1、作用在行驶汽车上的滚动阻力、坡道阻力、空气阻力、加速阻力等都与汽车的行驶方向相反，但是这些力的大小都是随机的、很难控制的。因此，汽车上必须设置一系列专门的装置，以便使驾驶员能够根据道路和交通等情况，借助以外界（主要是路面）在汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，对汽车进行一定程度的强制制动，使汽车减速或停车，这一功能就是制动系的功能，这一系列专门的装置即为制动系。另外，当汽车停下来后需要可靠的停车，这也包括在坡道上的可靠停放。使汽车能够可靠的停车也是制动系的功能之一。1.2车轮制动时的工作原理汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小的车速或直至停车。这个外力只能由地面和空气
2、提供。但由于空气阻力相对较小，所以实际上外力主要是由地面提供的，称之为地面制动力。地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离也越短，所以地面制动力对汽车制动性具有决定性影响。图1.1为车轮在良好的硬路面上制动时的受力情况。图1.1 车轮受力Tf是车轮制动器中摩擦片与制动鼓或盘相对滑转时的摩擦力矩，单位是Nm；FB是地面制动力，单位为N; W为车轮垂直载荷、TP车轴对车轮的推力、FZ为地面对车轮的法向反作用力，它们的单位均为N。显然，从力矩平衡得到 FB=Tf/r （1.1） 式中r为车轮的有效半径，m； Tf制动器制动力矩，Nm。地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力，但是制动力取决于两个摩擦副
3、的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘间的摩擦力，一个是轮胎与地面间的摩擦力附着力。在轮胎周缘为了克服制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力，以符号Fu表示。它相当于把汽车架离地面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切向方向推动车轮直至它能转动所需的力，显然 Ff=Tf/r （1.2）当驾驶员松开制动踏板时，在回位弹簧的作用下，制动蹄与制动鼓（制动钳与制动盘）的间隙又得以恢复，从而解除制动。1.3 制动系的要求汽车制动系应满足以下要求：（1）具有良好的制动效能（2）具有良好的制动效能恒定性（3）具有良好的制动方向稳定性（4）操纵轻便（5）具有良好的制动平顺性1.4 车轮制动器类型 制动器
4、是具有使运动部件（或运动机械）减速、停止或保持停止状态等功能的装置。是使机械中的运动件停止或减速的机械零件，俗称刹车闸。制动器主要由制架、制动件和操纵装置等组成。目前，广泛使用的是摩擦式制动器。摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，可分为鼓式、盘式和带式三种：鼓式制动器分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两类。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，制动时，利用制动鼓的内圆柱面与制动蹄摩擦片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩。盘式制动器的旋转元件是一个垂向安放且以两侧面为工作面的制动盘，其固定摩擦元件一般是位于制动盘两侧并带有摩擦片的制动块。当制动盘被两侧的制动块夹
5、紧时，摩擦面便产生作用于制动盘上的摩擦力矩以阻止车轮转动。鼓式制动器的带式制动器只用作中央制动器。 图1.2 鼓式制动器示意图图1.3 盘式制动器示意图1.5 盘式制动器 1.5.1盘式制动器的工作原理盘式制动器又称为碟式制动器，顾名思义是取其形状而得名。它由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。分泵固定在制动器的底板上固定不动。制动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧。分泵的活塞受油管输送来的液压作用，推动摩擦片压向制动盘发生摩擦制动，动作起来就好象用钳子钳住旋转中的盘子，迫使它停下来一样。这种制动器散热快，重量轻，构造简单，调整方
