盘式制动器仿真分析

《制动器的动力学仿真》
专业：机械设计制造
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2015年1月12日
目录
第一章、概述 (1)
1.1 制动器的分类 (1)
1.2 国外针对盘式制动器的研究 (2)
1.2.1 国外研究现状 (2)
1.2.2 国研究现状 (2)
第二章基于ADAMS 建模的理论基础 (3)
2.1 系统动力学 (3)
第三章动力学仿真 (4)
3.1 刚柔体混合动力学模型 (4)
3.2 改变弹簧弹性系数的仿真分析 (7)
3.3 结果分析 (11)
第一章、概述
1.1 制动器的分类
制动器即为刹车，通常称之为刹车、闸，它能使机械系统中的执行构件运动运动或减速慢行。

其重要装置主要有传动装置、制动构件和操纵装置以及动力能源装置等。

并且某些制动器存在有自隙调整机构。

制动器可分为行车制动器和驻车制动器，即分别为脚刹和手刹，其中脚刹一般都用于行车过程中，但如果制动失效时，我们需要使用手刹。

但车在停稳时，需使用手刹的方式以防止车向前滑行或者向后滑动。

制动器的分类方法还有很多：
例如制动器按接触方式能够被分成非摩擦式与摩擦式这两大类。

其中，前者按结构形式分类，主要可以分成磁涡流式制动器（利用励磁电流的改变来使制动力矩大小得以改变）、磁粉式制动器（磁化磁粉产生的剪力进行制动）与水涡流式制动器等[3]；还能够根据制动件的结构的组成形式进行分类，又能够把它分为外抱块式制动器、蹄式制动器、带式制动器、盘式制动器（碟刹）等；按制动件的工作状态一般可以分为常处于闭合制动器（只有施加外力才能把使制动不工作，正常为紧闸状态）和常处于开状态的制动器（只有在受到外力时才可会正常工作即具有制动作用，正常为松闸状态）；按操纵的形式进行分类时，又可以分为人力、液压、气压和电磁力操纵的制动器；按制动系统的作用进行分类，又可以把它分为驻车与行车这两种类型的制动系统以及应急、辅助类型的制动系统等。

而当前各辆的汽车上都一定备置脚刹同手刹；按制动操纵的能源装置进行分
类，可以把它分为人力、动力和伺服类型等；按制动能量的传输方式分类，可以分为机械式、液压式、气压式、电磁式及组合式（同时含量中已上两种供能方式）等。

1.2国外针对盘式制动器的研究
1.2.1国外研究现状
国外研究员Peter Filip等人针对汽车制动材料的磨损性能进行研究，收集制动材料的磨损碎片，再使用许多分析技术相结合方法,进行制动测力计实验和球磨尺寸相同的半金属摩擦片实验，实验结果表明测力计磨屑和球磨样品之间的差异是很明显的。

同时不同的研究小组对汽车磨损微粒矛盾的研究结果进行了讨论和分析，从而对它们的测试技术进行了进一步的改进。

美国克诺尔公司重点针对商用车研发了KB盘式制动器，该公司所生产的制动器的特点是摩擦系数衰减缓慢，在正常或者高温情况下制动力比较大，制动性能良好。

同时该公司研发的盘式制动器的制动距离相对较小，车辆可以在安全距离停止运动，并且其重量轻，使用寿命长等优点使其目前广泛应用于汽车行业[4]。

并且该公司对盘式制动器的自隙调整机构也有很大程度上的研究。

1.2.2 国研究现状
科技大学及工业大学的相关研究人员先用相应的有限元软件生成对应柔性体零件，然后在软件ADAMS中对制动器施加力、约束与制动盘和制动块（摩擦片）间的滑动接触，建立盘其柔性体模型，并进而得出摩擦片阻尼的增加抑制制动盘振动的结论。

理工大学的研究生针对制动器的振动噪声等相关问题进行了具体的研究分析,并对制约因素进行了分类，得出的一些专业性的结论。

由于盘式制动器在制动时力的作用很复杂，我们在对其进行仿真分析时不可避免会把它受力的复杂环境进行简化，进而会与实际情况相差过大，因此所得出的研究性结论对于实际设计与制造没有比较准确现实的意义。

