摘 要

制动器作为汽车制动系统当中的关键性部件，对于汽车的行驶安全性能有着至关重要的作用。而随着科技的不断进步，需求的不断提升，传统的设计手段在面对日益增长的设计需求时略显不足，因此，本文以别克君威车型参数作为基础，针对其制动器进行设计，借助CATIA软件进行了参数化建模。将创建的模型导入ANSYS有限元分析软件，并对制动盘的紧急制动过程进行瞬态热分析及静力分析。结果表明，参数化设计可以较为显著的提升工作效率，有效的完成针对不同需求模型的匹配设计。制动盘在进行紧急制动时，最低温度在礼帽圆柱部分，并且热应力对于制动盘的性能影响较大。

关键词：盘式制动器，参数化，有限元

Abstract

As a key part of automobile brake system, disc brakes play an important role in automobile’s ride safety. With the development of technology and the enhancement of demands, traditional design methods can hardly satisfy the increasing design requirements. Hence, based on the parameters of Buick Regal, this research conducted parametric modeling of brake design with CATIA software. The created model was input into ANSYS finite element analysis software, and transient thermal analysis and static analysis was conducted on the emergency braking. Results showed that parametric design can significantly improve work effectiveness, and effectively completed the design that targets different demand models. During emergency braking, the temperature of hat cylindrical is the lowest, and thermal stress have a great influence on the brake performance.

Key Words: disk brake； parametric modeling;；finite element;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、意义及内容 1

1.1.1 参数化设计的背景及意义 1

1.1.2 制动器设计主要内容 1

1.1.3 所需要的技术方案及措施 2

第2章 盘式制动器简述 3

2.1 汽车制动器概述 3

2.2 盘式制动器简述 3

2.3盘式制动器结构原理 5

2.4 制动器设计准则 6

2.4.1 制动器制动性能 6

2.4.2 制动性能特征量 7

2.4.3 制动器间隙调整的简便性 8

第3章 盘式制动器的设计与计算 9

3.1 目标车型设计参数 9

3.1.1 车身尺寸参数 9

3.1.2 汽车质量参数 9

3.1.3 汽车性能参数 10

3.2 盘式制动器基本参数选定 10

3.2.1 制动力分配系数 10

3.2.2 同步附着系数的确定 11

3.2.3 最大制动力矩的确定 12

3.3 盘式制动器主要零件设计 14

3.3.1 制动盘的设计与计算 14

3.3.2 制动钳的设计 15

3.3.3 制动块设计 15

3.2.4 摩擦材料的选用 16

3.2.5 间隙调整装置的设计 17

第4章 盘式制动器参数化设计 18

4.1 传统的CAD设计建模方法 18

4.2 参数化设计 19

4.3参数化建模主要步骤 19

4.4 三维建模软件简介 19

4.5 CATIA的参数化建模 20

4.5.1 CATIA参数化建模的方法 21

4.5.2 参数化建模文件的相互关系 22

4.6 盘式制动器主要零件参数化建模 23

4.6.1 制动盘的参数化建模 23

4.6.2防尘罩的参数化建模 25

4.6.1 螺钉的参数化建模 27

第5章 基于ANSYS Workbench的制动盘有限分析 28

5.1 有限元分析原理简述 28

5.2 关于ANSYS Workbench软件 28

5.3 ANSYS Workbench分析 28

第6章 总结与展望 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景、意义及内容

1.1.1 参数化设计的背景及意义

现代生活里汽车饰演了一个十分重要的角色，成为了人们日常活动中必不可少的一部分。汽车工业接受了百余年的发展演变，其设计和制造也变的越来越具备规模化和系统化，作为汽车的几个主要评价指标之一，汽车制动性与汽车的安全性能密切相关。据显示，交通事故与车本身有关原因是制动距离过长，紧急制动制动系统失效等。由此可以看出汽车的制动性能将很大一部分程度上直接影响到汽车的安全性。

