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1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 城市軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱： 交通工程學(xué)院 專 業(yè)： 車輛工程 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 二O—五年 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 城市軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：列車制動(dòng)系統(tǒng)作為車輛系統(tǒng)中的基本組成部分，其基本制動(dòng)由電制 動(dòng)、液壓制動(dòng)及磁軌制動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過各種形式組合使用以實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)、常用 制動(dòng)、停放制動(dòng)、安全制動(dòng)等。本論文首先進(jìn)行計(jì)算分析確定盤形制動(dòng)器的參 數(shù)，主要包括制動(dòng)盤和盤轂的相關(guān)數(shù)據(jù)。在確怎數(shù)據(jù)后應(yīng)用CATIA軟件對(duì)制動(dòng) 系統(tǒng)主要部分盤形制動(dòng)器進(jìn)行三維建模，主要包括制動(dòng)盤、盤轂的建模，并對(duì) 這些零部

2、件進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)。通過分析盤形制動(dòng)器的工作原理，對(duì)制動(dòng)盤、制動(dòng) 鉗和制動(dòng)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(dòng)器的設(shè)計(jì)提供 理論依據(jù)，對(duì)部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化。 關(guān)鍵詞：制動(dòng)鉗；制動(dòng)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 bra

3、ke track ? By a combination of various forms 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

4、modeling of brake discs, brake calipers, 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 pa

5、ds and other components ,and based on the 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 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 序言 1 第1章課題分析 2 1.1選題意義及依據(jù) 2 1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 3 1.

6、3研究?jī)?nèi)容 4 1.4設(shè)計(jì)方案 4 第2章方案論證 5 2.1制動(dòng)器的分類 5 2.2盤形制動(dòng)器的介紹 5 2.3制動(dòng)器設(shè)計(jì)的一般原則 8 2.4本章小結(jié) 9 第3章 盤形制動(dòng)器的主要參數(shù)及其選擇 10 3. 1制動(dòng)盤 10 3.1.1制動(dòng)盤直徑 11 3.1.2制動(dòng)盤厚度 11 3.2制動(dòng)夾鉗 11 3.3制動(dòng)閘片 12 3.4參數(shù)的選擇與優(yōu)化 12 3.4.1制動(dòng)黏著系數(shù) 12 3. 4.2輪軌切向作用力 13 3. 4. 3軸制動(dòng)率 14 3. 4.4車輛載荷確定 15 3. 4.5單車制動(dòng)率 16 3. 4.6制動(dòng)距離 17 3.5本章小結(jié) 19

7、 第4章 盤形制動(dòng)器建模 20 4.1制動(dòng)盤的建模 20 4.2盤轂的建模 22 4. 3盤形制動(dòng)器的建模 27 4. 4本章小結(jié) 28 第5章運(yùn)動(dòng)及力學(xué)性能分析 29 5.1制動(dòng)盤的運(yùn)動(dòng)分析 29 5.1.1仿真參數(shù)設(shè)計(jì) 30 5.1.2有限元加載 31 5. 2靜力分析 35 5. 2. 1蠕滑性 35 5. 2.2曲線舒適性 36 5. 3本章小結(jié) 38 參考文獻(xiàn) 41 致謝 ?42 第6章總結(jié) 40 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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(yùn)輸方式，運(yùn)輸量和 運(yùn)輸頻率逐年增加。鐵路向高速、重載方向發(fā)展的趨勢(shì)使得

8、列車的牽引重量和 速度都要不斷提高，這給制動(dòng)技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，故制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用在鐵 路運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)速率和密度的考慮，設(shè)計(jì)的車輛需要快速起 動(dòng)、制動(dòng)高效，這要求制動(dòng)裝置可以靈活操縱，緊急制動(dòng)時(shí)迅速平穩(wěn)、效果明 顯和制動(dòng)爆發(fā)力大。因此，列車制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)在各種負(fù)荷下使車輛制動(dòng)率基本恒 定。 軌道車輛由于空間位置的限制，動(dòng)力傳動(dòng)部件占了很大空間，從而使得制 動(dòng)裝置的安裝空間有限，這對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的制動(dòng)困難?？紤]到對(duì)驅(qū)動(dòng)軸實(shí)施有效制 動(dòng)，近幾年我國逐步開發(fā)應(yīng)用了一系列不同型式的制動(dòng)裝置，例如輪裝式制動(dòng)

