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燃料电池公交车气压制动系统设计与分析毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

近年来,新能源汽车发展速度飞快,各种类型的新能源汽车层出不穷,而制动系统作为汽车上不可缺少的一部分,人们自然也会关注制动系统的安全性、稳定性。汽车的制动性能直接关系到交通安全,随着城市交通网日益发达,车流密度越来越大,交通事故频发,汽车的制动性能也越来越重要。

本次设计,结合国内外许多资料文献,对比各种类型制动器的优缺点,最终以燃料电池公交车宇通ZK6105FCEVG1为参考车型,设计与之匹配的气压制动系统,并对主要零部件进行设计与分析,制动器形式的选择为气压制动浮钳盘式制动器,对制动系统主要参数进行计算,气压驱动机构的分析与选择等,通过三维建模软件CATIA对制动器等主要机构模型的建立与装配,再将制动盘与摩擦片导入仿真软件ABAQUS进行热-机耦合分析,分析其应力场与温度场。

关键词:盘式制动器;气压制动;ABAQUS;热-机耦合分析

Abstract

In recent years, with the rapid development of new energy vehicles, various types of new energy vehicles emerge in an endless stream. As an indispensable part of automobiles, people will naturally pay attention to the safety and stability of the braking system. The braking performance of automobiles is directly related to traffic safety. With the development of urban traffic network, traffic density is increasing, traffic accidents occur frequently, and the braking performance of automobiles is becoming more and more important.

This design, combined with many domestic and foreign documents, compares the advantages and disadvantages of various types of brakes, and finally takes fuel cell bus Yutong ZK6105FCEVG1 as a reference model, designs and analyses the matching pneumatic brake system, and designs and analyses the main components. The choice of brake form is pneumatic brake floating caliper disc brake, and calculates the main parameters of the brake system. The three-dimensional modeling software CATIA is used to build and assemble the brake and other main mechanisms. Then the brake disc and friction disc are imported into the simulation software ABAQUS for thermal-mechanical coupling analysis, and the stress and temperature fields are analyzed.

Key Words:Disc brake; Pneumatic brake; ABAQUS; Thermal-mechanical coupling analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 燃料电池汽车行业现状 1

1.3 气压制动系统研究现状 1

1.4 课题的研究内容 2

1.5 拟采用的技术路线 2

1.6 本章小结 2

第2章 制动方案分析与选择 3

2.1 制动器的模式方案分析 3

2.1.1 鼓式制动器 3

2.1.2 盘式制动器 3

2. 2 制动器驱动结构型式 5

2.2.1 简单制动系 5

2.2.2 动力制动系 5

2.3.3 伺服制动系 6

2. 3 气压盘式制动器原理 6

2.4 本章小结 7

第3章 制动系统主要参数的确定 8

3.1 设计车型的基本参数 8

3.2 前、后轮制动力分配系数β的确定 8

3.3 同步附着系数的确定 9

3. 4 制动器制动力矩的确定 9

3.5 制动距离与制动减速度的计算 10

3.6 盘式制动器主要参数的确定 11

3.7 盘式制动器主要零部件的结构设计 12

3.8 本章小结 14

第4章 气压制动系统结构设计与分析 15

4.1 气压制动系统结构 15

4.1.1 气压制动回路 15

4.1.2 供能装置 16

4.2  气压动力制动主要元件结构设计 16

4.2.1 制动气室设计 16

4.2.2 储气筒 17

4.2.3  空气圧缩机的设计 18

4.3 本章小结 18

第5章 基于ABAQUS的制动盘热-力耦合仿真分析 19

5.1 ABAQUS软件简介 19

5.2 实体三维模型的建立 19

5.3 创建材料和截面属性 20

5.4 创建分析步 20

5.5 载荷和边界条件的设置 21

5.6 网格划分 21

5.7 温度场和应力场分析 22

5.7.1 温度场分析 22

5.7.2 应力场分析 23

5.8 本章小结 25

结 论 26

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

制动系统是电动汽车上非常重要的部分,它的工作性能直接反映了电动汽车的安全性。目前,城市交通快速发展,建设的道路系统更为复杂,车流量越为密集,且汽车的车速也在不断提升,城市交通安全成为重中之重,对汽车制动系统的安全性要求更加严格。

由于制动系统的安全性能比较重要,若是制动系统设计完成后存在着重大的问题,那么造成的后果将是不可想象的。通过对制动系统的深入研究,设计较好的气压制动系统,让电动汽车的制动系统能够发挥其良好的制动性能。本文我将以燃料电池公交车宇通ZK6105FCEVG1为例,设计一套气压制动系统,然后评价其制动效能,对制动盘进行热力学仿真分析,使之与城市电动公交车相匹配。

