城市軌道車輛制動系統(tǒng)設(shè)計本科論文

1、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）城市軌道車輛制動系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院名稱： 交通工程學(xué)院 專 業(yè)： 車輛工程 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 二一五 年 月城市軌道車輛制動系統(tǒng)設(shè)計摘 要：列車制動系統(tǒng)作為車輛系統(tǒng)中的基本組成部分，其基本制動由電制動、液壓制動及磁軌制動實現(xiàn)，通過各種形式組合使用以實現(xiàn)緊急制動、常用制動、停放制動、安全制動等。本論文首先進(jìn)行計算分析確定盤形制動器的參數(shù)，主要包括制動盤和盤轂的相關(guān)數(shù)據(jù)。在確定數(shù)據(jù)后應(yīng)用CATIA軟件對制動系統(tǒng)主要部分盤形制動器進(jìn)行三維建模，主要包括制動盤、盤轂的建模，并對這些零部件進(jìn)行裝配設(shè)計。通過分析盤形制動器的工作原理，對制動盤、制動鉗和制動

2、塊等零部件進(jìn)行靜力分析。根據(jù)分析結(jié)果，為盤形制動器的設(shè)計提供理論依據(jù)，對部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化。關(guān)鍵詞：制動鉗；制動盤；建模；優(yōu)化 The Design of Urban Rail Vehicle Braking System Abstract：As the essential part of vehicle system, basic brake of the train braking system achieved by the electric brake, hydraulic brake and brake track . By a combination of various fo

3、rms in order to achieve the emergency brake, braking, parking brake, brake and other safety. As the major portion of the brake system , disc braking device conduct the disk brake three-dimensional modeling through the application of CATIA software, including modeling of brake discs, brake calipers,

4、brake pads; at the same time design and assembly of these parts. According to analyze the movement of the disc braking device,deepen understanding the working principle of disc brakes; Make static mechanical analysis to brake discs brake calipers and brake pads and other components ,and based on the

5、 analysis of the parts of the structure reasonable optimization, providing a theoretical basis for the disc brake design ultimately.Keywords：Brake caliper; Brake disc; modeling; optimization目 錄序 言1第1章 課題分析21.1選題意義及依據(jù)21.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀31.3研究內(nèi)容41.4設(shè)計方案4第2章 方案論證52.1 制動器的分類52.2 盤形制動器的介紹52.3 制動器設(shè)計的一般原則82.4 本章小

6、結(jié)9第3章 盤形制動器的主要參數(shù)及其選擇103.1 制動盤103.1.1制動盤直徑113.1.2制動盤厚度113.2 制動夾鉗113.3 制動閘片123.4 參數(shù)的選擇與優(yōu)化123.4.1制動黏著系數(shù)123.4.2輪軌切向作用力133.4.3軸制動率143.4.4車輛載荷確定153.4.5單車制動率163.4.6制動距離17 3.5 本章小結(jié)19第4章 盤形制動器建模204.1 制動盤的建模204.2 盤轂的建模224.3盤形制動器的建模274.4本章小結(jié)28第5章 運動及力學(xué)性能分析295.1制動盤的運動分析295.1.1 仿真參數(shù)設(shè)計305.1.2 有限元加載315.2靜力分析355.2.

7、1 蠕滑性355.2.2 曲線舒適性365.3本章小結(jié)38第6章 總結(jié)40參考文獻(xiàn)41致 謝42序言隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，鐵路作為我國目前最主要的運輸方式，運輸量和運輸頻率逐年增加。鐵路向高速、重載方向發(fā)展的趨勢使得列車的牽引重量和速度都要不斷提高，這給制動技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，故制動技術(shù)的應(yīng)用在鐵路運輸中愈加重要。我國的城市軌道交通發(fā)展迅速，城市內(nèi)部及城市之間的列車加速、減速及停車比較頻繁。出于提高車輛運轉(zhuǎn)速率和密度的考慮，設(shè)計的車輛需要快速起動、制動高效，這要求制動裝置可以靈活操縱，緊急制動時迅速平穩(wěn)、效果明顯和制動爆發(fā)力大。因此，列車制動系統(tǒng)應(yīng)在各種負(fù)荷下使車輛制動率基本恒定。軌道車輛由

8、于空間位置的限制, 動力傳動部件占了很大空間, 從而使得制動裝置的安裝空間有限，這對驅(qū)動軸的制動困難?？紤]到對驅(qū)動軸實施有效制動, 近幾年我國逐步開發(fā)應(yīng)用了一系列不同型式的制動裝置, 例如輪裝式制動裝置和踏面制動裝置等。當(dāng)列車運行情況根據(jù)運行的負(fù)載、環(huán)境等不斷變化時，導(dǎo)致作用在列車輪軸的制動力也跟著不斷變化，因此，對列車制動裝置進(jìn)行建模、運動分析具有重要意義。本文是關(guān)于盤形制動器的運動學(xué)和力學(xué)性能的設(shè)計，共分為六章。第一章為課題分析，主要論述論文選題意義、研究內(nèi)容及目前國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r等；第二章是對機(jī)車制動器設(shè)計的說明；第三章是對盤形制動器進(jìn)行建模前的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主要包括制動盤、盤轂等；第四

