制動(dòng)組題目FSAE方程式電動(dòng)賽車系統(tǒng)和踏板

摘制動(dòng)系統(tǒng)是FSAE底盤中重要的組成部分。制動(dòng)的性能好壞，對(duì)整個(gè)比賽都有很大本文以的FSAE中國(guó)賽的規(guī)則作為出發(fā)以前幾屆的系統(tǒng)以及其在比賽中出現(xiàn)的問：制動(dòng)系統(tǒng)；拓?fù)鋬?yōu)化；強(qiáng)度校核；熱分Brakesystemisanimportantcomponentofaformulacarchassis.Theperformanceofthebrakesystemhasgreatinfluenceonthewholecontest.Forexample,inlinearacceleration,thebrakingsystemhastoensurethatthecarshouldstopwithinacertaindistanceafterreachingthefinishline,whichrequiresagoodcapability.InSkid-PadandAutocross,thequalityofthecarbrakesystemhasagreatrelationshipwithhandlingandstability,whichisalsoanimportantfactortothegame.Atthesametime,thebrakingsystemistheguaranteeofthesafetyofthecar.Ithasaveryimportantstatusinallassemblies.ThisarticlestartswiththelatestrulesofFSAE,usingthesystemsbeforeandtheproblemswhichhadoccurredasreferences,todesignthebrakingsystemforE-two.First,accordingtotheinitialcenterofmassandothergenerallayouts,makingcalculationstotheperformanceparameters,andgettingthetorquesforlockingthewheelsindifferentroadconditions,andthendecidetheparameterstomakesurethatthewheelscanbelocked.Meanwhile,thedesignofthepedalassemblyhasbeenmade,andthetopologyhasbeendoneinthepremiseofensuringonthebrakediscs,andatlastwedeterminethefinalmodelofthebrakesystem.Keyword:Brakesystem,Topologyoptimization,Strengthcheck,Thermal摘 第一章緒 大學(xué)生方程式FSAE競(jìng)賽簡(jiǎn) 課題背景及研究意 設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)內(nèi) 第二第二代電車制動(dòng)系統(tǒng)總體形式及布局第三制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算I曲線的繪制3.10本章小 第四章制動(dòng)踏板總成的建立與優(yōu)化校 HyperMesh4.6.14.6.2第五制動(dòng)盤的熱分析ANSYS軟件簡(jiǎn) 制動(dòng)盤熱分析基礎(chǔ)理論知識(shí)概 制動(dòng)盤制動(dòng)工況概 熱量傳遞的三種基本方 熱流量的計(jì) 對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì) 關(guān)于熱分析的一些條件假 制動(dòng)盤的具體熱分析過程與結(jié) 制動(dòng)盤溫度場(chǎng)分 制動(dòng)盤熱-應(yīng)力耦合分 本章小 結(jié) 第一大學(xué)生方程式FSAE競(jìng)賽簡(jiǎn)學(xué)生方程式汽車大賽，簡(jiǎn)稱FormulaSAE(FSAE)，汽車工程師，在領(lǐng)，也為了中國(guó)未來(lái)汽車的發(fā)展所舉辦的一項(xiàng)學(xué)生方程式比賽。該比賽面向所有大學(xué)本科生，要求參賽的隊(duì)伍必須按照規(guī)則的要求，在一年之內(nèi)完成對(duì)所有部件的設(shè)計(jì)與加工，最后攜完成的去參賽。FSAE和耐久賽四部分，靜態(tài)賽則分為成，設(shè)計(jì)報(bào)告，報(bào)告三部分。各個(gè)比賽的賽道1-11-11-1，中國(guó)的第一屆方程式大賽2010年在國(guó)際場(chǎng)成功舉辦各個(gè)在車輛方FSAE大賽成為了各個(gè)高校汽車研的能力，不僅可以對(duì)學(xué)生本人的綜合實(shí)力有提升，還使得學(xué)生提前適應(yīng)了活和企業(yè)在不斷的學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)中對(duì)每一代一代又一代的進(jìn)行更新與改造，使得的性能一代體完整的，各個(gè)隊(duì)員之間還要進(jìn)行交流與協(xié)作，這段經(jīng)歷只有經(jīng)過才能感受。最初設(shè)的同學(xué)交流后由于總體架構(gòu)上的不協(xié)調(diào)或是成本問題而不得不廢掉這法。為了追求成，力下，華南理工大學(xué)方程式一定會(huì)越做越好。課題背景及研究意two設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)內(nèi)1-2a）1-2b）系統(tǒng)都可以正常使用，并沒有很大的功能方面的。所以制作出一套可以發(fā)揮剎車功用30%。由于比賽的規(guī)則明確，制動(dòng)系統(tǒng)不可采用線控制動(dòng)。所以我們只能采用傳統(tǒng)的機(jī)械與式的結(jié)合，來(lái)對(duì)制動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容大概有如下幾部分。第二章第二代電車制動(dòng)系統(tǒng)總體形式及布供能裝置指包括人腳施力以及地面等其他為整車制動(dòng)提供制動(dòng)力的。根據(jù)前幾屆的經(jīng)驗(yàn)，以及質(zhì)量相對(duì)較輕，為了使制動(dòng)更加簡(jiǎn)單等原因，制動(dòng)的形制動(dòng)系統(tǒng)的基本情2-1一些不便，所以在本次設(shè)計(jì)中將油門踏板總成也連同制動(dòng)踏板總成進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。電車的往的經(jīng)驗(yàn)，本次制動(dòng)總成的設(shè)計(jì)的基本情況如下：ISR21-010ISR22-048ISR2-049型號(hào)，它們的基本參數(shù)如下表所示2-1422ZQ-型非接觸式角度傳感器，是一款基于圖2-2傳感器外 圖2-3傳感器所要求接頭尺年的比賽平衡桿也完全沒有出現(xiàn)強(qiáng)度不夠等現(xiàn)象。所以本屆的平衡桿也采用與上一屆制動(dòng)管路布置形2-4的復(fù)雜，很難在這個(gè)比較狹小的空間里實(shí)行布置。從便于布置安裝的角度來(lái)說(shuō)最簡(jiǎn)單的當(dāng)屬II型。并且II型制動(dòng)反應(yīng)迅速，更符合比賽中的情況，這也是往屆采用II型布置的原因。由于往屆II型布置都沒有出現(xiàn)管路失效的問題，所以這一屆的決定依然采用II2-5本章小本章對(duì)的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，包括制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)主要的組成部分，基第三動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)整車總布置參3-112滿載重力Ga3WfN4N5L678a9bφ1輪胎半徑（干胎R輪胎半徑（雨胎rμ受力符號(hào)規(guī) 3-21N2N3N44N5N6N7N8N9NNNdu/m/z動(dòng)態(tài)軸荷分配的計(jì)FLGbmdu