6、便。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，盘式制动比鼓式制动更容易在较短的时间内令车停下。有些盘式制动器的制动盘上还开了许多小孔，加速通风散热提高制动效率。 1.5.2盘式制动器的主要类型 （ 1 ） 固定钳式盘式制动器 固定钳式盘式制动器如下图所示，其制动钳体固定在转向节（或桥壳）上，在制动钳体上有两个液压油缸，其中各装一个活塞。当压力油液进入两个油缸活塞外腔时，推动两个活塞向内将位于制动盘两侧的制动块总成压紧到制动盘上，从而将车轮制动。当放松制动踏板使油液压力减少时，回位弹簧则将两制动块总成及活塞推离制动盘。这种结构形式又称为对置活塞式或浮动活
7、塞式固定钳式盘式制动器。固定钳式盘式制动器的制动钳刚度好，除活塞和制动块外无其他滑动件。但由于需采用两个油缸并分置制动盘的两侧，因而必须用跨越制动盘的内部油道或外部油管来连通。这就使得制动器的径向和轴向尺寸都较大，因而在车轮中，特别是车轮轮距小的微型车的前轮中的布置比较困难；需两组高精度的液压缸和活塞，成本较高；制动产生的热经制动钳体上的油路传给制动油液，易使其由于温度过高而产生气泡，影响制动效果。微型客车从结构和经济性上考虑都不适用固定钳式盘式制动器。近年来，由于汽车性能要求的提高，固定钳式固有的弱点使之不能完全适应这些要求，故不采纳固定钳式盘式制动器。图1.4 固定钳式盘式制动器 （ 2
8、） 浮动钳式盘式制动器 浮动钳式盘式制动器的制动钳体是浮动的。其浮动方式有两种，一种是制动钳体可作平行滑动，另一种的制动钳体可绕一支撑销摆动。但它们的制动油缸都是单侧的，且与油缸同侧的制动块总成为活动的，而另一侧的制动总成则固定在钳体上。制动时在油液压力作用下，活塞推动该侧活动的制动块总成压靠到制动盘，而反作用力则推动制动钳体连同固定于其上的制动块总成压向制动盘的另一侧，直到两侧的制动块总成的受力均等为止。浮动钳盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸，其结构简单，造价低廉，易于布置，结构尺寸紧凑，可将制动器近一步移近轮毂，同一组制动块可兼用于行车制动和驻车制动。由于浮动钳没有跨越制动盘的油道或油管，
9、减少了油液受热机会，单侧油缸又位于盘的内侧，受车轮遮蔽较小，使冷却条件较好。另外单侧油缸的活塞比两侧油缸的活塞要长，也增大了油缸的散热面积，因此制动油液温度比固定钳式的低30 50，汽化的可能性较小。相比于固定钳式浮动钳式可将油缸和活塞等精密件减去一半，造价大为降低。图1.5 浮钳式制动器 （ 3 ） 全盘式制动器全盘式制动器由固定摩擦圆盘和旋转圆盘组成。定圆盘通过导向平键或花键联接（见键联接、花键联接）于固定壳体内，而动圆盘用导向平键或花键装在制动轴上，并随轴一起旋转。当受到轴向力时,动、定圆盘相互压紧而制动。为增多盘数和在圆盘表面覆盖一层石棉等摩擦材料可增大制动力矩。其工作原理如摩擦离合器
10、，故又称离合器式制动器。这种制动器结构紧凑，摩擦面积大，制动力矩大，但散热条件差，结构较为复杂，造价成本高，故不予以采用。图1.6 全盘式制动器综上所述：选择方案二浮动盘式制动器最为理想。滑动钳式制动器由于它结构简单、紧凑、质量小和耐高温，它既满足了制动安全实用性也具有较低的生产成本，得到了广泛的应用，所以我考虑选用滑动钳式盘式制动器做为SUV的制动器。 1.5.3盘式制动器的优缺点 （ 1 ）盘式制动器的优点 制动盘、制动块都裸露于大气中，散热容易，制动器不容易过热，减小了制动器的热衰退现象，同时，当制动盘上有水时，在离心力的作用下，水很快被甩干，不易出现水衰退现象，故有良好的制动恒定性。
11、制动器无助势作用，因此对摩擦副摩擦力附着系数变化不敏感，制动效果稳定，另外制动器产生摩擦力矩与管路压力呈线性关系，因此，盘式车轮制动器制动平顺性好。 盘式车轮制动器制动块与制动盘间隙较小，且管路中万物残余压力，无复位弹簧，因此制动滞后时间短，有利于紧急制动。 结构简单，质量轻，便于维修，易于实现制动块与制动盘间隙自动调整。 制动盘升温后沿厚度方向的热膨胀量比鼓式制动器径向膨胀量要小得多，且制动管路中无残压，因此不会出现间隙自调过度的问题。 （2）盘式制动器的缺点 难以完全防止污沉和锈蚀（封闭的多片全盘式制动器除外） 兼作助车制动器时，所需附加的手驱动机构比较复杂 在制动驱动机构中必须装用助力器