9、章是在第三章的基礎(chǔ)上，對盤形制動器進(jìn)行CATIA建模；第五章在第三章的基礎(chǔ)上，對制動盤進(jìn)行靜力分析并提出優(yōu)化；第六章是對論文進(jìn)行的總結(jié)。其重點在于機(jī)構(gòu)的建模、運動力學(xué)分析。第1章 課題分析1.1選題意義及依據(jù) 我國鐵路發(fā)展的總體規(guī)劃是構(gòu)建貨運快捷和重載、客運快速、行車高密技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展。要求未來鐵路發(fā)展必須不同層次技術(shù)裝備并存，高新技術(shù)與適用技術(shù)并重，保證擁有自己核心技術(shù)的的技術(shù)體系。城市軌道交通的從設(shè)計生產(chǎn)到運營涉及到諸多領(lǐng)域，因為軌道列車特有的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等眾多指標(biāo)，使得在列車的設(shè)計方面有了更高的要求。軌道交通制動系統(tǒng)是列車諸多組成部分中的一個關(guān)鍵部分，列車在運行過程中執(zhí)行制動指令

10、的頻率很高，故制動系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對列車安全運行具有重大影響。軌道列車制動是指人為地阻止列車的運動，包含使它不加速、減速或停止運行。制動過程實質(zhì)是一個能量轉(zhuǎn)換過程，是將軌道車輛運行時產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換為熱能。用于實現(xiàn)制動作用和緩解作用而安裝在列車上的設(shè)備，稱為“制動裝置”。“列車制動裝置”主要包含機(jī)車制動裝置和車輛制動裝置兩部分，其中機(jī)車制動裝置除了可以如同車輛制動裝置一樣使它自己實現(xiàn)制動和緩解作用外，還可以控制全列車實現(xiàn)制動作用。由于制動性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到列車能否安全正常的運行，因此制動性能是車輛極為重要的性能之一，不斷改善和提高軌道車輛的制動性能始終是軌道車輛設(shè)計制造部門的重要課題。隨著城市軌

11、道交通的不斷應(yīng)用和發(fā)展，列車速度不斷提高，路面情況愈加復(fù)雜，這使得在設(shè)計制動系統(tǒng)時需要考慮更多因素。作為列車的重要組成部分，車輛制動系統(tǒng)對列車運行起到安全穩(wěn)定的作用。隨著鐵路技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對其安全性、舒適性、可靠性的要求越來越高，為保證列車運行的安全，必須為軌道車輛配備十分可靠的制動系統(tǒng)。而制動器作為制動系統(tǒng)中直接作用于輪軸，制約軌道車輛運動的一個關(guān)鍵裝置，是軌道車輛上最為重要的安全件。目前我國軌道車輛普遍采用的摩擦式制動器，因為其實際工作性能是整個制動系統(tǒng)中最為復(fù)雜，也是最不穩(wěn)定的因素，所以優(yōu)化制動器結(jié)構(gòu)、提高制約性能的突出問題具有非常重要的意義。1.2 國內(nèi)外研究狀況當(dāng)前我國機(jī)車主要

12、采用的是國外的制動系統(tǒng)，如KNORR制動系統(tǒng)、SABWABCO制動系統(tǒng)以及NABCO制動系統(tǒng)等先進(jìn)制動系統(tǒng)。這幾類目前國際上普遍應(yīng)用的制動系統(tǒng)，不僅操作簡便，效果明顯，更可以與列車其他系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配合，提高制動效率。隨著我國科技實力的發(fā)展提高。鐵路機(jī)車的制動部分將逐步發(fā)展成為自主研發(fā)為主，適當(dāng)引進(jìn)歐美系統(tǒng)為輔的發(fā)展格局。由于國外的制動系統(tǒng)成本很高，與信號或者車輛的接口相對困難，故近年來國內(nèi)制動行業(yè)進(jìn)步迅速。伴隨著我國軌道工業(yè)的飛速發(fā)展，對國外先進(jìn)技術(shù)吸收基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，我國的軌道車輛工業(yè)對盤式制動器的應(yīng)用比重逐年提高。盤式制動器的普遍應(yīng)用，不僅提高了整車的運行性能，更提高了其乘坐舒適性，滿足了

13、人們對軌道車輛的要求。制動器的早期研究主要側(cè)重于試驗其摩擦性能，隨著列車對其使用壽命和制動性能要求的不斷提高，對于制動器的基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用拓展也在不斷的深入進(jìn)行。目前，我國軌道車輛所用的制動器以鼓式和盤式為主，而隨著動車組CRH系列的發(fā)展，盤式制動器的應(yīng)用更為普遍。目前國際上按照制動的作用方式將軌道車輛分為踏面和盤形兩種基礎(chǔ)制動方式。踏面制動是指閘瓦對車輪踏面施加壓力產(chǎn)生摩擦阻力，從而達(dá)到制動效果。作為傳統(tǒng)的制動方式，踏面制動對車輪的踏面有較大磨耗，主要表現(xiàn)在兩方面：一方面使得踏面磨損加速，縮短了車輪使用壽命；另一方面制動產(chǎn)生的熱影響會使得車輪承受周期性的負(fù)荷，從而踏面出現(xiàn)熱疲勞，甚至疲勞過

14、度導(dǎo)致車輪弛緩引發(fā)重大事故。由于制動功率與踏面制動對踏面產(chǎn)生的的影響是成正比關(guān)系的，所以當(dāng)列車的制動功率達(dá)到最大規(guī)定值時，閘瓦將無法吸收其產(chǎn)生的熱量，故目前踏面制動在高速列車中應(yīng)用較少，主要應(yīng)用于傳統(tǒng)的中低速列車中。伴隨著鐵路交通的快速發(fā)展，踏面制動作為傳統(tǒng)的制動方式，也逐步被盤形制動所替代。盤形制動一般將制動盤安裝在車輪輻板側(cè)面或車輛之間的軸上，利用活塞作用于制動夾鉗，通過制動閘片對制動盤施加壓力，二者摩擦產(chǎn)生阻力，阻礙列車運行。相比較于踏面制動，一方面盤形制動未對踏面施加作用力，所以車輪踏面的熱負(fù)荷和機(jī)械磨耗較小，不僅延長了車輪的使用壽命，還提高了制動效率，其噪聲也有利于環(huán)境保護(hù)；另一方面