9、裝置和踏面制動(dòng)裝置等。當(dāng)列車運(yùn)行情況根據(jù)運(yùn)行的負(fù)載、環(huán)境等不斷變化時(shí), 導(dǎo)致作用在列車輪軸的制動(dòng)力也跟著不斷變化，因此，對(duì)列車制動(dòng)裝置進(jìn)行建 模、運(yùn)動(dòng)分析具有重要意義。 本文是關(guān)于盤形制動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)性能的設(shè)計(jì)，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?jī)?nèi)容及目前國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r等： 第二章是對(duì)機(jī)車制動(dòng)器設(shè)計(jì)的說明：第三章是對(duì)盤形制動(dòng)器進(jìn)行建模前的參數(shù) 進(jìn)行優(yōu)化，主要包括制動(dòng)盤、盤轂等：第四章是在第三章的基礎(chǔ)上，對(duì)盤形制 動(dòng)器進(jìn)行CATIA建模：第五章在第三章的基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行靜力分析并提 出優(yōu)化：第六章是對(duì)論文進(jìn)行的總結(jié)。其重點(diǎn)在于機(jī)構(gòu)的建模、運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析。 第1

10、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(yùn)快捷和重載、客運(yùn)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(jì)生產(chǎn)到運(yùn)營涉及到諸多領(lǐng)域，因?yàn)檐壍懒熊囂赜械?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(jì)方面有了更高的要求。 軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)是列車諸多組成部分中的一個(gè)關(guān)鍵部分，列車在運(yùn)行過程中 執(zhí)行制動(dòng)指令的頻率很高，故制動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對(duì)列車安全運(yùn)行具有重大影 響。軌道列車制動(dòng)是指人為地阻止列車的運(yùn)動(dòng)，包含使它不加速、減速或停止 運(yùn)行。制動(dòng)過程實(shí)質(zhì)是一個(gè)能量轉(zhuǎn)

11、換過程，是將軌道車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn) 換為熱能。用于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用和緩解作用而安裝在列車上的設(shè)備，稱為“制動(dòng) 裝置”?！傲熊囍苿?dòng)裝置”主要包含機(jī)車制動(dòng)裝置和車輛制動(dòng)裝置兩部分，其中 機(jī)車制動(dòng)裝置除了可以如同車輛制動(dòng)裝置一樣使它自己實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和緩解作用外, 還可以控制全列車實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用。由于制動(dòng)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到列車能否安 全正常的運(yùn)行，因此制動(dòng)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(dòng)性能始終是軌道車輛設(shè)計(jì)制造部門的重要課題。 隨著城市軌道交通的不斷應(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(jì)制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)需要考慮更多因素。作為列車的重要組成部分, 車輛制動(dòng)系

12、統(tǒng)對(duì)列車運(yùn)疔起到安全穩(wěn)定的作用。隨著鐵路技術(shù)的迅速發(fā)展，人 們對(duì)其安全性、舒適性、可靠性的要求越來越高，為保證列車運(yùn)行的安全，必 須為軌道車輛配備十分可靠的制動(dòng)系統(tǒng)。而制動(dòng)器作為制動(dòng)系統(tǒng)中直接作用于 輪軸，制約軌道車輛運(yùn)動(dòng)的一個(gè)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(dòng)器，因?yàn)槠鋵?shí)際工作性能是整個(gè) 制動(dòng)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(dòng)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)車主要采用的是國外的制動(dòng)系統(tǒng)，如KNORR制動(dòng)系統(tǒng)、SABWABCO 制動(dòng)系統(tǒng)以及NABCO制動(dòng)系統(tǒng)等先進(jìn)制動(dòng)系統(tǒng)。這

