215.760335)( mRA圖 4.2 摩擦襯塊的二維圖及三維圖Fig.4.2 friction filler block two dimensional plot and graphic model 4.2.浮鉗盤式制動器主要部件結(jié)構(gòu)的確定4.2.1.制動盤盤式制動器的制動盤有兩個主要部分:輪轂和制動表面。輪轂是安裝車輪的部位,內(nèi)裝有軸承。制動表面是制動盤兩側(cè)的加工表面。它被加工得很仔細,為制動摩擦塊提供摩擦接觸面。整個制動盤一般由鑄鐵鑄成。鑄鐵能提供優(yōu)良的摩擦面。制動盤裝車輪的一側(cè)稱為外側(cè),另一側(cè)朝向車輪中心,稱為內(nèi)側(cè)。按輪轂結(jié)構(gòu)分類,制動盤有兩種常用型式。帶轂的制動盤有個整體式轂。在這種結(jié)構(gòu)中,輪轂與制動盤的其余部分鑄成單體件。另一種型式輪轂與盤側(cè)制成兩個獨立件。輪轂用軸承裝到車軸上。車論凸耳螺栓通過14輪轂,再通過制動盤轂法蘭配裝。這種型式制動盤稱為無轂制動盤。這種型式的優(yōu)點是制動盤便宜些。制動面磨損超過加工極限時能很容易更換。本設(shè)計采用的是第二種型式。制動盤一般用珠光體灰鑄鐵制成,或用添加 Cr,Ni 等的合金鑄鐵制成。制動盤在工作時不僅承受著制動塊作用的法向力和切向力,而且承受著熱負荷。為了改善冷卻效果,鉗盤式制動器的制動盤有的鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤這樣可大大地增加散熱面積,降低溫升約 2030 ,但盤的整體厚度較厚。而一般不帶通風(fēng)槽的轎車制動盤,其厚度約在 l0m13mm 之間。本次設(shè)計采用的材料為 HT250。制動盤的工作表面應(yīng)光潔平整,制造時應(yīng)嚴(yán)格控制表面的跳動量,兩側(cè)表面的平行度(厚度差)及制動盤的不平衡量。根據(jù)有關(guān)文獻規(guī)定:制動盤兩側(cè)表面不平行度不應(yīng)大于0.008mm,盤的表面擺差不應(yīng)大于 0.1mm;制動盤表面粗糙度不應(yīng)大于 0.06mm。4.2.2.制動鉗制動鉗由可鍛鑄鐵 KTH37012 或球墨鑄鐵 QT40018 制造,也有用輕合金制造的,例如用鋁合金壓鑄??勺龀烧w的,也可做成兩半并由螺栓連接。其外緣留有開口,以便不必拆下制動鉗便可檢查或更換制動塊。制動鉗體應(yīng)有高的強度和剛度。在鉗體中加工出制動油缸。為了減少傳給制動液的熱量,將活塞的開口端頂靠制動塊的背板?;钊设T鋁合金制造,為了提高耐磨損性能,活塞的工作表面進行鍍鉻處理。為了解決因制動鉗體由鋁合金制造而減少傳給制動液的熱量的問題,應(yīng)減小活塞與制動塊背板的接觸面積。制動鉗在汽車上的安裝位置可在車軸的前方或后方。制動鉗位于車軸前可避免輪胎甩出來的泥,水進入制動鉗,位于車軸后則可減小制動時輪轂軸承的合成載荷。4.2.3.制動塊制動塊由背板和摩擦襯塊構(gòu)成,兩者直接牢固地壓嵌或鉚接或粘接在一起。襯塊多為扇面形,也有矩形、正方形或長圓形的。活塞應(yīng)能壓住盡量多的制動塊面積,以免襯塊發(fā)生卷角而引起尖叫聲。制動塊背板由鋼板制成。為了避免制動時產(chǎn)生的熱量傳給制動鉗而引起制動液汽化和減小制動噪聲,可在摩擦襯塊與背板之間或在背板后粘(或噴涂)一層隔熱減震墊。由于單位壓力大和工作溫度高等原因,摩擦襯塊的磨損較快,因此其厚度較大。許多盤式制動器裝有襯塊磨損達極限時的警報裝置,以便及時更換摩擦襯片。4.2.4.摩擦材料制動摩擦材料應(yīng)具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù),抗熱衰退性能好,不能在溫度升到某一數(shù)值后摩擦系數(shù)突然急劇下降;材料應(yīng)有好的耐磨性,低的吸水(油、制動液)率,低的壓縮率、低的熱傳導(dǎo)率( 要求摩擦襯塊在 300的加熱板上:作用 30min 后,背板的溫度不越過190) 和低的熱膨脹率,高的抗壓、抗打、抗剪切、抗彎購性能和耐沖擊性能;制動時不產(chǎn)生噪聲和不良氣味,應(yīng)盡量采用少污染和對人體無害的摩擦材料。