15、盤形制動采用制動盤摩擦制動，制動效果明顯，并且可以根據(jù)線路要求配備多套制動設(shè)備，提高了應(yīng)用空間。1.3研究內(nèi)容本次論文研究將運動學(xué)與力學(xué)相結(jié)合，通過對盤形制動器進(jìn)行三維建模，從而實現(xiàn)對盤形制動器的優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計要求：1. 深入學(xué)習(xí)盤形制動器的工作原理，對制動器的設(shè)計和應(yīng)用有全面的了解；2. 運用CATIA軟件對盤形制動器進(jìn)行建模，主要包括制動盤、盤轂的建模，并對主要的部件進(jìn)行裝配；3.在盤形制動器的模型基礎(chǔ)上，對制動器進(jìn)行應(yīng)力分析，并融入設(shè)計的關(guān)鍵性要求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。1.4設(shè)計方案為了使制動器的設(shè)計更加合理、客觀，本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，按照以下步驟對盤形制動器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：（1）通過向地鐵公

16、司咨詢和查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，了解目前制動領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r及相關(guān)技術(shù)；（2）深入研究制動器工作過程，增強對機(jī)車制動機(jī)構(gòu)的知識的把握；（3）使用CATIA V5軟件完成制動機(jī)構(gòu)的三維建模，包括制動盤、盤轂，并對各組成部分進(jìn)行裝配；（4）對制動盤進(jìn)行力學(xué)分析，通過對不同狀況下的受力情況進(jìn)行研究，對制動器的尺寸和材料進(jìn)行優(yōu)化。 第二章 方案論證2.1制動器的分類盤式制動器根據(jù)摩擦副中固定元件結(jié)構(gòu)可分為鉗盤式制動器、全盤式制動器兩種形式。若按照制動鉗結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行區(qū)分，鉗盤式制動器可分為固定鉗盤式制動器和浮鉗盤式兩種形式。制動器作為制動系統(tǒng)中最主要的部件，是列車制動系統(tǒng)中制止或者減緩列車運行的部件。制動器按照

17、摩擦副結(jié)構(gòu)形式主要包含盤式、鼓式兩種形式。 盤式制動器：其固定摩擦元件為制動塊，制動塊帶有摩擦片，安裝于制動盤兩側(cè)，其旋轉(zhuǎn)元件以兩側(cè)面為工作面，且制動盤須沿垂直方向安放。當(dāng)兩側(cè)的制動塊夾緊制動盤時，摩擦面上產(chǎn)生摩擦力矩作用于制動盤，制止車輪轉(zhuǎn)動，起到制動效果（圖1-1）。 圖1-1 盤形制動器 鼓式制動器：目前機(jī)車運用的主要包括外束 1制動盤；2閘片；3閘片托；型鼓式和內(nèi)張型鼓式兩種。內(nèi)張型鼓式制動器的 4制動缸；5杠桿摩擦元件以一對含有圓弧形摩擦蹄片的制動蹄。鼓式制動器在制動時，制動蹄摩擦片的外表面和制動鼓的內(nèi)圓柱面形成摩擦表面，在制動鼓上面摩擦產(chǎn)生阻力，從而達(dá)到制動的目的。 2.2 盤式制

18、動器的介紹伴隨著鐵路機(jī)車載重的增大和速度的提高,對制動系統(tǒng)的要求也愈加嚴(yán)格。而以前普遍應(yīng)用的閘瓦制動將主要熱能傳遞給車輪,而對于車輪的制作材料和主體結(jié)構(gòu)無法隨意變動,這限制了車輛的使用。盤形制動在列車運行中不僅成本較低，日常維護(hù)比較簡單，而且很大程度上提高了車軸制動功率，降低了列車制動時的縱向沖動。因為針對制動的不同要求，可以選擇不同形式的制動盤，所以變相地擴(kuò)大了盤形制動器的使用范圍，推動了盤形制動器的普遍應(yīng)用。早在20世紀(jì)30年代，德國率先在地鐵中裝配了盤式制動器,介于其良好的工作性能，隨后在其快速列車中上也裝備了這種制動器。隨后英國、法國、美國、日本和俄羅斯等國家在軌道車輛上也普遍采用盤形

19、制動器。目前國外已經(jīng)逐步開始研制含陶瓷鋁合金的制動盤，我國正在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，展開深入研究，以便更好地滿足貨物列車快速、重載的要求。盤式制動器作為目前應(yīng)用普遍的一種新型制動器（圖2-1），軌道車輛的盤形制動是指在車軸或車輪輻板側(cè)面安裝鑄鐵，利用活塞控制制動夾鉗將冶金材料或者合成材料制成的閘片壓緊制動盤的側(cè)面，利用制動盤與閘片產(chǎn)生的摩擦力，使列車減緩速度或停車。不僅很大程度上提高軌道車輛的主動安全性，也很好處理了舊式制動器無法杜絕的基本問題，如維修頻率較高、噪音污染較大和粉塵污染嚴(yán)重等。 圖2-1 盤形制動器制動盤作為列車制動時承受熱能的主要部件,對其材質(zhì)選擇要求很高。目前普遍采用合金耐磨鑄鐵

