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基于变异系数的盘式制动器结构优化设计

作　者: 周俊波
导　师: 刘佐民
学　校: 武汉理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 变异系数盘式制动器结构优化温度场模态分析
分类号: U463.512
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

盘式制动器在制动过程中,接触压力的不均匀可导致其温度和磨损的不均匀,从而降低了制动块的使用寿命。但以往的结构设计难以描述结构与功能之间的相互关系。因此,定量地描述制动过程中接触压力的不均匀性对改善制动块寿命和制动过程稳定性具有重要的意义。为了定量地描述制动压力的不均匀性并将其与制动块结构参数间相耦合,本文引入变异系数,来量化接触压力的不均匀性,并建立了变异系数随制动块结构参数变化的数学模型,采用控制变量法来探讨变异系数随制动块结构参数的变化规律,优化制动块结构,使其在制动过程中具有均匀应力分布,延长制动块使用寿命。研究表明,变异系数受摩擦片径向长度、轴向宽度、厚度和制动背板厚度的影响明显,即变异系数随着摩擦片径向长度的增加、轴向宽度的减少、厚度的增加、制动背板厚度的增加而降低;随后探讨了摩擦片与制动背板厚度合理分配的规律,研究发现增加制动背板厚度比增加制动块厚度更能有效地改善接触压力的不均匀程度。在此基础上,以降低变异系数值为目标对制动块进行结构优化设计,可大幅度地降低其接触压力的不均匀性。结果表明,优化后,接触压力的变异系数从39.32%降低到24.04%,制动块的制动不均匀性降幅达38.86%,同时增加平均接触压力和接触面积,提高了制动块的制动效能。论文进一步研究了优化前后的制动块温度场的不均匀性。结果显示,优化后,接触界面温度的变异系数值从43.61%降低到28.11%,减少幅度达35.54%,改善了温度场的不均匀程度;同时降低了最高温度,而且优化后温度增长速率缓慢,缓和了升温过程。文章最后对优化后的制动器各零部件进行模态分析。结果表明:制动块在结构优化后不仅错开了其他零件的固有频率,有效的避免了模型发生共振;而且避免了2100Hz这一尖叫频率,降低了高频尖叫。通过制动器的台架试验结果表明,改进后降低了制动振动。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-15
  1.1 论文研究背景  10
  1.2 国内外研究现状及存在的问题  10-13
    1.2.1 制动器发展现状  10-11
    1.2.2 盘式制动器接触压力研究现状及存在的不足  11-12
    1.2.3 变异系数的工程运用  12-13
  1.3 本课题研究内容及意义  13-14
  1.4 项目来源  14
  1.5 本章小结  14-15
第二章制动器变异系数优化设计理论基础  15-21
  2.1 制动器的工作原理  15-17
    2.1.1 制动器分类  15-16
    2.1.2 浮钳盘式制动器的工作原理  16-17
  2.2 变异系数的计算原理  17-18
  2.3 数学模型的建立  18-20
  2.4 本章小结  20-21
第三章制动器参数化有限元模型的建立  21-29
  3.1 参数化有限元  21-24
    3.1.1 有限元简介  21-22
    3.1.2 参数化有限元步骤  22-24
  3.2 制动器的有限元模型  24-26
    3.2.1 模型的简化  24-25
    3.2.2 确定设计参数  25-26
  3.3 建立命令流文件  26-28
    3.3.1 参数定义  26
    3.3.2 建立有限元模型  26-27
    3.3.3 加载求解  27
    3.3.4 后处理  27-28
  3.4 本章小结  28-29
第四章基于变异系数的制动器结构优化  29-38
  4.1 变异系数随各个制动块结构参数的影响  29-33
    4.1.1 倒角参数的影响  29-30
    4.1.2 厚度参数的影响  30-31
    4.1.3 摩擦片径向长度的影响  31-32
    4.1.4 摩擦片轴向宽度的影响  32
    4.1.5 摩擦片的偏角的影响  32-33
    4.1.6 摩擦片内外半径的影响  33
  4.2 变异系数随摩擦片结构参数的综合影响  33-36
    4.2.1 各参数对变异系数的影响程度  33-34
    4.2.2 厚度合理分配规律  34-36
  4.3 结构优化及对照分析  36-37
  4.4 本章小结  37-38
第五章结构优化后的温度场研究  38-45
  5.1 温度场有限元模型  38-42
    5.1.1 制动器摩擦副热流研究  38-39
    5.1.2 有限元模型的假设条件  39-40
    5.1.3 边界条件的确定  40-42
    5.1.4 有限元模型建立  42
  5.2 结果分析及讨论  42-44
    5.2.1 优化前后接触界面间的温度场分布  42-43
    5.2.2 制动过程温度场变化  43-44
  5.3 本章小结  44-45
第六章结构优化后的模态分析  45-53
  6.1 模态分析的基本步骤  45-48
    6.1.1 建模及网格划分  45-47
    6.1.2 加载及求解  47-48
    6.1.3 扩展模态、观察结果  48
  6.2 仿真结果及分析  48-49
  6.3 台架试验验证  49-52
    6.3.1 制动器试验台架的结构和工作原理  49-51
    6.3.2 实验结果及分析  51-52
  6.4 本章小结  52-53
第七章总结与展望  53-55
  7.1 本文总结  53-54
  7.2 建议和展望  54-55
参考文献  55-58
致谢  58-59
附录  59

基于变异系数的盘式制动器结构优化设计

内容摘要

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