13、幾類目前國際上普遍應(yīng)用的制 動(dòng)系統(tǒng)，不僅操作簡(jiǎn)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(dòng)效率。隨著我國科技實(shí)力的發(fā)展提高。鐵路機(jī)車的制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)成本很高，與信號(hào)或者車輛的接口相對(duì)困難，故近年 來國內(nèi)制動(dòng)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(duì)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(duì)盤式制動(dòng)器的應(yīng)用比重逐年提高。 盤式制動(dòng)器的普遍應(yīng)用，不僅提高了整車的運(yùn)行性能，更提高了其乘坐舒適性, 滿足了人們對(duì)軌道車輛的要求。 制動(dòng)器的早期研究主要側(cè)重于試驗(yàn)其摩擦性能，隨著列車對(duì)其使用壽命和

14、制動(dòng)性能要求的不斷提高，對(duì)于制動(dòng)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(dòng)器以鼓式和盤式為主，而隨著動(dòng)車 組CRH系列的發(fā)展，盤式制動(dòng)器的應(yīng)用更為普遍。 目前國際上按照制動(dòng)的作用方式將軌道車輛分為踏面和盤形兩種基礎(chǔ)制動(dòng) 方式。踏面制動(dòng)是指閘瓦對(duì)車輪踏而施加壓力產(chǎn)生摩擦阻力，從而達(dá)到制動(dòng)效 果。作為傳統(tǒng)的制動(dòng)方式，踏而制動(dòng)對(duì)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(dòng)產(chǎn)生的 熱影響會(huì)使得車輪承受周期性的負(fù)荷，從而踏而出現(xiàn)熱疲勞，甚至疲勞過度導(dǎo) 致車輪弛緩引發(fā)重大事故。由于制動(dòng)功率與踏而制動(dòng)對(duì)踏面產(chǎn)生的的影響

15、是成 正比關(guān)系的，所以當(dāng)列車的制動(dòng)功率達(dá)到最大規(guī)立值時(shí)，閘瓦將無法吸收其產(chǎn) 生的熱量，故目前踏而制動(dòng)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(dòng)作為傳統(tǒng)的制動(dòng)方式，也逐步被盤 形制動(dòng)所替代。盤形制動(dòng)一般將制動(dòng)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(dòng)夾鉗，通過制動(dòng)閘片對(duì)制動(dòng)盤施加壓力，二者摩擦產(chǎn)生阻 力，阻礙列車運(yùn)行。相比較于踏面制動(dòng)，一方面盤形制動(dòng)未對(duì)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(zhǎng)了車輪的使用壽命，還提高 了制動(dòng)效率，其噪聲也有利于環(huán)境保護(hù)；另一方面盤形制動(dòng)采用制動(dòng)盤摩擦制 動(dòng)，制動(dòng)效果明顯，并且

16、可以根據(jù)線路要求配備多套制動(dòng)設(shè)備，提高了應(yīng)用空 間。 1.3研究?jī)?nèi)容 本次論文研究將運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)相結(jié)合，通過對(duì)盤形制動(dòng)器進(jìn)行三維建模， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)盤形制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)要求： 1. 深入學(xué)習(xí)盤形制動(dòng)器的工作原理，對(duì)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有全面的了解： 2. 運(yùn)用CATIA軟件對(duì)盤形制動(dòng)器進(jìn)行建模，主要包括制動(dòng)盤、盤轂的建模, 并對(duì)主要的部件進(jìn)行裝配： 3. 在盤形制動(dòng)器的模型基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行應(yīng)力分析，并融入設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵性要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。 1.4設(shè)計(jì)方案 為了使制動(dòng)器的設(shè)計(jì)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(duì)盤形制動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)： （1） 通過向地

17、鐵公司咨詢和查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，了解目前制動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展 狀況及相關(guān)技術(shù)： （2） 深入研究制動(dòng)器工作過程，增強(qiáng)對(duì)機(jī)車制動(dòng)機(jī)構(gòu)的知識(shí)的把握： （3） 使用CATIA V5軟件完成制動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維建模，包括制動(dòng)盤、盤轂， 并對(duì)各組成部分進(jìn)行裝配： （4） 對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行力學(xué)分析，通過對(duì)不同狀況下的受力情況進(jìn)行研究，對(duì) 制動(dòng)器的尺寸和材料進(jìn)行優(yōu)化。 第5頁共40頁 第二章方案論證 2.1制動(dòng)器的分類 盤式制動(dòng)器根據(jù)摩擦副中固定元件結(jié)構(gòu)可分為鉗盤式制動(dòng)器、全盤式制動(dòng) 器兩種形式。若按照制動(dòng)鉗結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行區(qū)分，鉗盤式制動(dòng)器可分為固宦鉗盤 式制動(dòng)器和浮鉗盤式兩種形式。 制動(dòng)器作為制動(dòng)系統(tǒng)中最

