汽车盘式制动器优化设计2

#设计与计算#
汽车盘式制动器优化设计
沈荣华 邹定平 黎桂英
(广东石化专科学校 茂名 525000)
摘 要 以制动时间最短、制动温升最低为目标函数,应用复合型优化方法,对汽车盘式制动器进行了优化设计计算。

为实际生产和设计提供
了理论指导。

关键词 盘式制动器 优化设计 目标函数中图分类号 U 27012
汽车盘式制动器常规设计是保证制动盘有足够的强度和刚度,并验证制动块磨损量,据此选择各结构参数。

其缺陷是对热负荷的考虑仅凭经验,而缺乏理论指导。

因此,在盘式制动器表面温升定量计算的基础上进行优化设计
112
是很有实际意义的。

1 数学模型的建立
为分析问题的方便,作以下假设:(1)制动盘为实心盘;
(2)制动钳浮动,以消除盘上的弯曲应力;(3)制动块为矩形;
(4)吸收的摩擦热均匀分布在整个制动器上。

111 设计变量
盘式制动器的结构设计见图1所示,包括以下3项主要内容
:
图1 卡钳与制动盘的结构关系
(1)制动盘尺寸参数:直径D 、厚度h ;
(2)制动块尺寸参数:表面尺寸为I @b 、厚度为h p ;
(3)制动块相对于制动盘的尺寸参数:制动块作用半径R 1。

制动块厚度h p 的确定是一个比较复杂的专项课题,在此不作深入分析。

从设计制动器的一般要求出发,为保证制动器有足够的输出力矩,足够的热容量和散热面积,取D 、h 、I @b 、R 1这5个主要结构参数作为设计变量。

112 目标函数
制动时间对保证汽车安全行驶非常重要。

此外,制动摩擦副表面温升直接影响制动器寿命,故取这两者为最优化目标。

考虑到这2项指标在重要程度方面的差异,引入加权因子,将它们组合到总的目标函数中:
f (x )=w 1t z +w 2T
式中:w 1为制动时间t z 的加权因子,取w 1=1;
w 2为制动摩擦副表面温升T 的加权因子,取w 2=0.5。

t z =2G #v 0#R/(n #L #P #D 22#p L #R 1+ 2L r #G #g #R )(1)T =C 1#t z (6t z -10C z #t 2z +
4C 3#t 3z )
1/2(2)
C 1=1/(48K p #R #I #b )#A 1/2#L #
P #D 2
2#p L #R 1(1-C 0)C 2=(L #P #D 22#p L #R 1)/(G #R #v 0)
式中:t z 为制动时间(s),G 为车质量(kg ),v 0为制动前车速(m/s),R 为车轮半径(m),R 1为衬片作用半径(m),n 为制动器个数,L 为衬片摩擦系数,L r 为车轮滚动摩擦系数,K p 为衬片导热系数1W/(m #K)2,A
为热扩散率(m 2
/s),C 0为热流分配系数,D 2为制动油缸直径(m),p L 为制动器管路油压(Pa),T 为制动
#
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5机械研究与应用6
MECHANICAL RESE ARC H &APPLICATION
Vol 12No.1 1999
温升(e )。

113 约束条件112
11311 性能约束
(1)制动盘不应出现热裂纹,流入制动盘的热流密度:
q R =0.25(1-s)#G #v 0#a/(2@778A R )@
0.2930[17@105(W/m 2)
(3)
式中:s 为滑移率(s =1.0),a 为制动减速度(m/s 2),A R 为制动盘摩擦环表面积(m 2
),(A R =2P #R 1#b)。

(2)制动器不应出现严重的热衰退,衬片吸收的热流密度:
q p =1.41@0.25@(1-s)#G #v 0#a/(2@778I #b )@0.2930[1.3@105
(W/m 2
)(4)
(3)衬片不应过度磨损,应满足:
p 1#L [2.40(MPa) (5)p 1[[p 1]=7.00(MPa)
(6)式中:p 1为衬片比压(Pa)1p 1=0.
25P #D 2
2p L /
(I #b)2。

(4)制动盘一次制动的体积温升:
$T =2#G #v 20/(n #Q #A #P #D 2
#h #C )
[[$T]=150(e )
(7)
式中:Q 为制动盘密度,A 为热功当量,C 为制动盘比热。