20、, 鑄鐵的熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容量較高，但是鑄鐵盤的強度較差,故合金既可發(fā)揮鑄鐵的優(yōu)點,又避免了其強度差的特性。另外對制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計也很關(guān)鍵，在輪對高速轉(zhuǎn)動和車軸載荷過大的情況下產(chǎn)生大量熱負(fù)荷,因此對于軸盤式的制動盤的兩側(cè)間鑄有徑向的孔,形成離心通道,而輪盤式的制動盤內(nèi)側(cè)也有通風(fēng)筋,可實現(xiàn)徑向通風(fēng),使得制動器結(jié)構(gòu)具有良好的散熱功能，并且緩和熱負(fù)荷的應(yīng)力作用。目前盤形制動在制動盤的安裝形式上可分為輪盤制動和軸盤制動（圖2-2）。 圖2-2（a） 輪盤制動 圖2-2（b） 軸盤制動1輪對；2制動盤；3單元制動缸；4制動夾鉗；5牽引電機(jī)對于輪盤制動，其安裝連接方式可分為三種: (1) 多點式結(jié)構(gòu) 多點式

21、結(jié)構(gòu)將不少于兩個的環(huán)形制動盤分別安裝于輪芯的兩側(cè),用套有尼龍?zhí)椎穆菟▽⒅苿颖P連接起來,其中套尼龍?zhí)椎哪康氖瞧鸬骄徍蜔釕?yīng)力的作用，以防制動過程中螺栓受力升溫發(fā)生變形。 (2) 浮動式結(jié)構(gòu) 將制動盤與安裝座用徑向彈性圓套筒銷來連接以緩和制動時的熱應(yīng)力變形。 (3) 雙金屬式結(jié)構(gòu)制動盤的材料采用鑄鐵，將制動盤與支座一起鑄造成為雙金屬結(jié)構(gòu)。因為這種結(jié)構(gòu)要求制動盤與車軸同心的程度不高，故只要保持其相對位置不變。針對盤形制動, 浮動式連接方式是制動盤安裝采用的方式，分為整盤式和對半式兩種連接方式。輪盤制動（圖2-3）的制動盤一般安裝于車輪兩側(cè)，其安裝方式是通過6個定位銷進(jìn)行對中定位和傳遞制動力矩，將兩個摩

22、擦盤安裝在車輪兩側(cè)。而兩個摩擦盤采用12個徑向排列的螺栓連接，使用防松螺母鎖緊螺栓。 圖2-3 輪盤制動車輪制動盤要求將摩擦表面與輪緣外表面齊平，以便制動盤與其他類型的制動閘片和制動夾鉗配合使用。當(dāng)制動盤應(yīng)用于動力轉(zhuǎn)向架時，規(guī)定安裝4個制動盤。軸盤制動的制動盤安裝在車軸或者空心軸套上，可以在車軸內(nèi)側(cè)或外側(cè)，在空間允許的條件下可以安裝4個制動盤8個摩擦面，能提供更大制動力。盤形制動裝置包含制動盤和制動夾鉗，其中安裝在制動夾鉗上的制動閘片與制動盤組成摩擦副，通過與制動盤表面的摩擦作用將制動能量轉(zhuǎn)換為熱能釋放。盤式制動器與傳統(tǒng)制動器對比，有以下特性：（1）盤形制動器沒有制動鼓，制動器不存在間隙的明顯

23、加大，故制動踏板的行程較大。當(dāng)輸出相同的制動力矩時，其尺寸與質(zhì)量相對較小，這有利于實現(xiàn)間隙的自動調(diào)整和對其他部件的保養(yǎng)作業(yè)，使工作人員在調(diào)整間隙、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化等方面趨于靈活。（2）盤形制動器的制動盤和摩擦塊之間的間隙較小，一般為0.05mm至0.15mm。這不僅有利于提高驅(qū)動機(jī)構(gòu)的制約力傳動比，也縮短了活塞的操作時間。（3）盤形制動器是多回路的制動驅(qū)動系統(tǒng)的主體，其制動力穩(wěn)定。通過制動盤和兩側(cè)閘片之間的緊壓，兩者之間可以獲得穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，各車輪都能不同車速下都可以均勻一致地實現(xiàn)平穩(wěn)的制動，這確保了整個系統(tǒng)的安全性。（4）相比較于傳統(tǒng)的制動器，盤式制動器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝更為精細(xì)，對與之相配

24、合的部件要求高，故生產(chǎn)成本也要高于傳統(tǒng)制動器，并且噪音低和環(huán)境污染較小。（5）盤式制動器制動時，制動盤直接與空氣相接觸，其散熱性能很好。摩擦塊對制動盤的高壓易擠出其中水分，故制動效能只會發(fā)生微小的變化。（6）在制動盤內(nèi)部鑄造加強筋，一方面改善了鑄造的工藝性能，使制動盤的強度得到加強。另一方面大大的節(jié)省了制作材料。當(dāng)摩擦片磨損時，易實現(xiàn)制動器的摩損報警，方便及時更換摩擦片。因此對軌道車輛而言,盤式制動器制動效率高，耐用環(huán)保,制動力曲線相對平直,成本相對較低,是一種實用的制動器。2.3 制動器設(shè)計的一般原則軌道交通的制動性能是指在保證列車的方向穩(wěn)定性前提下，實現(xiàn)短距離內(nèi)停車或者能夠以穩(wěn)定均勻的速度

25、下較長的坡道。為達(dá)使用要求，不僅要考慮維修方便、經(jīng)濟(jì)適用,更要保持良好的制動效果。因此在設(shè)計制動器的過程中要考慮諸多因素，如制動效能的穩(wěn)定性、制動器的一些尺寸、制動間隙的大小等因素，并對制動力、制動力分配系數(shù)、制動器因數(shù)等進(jìn)行較為詳細(xì)的計算。對主要零件諸如制動盤、制動鉗、制動閘片、摩擦襯塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計并計算。不論如何設(shè)計,只要根據(jù)實際情況滿足制動要求，力求結(jié)構(gòu)簡單、實用方便。2.4 本章小結(jié)本章通過總體介紹制動器的發(fā)展及運用，說明了盤形制動器在軌道制動行業(yè)中的重要性。盤形制動器不僅提高列車的安全性和可靠性，也幫助企業(yè)提高競爭力，從長遠(yuǎn)來看更是節(jié)能環(huán)保，符合現(xiàn)代產(chǎn)品的發(fā)展方向。第三章 盤形制動器