18、主要的部件，是列車制動(dòng)系統(tǒng)中制止或者減緩列 車運(yùn)行的部件。制動(dòng)器按照摩擦副結(jié)構(gòu)形式主要包含盤式.鼓式兩種形式。 圖1T盤形制動(dòng)器 1 一制動(dòng)盤：2 —閘片：3-閘片托： 盤式制動(dòng)器：其固定摩擦元件為制動(dòng)塊，制動(dòng) 塊帶有摩擦片，安裝于制動(dòng)盤兩側(cè)，其旋轉(zhuǎn)元件以 兩側(cè)面為工作而，且制動(dòng)盤須沿垂直方向安放。當(dāng) 兩側(cè)的制動(dòng)塊夾緊制動(dòng)盤時(shí)，摩擦而上產(chǎn)生摩擦力 矩作用于制動(dòng)盤，制止車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，起到制動(dòng)效果 （圖 1-1）。 鼓式制動(dòng)器：目前機(jī)車運(yùn)用的主要包括外束 型鼓式和內(nèi)張型鼓式兩種。內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器的 4—制動(dòng)缸：5—杠桿 摩擦元件以一對(duì)含有圓弧形摩擦蹄片的制動(dòng)蹄。鼓式制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)蹄

19、 摩擦片的外表而和制動(dòng)鼓的內(nèi)圓柱而形成摩擦表而，在制動(dòng)鼓上面摩擦產(chǎn)生阻 力，從而達(dá)到制動(dòng)的目的。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2.2盤式制動(dòng)器的介紹 伴隨著鐵路機(jī)車載重的增大和速度的提高，對(duì)制動(dòng)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(dòng)將主要熱能傳遞給車輪,而對(duì)于車輪的制作材料和主 體結(jié)構(gòu)無法隨意變動(dòng)，這限制了車輛的使用。 盤形制動(dòng)在列車運(yùn)行中不僅成本較低，日常維護(hù)比較簡(jiǎn)單，而且很大程度 上提高了車軸制動(dòng)功率，降低了列車制動(dòng)時(shí)的縱向沖動(dòng)。因?yàn)獒槍?duì)制動(dòng)的不同 要求，可以選擇不同形式的制動(dòng)盤，所以變相地?cái)U(kuò)大了盤形制動(dòng)器的使用范圍, 推動(dòng)了盤形制動(dòng)器的普遍應(yīng)用。 早在20世紀(jì)30年代，徳國

20、率先在地鐵中裝配了盤式制動(dòng)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(dòng)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制動(dòng)器。目前國外已經(jīng) 逐步開始研制含陶瓷鋁合金的制動(dòng)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(dòng)器作為目前應(yīng)用普遍的一種新型制動(dòng)器（圖2-1）,軌道車輛的盤 形制動(dòng)是指在車軸或車輪輻板側(cè)而安裝鑄鐵， 利用活塞控制制動(dòng)夾鉗將冶金材料或者合成材 料制成的閘片壓緊制動(dòng)盤的側(cè)而，利用制動(dòng)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(dòng)安全性， 也很好處理了舊

21、式制動(dòng)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(dòng) 器 制動(dòng)盤作為列車制動(dòng)時(shí)承受熱能的主要部件，對(duì)其材質(zhì)選擇要求很高。目前 普遍采用合金耐磨鑄鐵，鑄鐵的熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容量較高，但是鑄鐵盤的強(qiáng)度 較差，故合金既可發(fā)揮鑄鐵的優(yōu)點(diǎn),又避免了其強(qiáng)度差的特性。另外對(duì)制動(dòng)器的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵，在輪對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)和車軸載荷過大的情況下產(chǎn)生大星熱負(fù)荷， 因此對(duì)于軸盤式的制動(dòng)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(dòng)盤內(nèi)側(cè)也有通風(fēng)筋，可實(shí)現(xiàn)徑向通風(fēng)，使得制動(dòng)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(dòng)在制動(dòng)盤的安裝形式上可分為輪盤