制动系统可简化理解为刹车踏板、真空助力泵，制动液储存箱，制动液管道和制动器等组成，在汽车行驶的过程当中，汽车和路面相互接触，所以研究汽车的制动过程是与道路行驶状况密不可分的，而路面状况又是复杂多变的，这也意味着对于制动的要求也越来越高，制动器作为实现制动过程的主体部分，同样需要应对各种路面状况下对于汽车制动的各项要求。所以对于汽车的设计而言，制动器的设计也是一个值得重视的版块。

制动器可以简单的看作是由制动钳总成和刹车盘两个部分组合而成的。而制动钳总成可以细分为，支架，钳体，摩擦块，滑动销，放气阀以及活塞。由此可见制动器设计是一个复杂的过程，而对于不同性能和要求应该有着符合其对应条件的制动器设计。在传统的制动器开发模式下，免除不了需要大量的计算和试验来对其进行不断的改进和完善使其得以满足使用要求。而这样的过程既繁琐其中的某些环节还存在着大量的重复劳动。考虑到现在的汽车工业追求高效的开发方式以及较低的开发成本。利用现如今高度发展的计算机技术，我们可以另辟蹊径，采用数字化方式，得到事倍功半的效果。

所以为了实现汽车制动器的高效设计开发，采用参数化建模以及分析的方式将能够极大的避免重复繁琐的工作，缩短产品开发周期，提高研发效率。这也是对传统研发设计流程的一大改良。

1.1.2 制动器设计主要内容

（1）选取某车型作为研究对象，通过学习积累的有关汽车理论以及汽车设计相关内容知识，依据所获得的车型参数，确定该车型制动器设计的基本流程。

（2）通过查阅相关资料，掌握汽车制动器设计的方法流程，计算相关参数，并利用三维建模软件对所设计的汽车制动器进行三维建模，优化制动器三维建模方式，寻求高效建模方式。

（3）针对设计完成的制动器的三维模型进行有限元分析优化，了解制动器设计中的设计重点，掌握影响汽车制动性能的主要分析对象。

1.1.3 所需要的技术方案及措施

（1）了解汽车制动器的发展历程，比较各类汽车制动器的优缺点，熟悉制动器的制动原理以及将要进行设计的汽车制动器的结构特点。

（2）获取选取车型的基本参数，按照汽车制动器的设计流程进行相关参数的计算。

（3）按照计算所获得的汽车制动器的各项参数，利用三维建模软件CATIA进行建模，并在建模的基础上进一步探究高效建模的方法。

（4）将建好的三维模型导入有限元分析软件ANSYS，按照制动器的工作状况利用ANSYS相应的功能模块进行有限元分析，熟悉影响制动器性能的相关条件，从而对产品进行优化。

第2章 盘式制动器简述

2.1 汽车制动器概述

汽车底盘是由制动系、转向系、行驶系和传动系四大部分构成，这当中制动系统的主要功能是使行驶的汽车根据驾驶情况减速甚至停车，在坡路的行驶过程中使得汽车保持行驶速度的稳定，在任何的道路条件下使已经停止的汽车保持其静止的状态稳定。

现今，在汽车上所装配的制动装置包罗了行车制动装置和驻车制动装置，这两套装置保持部分独立，这当中行车制动装置主要由驾驶员通过操控刹车踏板来进行操作，驻车制动装置有多种类型操控方式，如手刹，脚刹（日系车上采用较多）以及电子驻车按钮。

行车制动装置中，包括了制动器和制动驱动机构，由驱动机构产生汽车制动时所必要的制动力，现在普遍采用的是气压驱动和液压驱动，更先进的驱动方式有采用电磁制动。其中气压驱动需要借用发动机产生的真空度，液压多采用液压油作为介质。制动力产生后驱动制动器通过摩擦作用从而实现制动目标。摩擦制动器靠其稳固件和旋转件的工作表面之间的摩擦作用产生制动力矩。当今摩擦制动器分为盘式制动器和鼓式制动器两种。