15各種摩擦材料摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值約為 0.30.5,少數(shù)可達 0.7。設(shè)計計算制動器時一般取 0.30.35。選用摩擦材料時應(yīng)注意,一般說來,摩擦系數(shù)愈高的材料其耐磨性愈差。本次設(shè)計摩擦系數(shù)選用 =0.3。f一種是編織材料,它是先用長纖維石棉與銅絲或鋅絲的合絲編織成布,再浸以樹脂粘合劑經(jīng)干燥后輥壓制成。其撓性好,剪切后可以直接鉚到任何半徑的制動蹄或制動帶上。在 100120溫度下,它具有較高的摩擦系數(shù)( 以上),沖擊強度比模壓材料高4.0f45 倍。但耐熱性差,在 200250以上即不能承受較高的單位壓力,磨損加快。因此這種材料僅適用于中型以下汽車的鼓式制動器,尤其是帶式中央制動器。一種是粉末冶金摩擦材料其是以銅粉或鐵粉為主要成分(占質(zhì)量的 6080),加上石墨、陶瓷粉等非金屬粉末作為摩擦系數(shù)調(diào)整劑,用粉末冶金方法制成。其抗熱衰退和抗水衰退性能好,但造價高,適用于高性能轎車和行駛條件惡劣的貨車等制動器負荷重的汽車。當(dāng)前,在制動器上廣泛采用著模壓材料,它是以石棉纖維為主并均樹脂粘站劑、調(diào)整摩擦性能的填充刑(出無機粉粒及橡膠、聚合樹脂等配成)勺噪聲消除別(主要成分為石墨)等混合后,在高溫廠模壓成型的。模壓材料的撓性較差故應(yīng)佐按襯片或襯塊規(guī)格模壓。其優(yōu)點是可以選用各種不同的聚合樹脂配料,使襯片或襯塊具有不同的摩擦性能及其他性能。本次設(shè)計采用的是模壓材料。4.2.5.制動器間隙及調(diào)整制動鼓與摩擦襯片之間或制動盤與摩擦襯片之間在未制動的狀態(tài)下應(yīng)有工作作間隙,以保證制動鼓( 制動盤) 能自由轉(zhuǎn)動。一般,鼓式制動器的設(shè)定間隙為 0.20.5mm;盤式制動器的為 0.10.3mm(單側(cè) 0.05mm0.15mm) 。此間隙的存在會導(dǎo)致踏板或手柄的行程損失,因而間隙量應(yīng)盡量小??紤]到在制動過程中摩擦副可能產(chǎn)生機械變形和熱變形,因此制動器在冷卻狀態(tài)下應(yīng)有的間隙應(yīng)通過試驗來確定。在本設(shè)計中:盤式制動器取間隙為0.1m。另外,制動器在工作過程中會由于摩擦襯片或摩擦襯塊的磨損而使間隙加大,因此制動器必須設(shè)有間隙調(diào)整裝置。當(dāng)前,盤式制動器的間隙調(diào)整均已自動化,鼓式制動器采用間隙自動調(diào)整裝置的也日益增多。盤式制動器工作間隙的調(diào)整,鉗盤式制動器不僅制動間隙小,而且制動盤受熱膨脹后對軸向間隙幾乎沒有影響,所以一般都采用一次調(diào)準(zhǔn)式間隙自調(diào)裝置。最簡單且常用的結(jié)構(gòu)是在缸體和活塞之間裝一個兼起復(fù)位和間隙自調(diào)作用的帶有斜角的橡膠密封圈,制動時密封圈的刃邊是在活塞給予的摩擦力的作用下產(chǎn)生彈性變形,與極限摩擦力對應(yīng)的密封圈變形量即等于設(shè)定的制動間隙。當(dāng)襯塊磨損而導(dǎo)致所需的活塞行程增大時,在密封圈達到極限變形之后,活塞與密封圈之間這一不可恢復(fù)的相對位移便補償了這一過量間隙。解除制動后活塞在彈力作用下退回,直到密封圈的變形完全消失為止,這時摩擦快與制動盤之16間重新回復(fù)到設(shè)定間隙。175.制動性能分析任何一套制動裝置都是由制動器和制動驅(qū)動機構(gòu)兩部分組成。汽車的制動性是指汽車在行駛中能利用外力強制地降低車速至停車或下長坡時能維持一定車速的能力。5.1.制動性能評價指標(biāo)汽車制動性能主要由以下三個方面來評價:1)制動效能,即制動距離和制動減速度;2)制動效能的恒定性,即抗衰退性能;3)制動時汽車的方向穩(wěn)定性,即制動時汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑、以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能。5.1.1.制動效能制動效能是指在良好路面上,汽車以一定初速度制動到停車的制動距離或制動時汽車的減速度。