22、 第6頁共40頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第13頁共40頁 制動(dòng)和軸盤制動(dòng)(圖2-2) o 圖2-2 (a)輪盤制動(dòng) 圖2?2 (b)軸盤制動(dòng) 1—輪對(duì)：2—制動(dòng)盤：3—單元制動(dòng)缸：4—制動(dòng)夾鉗：5—牽引電機(jī) 對(duì)于輪盤制動(dòng)，其安裝連接方式可分為三種： (1) 多點(diǎn)式結(jié)構(gòu) 多點(diǎn)式結(jié)構(gòu)將不少于兩個(gè)的環(huán)形制動(dòng)盤分別安裝于輪 芯的兩側(cè)，用套有尼龍?zhí)椎穆菟▽⒅苿?dòng)盤連接起來，其中套尼龍?zhí)椎哪康氖瞧鸬?緩和熱應(yīng)力的作用，以防制動(dòng)過程中螺栓受力升溫發(fā)生變形。 (2) 浮動(dòng)式結(jié)構(gòu) 將制動(dòng)盤與安裝座用徑向彈性圓套筒銷來連接以緩和 制動(dòng)時(shí)的熱應(yīng)力變形。 (3) 雙金屬

23、式結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤的材料采用鑄鐵，將制動(dòng)盤與支座一起鑄造成 為雙金屬結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)要求制動(dòng)盤與車軸同心的程度不高，故只要保持 其相對(duì)位置不變。 針對(duì)盤形制動(dòng)，浮動(dòng)式連接方式是制動(dòng)盤安裝采用的方式，分為整盤式和 對(duì)半式兩種連接方式。 圖2-3輪盤制動(dòng) 輪盤制動(dòng)(圖2-3)的制動(dòng)盤一般安裝于車輪兩 側(cè)，其安裝方式是通過6個(gè)定位銷進(jìn)行對(duì)中定位和傳 遞制動(dòng)力矩，將兩個(gè)摩擦盤安裝在車輪兩側(cè)。而兩 個(gè)摩擦盤采用12個(gè)徑向排列的螺栓連接，使用防松 螺母鎖緊螺栓。 車輪制動(dòng)盤要求將摩擦表而與輪緣外表而齊平, 以便制動(dòng)盤與其他類型的 制動(dòng)閘片和制動(dòng)夾鉗配合使用。當(dāng)制動(dòng)盤應(yīng)用于動(dòng)力轉(zhuǎn)向架時(shí)，規(guī)宦安

24、裝4個(gè)制 動(dòng)盤。 軸盤制動(dòng)的制動(dòng)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(gè)制動(dòng)盤8個(gè)摩擦而，能提供更大制動(dòng)力。 盤形制動(dòng)裝置包含制動(dòng)盤和制動(dòng)夾鉗，其中安裝在制動(dòng)夾鉗上的制動(dòng)閘片 與制動(dòng)盤組成摩擦副，通過與制動(dòng)盤表而的摩擦作用將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能釋 放。 盤式制動(dòng)器與傳統(tǒng)制動(dòng)器對(duì)比，有以下特性： （1） 盤形制動(dòng)器沒有制動(dòng)鼓，制動(dòng)器不存在間隙的明顯加大，故制動(dòng)踏板 的行程較大。當(dāng)輸出相同的制動(dòng)力矩時(shí)，其尺寸與質(zhì)量相對(duì)較小，這有利于實(shí) 現(xiàn)間隙的自動(dòng)調(diào)整和對(duì)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(jì)簡(jiǎn)化等方面趨于靈活。 （2） 盤形制動(dòng)器的