1.2 燃料电池汽车行业现状

经过多年的发展,我国传统燃油汽车行业发展水平已经较为成熟,而且技术设施相对完备,产品应用市场广,汽车产品种类齐全。但相较于国外知名汽车品牌的发展水平,我国还需要进一步努力,在汽车应用技术领域还需不断进行深入研究、加大创新力度。加入世贸组织后,中国曾认为国外的汽车行业将会很大程度上影响国内汽车工业的发展。但事实上,在加入世贸组织的第一年,进口汽车的市场占有率还不到4%,这无疑是一个好消息。在这个前提下,国内的各大汽车厂商加大投入,努力扩展国内外市场,目前,我国已经步入世界前三汽车生产制造及销售大国的行列。

如今汽车已经改新换代,从产生大量有害气体的传统的燃油车变为节能环保的新能源车,对环境无危害,对不可再生能源的依赖也大幅减小。相距世界汽车工业先进水平,中国在传统能源汽车的研发水平和自主创新能力的方面较为欠缺。但是,中国在发展新能源汽车的过程中,具有良好的发展环境和资源条件,发展较为迅速。新世纪以来,依据国家政策,以及对生态环境的考虑,大力发展新能源电动汽车的技术。近年来,我国的燃料电池在技术领域取得重大创新突破,为新能源动力技术应用于汽车产业提供了很大的帮助。在全球范围内,我国属于电动汽车消费者大国。目前,中国每天有五、六千万辆新能源电动车需要充电,消耗约超过9亿千瓦时的电力。在如此大的市场需求下,我国新能源动力技术将会有很大的发展空间。

1.3 气压制动系统研究现状

在我国最早对汽车动力制动系统的研究中,对气压制动系统的研究占据了很大的比重。气压制动的优点是在制动过程中能够获得较大的制动力,且用于连接主车、牵引车和动车组之间的驱动系统装置简单。正是因为这些优点,气压制动装置在一些大型车辆上得到了广泛的应用。然而,气压制动并不全是优点,其他方面也有很多缺点。主要有气压制动系统的重量较重、制造价格高、以及气压制动系统结构复杂,并且气压管道中气体压力的出现和消失有一定的延迟。这些都是目前气压制动系统需要解决的问题。

1.4 课题的研究内容

本文以燃料电池公交车宇通ZK6105FCEVG1为目标车型进行气压制动系统设计,主要设计内容为气压制动器设计。以设计满足使用需求的制动系统为目标,根据整个设计的实际流程以及可能遇到的问题,再进行相应的研究工作,主要内容包括:

1.参考车型参数的确定;

2.完成燃料电池公交车的制动系方案设计;

3.气压制动系统和制动器结构参数设计;

4.评价制动性能;

5.对制动盘进行热力学仿真分析。

1.5 拟采用的技术路线

(1)制动系的总体设计:制动系的设计要求、制动系的参数选择、制动形式的确定。

(2)制动器的设计与计算:制动系制动力矩的确定、盘式制动器结构设计、制动钳的结构设计、在CATIA中进行零件建模与装配。

(3)气压制动驱动机构的设计计算:工作原理、制动气室、储气罐、空气压缩机、制动管路的选择。

(4)制动性分析:制动性的评价指标、制动距离、制动减速度计算。

(5)热力学仿真:在ABAQUS中对制动盘进行热力学仿真。

1.6 本章小结

本章阐述了电动汽车气压制动系统的研究背景及意义以及国内外研究现状,针对气压制动系统的设计流程及可能遇到的问题,确定本设计的主要研究内容及技术路线。

第2章 制动方案分析与选择

对于制动系统的设计,所有部分的设计相互之间都是有关联的,制动系统的设计是一项系统性的工作,所以在进行设计之前,先分析各种方案的优缺点,然后进一步选择比较合适的。

2.1 制动器的模式方案分析

制动器的形式一般都是采用机械摩擦式,简单来说,也就是对其中的固定元件施加促动力,让固定元件与旋转元件进行摩擦,从而产生制动力,而固定元件的制动力矩由动力供给系统提供。汽车制动器类别主要是由于其内部结构的旋转部件的不同来分为鼓式制动器和盘式制动器。

2.1.1 鼓式制动器

鼓式制动器在结构上大体可以分为两种类型,分别是内张型和外束型。内张型制动鼓的工作表面是内圆柱面,大部分汽车上用的都是内张型:而外束型制动鼓被极少数汽车用来做驻车制动器。

上面讲到,制动器制动是旋转的元件与固定的元件进行摩擦,从而产生制动力,制动蹄就是其中的固定元件。当其一端受到促动力作用时,可以环绕旋转轴旋转,然后接触到外部的制动鼓的内表面上,从而来产生制动力矩。

