摘 要

汽车制动器总成是汽车制动系统中的重要部件，其制动性能的可靠性直接影响着汽车行驶的安全性。但现有的铸铁制制动器已很难满足日益增长的需求，特种陶瓷作为制动器领域中的新兴材料，具有很大的发展可能，因此本次研究中选用陶瓷盘式制动器来进行分析。本文通过ANSYS Workbench软件运用有限单元法对陶瓷盘式制动器总成及主要零部件进行了强度、刚度分析以及自由模态分析。具体所开展的研究内容及特点如下：

首先，介绍了当前国内外的对于汽车制动系统的研究现状以及发展趋势，阐明了本次研究的目的、意义。基于有限单元法。模态分析、非线性理论等基本理论方法，以及本次研中所用到的软件平台，应用CATIA建立了陶瓷盘式制动器的3D模型。

其次，对盘式制动器的结构进行了分析，阐明了制动器在工作过程中各个零部件之间力的传递关系。另外，本文从制动方向稳定性、制动效能、制动效能恒定性三个方面重点分析了影响汽车制动的可能因素，并通过对制动器在进行制动时的力的分析，分析了制动效能对制动器制动能力的影响原因。

最后，通过ANSYS软件对制动器总成及主要零部件进行了静力学分析，得到了应力云图和位移云图，检验了制动器是否满足工作需求，并对上述部件进行了自由模态分析，计算出其固有频率，并对结果进行了分析与讨论。

关键词：陶瓷盘式制动器；有限元法；静力学分析；自由模态分析

Abstract

Disc brake is an important part of the automotive brake system. The reliability of its braking performance will directly affect the safety of car-driving. However, the existing cast iron brake has been difficult to meet the growing demand, special ceramics as a brake in the field of emerging materials, with great potential for development, so this study selected ceramic disc brakes for analysis. In this paper, ANSYS Workbench software is used to analyze the strength, stiffness and free mode analysis of ceramic disc brake and main parts of it by finite element method.

Firstly, it introduces the research status and development trend of automobile braking system at home and abroad, and expounds the purpose and significance of this research. Based on finite element method. Modal analysis, nonlinear theory and other basic theoretical methods, as well as the software platform used in this study, the use of CATIA ceramic disc brake to establish a 3D model.

Secondly, the structure of the disc brake is analyzed, and the transmission relationship of the brake between the various parts in the working process is clarified. In addition, this paper analyzes the possible factors that influence the braking of the vehicle from three aspects: the stability of the braking direction, the braking performance and the braking performance constant. The influence of the brake on the braking force is analyzed. The Reasons for the Effect of Dynamic Effect on Brake Braking.

Finally, the ANSYS software is used to analyze the brake assembly and the main components. The stress cloud and the displacement cloud are obtained. The brakes are tested to meet the requirements, and the parts are analyzed by the free mode. Frequency, and the results were analyzed and discussed.

Key Words：ceramic disc brakes; finite element method; static analysis; free modal analys

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外汽车制动系统发展概况 1

1.2.1国外汽车制动系统发展简述 1

1.2.2国内汽车制动系统发展概况 2

1.3 汽车制动的新技术 3

1.3.1制动防抱死系统（ABS） 3

1.3.2驱动防滑控制系统（ASR） 4

1.3.3汽车稳定性控制系统（ESP） 5

1.4 研究内容和研发方法 5

第2章基本理论方法及平台概述 7

2.1 有限元法简介 7

2.1.1有限元法的基本思想和发展历程 7

2.1.2有限元法的基本假设和方程 8

2.1.3有限元法的分析步骤 10

2.1.4有限元法的网格划分 10

2.2 非线性理论 11

2.3 相关软件简介 12

2.3.1CATIA 12

2.3.1Hypermesh 13

2.3.2Ansys 13

2.4 本章小结 13

第3章盘式制动器简介 15

3.1 浮钳盘式制动器分析 15

3.1.1.制动器结构简介 15

3.1.2.浮钳式盘式制动器的优缺点 16

3.2 陶瓷盘式制动器简介 17

3.3 制动性能的评价指标 18

3.4 影响制动性能的因素 18

3.4.1制动效能 18

3.4.2制动效能恒定性 24

3.4.3制动时汽车的方向稳定性 25

3.5 本章小结 25

第4章盘式制动器总成及主要零件的静力学分析 27

4.1 静力学方程 27

4.2 有限元模型的建立 27

4.2.1几何模型的建立 27

4.2.2单元选择 30

4.2.3网格的划分 31

4.2.4相关参数准备 31

4.3 计算结果分析 32

4.4 本章小结 40

第5章制动器总成及各部件的自由模态分析 41

5.1 模态分析基础理论 41

5.1.1模态分析概述 41

5.1.2模态分析的技术和应用 42

5.1.3国内外模态分析的研究背景介绍 43

5.1.4模态分析的功用及优缺点简介 43

5.1.5模态分析在制动器领域的应用 44

5.1.6有限元模态分析的步骤 45

5.1.7分析方法介绍 45

5.2 结果分析 46

5.3 本章小结 62

第6章结论与展望 63

6.1 主要结论 63

6.2 研究限制与展望 63

参考文献 64

致谢 66

1. 绪论
   1. 研究背景与意义

汽车在带给人们便利生活的同时，随之而来的是不容忽视的交通安全问题。作为人口大国，又是在人口相对集中的条件下，交通事故发生数一直处于世界前列。来自生命的威胁除了提醒人们谨慎驾驶之外，也让人们在购车时除了经济性、动力性等性能之外，更加重视汽车的安全性。

因此，对于制动器的静力学分析及模态分析是十分重要的。

表1 中国交通事故统计表

而安全性中又以制动性最为重要。汽车制动性是指汽车行驶时能在短时间内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。据统计，制动失效导致了上述事故中的绝大部分。汽车的车速再高、行驶再快，也要以能快速可靠地减速停车为前提，只有具有可靠的制动效能，才能在行人、车辆、障碍物较多的情况下，安全可靠地行驶，避免人财两空。

• 1. 国内外汽车制动系统发展概况

1. 国外汽车制动系统发展简述

19世纪末，制动器在汽车制造中出现。接下来的一个世纪中，制动系统发生了天翻地覆的变化。最开始，人们对制动方面的知识认知不够，研究不够深入，所以那时的汽车制动器一般都是采用机械操作。比如，由Louis Renault发明的内闸瓦式制动器；由Wilhelm Maybach发明的外带式制动器等。

到了二十世纪初期，由液压系统来操纵的汽车制动器逐渐进入大众视野，这是一种通过把脚对制动踏板的压力把介质（液体）从制动缸中挤出，经过软管和道路进入制动轮缸。这种基本构造仍旧活跃于汽车制动器的舞台上。