25、制動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的制約力傳動(dòng)比，也縮短了活塞的操作時(shí) 間。 （3） 盤形制動(dòng)器是多回路的制動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主體，其制動(dòng)力穩(wěn)定。通過制 動(dòng)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(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的制動(dòng)，這確保了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。 （4） 相比較于傳統(tǒng)的制動(dòng)器，盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝更為精細(xì), 對(duì)與之相配合的部件要求高，故生產(chǎn)成本也要高于傳統(tǒng)制動(dòng)器，并且噪音低和 環(huán)境污染較小。 （5） 盤式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤直接與空氣相接觸，其散熱性能很好。摩 擦塊對(duì)制動(dòng)盤的高壓易

26、擠出其中水分，故制動(dòng)效能只會(huì)發(fā)生微小的變化。 （6） 在制動(dòng)盤內(nèi)部鑄造加強(qiáng)筋，一方而改善了鑄造的工藝性能，使制動(dòng)盤 的強(qiáng)度得到加強(qiáng)。另一方面大大的節(jié)省了制作材料。當(dāng)摩擦片磨損時(shí)，易實(shí)現(xiàn) 制動(dòng)器的摩損報(bào)警，方便及時(shí)更換摩擦片。 因此對(duì)軌道車輛而言，盤式制動(dòng)器制動(dòng)效率高，耐用環(huán)保，制動(dòng)力曲線相對(duì) 平直,成本相對(duì)較低，是一種實(shí)用的制動(dòng)器。 2.3制動(dòng)器設(shè)計(jì)的一般原則 軌道交通的制動(dòng)性能是指在保證列車的方向穩(wěn)定性前提下，實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi) 停車或者能夠以穩(wěn)左均勻的速度下較長(zhǎng)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(dòng)效果。 因此在設(shè)計(jì)制動(dòng)器的過程中要考慮諸多因素，如

27、制動(dòng)效能的穩(wěn)宦性、制動(dòng)器的 一些尺寸、制動(dòng)間隙的大小等因素，并對(duì)制動(dòng)力、制動(dòng)力分配系數(shù)、制動(dòng)器因 數(shù)等進(jìn)行較為詳細(xì)的計(jì)算。對(duì)主要零件諸如制動(dòng)盤、制動(dòng)鉗、制動(dòng)閘片、摩擦 襯塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并計(jì)算。不論如何設(shè)計(jì)，只要根據(jù)實(shí)際情況滿足制動(dòng)要求，力 求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用方便。 2. 4本章小結(jié) 本章通過總體介紹制動(dòng)器的發(fā)展及運(yùn)用，說明了盤形制動(dòng)器在軌道制動(dòng)行 業(yè)中的重要性。盤形制動(dòng)器不僅提高列車的安全性和可靠性，也幫助企業(yè)提高 競(jìng)爭(zhēng)力，從長(zhǎng)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(dòng)器的主要參數(shù)及其選擇 3.1制動(dòng)盤 現(xiàn)在我國車輛的軸裝制動(dòng)由整體式鑄鐵結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤環(huán)和盤轂組成，其中

28、 制動(dòng)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(yùn)行時(shí)，車軸轉(zhuǎn)動(dòng)作平動(dòng)和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)盤作為具有徑向排布散熱筋的環(huán) 形鑄鐵件隨之轉(zhuǎn)動(dòng)（圖3-1） o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(dòng)盤的外沿為制動(dòng)接觸的摩擦而，內(nèi)側(cè)鑄有多個(gè)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(yùn)行過程中情況復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)許多變動(dòng)，這 也對(duì)摩擦盤的厚度、散熱筋的尺寸限制及制動(dòng)盤 的材料提出了更多要求?？紤]到列車緊急制動(dòng)的 爆發(fā)力，摩擦盤的可磨耗厚度一般規(guī)定為7 mm, 在其圓周方向有一個(gè)槽，車輛在運(yùn)行規(guī)定周期后 會(huì)需根據(jù)要求更換。

29、由于受到軌道承載力和機(jī)車 質(zhì)星要求的限制，在摩擦盤的設(shè)計(jì)過程中需要盡量減小質(zhì)量。 圖3? 1典型制動(dòng)盤 此次設(shè)計(jì)課題是軸裝制動(dòng)器（圖3-2），主要針對(duì)SW-220K型轉(zhuǎn)向架的新型高 速客車轉(zhuǎn)向架。作為目前運(yùn)用垠為廣泛的制動(dòng)器，軸裝制動(dòng)器安裝、維護(hù)方便。 軸裝制動(dòng)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 圖3?2軸戟制動(dòng)盤 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(gè)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(dòng) 力。另外摩擦盤的安裝孔徑要求螺栓大，承受 緊固力，而不承受剪切力。