鼓式制动器有着一下几方面的优点：

(1)由于制造工艺成熟，且对制造精度要求相比较而言更低，所以造价低廉。

(2)因为发展时间较长，被广泛采用，所以在传统的汽车设计上更加合适，适用性强。

(3)对比于盘式制动器的刹车盘，鼓式制动器的刹车蹄则更为耐用。

(4)由于低速时可以通过惯性作用有自增力功效，所以仍有着较好的制动效果。

但鼓式制动器的缺点也是十分明显的，由于制动时通风散热能力较弱，从而使得制动效能和热稳定性与盘式制动器相比有着较大的差距，所以现今已经基本上不在中高档乘用车上使用。低档小轿车也已经基本实现了前盘后鼓的配置。

随着汽车性能的提高，最高车速也在不断提高，商用车的运载力和总重不断增加。乘用车方面，为增加驾驶的操纵性能而普遍降低汽车重心以及小直径宽断面的轮胎的广泛采用使得汽车制动装置的安装位置和空间受到一定的限制。所以在这种情况下热稳定性能较好的盘式制动器的使用也在日益增多。

2.2 盘式制动器简述

盘式制动器一般情况下也被称之为钳盘式制动器，因为由驱动系统产生的制动力推动制动卡钳将摩擦片压靠在制动盘上，使摩擦片和制动盘工作表面产生摩擦，从而降低制动盘及车轴转速或者使其保持静止，在制动过程当中，车的动能转化为热能，热能会影响制动器的制动机能，所以如何加快热能散发也是盘式制动器的一个研究设计方向。相比较于鼓式制动器，盘式制动器有着以下优势：

（1）盘式制动器由于制动钳横跨在制动盘两端，在轴向方向对制动盘施加压力进而产生摩擦力进行制动，所以对于钳体的安装方向以及车轮的旋转方向并无要求，且受到影响较小，虽然没有鼓式制动器的自增力作用，但由于减少了摩擦系数对于制动效能的影响反而在制动能力上表现的更加稳定可靠。同时由于制动钳体尺寸较制动鼓小，安装位置更自由，则在汽车的装配上有了更多的设计空间。

（2）由于盘式制动器制动盘与外界暴露面积多，随着行车过程中的空气快速流动使得不断有冷空气与制动盘表面进行热量的交换，带走制动所产生的废热，减少因为温升而产生的制动盘的轴向热膨胀，另外，因为卡钳式结构使得对于制动盘的径向方向热膨胀对制动性能基本没有影响。所以综合来说不会降低制动效能。

（3）对于水沾湿制动器所受影响小，由于制动块加紧制动盘时压强高，容易挤出工作表面的水分，另外在制动盘工作平面上的水分由于其旋转时而产生的离心力也能加速水分的甩出。所以在制动器沾水或浸水后只需几次制动便可使其性能恢复正常。

（4）盘式制动器的结构简单，且摩擦衬块便于拆卸更换，维护起来较为容易。摩擦衬块和制动盘间的制动间隙容易实现自动调整，制动间隙可以控制在很小的范围内，从而制动反应迅速灵敏，提高了车辆的安全性能。

（5）在针对质量较大的商用车领域，盘式制动器也同样适用。由于制动时施加在摩擦块上的压力更加均匀，使得摩擦块所受磨损均匀，从而延长了使用寿命。同时摩擦块也能承受较大的制动压力带来的摩擦力矩，也保证了其制动性能。

（6）由于盘式制动器总成的单位质量输出的制动力矩数值都比较高，保证了在所需制动力要求下可以将其尺寸设计的尽可能小，便于整车设计以及汽车轻量化的考量。

（7）盘式制动器制动摩擦加载的方向与车辆行驶方向垂直使得车辆行驶速度的变化对于其制动能力的影响较小。

盘式制动器在有着众多优点的同时也存在着一些缺陷：