鼓式制動器制動鼓參數(shù)化設(shè)計(jì)研究含CAITA三維及3張CAD圖,制動器,制動,參數(shù),設(shè)計(jì),研究,鉆研,caita,三維,cad 一、選題依據(jù) 1、研究領(lǐng)域 車輛工程-汽車設(shè)計(jì)-汽車零部件設(shè)計(jì)-參數(shù)化設(shè)計(jì) 2、論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價值 鼓式制動器是汽車的主要制動器品種之一，制動器的設(shè)計(jì)往往要求快速、高質(zhì)量。解決該問題的有效方法之一就是在對制動器零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立先進(jìn)的汽車制動器專用設(shè)計(jì)平臺。這不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研制周期，降低設(shè)計(jì)成本，還可極大地減輕勞動強(qiáng)度。 3 、目前研究的概況和發(fā)展趨勢 “計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD”這個概念，是由 MIT 機(jī)械工程系的 S.A.Coon 最早提出來的。80 年代中期， PTC 公司發(fā)布了首個商用參數(shù)化設(shè)計(jì) CAD 軟件系 Pro/Engineer，這款基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的問市為汽車及機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)的自動化打下了夯實(shí)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，將理論研究提升到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用水平，自此飛機(jī)、汽車、船舶等機(jī)械制造工業(yè)的開發(fā)設(shè)計(jì)制造開始廣泛應(yīng)用參數(shù)化以及變量化的技術(shù)，并不斷發(fā)展進(jìn)步，其造的經(jīng)濟(jì)效益也不斷提高。例如 2012 年，Liu Hongpu, Peng Erbao 博士， 使用 UG 對鼓式制動器進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用 UG 軟件對剎車的類型參數(shù)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。在離散化的原則的基礎(chǔ)上,對制動鼓組件的典型特點(diǎn)和各個部分進(jìn)行了三維參數(shù)化建模工作, 并建立了參數(shù)化模型庫調(diào)用。同年，A Rehman 博士，使用 Pro - E 分析考慮了制動鼓的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。解析了在不同負(fù)載和不同的制動鼓的輪廓下的應(yīng)力分布,確保制動鼓壓力值低于允許的極限。 我國的技術(shù)也在迅速提升，例如 2010 年，王庭義等為了更準(zhǔn)確地研究具有凸輪張開裝置的領(lǐng)、從蹄式制動器系統(tǒng)的力學(xué)行為,在凸輪軸上施加輸入力矩來模擬仿真制動器系統(tǒng)的制動過程,并通過 ADAMS 動力學(xué)仿真軟件進(jìn)行了仿真分析。2012 年，馬迅等人運(yùn)用通用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 建立了某鼓式制動器的三維幾何及有限元模型。利用制動器應(yīng)力測定試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果，采用三種不同的領(lǐng)從蹄上促動力的分配方式，并考慮凸輪轉(zhuǎn)動和摩擦系數(shù)等不同方案，分析了制動力矩在制動過程中的變化規(guī)律，得到與試驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)的仿真結(jié)果。2013 年，周吉祥等，為了使鼓式制動器的模擬仿真更 接近于真實(shí)狀態(tài),聯(lián)合運(yùn)用三維 CAD 建模軟件 CATIA、有限元分析軟件 Hypermesh 及多體動力學(xué)分析軟件 MSC.ADAMS,考慮將凸輪、制動底 板、制動蹄及制動鼓視為剛性體,將摩擦片視為柔性體建立了鼓式制動器的剛?cè)狁詈蟿恿Ψ抡婺Ｐ?并基于動力仿真的結(jié)果為鼓式制動器的有限元熱結(jié)構(gòu)耦合分析提 供實(shí)時的凸輪促動力,動力仿真得到的領(lǐng)、從蹄促動力關(guān)系與相關(guān)文獻(xiàn)吻合,驗(yàn)證了模型的正確性,最后基于熱結(jié)構(gòu)耦合分析了制動鼓破壞失效的原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析技術(shù)成為被設(shè)計(jì)師采用的更為高效和準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方 法在電腦上，通過參數(shù)化建模，設(shè)計(jì)人員能夠完成汽車設(shè)計(jì)的各項(xiàng)工作，比如汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，強(qiáng)度計(jì)算與校核，匹配參數(shù)的選擇，工作性能和壽命的模擬分析等等。參數(shù)化建模是汽車設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。 