機械制動器的建模分析目錄TOC\o"1-3"\h\u2449機械制動器的建模分析 1133361.1機械制動器的三維模型 1123371.1.1機械制動器的結(jié)構(gòu) 1296421.1.2機械制動器的工作原理 2165101.1.3SolidWorks軟件介紹 357211.1.4機械制動器的整體模型 365491.2機械制動器的數(shù)學(xué)模型 459951.3機械制動器的分析 414031.3.1氣室推力 4189471.3.2杠桿比 4163711.3.3摩擦系數(shù) 511491.3.4制動半徑 6125461.3.5制動間隙 71.1機械制動器的三維模型盤式制動器按照摩擦副的固定元件結(jié)構(gòu)不同分為鉗盤式制動器和全盤式制動器。鉗盤式制動器的摩擦副固定元件為制動盤和制動鉗；全盤式制動器的摩擦副固定元件是固定盤和旋轉(zhuǎn)盤。全盤式制動器按照固定盤數(shù)量不同分為單盤式制動器和多盤式制動器。鉗盤式制動器按照制動鉗體能否沿軸向移動分為固定鉗盤式制動器和浮動鉗盤式制動器。固定鉗盤式制動器的制動盤與輪轂相連接，制動鉗與車橋相連接而固定不動；浮動鉗盤式制動器的制動鉗可以沿著軸向運動。本文選用浮鉗式盤式制動器。1.1.1機械制動器的結(jié)構(gòu)浮鉗式氣壓盤式制動器的主要部件為：制動鉗體、制動塊架體、摩擦片、制動板、制動盤和放氣螺栓等。浮鉗盤式制動器的制動盤由輪轂和制動表面兩個主要部分組成。其中輪轂是輪胎內(nèi)部用來支撐輪胎中心裝在前后軸上的金屬部件，其內(nèi)裝有軸承來與車軸進(jìn)行連接，制動表面是制動盤兩側(cè)的工作表面，它們提供摩擦接觸面給制動摩擦塊。制動面磨損超過壽命極限時需及時進(jìn)行更換。為了改善冷卻效果，鉗盤式制動器的制動盤常被鑄成中間帶有徑向通風(fēng)槽的雙層盤，這樣大大地增加了散熱面積，降低溫升，避免制動器出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)崴ネ?。制動摩擦塊由制動板和摩擦片組成。制動器結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1制動器的結(jié)構(gòu)1.1.2機械制動器的工作原理在車輛行駛過程中，制動盤通過法蘭安裝在車軸上并隨著車輪轉(zhuǎn)動，而摩擦片安裝在制動盤兩側(cè)的制動塊支架上，與促動裝置組成制動鉗。制動支架安裝在車橋總成上。駕駛員對車輛進(jìn)行制動時，氣室連桿推動推力臂，推力臂在此起到杠桿的放大作用，接著推動雙推桿作用于摩擦片上，而制動鉗體受到反作用力的作用，制動鉗體帶動另一側(cè)的摩擦片作用于制動盤上，使摩擦片與制動盤表面相接觸而產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生制動力矩阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，降低車速。制動器制動過程中，將車輛行駛的動能轉(zhuǎn)化為熱能通過制動盤散發(fā)到空氣中。1.1.3SolidWorks軟件介紹本文采用SolidWorks作為實體建模軟件對機械制動器和電渦流緩速器進(jìn)行機械建模。SolidWorks有以下功能：三維繪圖設(shè)計功能、數(shù)據(jù)分析和管理功能和基于物理學(xué)的仿真分析功能等。采用SolidWorks的原因是它有以下優(yōu)勢：(1)功能強大，在進(jìn)行三維建模、裝配的同時還可以在此基礎(chǔ)上直接繪制二維的工程圖，方便標(biāo)注零件；(2)易學(xué)易會，操作界面友好，短時間內(nèi)可以熟練掌握；(3)技術(shù)創(chuàng)新，操作靈活。1.1.4機械制動器的整體模型利用SolidWorks軟件對浮鉗式盤式制動器進(jìn)行三維建模，模型見圖2-2。