制動效能是制動性能中最基本的評價指標(biāo)。制動距離越小,制動減速度越大,汽車的制動效能就越好。5.1.2.制動效能的恒定性制動效能的恒定性主要指的是抗熱衰性能。汽車在高速行駛或下長坡連續(xù)制動時制動效能保持的程度。因為制動過程實際上是把汽車行駛的動能通過制動器吸收轉(zhuǎn)換為熱能,所以制動器溫度升高后能否保持在冷態(tài)時的制動效能,已成為設(shè)計制動器時要考慮的一個重要問題。5.1.3.制動時汽車的方向穩(wěn)定性制動時汽車的方向穩(wěn)定性,常用制動時汽車給定路徑行駛的能力來評價。若制動時發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力。則汽車將偏離原來的路徑。制動過程中汽車維持直線行駛,或按預(yù)定彎道行駛的能力稱為方向穩(wěn)定性。影響方向穩(wěn)定性的包括制動跑偏、后軸側(cè)滑或前輪失去轉(zhuǎn)向能力三種情況。制動時發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力時,汽車將偏離給定的行駛路徑。因此,常用制動時汽車按給定路徑行駛的能力來評價汽車制動時的方向穩(wěn)定性,對制動距離和制動減速度兩指標(biāo)測試時都要求了其試驗通道的寬度。方向穩(wěn)定性是從制動跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力等方面考驗。制動跑偏的原因有兩個:1)汽車左右車輪,特別是轉(zhuǎn)向軸左右車輪制動器制動力不相等。2)制動時懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿在運動學(xué)上的不協(xié)調(diào)(互相干涉)前者是由于制動調(diào)整誤差造成的,是非系統(tǒng)的。而后者是屬于系統(tǒng)性誤差。側(cè)滑是指汽車制動時某一軸的車輪或兩軸的車輪發(fā)生橫向滑動的現(xiàn)象。最危險的情況是在高速制動時后軸發(fā)生側(cè)滑。防止后軸18發(fā)生側(cè)滑應(yīng)使前后軸同時抱死或前軸先抱死后軸始終不抱死。5.2.制動器制動力分配曲線分析對于一般汽車而言,根據(jù)其前、后軸制動器制動力的分配、載荷情況及路面附著系數(shù)和坡度等因素,當(dāng)制動器制動力足夠時,制動過程可能出現(xiàn)如下三種情況:1)前輪先抱死拖滑,然后后輪抱死拖滑。2)后輪先抱死拖滑,然后前輪抱死拖滑。3)前、后輪同時抱死拖滑。所以,前、后制動器制動力分配將影響汽車制動時的方向穩(wěn)定性和附著條件利用程度,是設(shè)計汽車制動系必須妥善處理的問題。根據(jù)所給參數(shù)及制動力分配系數(shù),應(yīng)用 MATLAB 編制出制動力分配曲線程序如下:F=0:0.1:1;hg=0.85;hg1=0.95;G=2; G1=1.55;L2=1.25;L1=1.35;L=2.6;gg =(1/2)*(G/hg)*sqrt (L22+4*hg*L*F/G)-(G*L2/hg+2*F);gg1=(1/2)*(G1/hg1)*sqrt (L12+4*hg1*L*F/G1)-(G1*L1/hg1+2*F);c=0.67;y=(1-c)/c)*F;plot(F,gg,F,gg1,F,y);xlabel (F1 /KN );ylabel (F2 /KN );title(某轎車制動力分配曲線);legend(I 線(滿載),I 線(空載), 線);將上述程序輸入到命令窗口以后再按回車即可得到圖 5-1 的制動力分配曲線:19圖5-1制動力分配曲線Fig.5-1 braking force distribution curve 當(dāng) I 線與 線相交時,前、后輪同時抱死。當(dāng) I 線在 線下方時,前輪先抱死。當(dāng) I 線在 線上方時,后輪先抱死通過該圖可以看出相關(guān)參數(shù)和制動力分配系數(shù)的合理性。5.3.制動減速度 j制動系的作用效果,可以用最大制動減速度及最小制動距離來評價。