FLGamdu

FG(bhgdu

（3-

FG(ahgdu

（3-

duzgzFG(bzh

（3- FG(azh

（3- 由上可知，在整車參數(shù)已知的前提下，前、后軸所受地面法向力的大小只與當(dāng)時(shí)工況3-3（m Fzf（NFzr（N003-2地面法向反作用力可寫為FG(bFG

（3-（3-I曲線的繪后輪同時(shí)抱死。其中前輪若先抱死，則會(huì)產(chǎn)生失去轉(zhuǎn)向能力的情況；后輪若先抱死，則可能會(huì)產(chǎn)生后軸的側(cè)滑；相比于前兩種情況，前后軸同時(shí)抱死的工況安全度高，是F

F

（3-由前面（3-7）跟（3-8）的可得

bhga

（3-與（3-9） 1[

b24hgL (Gb2F

（3-g 2g

g g由該可知，當(dāng)整車參數(shù)已知，該所有參數(shù)便都已知，可以建立出前、后制動(dòng)器制 I曲曲線的繪的圖線形狀為一曲線，如上圖所示。但是在FSAE方程式中，前后制動(dòng)力的分配是由際測(cè)定的路面情況等，先進(jìn)行調(diào)節(jié)后將杠桿比固定，所以有必要建立曲線。配的比例，稱為制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)，用表示。表示即為

（3-

1

（3-1

ab

（3-0解 L0

（3-其中0I曲線相交位置所對(duì)應(yīng)的路面附著系數(shù)，稱為同步附著系數(shù)。由上的取值帶入上式后得到的同步附著系數(shù)與實(shí)，由之前比賽的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)場(chǎng)地的路面附著系數(shù)大概在1.0左右但是由于動(dòng)態(tài)賽中生變化，附著系數(shù)可能會(huì)達(dá)到1.4甚至更高。所以我們同時(shí)對(duì)附著系數(shù)為1.0和1.4兩種情，當(dāng)01.00hgbL當(dāng)01.4時(shí)，同樣帶入上式，的此時(shí)將兩種情況下的I3-4線與I其中兩條I曲線之間除原點(diǎn)以外的相交點(diǎn)即為兩種不同的附著系數(shù)（或不同，0時(shí)的前輪先抱死；0時(shí)，前后輪同時(shí)抱死；0時(shí)，后輪先抱死[4]。由于后輪先抱死會(huì)有后軸側(cè)滑的可能性，這對(duì)于車手的生命安全有著嚴(yán)重的，所以絕對(duì)不，利用附著系數(shù)與制動(dòng)效FiF