26、的主要參數(shù)及其選擇3.1 制動盤 現(xiàn)在我國車輛的軸裝制動由整體式鑄鐵結(jié)構(gòu)的制動盤環(huán)和盤轂組成，其中制動盤和盤轂通過螺栓、墊片和彈性套等連接。盤轂將其固定在車軸上。當(dāng)列車運行時，車軸轉(zhuǎn)動作平動和定軸轉(zhuǎn)動，制動盤作為具有徑向排布散熱筋的環(huán)形鑄鐵件隨之轉(zhuǎn)動（圖3-1）。散熱筋不僅傳遞熱量，也通風(fēng)散熱，保證摩擦盤的熱平衡。制動盤的外沿為制動接觸的摩擦面，內(nèi)側(cè)鑄有多個大小形狀相同的細(xì)柱形散熱筋，沿徑向均勻分布，從而在散熱筋間形成氣流通道。由于鐵道車輛在運行過程中情況復(fù)雜，會出現(xiàn)許多變動，這也對摩擦盤的厚度、散熱筋的尺寸限制及制動盤的材料提出了更多要求。考慮到列車緊急制動的爆發(fā)力，摩擦盤的可磨耗厚度一般規(guī)

27、定為7 mm，在其圓周方向有一個槽，車輛在運行規(guī)定周期后會需根據(jù)要求更換。由于受到軌道承載力和機(jī)車質(zhì)量要求的限制，在摩擦盤的設(shè)計過程中需要盡量減小質(zhì)量。 圖3-1 典型制動盤 此次設(shè)計課題是軸裝制動器（圖3-2）,主要針對SW-220K型轉(zhuǎn)向架的新型高速客車轉(zhuǎn)向架。作為目前運用最為廣泛的制動器，軸裝制動器安裝、維護(hù)方便。軸裝制動盤主要由徑向散熱筋的摩擦盤和盤轂組成，安裝在兩車輪之間的車軸上。其中盤轂和車軸采用過盈配合，過盈量為0.2mm左右。摩擦盤通過擋圈壓緊在盤轂上，擋圈通過8個徑向排列的螺栓與盤轂相連接。通過定位銷，擋圈與盤轂進(jìn)行定位和傳遞制動力。另外摩擦盤的安裝孔徑要求螺栓大，承受緊固力

28、，而不承受剪切力。 圖3-2 軸裝制動盤3.1.1 制動盤直徑D 為保證160km/h快速客車的安全運行，需要制動盤直徑D的數(shù)值盡量大，以便增大摩擦盤的有效半徑，進(jìn)而減小制動鉗對制動盤的壓力，有利于減小作用于襯塊的單位壓力和工作溫度。但實際應(yīng)用中考慮到輪輞直徑的限制，制動盤的直徑通常選擇為車輪直徑的70%左右。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，輪對的輪徑是915mm，且軸重規(guī)定14t。 制動盤=75%=0.7*915=640.5mm.取640mm；車軸為RD型，故內(nèi)徑取350mm。所以制動盤的外徑為640 mm，內(nèi)徑為350 mm。 3.1.2 制動盤厚度h 考慮到列車的輕便性，制動盤的質(zhì)量不宜過大，故對其厚度有

29、所限制。機(jī)車制動時的溫升加速，為減少溫升，制動盤厚度又不宜過小。為了加快制動熱量的消散，在制動盤中間鑄有徑向通風(fēng)孔道，大大增加了散熱面積，但盤的整體厚度加大。制動盤鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤，按照國際標(biāo)準(zhǔn)，通風(fēng)式制動盤實心厚度取為44mm，散熱筋取30mm，所以制動盤總厚度74mm。 制動盤的表面應(yīng)光滑平整，兩側(cè)表面不平行度低于0.05mm，盤面擺差低于0.1mm。3.2 制動夾鉗針對SW-220K型轉(zhuǎn)向架的新型高速客車轉(zhuǎn)向架,每個轉(zhuǎn)向架裝配有4個緊湊式夾鉗裝置，在轉(zhuǎn)向架上并排布置，列車進(jìn)行制動時其中兩個裝置起制動作用。每個帶停放功能的制動夾鉗在自動制動出現(xiàn)故障時，在車體兩側(cè)軌道旁均可手動緩

30、解停放裝置。對于160km/h提速客車的要求，車輛采用RZS型制動夾鉗，其壽命周期成本(LLC)有效降低。根據(jù)車輛輕型化的設(shè)計要求，對RZS型制動夾鉗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計： 采用鋁合金壓鑄成整體，尺寸小，質(zhì)量輕，相比普通的夾鉗質(zhì)量減輕30kg。在夾鉗的外緣留有一段開口，方便在不整體拆卸夾鉗的情況下定期檢查和更換制動閘片。單獨制造的油缸裝嵌入鉗體中，為了減少傳給制動液的熱量，將活塞開口端部切成階梯狀，減少活塞與制動塊背板的接觸面積，形成兩個相對且在同一平面內(nèi)的小半圓環(huán)形端面?；钊设T鋁合金制成，活塞應(yīng)能壓住盡量多的制動塊面積，以免襯塊發(fā)生卷角而引起尖叫聲。為了提高其耐磨損性能，活塞的工作表面進(jìn)行鍍鉻處理