假設(shè)汽車是在水平的,堅硬的道路上行駛,并且不考慮路面附著條件,因此制動力是由制動器產(chǎn)生。此時 mrMje/總式中 汽車前、后輪制動力矩的總合。總= =785+1600=2385Nm總 21u=370mm=0.37mer20m汽車總重 m=2000kg代入數(shù)據(jù)得 =(785+1600)/0.372000=6.16m/sj 2轎車制動減速度應(yīng)在 5.87m/s ,所以符合要求。25.4.制動距離 S在勻減速度制動時,制動距離 S 為S=1/3.6(t 1+ t2/2)V+ V 2/254式中,t 1消除制動盤與襯塊間隙時間,取 0.1st2制動力增長過程所需時間,取 0.2sV=30km/h故 S=1/3.6(0.1+ 0.2/2)30+ 30 /2540.7=7.2m2轎車的最大制動距離為:S =0.1V+V /150TS =0.1 30+30 /150=9mT2SS所以符合要求。5.5.摩擦襯片的磨損特性計算摩擦襯片的磨損與摩擦副的材質(zhì),表面加工情況、溫度、壓力以及相對滑磨速度等多種因素有關(guān),因此在理論上要精確計算磨損性能是困難的。但試驗表明,摩擦表面的溫度、壓力、摩擦系數(shù)和表面狀態(tài)等是影響磨損的重要因素。汽車的制動過程,是將其機械能(動能、勢能)的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷纳⒌倪^程。在制動強度很大的緊急制動過程中,制動器幾乎承擔(dān)了耗散汽車全部動力的任務(wù)。此時由于在短時間內(nèi)制動摩擦產(chǎn)生的熱量來不及逸散到大氣中,致使制動器溫度升高。此即所謂制動器的能量負荷。能量負荷愈大,則摩擦襯片(襯塊)的磨損亦愈嚴(yán)重。1)比能量耗散率雙軸汽車的單個前輪制動器的比能量耗散率為: 211()amvetA式中: :汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù),緊急制動時 , ;02v1:汽車總質(zhì)量;a, :汽車制動初速度與終速度, / ;計算時轎車 取 27.8 / ;1v2 ms1vms21:制動時間, ;按下式計算tssjvt6.48271:制動減速度, , ;j 2/sm2/10.0mg:前輪制動器襯片的摩擦面積;1A=7600mm 2:制動力分配系數(shù)。則 =5.767.0.4281502122tAvmea 2w/m轎車盤式制動器的比能量耗散率應(yīng)不大于 6.0 ,故符合要求。2/2)比滑磨功 fL磨損和熱的性能指標(biāo)可用襯片在制動過程中由最高制動初速度至停車所完成的單位襯片面積的滑磨功(設(shè)車輛的動能都消耗在制動器的滑磨功上) ,即比滑磨功 來衡量:fL2maxff LAvL式中: :汽車總質(zhì)量; a:車輪制動器各制動襯片的總摩擦面積,= =752cm ;A21cm276302;shkva/4/60mx :許用比滑磨功,轎車取 1000J/ 1500J / ,fL2c2cmL = 1497J/ 1000J/ 1500J/f7524102cm22故符合要求。226.盤式制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為了提高盤式制動器的制動性能和制動效率,下面在分析盤式制動器設(shè)計過程中所必須滿足的性能指標(biāo)和約束條件的基礎(chǔ)上,建立了以制動溫升最低和制動力矩最大為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,然后采用 MATLAB 優(yōu)化工具箱中的復(fù)合形算法進行優(yōu)化求解,得到了較理想的優(yōu)化結(jié)果。6.1.優(yōu)化模型的建立6.1.1.