(i表示汽車第i軸 （3-本屆共有兩軸所以分別對(duì)前后軸先抱死的情況分別進(jìn)行利用附著系數(shù)的計(jì)算。

Lzbzhg

（3-（3-

L(1rar

（3-由可以看出，在整車參數(shù)確定的前提下，利用附著系數(shù)與平衡桿分配比和制動(dòng)強(qiáng)（z=0.6和=0.75的條件下的利用附著系數(shù)相對(duì)制動(dòng)強(qiáng)度的曲線，紅色曲線是zfr0.6=0.75時(shí)，r兩者相差沒有很大，所以制動(dòng)力分配基本合理。而平衡桿杠桿比的取值范圍要考慮的因素不止于此，后續(xù)會(huì)對(duì)它的范圍進(jìn)行確定。bfbfLLbEf后軸制動(dòng)效

Lf

（3-Er

L(1)

（3-r做出在=0.753-7=0.75地面制動(dòng)力與制動(dòng)力前輪地面制動(dòng)力 FG(b

)G(bh

（3- f

fGG后輪地面制動(dòng)力GG

r

a

r

（3- 可知，放大后地面制動(dòng)力可以作為附著系數(shù)的函數(shù)，做出圖像如校核，須要分別對(duì)前、后軸采用最大的地面制動(dòng)力來(lái)進(jìn)行校核。后軸地面制動(dòng)力的最大值由圖像及可以得到，在r=1.56時(shí)有最大值，代入計(jì) 1

2r1.4安全計(jì)算，這里取前軸附著系數(shù)f=1.6進(jìn)行計(jì)算

1

229.87mm進(jìn)行計(jì)算，可以求出前輪制動(dòng)T0.22987Fxbr1131.78N制動(dòng)盤數(shù)據(jù)的確主要是要考慮不讓現(xiàn)象以及強(qiáng)度不夠的現(xiàn)象發(fā)生。在確定制動(dòng)盤數(shù)據(jù)的過程中，先進(jìn)前制動(dòng)盤：外徑：90mm；內(nèi)徑：45mm；厚度：5mm；打孔情況：4*15：90mm：47.5mm；厚度：5mm；打孔情況：4*15：123.5mm；內(nèi)徑：82mm；厚度：5mm；打孔情況：6*24后制動(dòng)盤：外徑：108.5mm；內(nèi)徑：65mm；厚度：5mm；打孔情況：6*24兩代的半徑數(shù)值差距較大，是因?yàn)閮蓪觅愂滤x用的輪胎型號(hào)不同。本次賽事的4.6~5mm5mm。由于今年的電車考慮熱散失的要求，孔的數(shù)量又不宜太少；所以綜合考慮后，暫時(shí)決定打孔情況為4孔*2490mm；內(nèi)徑：45mm；厚度：5mm；打孔情況：4*2490mm：47.5mm；厚度：5mm；打孔情況：4*245mm，5mm。3-9制動(dòng)踏板總成的數(shù)據(jù)計(jì)3-41N2U3456N7N89NNNNNN

FpUpUb

FmcrFpUp(1Ub)

其中為制動(dòng)踏板總成的效率，包括整個(gè)踏板總成各個(gè)機(jī)械部件之間的損失以0.8。fPf

2

（Rmc rPr

8-10MPa時(shí)管路不失效。

4Pf

2Pr

Fcf

TcrFcr

RmfRmr根據(jù)3.7章節(jié)計(jì)算的數(shù)據(jù)，要想保證的車輪能夠抱死，則首先要滿足的條件

408.96N

Tcr131.78N將式（3-26）到式（3-33）Fp Fp(1)158.654首先，要保證抱死的時(shí)候前輪先比后輪抱死，以防 工況的發(fā)生。所以要Fp

FpFp(1

解得0.6150.615250N~350N350N進(jìn)行計(jì)246.18再對(duì)制動(dòng)管路內(nèi)的壓強(qiáng)進(jìn)行校核。由于Ub0.5，故只需驗(yàn)證前軸制動(dòng)400N0.7，帶入式（3-26）（3-27），最后解