9 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題 以制動鼓為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用 CATIA 軟件研究建立基于快速開發(fā)鼓式制動器各個零部件的二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） (1) 用 CATIA 建立所選制動鼓的三維參數(shù)模型； (2)用 VB 等工具對 CATIA 進(jìn)行二次開發(fā)，創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)界面； (3)對有限元模型進(jìn)行求解，分析其應(yīng)力、變形分布，優(yōu)化設(shè)計(jì)制動器結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，減小摩擦片的不均勻磨損現(xiàn)象。 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 通過 CATIA 軟件研究基于特征的參數(shù)化方法設(shè)計(jì)鼓式制動器。選擇具有典型特征的制動鼓進(jìn)行三維參數(shù)化建模工作，得出更好的制動鼓設(shè)計(jì)。 （1）完成 10000 字以上的論文； （2）完成 3000 字左右外文文獻(xiàn)翻譯； （3）使用 CATIA,ANAYS 等軟件進(jìn)行建模、分析； （4）二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)文件一份； （5）預(yù)計(jì) 3 張 A0 圖紙。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； (1)首先翻閱各種資料，了解本設(shè)計(jì)的意義、研究概況和發(fā)展趨勢； (2)分析不同類型鼓式制動器； (3)選擇具有典型特征的制動鼓進(jìn)行三維參數(shù)化建模工作； (4)通過設(shè)計(jì)結(jié)果，得出結(jié)論。 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1 周：理解設(shè)計(jì)題目，查找參考資料； 第 2 周：整理參考文獻(xiàn)，撰寫文獻(xiàn)綜述； 第 3 周：撰寫開題報(bào)告； 第 4 周：修改開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題答辯； 第 5 周：了解制動鼓的結(jié)構(gòu)和工作原理； 第 6、7 周：確定制動鼓的各項(xiàng)參數(shù)； 第 8 周：進(jìn)行中期檢查并進(jìn)行 1 篇外文文獻(xiàn)翻譯； 第 9、10 周：用 CATIA 進(jìn)行制動鼓的參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立三維模型； 第 11、12 周：分析并優(yōu)化制動鼓的各項(xiàng)參數(shù)； 第 13 周：改進(jìn)完善制動鼓的優(yōu)化方案； 第 14 周：撰寫畢業(yè)論文； 第 15 周：修改畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)論文答辯。 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 趙晨. 鼓式制動器參數(shù)化設(shè)計(jì)及仿真分析[D].武漢理工大學(xué),2014. 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Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2014. 附：文獻(xiàn)綜述 文獻(xiàn)綜述 1 引言 作為汽車的關(guān)鍵組成部分，制動系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到汽車的安全性能。在當(dāng)前蓬勃發(fā)展的汽車行業(yè)，提高汽車的制動性能，確保行車可靠安全，早已是汽車設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)。 汽車所用的制動器幾乎都是摩擦式的，可分為鼓式和盤式兩大類。鼓式制動器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件為制動鼓，其工作表面為圓柱面。鼓式制動器根據(jù)其結(jié)構(gòu)都不同，又分為：雙向自增力蹄式制動器、雙領(lǐng)蹄式制動器、領(lǐng)從蹄式制動器、雙從蹄式制動器。其制動效能依次降低，最低是盤式制動器；但制動效能穩(wěn)定性卻是依次增高，盤式制動器最高。也正是因?yàn)檫@個原因，盤式制動器被普遍使用。但由于為了提高其制動效能而必須加制動增力系統(tǒng)，使其造價較高，故低端車一般還是使用前盤后鼓式。鼓式制動器也叫塊式制動器，是靠制動塊在制動輪上壓緊來實(shí)現(xiàn)剎車的。鼓式制 動是早期設(shè)計(jì)的制動系統(tǒng)，其剎車鼓的設(shè)計(jì) 1902 年就已經(jīng)使用在馬車上了，直到 1920 年左右才開始在汽車工業(yè)廣泛應(yīng)用。鼓式制動器的主流是內(nèi)張式，它的制動塊(剎車蹄)位于制動輪內(nèi)側(cè)，在剎車的時候制動塊向外張開，摩擦制動輪的內(nèi)側(cè)，達(dá)到剎車的目的。近三十年中，鼓式制動器在轎車領(lǐng)域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動器。但由于成本比較低，仍然在一些經(jīng)濟(jì)類轎車中使用，主要用于制動負(fù)荷比較小的后輪和駐車制動。 鼓式制動器的主要種類包括：領(lǐng)從蹄式、雙領(lǐng)蹄式、雙向雙領(lǐng)蹄式、雙從蹄式、單向增力式、雙向增力式等幾種。領(lǐng)從蹄式制動器的效能和效能穩(wěn)定性，在各式制動器中居中游；前進(jìn)、倒退行駛的制動效果不變；結(jié)構(gòu)簡單，成本底；便于附裝駐車制動驅(qū)動機(jī)構(gòu)；調(diào)整蹄片與制動鼓之間的間隙工作容易。但領(lǐng)從蹄式制動器也有兩蹄片上的單位壓力不等，故兩蹄襯片磨損不均勻，壽命不同的缺點(diǎn)。