31、。3.3 制動閘片制動閘片由背板和摩擦襯塊構(gòu)成，一般直接將背板和襯塊壓嵌或鉚接在一起。摩擦襯塊多為扇形，也有矩形、正方形等，根據(jù)應(yīng)用的不同，其形狀、尺寸及連接方式也有所不同。針對RZS型制動夾鉗，所設(shè)計制動閘片為圓弓形，外形為UIC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計形狀（圖3-2）。 圖3-2 UIC標(biāo)準(zhǔn)制動閘片 制動閘片與其支架的接口為楔形榫頭，由對稱的上下兩半組成。制動閘片上的溝槽主要有減少摩擦副上水分和排污兩個作用，并且列車在制動過程中摩擦副產(chǎn)生的殘留物可通過溝槽快速排出，這使得制動效果更為明顯，也有利于延長閘片使用壽命。針對160km/h新型高速客車，考慮到溝槽形狀與列車運行環(huán)境、制動盤與制動閘片的配合形式有關(guān)

32、，采用上下對稱的十字交叉形溝槽。 考慮到襯塊由于磨光或者受工作環(huán)境影響會使得制動閘片與制動盤面間摩擦系數(shù)衰減，并且對環(huán)境造成污染，所以要求其抗熱衰退性能要好，受溫度和壓力的影響要小。由于摩擦系數(shù)愈高的材料，其耐磨性愈差，所以在制動器設(shè)計時要綜合考慮材料的特性，要求材料的摩擦系數(shù)約為 0.30.5。本次設(shè)計的制動閘片均為合成制動閘片，選用粉末冶金材料，其摩擦系數(shù)均為035。3.4 參數(shù)的選擇與優(yōu)化3.4.1 制動黏著系數(shù)1.黏著系數(shù)主要受兩個因素影響：一個是車輪踏面與鋼軌的表面接觸狀況；另一個是列車的運行速度。根據(jù)我國的實際國情，得出的可供我國機(jī)車車輛設(shè)計時選用的制動黏著系數(shù)公式：干燥軌面 &#

33、181;=0.0624+ （3-1）潮濕軌面 µ=0.0405+ （3-2） （3-2） 式中 -制動時的列車初速度（km/h）； S -制動距離（m）； a -列車在制動距離內(nèi)的平均減速度（m/）。對于我國的國產(chǎn)CRH系列的動車組，當(dāng)制動初速為160km/h時，規(guī)定緊急制動距離為1400m；當(dāng)制動初速為200km/h時，規(guī)定緊急制動距離為2000m；當(dāng)制動初速為300km/h時，緊急制動距離則要大于3000m。針對論文設(shè)計的時速160km/h的客車盤形制動器，則平均減速度要求達(dá)到0.7m/；對于輪軌黏著系數(shù)，則介于0.07與0.171之間，一般取0.1。3.4.2 輪軌切向作用力

34、根據(jù)黏著系數(shù)，制動時輪軌間的切向作用力的最大值可由下式計算： （3-3） 式中 -一個輪對法向反作用力的總和，相等于軸載荷。列車在平鋪軌道上穩(wěn)定運行時，車輛的輪軸所承受之垂直負(fù)荷稱之為軸重，即每根車軸負(fù)擔(dān)的重量。由于在同等速度下，車輛對軌道的破壞作用，與軸重成正比關(guān)系，故軸重大時，軌道受的沖擊大，將提高維護(hù)成本，縮短設(shè)備壽命。對于160km/h型動力集中型客車，一方面考慮到輪軌黏著限制，要求增加機(jī)車的軸重來增加踏面的摩擦力，從而提高加速爬坡及停車等性能；但同時沉重的機(jī)車將給軌道帶來“砸夯”式的破壞效果。出于綜合考慮，在保持沖擊不變的前提下，軸重減輕可以提高通過速度，整條線路諸多彎道、道岔下來，

35、低軸式列車速度更快，維修成本更低。故采用軸重14t的動車式車軸，=160km/h，機(jī)車牽引質(zhì)量G=56t，機(jī)車計算質(zhì)量P=126t，高磨合成閘片等效壓力kN，閘片的平均摩擦系數(shù)為0.35。輪軌間的切向作用力不大于14kN。3.4.3 軸制動率 由于制動力應(yīng)受輪軌黏著的限制，即： （3-4）令,稱之為軸制動率，可得： （3-5）對于整個機(jī)車，式中表示整車的夾鉗壓力總和（kN），表示整車所受的重力（kN）。令為整車制動率，則 （3-6） 式中 Q-整車的總重量（t）； g-重力加速度（m/）。根據(jù)設(shè)計要求，制動率表示該車所具有的制動能力，其值大于輪軌黏著系數(shù)與閘瓦摩擦系數(shù)之比就要發(fā)生滑行和擦傷。設(shè)

36、計中： 因此關(guān)于黏著系數(shù)及軸的選擇是合適的。3.4.4 車輛載荷確定 對于作用于車體上的載荷，由下面幾部分力組成：1. 垂向靜載荷 （3-7）2. 垂向動載荷 垂向動載荷是由于軌面不平，鋼軌接縫等原因及車輛本身狀態(tài)不良等因素，引起輪軌間沖擊和車輛簧上振動而產(chǎn)生的。 （3-8）式中為動力學(xué)實驗測得的垂向動載荷系數(shù)，其與車輛運行速度，轉(zhuǎn)向架彈簧裝置的靜撓度等因素有關(guān)，一般以規(guī)定值為準(zhǔn)。3. 故垂向總載荷由下式計算： （3-9）4.側(cè)向力作用在車體上的側(cè)向力包括風(fēng)力和離心力，即列車在線路的曲線段運行時，同時承受垂直于車體側(cè)壁的風(fēng)力。根據(jù)我國的風(fēng)壓分布圖，風(fēng)壓力取為550 pa，其合力作用于車體側(cè)面投