Pf本章小第四章制動(dòng)踏板總成的建立與優(yōu)化校有限元軟件HyperMesh簡(jiǎn)HyperMesh是Altair公司生產(chǎn)的一款仿真軟件。它最大特點(diǎn)是它的強(qiáng)大的有限元證質(zhì)量。HyperMesh除了網(wǎng)格劃分這一主要功能之外，它還可以根據(jù)實(shí)際情況的需要，適制動(dòng)底板的設(shè)技術(shù)上也很難達(dá)到。所以，在踏板與車架之間一定要有接的裝置存在，這個(gè)連接的要考慮與車手踩踏的腳支撐等進(jìn)行連接，同時(shí)還要考慮受力的合理性等。經(jīng)過了無(wú)數(shù)次的拆，所以本次設(shè)計(jì)中設(shè)置了四個(gè)用來(lái)與底部車架固連的螺栓螺母連接4-1電車的控制器中，控制器控制電機(jī)給施加電力。制動(dòng)系統(tǒng)雖然主要是以來(lái)傳送制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)，但是制動(dòng)踏板的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)對(duì)采用的是ZQ- 器之間連接的軸的直徑固定為10mm。進(jìn)過多次仿真的試驗(yàn)以及減重的需要，將制動(dòng)底板的高度定為22mm，如圖所示4-210mm。再結(jié)合平衡桿活塞桿4-3制動(dòng)踏板系統(tǒng)的力分析與制動(dòng)底板的校4-4250N350N之間[7。前面的計(jì)算算得車400500N~600600N進(jìn)行校核。5.5，所以經(jīng)過杠桿原理計(jì)算可得主缸作用力大3300N2700N。由于踏板軸與制動(dòng)底板有兩個(gè)接觸位置，為了留出一定的安全，分別在兩個(gè)接觸點(diǎn)施加水平方向1500N的力。由于制動(dòng)踏板的運(yùn)動(dòng)為20600N的垂直力。4-4中類似，每一個(gè)主缸需要兩塊主缸支座的支HyperMesh軟件4-54-5慮到成本問題，同時(shí)比賽賽規(guī)還對(duì)底板的材料有了一定的要求。綜合以上各方面的考慮，70757075鋁的極限抗拉強(qiáng)度以及拉伸屈552MPa284.9MPa就已經(jīng)加了一定程度的安全，所以制動(dòng)底板的應(yīng)力校核通過。4-6制動(dòng)踏板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化校相比于上一代的制動(dòng)踏板，為了更加輕量化并且又不失強(qiáng)度，本次設(shè)計(jì)采用了雙41碼、42碼兩種。根據(jù)簡(jiǎn)單的人機(jī)以220mm。根據(jù)杠桿比確定平衡桿的位置以及與踏4-72000N的踩踏力，將載荷與約束施加到制動(dòng)HyperMesh軟件劃分網(wǎng)格后求解，解出應(yīng)力及位移云圖如下：4-870754-91.3mm，變形量很小。而且此2000N的踏板力的施加只是由于規(guī)則要求，實(shí)際上車手在實(shí)際運(yùn)行中的制動(dòng)踏板踩踏400N600N2000N。所以實(shí)際情況油門踏板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化校空間，油門踏板的設(shè)計(jì)也采踏板式。按照以往的經(jīng)驗(yàn)以及測(cè)量可知油門的踩踏力相比制動(dòng)要小，大150N。這里采用300N的踩踏力代入進(jìn)行校核。同樣先進(jìn)行加載后進(jìn)行4-10用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算，可得應(yīng)力及位移云圖如下4-117075鋁，圖中可以看出踏板的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，應(yīng)力4-120.48mm其他主要零件的設(shè)計(jì)與校主缸支正的圓孔。4-13Radioss4-14173MPa左右，符合強(qiáng)度要求。4-15制動(dòng)e408.96·m0.074mm，13823454施加到制動(dòng)盤上，分析后得到的應(yīng)力云圖以及位移云圖如下4-164-172Cr13不銹鋼，2Cr13635MPa。仿真結(jié)果最大值為220MPa。由于仿真過程施加的力都有一定的擴(kuò)大，所以制動(dòng)盤的應(yīng)力校核安全通0.3mm，校核亦通過。本章小0.357kg0.85kg減少了很多，并且也通過了校核，剛度方面并沒有損失體設(shè)計(jì)質(zhì)量（不包含螺釘螺母）2.625kg3.4kg20%0.3kg，所以總體減重超過了第五動(dòng)盤的熱分到制動(dòng)卡鉗的溫度不會(huì)很高，并且摩擦片磨損較大的話可以直接更換摩擦片，所以在這里ANSYS、ABAQUS、FLOTHERM等。ANSYSCATIA建模的模型直接導(dǎo)入、熱ANSYS軟件進(jìn)行熱分析。ANSYS軟件簡(jiǎn)ANSYS軟件是由ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件，是現(xiàn)如今CAEPro-E等。它將結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流體分析、電磁等都融合到了一起，使得它在各個(gè)研究ANSYS軟件包括ANSYS經(jīng)典版和ANSYSWorkbench兩種，其中ANSYSWorkbenchANSYSWorkbench軟件。主要運(yùn)用熱分析模塊。ANSYS的熱分析模塊包括兩種，分別是穩(wěn)態(tài)熱分析（Steady-StateThermal）以及瞬態(tài)制動(dòng)盤熱分析基礎(chǔ)理論知識(shí)概制動(dòng)盤制動(dòng)工況概熱量傳遞的三種基本方熱量傳遞的基本方式有三種，分別是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射[14]Fourier定律，對(duì)一個(gè)一維傳導(dǎo)問題，F(xiàn)ourier定律的A