此外，因只有一個輪缸，兩蹄必須在同一驅(qū)動回路作用下工作。領(lǐng)從蹄式制動器得到廣泛應(yīng)用。 2 國外研究現(xiàn)狀 國外汽車設(shè)計(jì)和性能開發(fā)研究起步相對較早，而且發(fā)展極其迅速，其中的重要原因就是在二十世紀(jì)六七十年代左右，西方發(fā)達(dá)國家就已進(jìn)入了自動化設(shè)計(jì)階段，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用背景之下，國外的機(jī)械設(shè)計(jì)人員也開始逐漸使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使其協(xié)助他們完成復(fù)雜的工程計(jì)算以及繪制繁多的工程圖紙。 80 年代中期，PTC 公司發(fā)布了首個商用參數(shù)化設(shè)計(jì) CAD 軟件系 Pro/Engineer， 這款基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的問市為汽車及機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)的自動化打下了夯實(shí)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，將理論研究提升到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用水平，自此飛機(jī)、汽車、船舶等機(jī)械制造工業(yè)的開發(fā)設(shè)計(jì)制造開始廣泛應(yīng)用參數(shù)化以及變量化的技術(shù)，并不斷發(fā)展進(jìn)步，其造的經(jīng)濟(jì)效益也不斷提高。 2012 年，Liu Hongpu, Peng Erbao 博士[1]，使用 UG 對鼓式制動器進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用 UG 軟件對剎車的類型參數(shù)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。在離散化的原則的基礎(chǔ)上, 對制動鼓組件的典型特點(diǎn)和各個部分進(jìn)行了三維參數(shù)化建模工作, 并建立了參數(shù)化模型庫調(diào)用。同年，A Rehman 博士[2]，使用 Pro - E 分析考慮了制動鼓的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。解析了在不同負(fù)載和不同的制動鼓的輪廓下的應(yīng)力分布,確保制動鼓壓力值低于允許的極限。2014 年，HJ Yuan 博士[3]針對制動鼓工作過程中的由熱應(yīng)力引起的溫度上升,摩擦系數(shù)不穩(wěn)定下降,制動轉(zhuǎn)矩降低,斷裂失效的制動鼓表面徑向裂紋的發(fā)生等問題,。通過分析有限元(FE)模型,位移分布云圖和熱應(yīng)力云圖,以及位移分布和應(yīng)力云圖,。耦合分析了接觸區(qū)域外一側(cè)內(nèi)壁的制動鼓和摩擦片,交互的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷,最大應(yīng)力之間的關(guān)系和制動鼓的材料強(qiáng)度極限。 德國在制動器方面的研究可以說是更上一層樓，以 B.布勒伊爾及 K.比爾為例[4]， 他們于各種類型的車輛制動器和制動系統(tǒng)都有很深研究，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合全球最新制動系統(tǒng)科技研究成果以及各地區(qū)的實(shí)際需要，針對現(xiàn)代車輛制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)要求、虛擬模擬、系統(tǒng)開發(fā)、部件性能分析和功能開發(fā)，將世界范圍內(nèi)的制動方面的新技術(shù)都一一進(jìn)行了系統(tǒng)闡述和理論延伸。 此外，印度 Bharath 大學(xué)的 Anup Kumar and R. Sabarish 教授[5 元分析法和 pro/e 分析了在經(jīng)歷高溫和熱應(yīng)力提高的制動過程中制動鼓的結(jié)構(gòu)和熱能的各種變化。 3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國對制動器的研究開發(fā)初步具有成效，但還需要進(jìn)一步的發(fā)展。 我國的 CAD 技術(shù)研究起源于 20 世紀(jì) 70 年代初，在中國研究人員對汽車鼓式制動器研究的幾十年內(nèi)，取得了一系列成果。 2010 年，王庭義等人[6]為了更準(zhǔn)確地研究具有凸輪張開裝置的領(lǐng)、從蹄式制動器系統(tǒng)的力學(xué)行為,在凸輪軸上施加輸入力矩來模擬仿真制動器系統(tǒng)的制動過程,并通過 ADAMS 動力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真分析。同年，羅明軍等人[7]基于 ANSYS 對鼓式制動器的受力分析,建立了其關(guān)鍵受力部件的力學(xué)模型。基于鼓式制動器實(shí)體模型建立了其有限元模型,為了更真實(shí)模擬制動器的工作狀態(tài),將制動蹄、制動鼓和摩擦襯片作為一個整體進(jìn)行分析,研究了其工作狀態(tài)下摩擦襯片的壓力分布、制動力矩、制動器的應(yīng)力分布和制動器的變形。這為鼓式制動器的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。此外，馬迅等[8], 運(yùn)用 ANSYS Workbench 平臺建立了某鼓式制動器的三維有限元模型。對摩擦襯片與制動鼓之間的摩擦接觸進(jìn)行模擬，考慮了制動鼓和摩擦襯片間的滑動，較真實(shí)的模擬了制動的工作過程。 研究了制動力矩在制動過程中的變化規(guī)律，反算出制動效能因素，得出促動力重新分配后接觸壓強(qiáng)的分布特性及制動器的等效應(yīng)力。