同时由于制动器在应用中不可避免的会存在磨损现象，这个因素对于仿真分析亦具有重要的影响。

因此，在对盘式制动器柔性体进行仿真分析时要对制动过程做一个全面的分析。

第二章基于ADAMS 建模的理论基础虚拟样机技术(Virtual Prototype Technology)为人们所研究是于九十年代初开始的，发展到目前，美国的机械动力公司(Mechanical Dynamics Inc，MDI)，及德航天局的SIMPACK等均是影响力比较大的ADAMS，以及其它还有IDEAS、ABAQUS等软件。

虚拟样机这种方法当前在国外已经普遍应用到航空航天、国防业及汽车行业等各个领域。

然而国对于虚拟样机的概念以及相应结构的研究才刚刚开始，并且主要地集中在一些大学和科研院所。

2.1 系统动力学
在谈及多体动力学系统时，按物体的力学特性分类能够把它分为柔性体、刚性体及刚-柔耦合系统这三种形式。

对于刚性体系统来说，其在机械行业与航天领域有两种不同的数学模型，通常称它们为笛卡尔法与拉格朗日法；后来以笛卡尔法作为基础形成了完全笛卡尔方法。

而在机械行业所完备的笛卡尔法是一种绝对坐标法，该方法的原理是以系统中每一个研究对象为单元，创建同刚性体固结在一起的坐标系，再相对一公共参考基来定义刚性体位置，其广义坐标通常可用欧拉参数或者是欧拉角表示方位坐标。

由N个刚性体共同构成的系统，其坐标数3N（二维）或6N（三维），因为关键节点约束的存在，所以位置坐标是不独立的，可以说该坐标与其他的位置坐标相关。

第三章动力学仿真
3.1 刚柔体混合动力学模型
由于之前所建立的SolidWorks模型中包含有较多的零部件，将这些零部件中可以看成刚体的所有零件导入到ADAMS中不现实，因为这样做会增加计算机的负荷，是计算过程复杂、结果难以得出。

因此需要对动力学模型进行简化，最终该盘式制动器的简化模型中包含有制动盘、两个制动块（含摩擦片）、制动钳支架、连杆装置及连接架等零部件，具体如图4-5所示。

图4-10 盘式制动器的动力学简化模型
在对盘式制动器作对应的仿真模拟分析时，通过改变摩擦系数、复位弹簧的弹性系数来分析研究盘式制动器的制动力矩、弹簧力、制动盘的角速度、制动力的变化情况。

首先分析比较制动块与制动盘间接触的摩擦系数的改变对本文所研究的盘式制动器的制动力矩以及弹簧力及其他因素的影响。

首先设置盘式制动器的制动块与制动盘之间的动摩擦系数为0.1，静摩擦系数为0.3，参数设置图框一如图5-2所示；之后再将静摩擦系数改变为0.2，而动摩擦系数保持不变，参数设置图框二如图5-3所示。

图5-2 参数设置方框一图5-3 参数设置方框二对应图5-2及图5-3中的参数对盘式制动器进行仿真分析，得出制动力矩、制动力、制动盘的角加速度以及弹簧力的曲线图。

在图5-4的上图为盘式制动器的制动力矩在参数设置方框一时对应的曲线图，下图为参数设置方框二时所对应的曲线图，单位：N.m，如图5-4所示。

图5-4 摩擦系数改变对应制动力矩变化曲线
在图5-5的上图为盘式制动器的制动力在参数设置方框一时对应的曲线图，下图为参数设置方框二时所对应的曲线图，单位：N，如图5-5所示。

图5-5 摩擦系数改变对应制动力变化曲线
3.2 改变弹簧弹性系数的仿真分析
分析比较弹簧弹力的变化对本文所研究的盘式制动器的制动力矩以及弹簧力及其他因素的影响。

改变弹簧弹力（亦对应弹簧弹性系数），盘式制动器的弹簧弹力的参数设置图框三如图5-8所示；之后再次改变弹簧弹力，对应的参数设置图框四如图5-9所示。

图5-8 参数设置图框三图5-9 参数设置方框四对应图5-8及图5-9中的参数对盘式制动器进行仿真分析，得出制动力矩、制动力、制动盘的角加速度以及弹簧力的曲线图。

