鼓式制動(dòng)器制動(dòng)鼓參數(shù)化設(shè)計(jì)研究含CAITA三維及3張CAD圖
鼓式制動(dòng)器制動(dòng)鼓參數(shù)化設(shè)計(jì)研究含CAITA三維及3張CAD圖,制動(dòng)器,制動(dòng),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(jià)值
鼓式制動(dòng)器是汽車的主要制動(dòng)器品種之一,制動(dòng)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(duì)制動(dòng)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(dòng)器專用設(shè)計(jì)平臺(tái)。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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)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(duì)鼓式制動(dòng)器進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì),應(yīng)用 UG 軟件對(duì)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(duì)制動(dòng)鼓組件的典型特點(diǎn)和各個(gè)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(dòng)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(dòng)鼓的輪廓下的應(yīng)力分布,確保制動(dòng)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(dòng)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(dòng)器系統(tǒng)的制動(dòng)過程,并通過 ADAMS 動(dòng)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(dòng)器的三維幾何及有限元模型。利用制動(dòng)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(dòng)力的分配方式,并考慮凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)和摩擦系數(shù)等不同方案,分析了制動(dòng)力矩在制動(dòng)過程中的變化規(guī)律,得到與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。2013 年,周吉祥等,為了使鼓式制動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析軟件 MSC.ADAMS,考慮將凸輪、制動(dòng)底 板、制動(dòng)蹄及制動(dòng)鼓視為剛性體,將摩擦片視為柔性體建立了鼓式制動(dòng)器的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力仿真模型,并基于動(dòng)力仿真的結(jié)果為鼓式制動(dòng)器的有限元熱結(jié)構(gòu)耦合分析提 供實(shí)時(shí)的凸輪促動(dòng)力,動(dòng)力仿真得到的領(lǐng)、從蹄促動(dòng)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(dòng)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。
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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(dòng)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(dòng)器各個(gè)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(gè)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(dòng)鼓的三維參數(shù)模型;
(2)用 VB 等工具對(duì) CATIA 進(jìn)行二次開發(fā),創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)界面;
(3)對(duì)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(dòng)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(dòng)器。選擇具有典型特征的制動(dòng)鼓進(jìn)行三維參數(shù)化建模工作,得出更好的制動(dòng)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(dòng)器;
(3)選擇具有典型特征的制動(dòng)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(dòng)鼓的結(jié)構(gòu)和工作原理; 第 6、7 周:確定制動(dòng)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(dòng)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(dòng)鼓的各項(xiàng)參數(shù);
第 13 周:改進(jìn)完善制動(dòng)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)
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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(dòng)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(dòng)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(dòng)器幾乎都是摩擦式的,可分為鼓式和盤式兩大類。鼓式制動(dòng)器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件為制動(dòng)鼓,其工作表面為圓柱面。鼓式制動(dòng)器根據(jù)其結(jié)構(gòu)都不同,又分為:雙向自增力蹄式制動(dòng)器、雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器、領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器、雙從蹄式制動(dòng)器。其制動(dòng)效能依次降低,最低是盤式制動(dòng)器;但制動(dòng)效能穩(wěn)定性卻是依次增高,盤式制動(dòng)器最高。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因,盤式制動(dòng)器被普遍使用。但由于為了提高其制動(dòng)效能而必須加制動(dòng)增力系統(tǒng),使其造價(jià)較高,故低端車一般還是使用前盤后鼓式。鼓式制動(dòng)器也叫塊式制動(dòng)器,是靠制動(dòng)塊在制動(dòng)輪上壓緊來實(shí)現(xiàn)剎車的。鼓式制
動(dòng)是早期設(shè)計(jì)的制動(dòng)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(dòng)器的主流是內(nèi)張式,它的制動(dòng)塊(剎車蹄)位于制動(dòng)輪內(nèi)側(cè),在剎車的時(shí)候制動(dòng)塊向外張開,摩擦制動(dòng)輪的內(nèi)側(cè),達(dá)到剎車的目的。近三十年中,鼓式制動(dòng)器在轎車領(lǐng)域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動(dòng)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(dòng)負(fù)荷比較小的后輪和駐車制動(dòng)。