為進(jìn)一步改進(jìn)制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù) 2012 年馬迅等人[9]運(yùn)用通用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 建立了某鼓式制動器的三維幾何及有限元模型。利用制動器應(yīng)力測定試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果，采用三種不同的領(lǐng)從蹄上促動力的分配方式，并考慮凸輪轉(zhuǎn)動和摩擦系數(shù)等不同方案，分析了制動力矩在制動過程中的變化規(guī)律，得到與試驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)的仿真結(jié)果。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，研究合理的制動器應(yīng)力場的有限元分析方法。在此基礎(chǔ)上得出制動蹄與鼓之間的接觸壓強(qiáng)的分布特性及制動器各部件上的等效應(yīng)力。2013 年，周吉祥等[10]，為了使鼓式制動器的模擬仿真更 接近于真實(shí)狀態(tài),聯(lián)合運(yùn)用三維 CAD 建模軟件 CATIA、有限元分析軟件 Hypermesh 及多體動力學(xué)分析軟件 MSC.ADAMS,考慮將凸輪、制動底 板、制動蹄及制動鼓視為剛性體,將摩擦片視為柔性體建立了鼓式制動器的剛?cè)狁詈蟿恿Ψ抡婺Ｐ?并基于動力仿真的結(jié)果為鼓式制動器的有限元熱結(jié)構(gòu)耦合分析提 供實(shí)時的凸輪促動力,動力仿真得到的領(lǐng)、從蹄促動力關(guān)系與相關(guān)文獻(xiàn)吻合,驗(yàn)證了模型的正確性,最后基于熱結(jié)構(gòu)耦合分析了制動鼓破壞失效的原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。2014 年，崔功軍，盧磊，吳娟三人[11] 采用 SolidWorks 建立帶式輸送機(jī)鼓式制動器三維模型,導(dǎo)入 ANSYS Workbench 進(jìn)行溫度場與應(yīng)力場的耦合分析,研究了在不同制動速度和制動壓力下模型的應(yīng)力應(yīng)變與溫度分布變化情況.結(jié)果表明:應(yīng)力主要集中在制動輪 上;應(yīng)變主要集中在摩擦片上;應(yīng)力應(yīng)變與溫度均隨制動速度與制動壓力的增加而增加;應(yīng)變與溫度均隨制動時間增加而增大,應(yīng)力隨制動時間的增加趨于穩(wěn)定;應(yīng) 力波動幅度隨制動速度的增加而增大, 應(yīng)變處于穩(wěn)定值的時間隨制動速度的增加而減少。 4 發(fā)展趨勢及展望 從人類第一次設(shè)計(jì)汽車開始，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)就越來越多的運(yùn)用到設(shè)計(jì)里面。起初設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)汽車零件是通過不斷積累的經(jīng)驗(yàn)，而現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析技術(shù)成為被設(shè)計(jì)師采用的更為高效和準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法在電腦上，通過參數(shù)化建模，設(shè)計(jì)人 員能夠完成汽車設(shè)計(jì)的各項(xiàng)工作，比如汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，強(qiáng)度計(jì)算與校核，匹配參數(shù)的選擇，工作性能和壽命的模擬分析等等。 參數(shù)化建模是汽車設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。參數(shù)化設(shè)計(jì)是 Revit Building 的一個重要思想，Revit Building 中的圖元都是以構(gòu)件的形式出現(xiàn)，這些構(gòu)件之間的不同，是通過參數(shù)的調(diào)整反映出來的，參數(shù)保存了圖元作為數(shù)字化建筑構(gòu)件的所有信息。常用的參數(shù)化設(shè)計(jì) CAD 軟件中，主流的應(yīng)用軟件有 Pro/Engineer、UGNX、CATIA 和 Solidworks 四大軟件，四大軟件各有特點(diǎn)并在不同的領(lǐng)域分別占據(jù)一定的市場份額。本次設(shè)計(jì)就是使用 CATIA 進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。 5 本文開展的工作 (1)用 CATIA 建立所選制動鼓的三維參數(shù)模型； (2)用 VB 等工具對 CATIA 進(jìn)行二次開發(fā)，創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)界面； (3)對有限元模型進(jìn)行求解，分析其應(yīng)力、變形分布，優(yōu)化設(shè)計(jì)制動器結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，減小摩擦片的不均勻磨損現(xiàn)象。 參考文獻(xiàn) [1] Liu Hongpu, Peng Erbao, The Study of the Parameterization of the Drum Brake Design Based on UG, Energy Procedia, Volume 17, 2012, Pages 279-285 [2] Rehman A, Das S, Dixit G. 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