在图5-10的上图为盘式制动器的制动力矩在参数设置方框三时对应的曲线图，下图为参数设置方框四时所对应的曲线图，如图5-10所示。

图5-10 弹簧弹力改变对应的制动力矩变化曲线在图5-11的上图为盘式制动器的制动力在参数设置方框三时对应的曲线图，下图为参数设置方框四时所对应的曲线图，如图5-11所示。

图5-11 弹簧弹力改变对应的制动力变化曲线
在图5-12的上图为盘式制动器的制动盘的角加速度在参数设置方框三时对应的曲线图，下图为参数设置方框四时所对应的曲线图，如图5-12所示。

图5-12 弹簧弹力改变对应的制动盘的角加速度变化曲线在图5-13的上图为盘式制动器的制动盘的角加速度在参数设置方框三时对应的曲线图，下图为参数设置方框四时所对应的曲线图，如图5-13所示。

图5-13 弹簧弹力改变对应的弹簧力变化曲线
由图5-10、5-11、5-12、5-13中两对曲线的对比，通过分析可以得出一些结论。

（1）由图5-10可以看出：当车辆制动一段时间后，制动力矩在一数值平稳波动；当增大弹簧弹力时，盘式制动器的制动力矩的基本不变，但制动力矩变化的周期明显增大。

（2）由图5-11可以看出：在一定条件下，盘式制动器的制动力在一定围波动；由左右两图比较知当弹簧弹力增大时，盘式制动器的制动力明显增大，并且其稳定性明显增加。

（3）由图5-12可以看出：当制动一定时间后，盘式制动器的制动盘的角加速度变化比较平稳；由左右两图比较可知弹簧弹力一定程度的变化对制动盘的角加速度影响很小，同时增大弹簧弹力使得制动盘的角速度的稳定性增加。

（4）由图5-13可以看出：当制动一定时间后，盘式制动器的弹簧力在一定
值稳定变化；当弹簧弹力增大时，弹簧力明显增大。

3.3 结果分析
本章主要研究的是盘式制动器在ADAMS中的模拟仿真，将以上的仿真分析结果进行汇总，并将相应的理论值、实验值、仿真值进行对比得出相应的结论。

由于汽车在制动时主要是因为制动力矩的作用使其停车，而因为制动盘与制动块接触间的摩擦系数直接影响到制动力，进而制约了制动力矩的大小，故在此主要比较的是盘式制动器的制动力矩与制动力的大小随摩擦系数的改变情况。

盘式制动器的制动力矩随摩擦系数变化的关系如表5-1所示：
表5-1 制动力矩
盘式制动器的制动力随摩擦系数的变化关系如表5-2所示：
表5-2制动力
对盘式制动器的制动力矩、制动力随摩擦系数相应的仿真曲线进行统计分析，可以得到相应的曲线变化趋势图，制动力矩、制动力的变化分别如图5-14、5-15所示。

图5-14 制动力矩变化曲线
图5-15 制动力变化曲线
由图5-14、5-15可知制动力矩、制动力随摩擦系数的变化从理论、实验、仿真的角度来看其趋势都是类同的，均呈上升趋势。

由表5-1、表5-2可知：当盘式制动器的制动盘与制动块接触面间的摩擦系数增大时，对应的制动力矩、制动力均在一定程度上有所增大，这个结论也与实验和理论相符合并得到了验证。

但从表格中可以看出理论值、实验值以及仿真结
果之间存在一定的偏差，经分析研究可能由于以下原因造成的。

1.实际上在汽车制动时由于存在磨损现象导致制动盘与制动块接触面间的摩擦系数减小进而导致制动力矩、制动力的减小，因此实验值低于理论值。

另外，由于在仿真分析时对模型进行了一定程度的简化，可能由于某些条件的简化导致仿真结果比理论值偏大。

2.另外，在仿真分析时由于忽略了热衰退的现象（即汽车在制动过程中由于温度的升高使得摩擦系数降低）导致了仿真结果与实验值存在一定的偏差。

3.本文研究的是气压式盘式制动器，由于在实验时气压只达到0.6MPa低于理论上的0.8MPa，因此导致了仿真结果与是实验值的偏差。