（5-其中為熱量，t為溫度，A為面積，是在熱傳導(dǎo)中很重要的一個(gè)比例系數(shù)，叫做導(dǎo) qh(t2

（5-h是熱對(duì)流分析中很重要的參數(shù)，叫做對(duì)流換熱系數(shù)，只要能夠確定熱流量的只考慮平地上的制動(dòng)過程，則整個(gè)從初速度v0到制動(dòng)停止時(shí)的速度vt過程中機(jī)械能的Q1m(v2v2 （5-90%。0QQ210

（5-對(duì)式（5-4）q1am

（5- 其中a1.4g。v0q864.36(22.22所以，熱流量是隨時(shí)間減少的線性函數(shù)[15]對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)

（5-的比值構(gòu)成的準(zhǔn)則，表示為，Gr

（5-g為流體體積膨脹系數(shù)（空氣一般取絕對(duì)溫度的倒數(shù)）、t為物體與流體的溫度差、L為空氣流過的尺寸長(zhǎng)度、為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。自然對(duì)流的平均放熱系數(shù)的計(jì) 為

gtL3L( 2

3600gcp

（5-其中m是跟流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的指數(shù)，層流時(shí)取1/4，紊流取1/3，由于制動(dòng)盤實(shí)際情況環(huán)境較為封閉，空氣流動(dòng)能力不是很強(qiáng)，所以直接按照層流來(lái)進(jìn)行分析。C是一個(gè)與流動(dòng)表C0.59[16]。將所有可以得出的參數(shù)數(shù)值代入式5-8，簡(jiǎn)化1.28

（5-200度，空氣溫度20度。L90mm。代入后求得對(duì)流換熱系數(shù)=8.56。關(guān)于熱分析的一些條件假制動(dòng)過程初速度為80km/h，制動(dòng)度取極限最大值1.4g，制動(dòng)過程中主缸壓0.420℃制動(dòng)過程中的摩擦熱在接觸面上，并以熱流的方式輸入到制動(dòng)盤的摩擦面上[17]制動(dòng)盤的具體熱分析過程與結(jié)面幾節(jié)中已經(jīng)對(duì)制動(dòng)盤熱分析所需要的參數(shù)進(jìn)行了求解，所以只要在ANSYSWorkbench軟件里進(jìn)行載荷以及其他條件的施加即可進(jìn)行分析。制動(dòng)盤溫度場(chǎng)分對(duì)材料屬性進(jìn)行定義。制動(dòng)盤的材料為2Cr13不銹鋼，由于對(duì)材料的測(cè)量實(shí)驗(yàn)難20ANSYS材料庫(kù)的默認(rèn)值。SolutionSolve5-15-2148.59制動(dòng)盤熱-應(yīng)力耦合分5-35-4170MPa625MPa。本章小況對(duì)制動(dòng)盤施加熱邊界條件，得到制動(dòng)盤的最高溫度為148.59度，并且考慮熱載荷與結(jié)構(gòu)載荷同時(shí)施加在制動(dòng)盤上的情況，