摘 要

制动器是汽车制动系统中关键的部件之一，对汽车行驶安全性有决定性的作用。然而，现有的传统设计手法在面对设计需求多样化的趋势时，逐渐表现出它的不足，如开发周期长、工作量大、重复劳动等。为此，本文以丰田雷凌车型为研究原型，对其制动器进行参数化设计和有限元分析。首先，根据相关汽车设计理论，对制动器主要零部件进行设计计算，借助CATIA软件，对其进行参数化建模。其次，利用ANSYS有限元软件，对制动盘制动过程中的温度场进行分析。结果表明，参数化设计可以快速，有效地调整制动器模型的尺寸，完成对不同需求的模型的匹配设计。制动盘在制动工况下，其最高、出现在盘体边缘处，最低温度出现在礼帽圆柱部分，且热应力对其性能影响较大。

关键词：制动器；参数化建模；有限元；CATIA；ANSYS；热力学

Abstract

Brake is one of the key components in the car brake system, and has a decisive effect on the safety of the vehicle. However, the existing traditional design techniques in the face of diversified design needs of the trend, gradually showing its shortcomings, such as the development cycle is long, heavy workload, duplication of labor. To this end, this paper to Toyota Raleigh model for the prototype, its brake parametric design and finite element analysis. First of all, according to the relevant car design theory, the main components of the brake design and calculation, with CATIA software, its parametric modeling. Secondly, using ANSYS finite element software, the temperature field during braking process is analyzed. The results show that the parametric design can adjust the size of the brake model quickly and effectively, and complete the matching design of the different requirements. Brake disc in the braking conditions, the highest, appears in the edge of the plate, the minimum temperature appears in the hat part of the cylinder, and thermal stress on its performance impact.

Key Words: disk brake; parametric modeling; CATIA；ANSYS Workbench；Thermodynamics

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 主要研究设计内容 2

1.1.3技术方案及措施 2

第2章 盘式制动器的概述 3

2.1汽车制动器的概述 3

2.2盘式制动器的特点 3

2.3盘式制动器的结构和工作原理 4

2.4制动器设计原则 7

2.4.1制动效能 7

2.4.2制动效能的稳定性 7

2.4.3噪声与振动 8

2.4.4制动器间隙调整的简便性 9

第3章 盘式制动器的设计与计算 10

3.1基本设计参数 10

3.1.1车身尺寸参数 10

3.1.2汽车质量参数 10

3.1.3汽车性能参数 11

3.2盘式制动器主要零件的设计 11

3.2.1制动盘的设计与计算 11

3.2.2制动钳的设计 15

3.2.3制动块的设计 15

3.2.4活塞的设计 17

3.2.5密封圈的设计 17

3.2.6间隙调整装置的设计 17

3.3制动力分配系数的计算 19

3.4同步附着系数和制动器制动力矩的计算 20

第4章 基于CATIA的参数化建模 24

4.1传统的CAD设计建模 24

4.2参数化设计的概述 24

4.3参数化设计的主要步骤 25

4.4 CATIA软件简介 25

4.5 CATIA的参数化建模 26

4.5.1 CATIA参数化建模的方法 27

4.5.2参数化建模文件的相互关系 28

4.6盘式制动器零部件的参数化建模 29

4.6.1制动盘的参数化建模 29

4.6.2防尘罩的参数化建模 33

第5章 基于ANSYS Workbench的制动盘有限元分析 35

5.1有限元分析原理的概述 35

5.2 ANSYS Workbench软件 35

5.3 ANSYS Workbench分析 35

第6章 总结 41

致谢 42

参考文献 43

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

经过百余年的汽车工业发展，现在汽车已经是人类社会中不可缺少的组成部分。安全性能是汽车重要的评价指标之一，其包含了主动与被动安全。主动安全与汽车制动性能关系密切，交通事故的起因多数与制动距离过长、紧急制动失控等有关，所以制动性能直接影响汽车安全^[1]。

制动过程是一个极其复杂的汽车-路面相互作用的系统过程。如今汽车的道路行驶环境复杂多变，消费者对于汽车的性能要求多种多样。这促使了市场上车型产品的多样性。因此，制动器设计需要满足的要求也越来越多样化。制动器是制动系统实现制动功能的关键部分，制动器的设计是制动系统设计的主要工作内容^[2]。

作为设计人员，应该对不同性能要求的制动器进行严格的分析研究，从而进行针对性设计，以确保安全可靠性。但是传统的开发模式需要大量的计算、试验以及多次改进；单独建模与分析研究过程较为繁琐，工作量大，耗费时间，开发周期长，而且大部分工作环节为重复劳动过程。这样的流程逐渐与现代汽车产业的高速发展相矛盾。在这样的背景下，人们需要一种能够同时解决重复建模与分析过程的设计手段，以此提高设计研发的工作效率，降低企业的运作成本。在计算机技术飞速发展、各领域应用相对成熟的今天，它为我们提供了数字化的全新设计手段，能有效地缩短产品开发周期，提高效率^[2]。

实现制动器的参数化建模及分析，正是利用信息技术对传统设计方法的一大改进。汽车制动系统结构复杂，零部件数目较多，不同的车型对于制动系统的要求也不同，所涉及的设计方法也不一样。参数化设计是通过建立制动器总成的参数化模型，基于某款具体车型的技术参数要求，实现对不同性能要求的汽车盘式制动器进行建模，大幅度缩短制动器设计流程。因此盘式制动器的参数化建模及分析，可以对产品设计进行及时调整与改进、降低成本及开发费用^[3]。

1.1.2 主要研究设计内容

（1）以某乘用车为研究对象，依据车型的结构和参数，综合利用现代汽车设计理论和技术，了解制动器设计的主要内容，确定制动器设计的总体方案；