12、 因为衬块工作面积小，所以磨损快，使用寿命低，需要高材质的衬块1.6国内外汽车盘式制动器发展状况 1.6.1国内汽车盘式制动器应用情况 盘式制动器在汽车上的应用，由于受到车轮轮毂的外形尺寸的限制，在小型车上大量使用的是液压盘式制动器，由于气压盘式制动器的制动力比液压盘式制动器的制动力大，重型汽车所需的制动压力较大，所以在重型车使用的是气压盘式制动器。随着我国汽车工业技术的发展，汽车上采用盘式制动器配置将逐渐得到广泛应用，特别是在提高整车性能、保障安全、提高乘车者的舒适性，满足人们不断提高的生活物质需求、改善生活环境等方面都发挥着很大的作用! 汽车在制动过程中由于惯性力的作用，前轮的负荷通常占汽
13、车全部负荷的70%80%，所以前轮制动力要比后轮的大。从经济与实用的角度出发，生产厂家为了节省成本，多采用了前轮盘式制动，后轮鼓式制动的混合匹配方式。同时也是因为汽车在紧急制动时，轴荷前移，对前轮制动性能的要求比较高，这类前制动器主要以液压盘式制动器为主流，采用液压油作传输介质，以液压总泵为动力源，后制动器以液压式双泵双作用缸制动蹄匹配。目前大部分轿车（如长城、吉利、上汽荣威、东风风神）、微型车（奥拓、奇瑞QQ、比亚迪F0、北斗星）、高端轻卡（东风小霸王、江淮汽车、日本五十铃、福田奥铃）、SUV及皮卡（长城哈弗、长城皮卡）等采用前盘后鼓式混合制动器。随着高速公路等级的提高，乘车档次的上升，特别
14、上国家安全法规的强制实施，前后轮都采用盘式制动器已成为主流趋势。1.6.2国外盘式制动器研发情况介绍 国外汽车研发机构经过多年的研究和试验，气压盘式制动器在主要性能方面都优于传统的鼓式制动器，并将其广泛使用在新型的载重汽车上。现在一些欧洲汽车公司制造的汽车上，均已开始大量使用气压盘式制动器总成。气压盘式制动器与传统的鼓式制动器相比在制动性能等方面的有明显的优势，主要表现在以下几个方面： 制动力和安全性：在间断制动状态下，鼓式与盘式制动器的制动能力相差不大。但盘式制动器在制动响应和制动控制方面的表现更好一些。但在连续制动过程中，两种制动器的差别很大。在长距离的坡路上驶下（如下山），盘式制动器在固
15、定的制动压力下，完全不失去初始性能，汽车能全程保持一定的速度行驶。相反，装有鼓式制动器的汽车，为保持速度，须逐渐增加制动压力。持续制动后，在同等制动压力下，盘式制动器产生的制动力只是略有下降，而鼓式制动器的制动力下降非常大，这两种制性动器的安全因数有着很大的差别。 结构和成本：盘式制动器系统包括盘、衬垫、缸和卡钳，其零件数少于鼓式制动器系统，同类车型相比其总成的总质量比鼓式制动器低18%。盘式制动器总成可以作为一个完整的部件送到车桥装配线，此部件即包括了盘式制动器的所有零件。这样就有一个特别的优越性，就是可以把所有机械功能预调好的、经过试验的装置提供给用户，因而产品的责任有了明确规定。 维修保
16、养：盘式制动器的整套操作机构密封在外壳中，经润滑以延长其寿命。所以盘式制动器几乎是无需维修的，维修主要是更换磨损零件，即衬垫和盘。而且，更换衬垫所需的时间也比更换鼓式制动器材套所需的时间少80%。这意味着不仅可以节省维修成本，还能大大缩短非运营时间。 电子制动控制系统（EBS）：盘式制动器由于采用简单且相当成熟的操作机构，因而具有特别高的效率。其提供的制动灵敏性使EBS系统能够实现一些强而有效的控制作用，用以缩短制动距离，提高车辆的稳定性和磨损率。盘式制动器在响应方面的特性，表现在每个车轮制动相差很小，每个车轴的左右车轮之间的磨损分配均匀。 1.6.3未来汽车盘式制动器的发展趋势：（1）提高制
17、动效能、防止尘污和锈蚀；（2）减轻重量、简化结构、降低成本；（3）电子报警和智能化系统的发展；（4）实用性更强与寿命更长。2 基于Pro/E设计方法2.1 Pro/E三维软件概述 Pro/E操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 Pro/E第一个提出了参数化设计的概
18、念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。2.2参数化 2.2.1参数化概述 参数化技术的研究有着漫长的历史，而构造基于约束的设计系统一直是人们追求的目标，以使设计对象能随着设计的不断深入，可以逐步施加和修改约束，直至产生最后的形体。 参数化设计技术是新一代智能化