(5)制动时车不应打滑,制动力矩应小于附着力矩: n #2#L #I #b #R 1[U #G #g #R (8)
式中:U 为附着系数(U =0.6)。

11312 几何约束
(1)D [[D]=0.305(9)(2)h [[h]=0.015
(10)(3)衬片安装位置不应超出制动盘范围:
R 1+b /2[D/2
(11) (4)衬片不应与轮毂干涉:
D g /2+b /2[R 1(12)
114 数学模型
综上所述,盘式制动器优化设计的数学模型为:设计变量:X =(x 1x 2x 3x 4x 5)T
=(DIbhR 1)T
目标函数:f (x )=f 1(x )+0.5f 2(x )式中:f 1(x )=2G #v 0#R /(n #L #P #D 22#p L #x 5+
2L r #G #g #R )f 2(x )=C 1(x )#t #[6t -10C 2(x )#t 2
+4C 3(x )#t 3]1/2
C 1(x )=1/(48K p #R #x 2#x 3)#A
1/2
#L #P #D 22#P L #x 5
(1-r 0)
C 2(x )=L #P #
D 2#p L #x 5/(G #v 0#R )C 3(x )=C 2
2(x )
约束条件:
g 1(x )=6.7465@10-6G #v 0#a -17@105x 3#x 5[0g 2(x )=5.9739@10-5G #v 0#a -1.3@105x 3#x 5[0g 3(x )=0.25P #D 22#p L -70x 2#x 3[0g 4(x )=0.25P #D 22#p L #L #24x 2#x 3[0g 5(x )=2G #v 20/(150n #Q #A #P #C)-x 21#x 4[0g 6(x )=015P #D 22#p L #n #x 5-0.6G #g #R [0
g 7(x )=x 1-0.305[0 g 8(x )=x 4-0.015[0g 9(x )=2x 5+x 3-x 1[0 g 10(x )=D g -x 3-2x 5[0
2 复合型优化法的程序编制
应用复合型优化法122对国产红旗CA774型小轿车的制动器(型号QY-P)
112
进行优化设计。

211 变量名表
N 为变量个数(N =5),K 为复合型顶点数(K =7),KG 为约束条件数(KG =10),E 为终止迭代精度(E )(E =015),DL 为映射系数(D )最小许用值(DL =011),ALO 为初始映射系数(a 0)(ALO =113),A (I )、B(I )为存放各设计变量上、下限许用值。

212 主程序框图(图
2)
图2 主程序框图
3 优化结果及其分析
311 优化结果(表1)
表1 国产红旗CA 774型小轿车盘式制动器优化设计结果v 0(m/s)p L (kPa)d
(mm)h
(mm)l
(mm)b
(mm)R 1
(mm)t z
(s)T (e )25
710294107646118 3.8314510294107447118 4.525815710294107447118 2.3148510294107546118 2.712020
610
295
10
75
47
119
3.3
206
从表1可以看出,不论汽车在什么条件制动,优
#
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MECHANICAL RESE ARC H &APPLIC ATION
第12卷第1期
化设计出的制动器尺寸大致不变,故取下列值作为优化设计综合结果:D=295mm,h=10mm,I=75m m, b=47mm,R1=119m m。

312优化前后结果对比分析(表2、表3)
表2优化前后QY-P型盘式制动器结构参数的对比
D(mm)H(m m)A p(mm2)R1(mm)优化前2951229.76124
优化后2951035.52119
注:A
p
=I@b(衬片表面积)
结果表明,现有盘式制动器除衬片面积略小了点外,其余基本上接近最优值。

按最优值设计的制动器,其制动性能在不同制动情况下都有改善,高速下制动尤为明显。

表3优化前后QY-P型盘式制动器性能参数的对比
制动初速
v0(m/s)
制动油压
p L(kPa)
制动时间t z(s)制动温升T(e)
ÑÒÑÒ25
710
510
3.9
418
3.8
418
358
303
314
258 20610 3.4 3.3258206
15
710
510
2.4
219
2.3
217
151
144
148
120注:上表中Ñ栏为优化前数据,Ò栏为优化后结果。

参考文献
1邹定平,黎桂英1利用计算机模拟热现象的汽车盘式制动器最优化设计方法研究:[学位论文]1广州:华南理工大学,1990.3~6
2刘惟信1机械优化设计1北京:清华大学出版社,198617~11 (收稿日期:1998-02-23)
#产品信息#
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额定电流:100~630A;
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不通电操作次数:5000次。

研制生产单位:甘肃天水二一三机床电器厂
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MECHANICAL RESE ARC H&APPLICATION
Vol12
No.11999。