相關(guān)計算鉗盤式制動器制動力矩計算簡圖如圖 6-1 所示圖 6-1 扇形摩擦襯片轉(zhuǎn)動力矩計算簡圖Fig.6-1 fan-shaped lining torque calculation diagram若摩擦襯片壓力與制動盤面接觸良好,且各處單位壓力分布均勻,則在鉗盤式制動器扇形摩擦襯面上任取一微小面積:dA = RdRd,在這微小面積上產(chǎn)生的微摩擦力矩為:dM=qRdA=qR dRd,式中 q 為摩擦片與制動盤之間的單位面積上的壓力, 為摩擦片的摩擦系數(shù),則單側(cè)摩擦片作用于制動盤上的制動力矩為可由下式積分求得:M= pRdRd= pRdR= p (R23-R13)21R/21R(N.m)23則盤式制動器的總制動力矩為:M= q (R23-R13)依據(jù)制動盤與輪缸液壓傳遞關(guān)系可得:q= pRdpRd)(21)(214212式中:d:輪缸直徑(mm);P:輪缸中的壓強 (MPa);R1:摩擦片內(nèi)半徑(mm);R2:摩擦片外半徑(mm);:摩擦片圓心角(rad)。故制動器力矩表達式可表示為:M= pRd)(312136.1.2.性能約束(1)制動力矩約束:汽車制動器制動力矩應(yīng)該小于地面的摩擦力矩,否則會發(fā)生車輪抱死現(xiàn)象而產(chǎn)生側(cè)滑,從而失去穩(wěn)定性 ,即:M G21er式中: :路面附著系數(shù);G:整車重量(N) ;:制動力分配系數(shù);:車輪有效半徑。er(2)摩擦片壓力約束:摩擦片應(yīng)達到要求的耐磨性或使用壽命,對于摩擦片最大許用單位壓力P,一般按經(jīng)驗取值,因此,摩擦片單位面積壓力不得超過許用單位壓力 P,即:PpRdpRd)(21)(2142122122 (3)比能量耗散率約束:如果比能量耗散率過高,不僅會加快制動摩擦片的磨損,而且可能引起制動盤的龜裂,因此所施加的約束為:e(W/mm))(22121RtvmtAveaa24式中:m:整車質(zhì)量(kg) ;e:盤式制動器時,取 60W/mm;T:為制動時間。(4)制動盤一次制動的溫升:T=GV 2 /254C1M1 t式中 M1:制動盤的質(zhì)量(Kg)M 1= ,其中 為制動盤的密度 7900/m 342hDC1:制動盤的熱容量 J/(KgK)對鋼和鑄鐵取 C=523J/(Kg.K);V:制動初速度(Km/h)取 30Km/ht一次制動最大允許溫升,一般不大于 15即 288.15K(5)摩擦襯塊面積:由于摩擦襯塊單位面積占有的車輛質(zhì)量在 1.6kg/ -3.5kg/ 范2cm2c圍內(nèi)選取。汽車空載質(zhì)量為 1550kg,前輪空載時地載荷為 852.5kg,所以 852.5/(3.5*4)A852.5/(1.6*4) ,即 60.89 A110.7 于是 6089 110702cm2cm2c2cm2421R。2(6)結(jié)構(gòu)約束1) D 0.77Dh2) R2+ l D/2 3) Dg/2+ 2 R14) 1.27 R2/Rl 1.63其中:D h:輪輞直徑(mm);Dg:輪轂直徑(mm) ; 1、 2:分別為結(jié)構(gòu)設(shè)計空間裕量(mm)。6.1.3.優(yōu)化模型的建立設(shè)計變量X=D,h,R 1,R 2, =x1,x 2,x 3,x 4,x 5,其中:D:制動盤直徑;h:制動盤厚度;R1:摩擦片內(nèi)半徑;R2:摩擦片外半徑;25:摩擦片圓心角。目標(biāo)函數(shù)(1)制動力矩最大:Maxf1(X)=M= =pRd)(3213)(234xd= =)()(54.02334x )(87.6234x(2)制動溫升最低:Minf2(X)=T=GV 2 /254C1M1=GV2 /254C1 =GV2 /(254C1 )42hD42x90=15500 302 0.67/(254 523 7900 ).321x90=1.13453 /7102x由于分目標(biāo)是兩類不同性質(zhì)的目標(biāo)函數(shù):一類為目標(biāo)函數(shù)值愈大愈好:另一類為目標(biāo)函數(shù)值愈小愈好。