19、、集成化CAD系统核心技术之一，也是当前CAD技术的研究热点，已经形成了诸如变量几何和几何推理等多种方法。根据用户需求不同，模型参数化有：二维图形参数化、三视图参数化和三维特征参数化等三种形式嘲。其中基于特征的参数化技术可以提供很完整的工程信息和灵活的建模操作而成为重要的产品设计辅助手段。目前参数化技术已经广泛应用于三维设计软件中，能否实现参数化设计也成为评价CAD系统优劣的重要技术指标。而国内基于商业软件二次开发的参数化设计大都处于研究阶段，还没有得到广泛的应用。2.2.2参数化设计的相关思想包括： （1）参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分
20、解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 （2）基于特征建模 Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 （3）单一数据库（全相关）Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何
21、一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。2.3 国内外相关技术的发展现状 2.3.1国外CAD技术的发展 CAD技术起步于50年代后期。60年代随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，CAD技术开始迅速发展。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法，直持续到70年代末期，至那时起CAD开始实用化，以后的CAD
22、技术作为一个分支而相对独立、平稳地发展。 参数化技术的成功应用，使它在90年代前后几乎成为CAD业界的标准。但参数化技术亦尚有一些不足之处。首先，“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力和想象力的发挥。于是一种以参数化技术为蓝本，比参数化技术更先进的实体造型技术即变量化技术应运而生。变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关，尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。它的指导思想是：设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，允许采用不完全尺寸约束，因为系统分担了很多繁杂的工作，因此只给出必要的设计条件，在这种情况下仍能保证设计的正确性及其效率性。它的成功应
23、用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。CAD技术的发展历程说明，CAD技术一直处于发展和探索之中，并将继续发展下去。正因为如此，才造就了今天CAD技术的兴旺与繁荣，在高速发展的现代化工业中起到重要的作用。 232 国内CAD技术的发展 我国的CAD技术尽管在研究、开发和推广应用等方面起步比较晚，却也取得了一定的成绩，但与工业发达国家相比，无论在开发还是应用的广度与深度方面，仍存在较大差距我国的CAD技术虽起步于60年代末，几乎与工业发达国家同步，但资金投入不足及软件商业化程度低的原因导致了CAD基础理论相对落后。在参数化技术方面，我国仍处于不断完善二维图形参数化技术阶段，而欧美已出现较
24、为成熟的三维参数化CAD软件系统，它们利用其强大的技术优势基本占领了国际市场和一部分国内市场。国内自主版权的CAD软件如高华CAD，电子图板CAXA，开目CAD等软件技术含量相对较低，主要面向国内市场，提供操作简便的二维工程图设计平台。CAD技术的应用可以起到提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期等的作用，经过多年的投入和推广，我国CAD技术已经基本广泛应用在机械、电子、航空、建筑等行业。概括来说，我国CAD技术的差距主要表现在以下两个方面：（1）具有自主版权和设计功能的CAD应用软件较少；（2）自主开发的CAD应用软件商品化程度较低；2.4 研究课题 2.4.