圖2-2浮盤式制動器整體模型1.2機械制動器的數(shù)學(xué)模型假定制動器的制動塊與制動盤接觸良好，受力均勻，由上文中氣壓盤式制動器的工作原理可知制動力矩為，F(xiàn)=(2-1)M=2F(2-2)M=2(2-3)式中，F(xiàn)n為氣室推力；F為制動力；i為杠桿比；η為機械效率；μ1.3機械制動器的分析由氣壓盤式制動器的數(shù)學(xué)模型可知，影響主制動器制動力矩的因素有氣室推力、杠桿比、摩擦系數(shù)、制動半徑、制動間隙等。本節(jié)將對主要影響因素進(jìn)行分析。REF_Ref12077\r\h[5]1.3.1氣室推力從數(shù)學(xué)模型上看，氣室推力與制動力矩成正比，但根據(jù)摩擦學(xué)的基本理論，這種關(guān)系并不恒定。一方面，如果氣室推力過大，通過傳動機構(gòu)放大后傳遞到摩擦接觸面的正壓力N會超過摩擦元件材料所能承受的最大壓力值，超過部分的壓力將會產(chǎn)生滑磨功E，并隨氣室推力的增大而增加，滑磨功會產(chǎn)生熱量，使工作環(huán)境溫度升高，制動器會出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，即隨溫度升高，摩擦系數(shù)減小，制動效能降低。除此之外，氣室推力的增大也會加劇制動器元件的磨損，降低其壽命，增加成本。1.3.2杠桿比如圖2-3所示為氣室推力的靜特性曲線。杠桿比是一種設(shè)計參數(shù)，與氣壓盤式制動器的推力桿和杠桿固定處的配合位置有關(guān)，不是固定值，隨杠桿的工作行程的增大而增大。杠桿比對制動力矩的影響情況同氣室推力一致。因此在設(shè)計杠桿比的過程中既要保證足夠的制動力矩，又要兼顧氣室推力的靜特性曲線。此外，還要注意選擇合適剛度的材料，保證工作正常進(jìn)行。圖2-3氣室推力的靜特性曲線1.3.3摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)是指兩個表面間的摩擦力與垂直作用力之比，與表面粗糙度、溫度等有關(guān)。在實際應(yīng)用中，摩擦系數(shù)與制動器制動盤的耐磨性、抗熱衰退性能等因素也有關(guān)，但這些因素通常存在矛盾關(guān)系，因此需要協(xié)調(diào)均衡好。在改善制動力矩的過程中，提高摩擦系數(shù)的同時也要保證摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。摩擦系數(shù)穩(wěn)定性的主要影響因素是摩擦面的分布、摩擦接觸面積和制動盤結(jié)構(gòu)形式。活塞的分布直接影響摩擦面的分布情況，而摩擦面的分布直接影響摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。如圖2-4所示，摩擦系數(shù)穩(wěn)定性按以下順序依次升高：單個活塞形式、雙活塞形式、雙活塞與整體推盤組合形式。圖2-4活塞的分布與施力對應(yīng)關(guān)系摩擦面面積越大，單位摩擦面上的垂直作用力越小，摩擦力越低，溫升越小，進(jìn)而摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性越高。在主制動器制動過程中，熱量大多通過制動盤散發(fā)，其散熱情況與制動盤結(jié)構(gòu)相關(guān)。1.3.4制動半徑制動半徑是指摩擦面的受力中心到制動盤的轉(zhuǎn)動中心的這條線段，一般情況下取制動塊距制動盤中心最大距離和最小距離的算術(shù)平均值。其值間接受到車輪內(nèi)部輪廓的限制，尤其是氣門?？紤]到零件在高負(fù)荷下的熱變形，保護(hù)氣門不受高溫影響，防止卡鉗和氣門之間粘上臟污，剎車、輪輞和氣門之間應(yīng)留有足夠的間隙。在實際應(yīng)用中，摩擦面受力不均勻，活塞中心的載荷密度明顯高于其他部位，剎車片上半部的載荷密度明顯高于下半部?；瑒庸εc制動半徑成正比，制動塊上半部溫度高于下半部。鑒于以上兩個因素，剎車片上半部磨損明顯快于下半部，即存在偏磨問題，嚴(yán)重時可導(dǎo)致剎車跑偏等制動問題。眾所周知，這種現(xiàn)象是由氣壓盤式制動器的結(jié)構(gòu)決定的，無法從根本上解決，但可以通過相關(guān)參數(shù)的設(shè)計來改善，即使活塞的力心低于制動半徑。因此，在設(shè)