故可采用乘除法 ,來統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù),即:Minf(X)=f2(X)/f1(X)=(1.13453 / )/7102x)(87.46234x=4130.26162 )(3421xx約束條件G1(X)= - G = - GpRd)(31213er)(3234xpd1er=0.314 -15500 0.67 0.7 370/2)(54234x= -1.3449 107 0;)(87.26234G2(X)= -P= -PpRd)(121 pxd5234)(= -4= -4 0;5234)(7.x5234)(6.726G3(X)= -e= -e)(221Rtvma52341)(xtvma= -6=87238.5152/ -6 0;5234)(6.7.085x 5234)(xG4(X) =GV2 /254C1 -15=GV2 /254C1 -15hD219=1.13453 / -15 0;7021xG5(X)=D-0.77Dh -0.77Dh -0.77 14 25.4= -273.812 0;1xG6(X)=R2+ l-D/2= 4+2- 1/2 0;xG7(X)= Dg/2+2-R 1=Dg/2+3- 3=73- 3 0;xG8(X)=1.27-R2/Rl=1.27- 4/ 3 0;G9(X)=R2/R1-1.63= 4/ 3-1.63 0;xG10(X)= = 0;608921R5234)(689xxG11(X)= = -11070 007421 5234)(6.2.算法的設(shè)計6.2.1.MATLAB 遺傳算法介紹遺傳算法(Genetic Algorithm)是一種借鑒生物界自然選擇和遺傳機制的高度并行、隨機、自適應(yīng)的全局優(yōu)化概率搜索算法。近三十年來,遺傳算法已廣泛應(yīng)用于函數(shù)優(yōu)化、自動控制、機器學(xué)習(xí)、人工生命等眾多領(lǐng)域,各領(lǐng)域的學(xué)者和專家對此進行了深入的研究,并用各種語言來實現(xiàn)這個算法。 MATLAB 是一種面向科學(xué)與工程計算的高效率高級語言,其中的 MATLAB 遺傳算法工具箱提供了對各種優(yōu)化問題的一個完整的解決方案。它具有函數(shù)表達簡潔、遺傳操作靈活、可任意選擇多種編碼方式和優(yōu)化算子、算法參數(shù)設(shè)置自由等特點而受到用戶的青睞,并為應(yīng)用和研究遺傳算法提供了穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)靈活、可擴展的開發(fā)平臺。函數(shù)優(yōu)化問題是遺傳算法的經(jīng)典應(yīng)用領(lǐng)域,也是對遺傳算法進行性能評價的常用算例,利用 MATLAB 遺傳算法工具箱,可以有效地實現(xiàn)函數(shù)優(yōu)化問題,并取得較好的性能。6.2.2.遺傳算法的運算流程:遺傳算法以適應(yīng)度函數(shù)為依據(jù),算法從一組隨機產(chǎn)生的初始種群開始,反復(fù)經(jīng)過選擇、27交叉和變異三種遺傳操作,不斷進化,是個迭代搜索過程。其基本流程如下:(1)確定待優(yōu)化的參數(shù)范圍,并對搜索空間進行編碼;(2)隨機產(chǎn)生包含各個個體的初始種群;(3)將種群中各個個體解碼成對應(yīng)的參數(shù)值,用解碼后的參數(shù)求解適應(yīng)度函數(shù),運用適應(yīng)度函數(shù)評估各個個體的適應(yīng)度;(4)對收斂條件進行判斷,如果已經(jīng)找到最佳個體,則停止,否則繼續(xù)進行遺傳操作;(5)按適應(yīng)度進行選擇操作,讓適應(yīng)度大的個體在種群中占有較大的比例,一些適應(yīng)度較小的個體將會被淘汰;(6)隨機交叉,兩個個體按一定的交叉概率進行交叉操作,并產(chǎn)生兩個新的子個體;(7)按照一定的變異概率變異,使個體的某個或某些
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轎車
前輪
制動器
結(jié)構(gòu)
分析
設(shè)計
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-
3196 某轎車前輪制動器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計,轎車,前輪,制動器,結(jié)構(gòu),分析,設(shè)計
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