25、1课题背景与来源 经过多年的发展，CAD技术已经广泛应用于机械、电子、航天、化工、建筑等行业，起到了提高企业设计效率、优化设计方案、减轻设计人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。随着我国CAD应用工程的普及和推广，CAD技术己在许多企业转化为现实生产力。传统的二维CAD软件正逐渐被三维CAD软件所替代。三维造型设计取代二维平面设计是工程设计的趋势。一方面，二维CAD系统对减少产品设计错误，设计更改方面有较大局限性，而且难以表达复杂形状的零件尤其是具有复杂曲面的零件。另一方面，三维造型在可视化设计、装配设计、加工仿真以及有限元分析等方面有着平面设计无法比拟的优越性，是提高设计质量
26、的重要手段。因此三维CAD系统如ProE、UG、Solidworks等目前已经得到了广泛的应用。 通过CAD软件的二次开发工具可以把商品化、通用化的CAD系统用户化、本地化，即以CAD系统为基础平台，在软件开发商所提供的开发环境与编程接口基础之上，根据自身的技术需要研制开发符合相关标准和适合企业实际应用的用户化、专业化、知识化、集成化软件，以进一步提高产品研发的效率。参数化设计方法就是其重要应用之一，参数化设计在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值，与传统设计方法相比，能够减少重复劳动，提高设计效率，符合现代产品设计需求。减速器作为机械传动装置应用广泛，其结构的
27、相似性与设计的重复性适合于进行参数化设计。 2.4.2 课题研究内容通过引入基于Pro/E特征的参数化造型思想，建立制动器典型的零部件模板库，模型设计计算完成后，通过参数化驱动从而得到所需的制动器模型2.4.3 课题研究方法课题使用的研究方法是参数化设计。参数化设计也叫尺寸驱动，是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。所谓参数化设计即是在设计中产品的结构形式是确定的，它需要根据某些具体的条件和具体的参数来决定产品某一结构形式下的结构参数，从而设计出不同规格的产品。 2.4.4 课题研究意义由于商用软件的通用性考虑，不会过多考虑在设计具体
28、机械产品时的高效性问题，也不可能过多关注具体机械产品的特殊性、细节性问题,自然不具备与特定产品、特定企业密切相关的功能。因此基于某种特定产品对这些软件进行二次开发，使其具备针对性，就能够迅速提高产品的设计效率。在通用CAD基础上融入专业知识构建专用CAD系统是当前深化CAD应用的潮流。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。本课题研究ProE的二次开发方法，制动器产品参数化设计方法，具有一定的理论意义和应用价值，对针对其他产品的参数化设计也有一定的参考价值。制动器参数化设计系统以及拓扑优化方法的应用，对于提高减速器产品的设计效率和质量具有一定积极意义。 3 制动器参数化设计计算3.1参数化设计过程根据参数化设计特点，我们先建立好各种零件（制动盘、制动钳、制动块、摩擦片等）的三维实模型，形成模型库；当用户根据加工条件，确定好了某零件的结构参数后，运行应用