37、影面積的形心上。對于作用于車體的離心力： （N） （3-10） 式中 g-重力加速度（m/）； -通過曲線時的列車最大允許速度（km/h）； R-曲線半徑（m）； -車體垂向靜載荷（N）。 因為在線路鋪設(shè)曲線段時，外軌鋪設(shè)比內(nèi)軌鋪設(shè)高出一個h值，即外軌超高量，從而使得車輛內(nèi)傾，產(chǎn)生分力： （N） （3-11）式中為輪對兩滾動圓之間的距離半徑（mm），其值為2=1493mm。因此兩者之差： （3-12）由于角度很小，故cos1，即： （N） （3-13）5.扭轉(zhuǎn)載荷 車輛制造的幾何誤差，線路不平順等，會使車體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。強度規(guī)范規(guī)定扭轉(zhuǎn)載荷取值40 kNm。6.縱向力 縱向力作為列車在各種運動狀態(tài)

38、下，車輛之間產(chǎn)生的壓縮和拉伸的力。對于160km/h的快速客車，采用第一工況的載荷組合方式?？蛙嚨睦炝?80 kN，壓縮力為1180 kN。3.4.5 單車制動率盤形制動的制動力： （3-14）式中 K-閘片壓力（kN）； -閘片摩擦系數(shù)； r-閘片作用半徑(mm)； R-車輛（滾動圓）半徑(mm)。 表3-1 盤形制動閘片換算摩擦系數(shù)/（km）901001101201301401501600.260.2560.2520.2480.2440.2410.2390.236根據(jù)表3-1，對于車軸重為14t的列車，在正常運行中實施制動，車輛的最大制動力B=170kN。3.4.6 制動距離 制動距離

39、為空走距離和有效制動距離之和： （3-15） 制動狀態(tài)下，除阻力外，還有制動力B作用在列車上。則 （3-16） 式中 ，-車輛的部件質(zhì)量（t） B-制動力（kN）； W-阻力（kN）。 其中空走距離按照簡單勻速運動公式計算： （m） （3-17） 式中 -制動初速（km/h）； -空走時間（s）。 我國客車通過實驗獲得的制動空走時間計算公式： （3-18） 式中 -加算坡度千分?jǐn)?shù)，當(dāng)>0時，規(guī)定按=0 計算。 故不大于3.5s，則空走距離為156m。 根據(jù)實際列車在不同區(qū)段的制動速度的變化，令為折算系數(shù)，選取通用的等效折算系數(shù)表達(dá)式： 0.38+0.002（100-） （3-19） 由于

40、列車在整體作平移運動的同時，還有輪對等部件作回轉(zhuǎn)運動，所以列車的動能由兩部分組成，即： （3-20） 式中 M-整個列車的質(zhì)量； -列車運行速度； I-各個回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量； -各個回轉(zhuǎn)部分的角速度。 令回轉(zhuǎn)部分的回轉(zhuǎn)半徑為，因為=，采用分段積分法，則間隔運行距離為： （3-21） （3-22） 其中距離等效摩擦公式： = （3-23）式中 -加速度系數(shù)（計算中規(guī)定統(tǒng)一取平均值=120）； -列車運行中各個間隔速度； -各個間隔速度時期的單位合力（數(shù)值上等于速度間隔平均速度）； -列車運行中各個間隔速度的平均速度的閘瓦換算摩擦系數(shù)； -列車單位基本阻力。 則有效制動距離 = 831m所以：

41、=831+156=987m < 1400m，符合設(shè)計要求。3.5 本章小結(jié) 對于盤式制動器設(shè)計而言，制動系數(shù)和閘片受力是最重要的參數(shù)，牽扯到許多其他參數(shù)，因此為了更好的確定參數(shù)，對它們進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計。在工作中的受力情況比較復(fù)雜，包括結(jié)構(gòu)形式選擇、主要參數(shù)選擇、相關(guān)參數(shù)計算。分析時，由于摩擦阻力主要取決于運動零件的制造質(zhì)量與潤滑情況，其數(shù)值相對比較小，進(jìn)行機(jī)構(gòu)受力分析時可以忽略不計。第4章 盤形制動器的建模盤形制動器的建模采用的是由外到內(nèi)的方法，即先對主要受力部件進(jìn)行建模，再對內(nèi)部與車軸接觸部件建模，主要包括制動盤和盤轂兩部分的建模。最終利用軟件將各部分通過約束進(jìn)行裝配，構(gòu)建出完整的盤形

42、制動器。盤形制動器中各個主要零件的模型尺寸數(shù)據(jù)來源于專業(yè)車輛制動介紹。4.1 制動盤的建模本節(jié)建模的制動盤為內(nèi)含散熱筋的機(jī)構(gòu)，在設(shè)計開始時，首先創(chuàng)建草圖平面，再通過拉伸、切槽等功能對制動盤進(jìn)行建模。在本節(jié)的制動盤建模中，采用“零件設(shè)計”模塊來實現(xiàn)方案設(shè)計。（1）在“零件設(shè)計”模塊中新建零件，命名為zhidongpan。（2）利用“草圖設(shè)計”功能，在xy平面上構(gòu)建半徑分別為175mm和320mm的圓圖，如圖4-1和圖4-2所示。 圖4-1 外圓 圖4-2內(nèi)圓（3）退出草圖模式，采用“拉伸”功能，將草圖拉伸22 mm，如圖4-3所示。 圖4-3 拉伸草圖 圖4-4 定義草圖 圖4-5 重復(fù)定義（4