2.1.2 盘式制动器

在盘式制动器中,我们根据其结构中旋转及固定元件的差别,进一步将盘式制动器分成钳盘式和全盘式两种。两者结构内部的旋转部件都是制动盘,固定的部件不同。。

钳盘式制动器内部结构的旋转元件和固定元件分别是是制动盘与制动钳。从名称可以看出,制动盘就是一个金属材质的圆型盘体。而制动钳是由“骑”在盘体两侧的夹钳型支架中的制动块和促动装置所组成。制动块是由一定面积的摩擦块和一块金属背板所组成。

区别于钳盘式的是,全盘式制动器的固定元件是一个圆盘形的金属材质的背板和摩擦片。工作时,由于摩擦片也是圆盘型的,其接触面可以完全和制动盘接触。为了获得较大的制动力,可以加多个摩擦片在里面,称为多片全盘式制动器,但这样的话,制动器的散热功能的工作效率会变差,结构也变得更为复杂。

本文在设计公共汽车的制动系统时,经过多方面的考虑和理论的论证,选择的是钳盘式制动器。根据其构造结构形式和相应功能方面的不同,钳盘式制动器又被分为定钳盘式和浮动钳盘式两种。

1)定钳盘式制动器

如图2.1,从固定钳盘式结构图中可以看出,它的制动盘直接是用螺栓稳固在轮毂上,制动钳连接在车桥转向节上,使得它无法进行转动和移动,因此需要在其两侧都加上制动轮缸的油缸。可是在制动盘的两侧都分加油缸的话,势必会让整个制动器的结构尺寸变大,对于结构布置也比较困难,而且要在制动钳上布置油路,制动器工作时温度较高,会引起制动油液的温度升高,从而产生气泡,影响制动效果。这些缺点加起来,让固定钳盘式制动器很难用于现代的车辆。

2)浮钳盘式制动器

如图2.2,从浮钳盘式制动器的示意图中能够看出,其结构当中的制动钳体是不固定的,可以沿着导向销进行移动。制动钳有一定的运动方式,因此又将其分为滑动和摆动钳盘式两种。区别于定钳盘式制动器,滑动钳盘式制动器的制动钳可以沿着轴线进行移动,而且只需要在制动盘的内侧,也就是靠近转向节的一边装置油缸就可以;另外一边的制动块则还是装在钳体上。摆动钳盘式制动器与之一样,要在其内侧装置油缸。两者不同的方面在于摆动式制动钳体需要跟固定在车轴上的支座相互铰接连接,无法像滑动钳盘式那样进行轴向移动,只是能够在与制动盘垂直的平面内做一定的摆动来工作,产生制动力矩,进行车辆的制动。

相比于定钳盘式,浮钳盘式制动器好的方面在于仅需要在制动盘的一侧设置油缸即可,因此其结构更为简易,不同的尺寸的元件之间更加容易布置,内部结构也更为精密。而且不需要设置不同组的制动块来控制行车和驻车时的制动,同一组制动块就可以同时完成两者共用,无需另外增加辅助制动装置。而且浮钳式不用在制动钳上设置油路,也不会发生油液受热产生气泡降低制动效果的情况,单侧油缸又位于盘的内侧,可以充分散热。

综上所述,我设计的公交车制动系统拟采用浮钳盘式制动器。

2. 2 制动器驱动结构型式

制动驱动机构的构造、性质和功能可以决定车辆制动系统的稳定以及准确性。因此,首先保证制动驱动机构能够正常稳定工作:加快制动力矩的产生和消除,将汽车制动性能发挥到最优;同时保证汽车的制动驱动机构操作轻便;最后,当踩下踏板时的距离与所需要的力,应与制动产生的制动扭矩成一定相关关系。确保车辆在最佳条件下产生制动扭矩。

根据动力的产生及来源不同,制动驱动机构类别主要有以下几种。

2.2.1 简单制动系

人力制动系统是最简易的制动系统,依靠车辆操纵员作用于油门或制动踏板或把手作为动力来源的力,力的传递又可区别为机械式和液压式。

机械式大部分通过杆系或者钢丝绳传递,主要原因是成本低,结构简易,工作准确性高,但是存在的缺点是机械效率低,造成适用范围狭窄,仅适用于中小型车辆的驻车制动。

通过简易的液压传输来进行汽车制动的系统通常被简称为液压制动系统,具有动作滞后时间短、工作强度大、气缸直径小等优点。但是其最大的缺点是力传动比不够高,限制了它的应用。

2.2.2 动力制动系

动力制动系统的重要动力来源是发动机,主要利用其工作产生的动力驱动气泵或者液压泵,产生气压或液压势能,作为力源供给汽车制动。动力制动系统分为气顶液式、全液压式、和气压式三大类。

1)气压制动系统

气动制动系统是最普遍应用的的动力制动系统。它提供的动力足够大,而且制动驱动系统结构更为简易,方便结构布置。因此,它被广泛应用于重型货车、以及越野汽车和客车上。

2)气顶液式制动系统

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