鼓式制動(dòng)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(dòng)器的效能和效能穩(wěn)定性,在各式制動(dòng)器中居中游;前進(jìn)、倒退行駛的制動(dòng)效果不變;結(jié)構(gòu)簡單,成本底;便于附裝駐車制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);調(diào)整蹄片與制動(dòng)鼓之間的間隙工作容易。但領(lǐng)從蹄式制動(dòng)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(gè)輪缸,兩蹄必須在同一驅(qū)動(dòng)回路作用下工作。領(lǐng)從蹄式制動(dòng)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(duì)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(duì)鼓式制動(dòng)器進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì),應(yīng)用 UG 軟件對(duì)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(duì)制動(dòng)鼓組件的典型特點(diǎn)和各個(gè)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(dòng)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(dòng)鼓的輪廓下的應(yīng)力分布,確保制動(dòng)鼓壓力值低于允許的極限。2014 年,HJ Yuan 博士[3]針對(duì)制動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩降低,斷裂失效的制動(dòng)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(dòng)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(dòng)鼓的材料強(qiáng)度極限。
德國在制動(dòng)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(dòng)器和制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)科技研究成果以及各地區(qū)的實(shí)際需要,針對(duì)現(xiàn)代車輛制動(dòng)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(dòng)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(dòng)過程中制動(dòng)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(duì)制動(dòng)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(duì)汽車鼓式制動(dòng)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(dòng)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(dòng)器系統(tǒng)的制動(dòng)過程,并通過 ADAMS 動(dòng)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(duì)鼓式制動(dòng)器的受力分析,建立了其關(guān)鍵受力部件的力學(xué)模型?;诠氖街苿?dòng)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(dòng)器的工作狀態(tài),將制動(dòng)蹄、制動(dòng)鼓和摩擦襯片作為一個(gè)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(dòng)力矩、制動(dòng)器的應(yīng)力分布和制動(dòng)器的變形。這為鼓式制動(dòng)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(tái)建立了某鼓式制動(dòng)器的三維有限元模型。對(duì)摩擦襯片與制動(dòng)鼓之間的摩擦接觸進(jìn)行模擬,考慮了制動(dòng)鼓和摩擦襯片間的滑動(dòng),較真實(shí)的模擬了制動(dòng)的工作過程。 研究了制動(dòng)力矩在制動(dòng)過程中的變化規(guī)律,反算出制動(dòng)效能因素,得出促動(dòng)力重新分配后接觸壓強(qiáng)的分布特性及制動(dòng)器的等效應(yīng)力。為進(jìn)一步改進(jìn)制動(dòng)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(dòng)器的三維幾何及有限元模型。利用制動(dòng)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(dòng)力的分配方式,并考慮凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)和摩擦系數(shù)等不同方案,分析了制動(dòng)力矩在制動(dòng)過程中的變化規(guī)律,得到與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)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(dòng)器應(yīng)力場的有限元分析方法。在此基礎(chǔ)上得出制動(dòng)蹄與鼓之間的接觸壓強(qiáng)的分布特性及制動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)分析軟件 MSC.ADAMS,考慮將凸輪、制動(dòng)底 板、制動(dòng)蹄及制動(dòng)鼓視為剛性體,將摩擦片視為柔性體建立了鼓式制動(dòng)器的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力仿真模型,并基于動(dòng)力仿真的結(jié)果為鼓式制動(dòng)器的有限元熱結(jié)構(gòu)耦合分析提 供實(shí)時(shí)的凸輪促動(dòng)力,動(dòng)力仿真得到的領(lǐng)、從蹄促動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)速度和制動(dòng)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(dòng)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(dòng)速度與制動(dòng)壓力的增加而增加;應(yīng)變與溫度均隨制動(dòng)時(shí)間增加而增大,應(yīng)力隨制動(dòng)時(shí)間的增加趨于穩(wěn)定;應(yīng) 力波動(dòng)幅度隨制動(dòng)速度的增加而增大, 應(yīng)變處于穩(wěn)定值的時(shí)間隨制動(dòng)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(gè)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(dòng)鼓的三維參數(shù)模型;
(2)用 VB 等工具對(duì) CATIA 進(jìn)行二次開發(fā),創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)界面;
(3)對(duì)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(dòng)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。
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