43、）使用圓定義，在制動盤的端面上的一側(cè)作三個三角形分布、半徑為10mm圓，如圖4-6所示；再用凸臺功能，在上一步建立草圖圓形的的端面上，選擇拉伸功能，將草圖拉伸36mm，作為制動盤的散熱筋，如圖4-7所示。 圖4-6 定位凸臺 圖4-7 定義陣列 （5）在“零件”模式中采用圓形陣列功能，將散熱筋作為旋轉(zhuǎn)對象，設(shè)置旋轉(zhuǎn)間距為20度，18個實例，將其繞X軸旋轉(zhuǎn)，構(gòu)建18組散熱筋。分別如圖4-7和圖4-8所示。 圖4-8 生成圖 圖4-9 拉伸圖 （6）根據(jù)制動盤的設(shè)計要求，在已生成的拉伸柱體的無摩擦面一側(cè)設(shè)置平面，距離初始xy平面垂向距離58mm。再進(jìn)入“草圖”模式在此平面基礎(chǔ)上建立半徑為320mm

44、的圓，利用拉伸實體功能，將上一步建立的草圖拉伸22 mm，如圖4-9所示。（7）用草圖設(shè)計功能，在xy平面上建立如圖4-10所示的草圖，即半徑為175mm的圓形，然后定義凹槽，深度為100mm，生成制動盤如圖4-11所示。 圖4-10 定義凹槽 4-11 制動盤4.2 盤轂的建模（1）在“零件設(shè)計”模塊中新建零件，命名為pangu。用草圖設(shè)計功能，在xyplane 平面上建立如圖4-12和圖4-13所示的半徑分別為98.5mm和111mm的圓。（2）退出“草圖”模式，采用“拉伸”功能，將前面構(gòu)建的雙圓一起拉伸150mm，形成的圓柱體作為盤轂的外層，如圖4-14所示。 圖4-12 內(nèi)圓定義 圖4

45、-13 外圓定義 圖4-14 草圖拉伸 4-15 定義平面（3）在上一步建立的拉伸體的xyplane平面上定義新的平面，偏移于原平面57mm，完成后的平面如圖4-15所示。（4）用草圖設(shè)計功能，在上一步設(shè)計的平面上作半徑為320mm的圓；選擇拉伸功能，將其拉伸36mm，結(jié)果如圖4-16所示。（5）利用偏移的平面，即已建立的實體的端面上，在“草圖”模式中建立半徑為113mm的圓，用拉伸實體功能，將上一步建立的草圖輪廓同步拉伸，如圖4-17所示。 圖4-16 創(chuàng)建凸臺 圖4-17 圓定義（6）通過偏移的平面，即已建立的拉伸實體的端面上，建立直徑為98.5mm的圓輪廓草圖，并將上一步建立的草圖拉伸5

46、7mm，如圖4-18所示。（7）利用平面定義功能，在已經(jīng)建立的拉伸體的xy平面上定義新的平面，偏移于原平面36mm，完成后的平面如圖4-19所示。（8）在上一步建立的平面上建立草圖，其圓半徑為167mm和175mm，如圖4-20和圖4-21所示。 圖4-18 拉伸草圖 圖4-19 平面定義 圖4-20 圓定義 圖4-21 外圓定義（9）選擇拉伸功能，對內(nèi)、外圓分別進(jìn)行拉伸，拉伸36mm和22mm，如圖4-22和圖4-23所示。 圖4-22 拉伸草圖 圖4-23 定義拉伸 圖4-24 定義平面（10）用平面定義功能，在上一步建立的拉伸體的xyplane平面上定義新的平面，偏移于原平面22mm，完

47、成后的平面如圖4-24所示。 圖4-25 圓定義 圖4-26 邊圓定義 圖4-27 定義凸臺 圖4-28 平面定義 圖4-29 側(cè)圓定義 圖4-30 倒角（11）用草圖設(shè)計功能，在最初設(shè)計的平面上作半徑為135.1mm和128.1mm的圓，如圖4-25、圖4-26所示。（12）選擇拉伸功能，將其拉伸1.5mm，作為盤轂的節(jié)圓倒角處，結(jié)果如圖4-27所示。（13）用平面定義功能，在上一步建立的拉伸體的xyplane平面上定義新的平面，偏移于原平面139.2mm，完成后的平面如圖4-28所示。（14）選擇拉伸功能，將其拉伸2mm，然后對所以的節(jié)圓處用倒圓角功能，在圓柱體的連接邊線上倒半徑為5mm的

48、圓角。結(jié)果如圖4-30所示。（15）選擇xy plane ，建立草圖如圖4-31，圓形的半徑為7mm。（16）選擇xy plane ，建立如圖4-32所示的等邊六邊形，作為螺栓的頂面，其邊長11.472mm。（17）退出草圖模式，對圖形進(jìn)行拉伸9mm，如圖4-33所示。 圖4-31桿草圖 圖4-32定義尺寸 圖4-33拉伸定義（18）重復(fù)第一步得到的草圖，建立半徑為7mm的圓。（19）用凸臺功能，對草圖圓進(jìn)行，拉伸80mm，如圖4-34所示。（20）用倒圓角功能，在圓柱體的連接邊線上倒半徑為4 mm的圓角，如圖4-35、4-36所示。 圖4-34 定義凸臺 圖4-35 倒角定義（21）選擇xy plane ，建立半徑為7mm的圓形草圖，如圖4-37所示。（22）選擇xy plane ，建立等邊六邊形作為螺栓的頂面，