30、 3.1.1制動(dòng)盤直徑D 為保證160km/h快速客車的安全運(yùn)行，需要制動(dòng)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(dòng)鉗對(duì)制動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中考慮到輪輜直徑的限制，制動(dòng)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(duì)的輪徑是 915mm,且軸重規(guī)定14t。 制動(dòng)盤Dx =75%Dr =0.7*915=640.5mm.取640mm：車軸為RD型，故內(nèi)徑取 350mmo 所以制動(dòng)盤的外徑為640 mm,內(nèi)徑為350 mm。 3.1.2制動(dòng)盤厚度h 考慮到列車的輕便性，制動(dòng)盤的質(zhì)量不宜過大，故對(duì)其厚度有所限制

31、。機(jī) 車制動(dòng)時(shí)的溫升加速，為減少溫升，制動(dòng)盤厚度又不宜過小。為了加快制動(dòng)熱 量的消散，在制動(dòng)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(dòng)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(dòng)盤實(shí)心厚度取為44mm,散熱筋取30mm,所以制動(dòng)盤總厚度74mm。 制動(dòng)盤的表而應(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(dòng)夾鉗 針對(duì)SW-220K型轉(zhuǎn)向架的新型高速客車轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架裝配有4個(gè)緊湊式 夾鉗裝置，在轉(zhuǎn)向架上并排布置，列車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)其中兩個(gè)裝置起制動(dòng)作用。 每個(gè)帶停放功能的制動(dòng)夾鉗在自動(dòng)制動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)，在車體

32、兩側(cè)軌道旁均可手 動(dòng)緩解停放裝置。對(duì)于160kni/h提速客車的要求，車輛采用RZS型制動(dòng)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(jì)要求，對(duì)RZS型制動(dòng)夾鉗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)： 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(dòng)閘片。單獨(dú)制造的油缸裝嵌入鉗體中，為了減少傳給制動(dòng)液的熱量, 將活塞開口端部切成階梯狀，減少活塞與制動(dòng)塊背板的接觸面積，形成兩個(gè)相 對(duì)且在同一平面內(nèi)的小半圓環(huán)形端而。活塞由鑄鋁合金制成，活塞應(yīng)能壓住盡 量多的制動(dòng)塊面積，以免襯塊發(fā)生卷角而引起尖叫聲。為了提

33、高其耐磨損性能, 活塞的工作表面進(jìn)行鍍銘處理。 3.3制動(dòng)閘片 圖3-2 UIC標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)閘片 制動(dòng)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挪接在一起。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(duì)RZS 型制動(dòng)夾鉗，所設(shè)計(jì)制動(dòng)閘片為圓弓形，外形為 UIC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)形狀（圖3-2）。 制動(dòng)閘片與其支架的接口為楔形樺頭，由對(duì)稱的上下兩半組成。制動(dòng)閘片 上的溝槽主要有減少摩擦副上水分和排污兩個(gè)作用，并且列車在制動(dòng)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(dòng)效果更為明顯，也有利于 延長(zhǎng)閘片使用壽命。針對(duì)160km/h新

34、型高速客車，考慮到溝槽形狀與列車運(yùn)行環(huán) 境、制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片的配合形式有關(guān)，采用上下對(duì)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)境彩響會(huì)使得制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤而間摩 擦系數(shù)衰減，并且對(duì)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(dòng)器設(shè) 計(jì)時(shí)要綜合考慮材料的特性，要求材料的摩擦系數(shù)約為0.3?0.5。本次設(shè)計(jì)的 制動(dòng)閘片均為合成制動(dòng)閘片，選用粉末冶金材料，其摩擦系數(shù)均為o?35o 3.4參數(shù)的選擇與優(yōu)化 3.4.1制動(dòng)黏著系數(shù) 1. 黏著系數(shù)主要受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是車輪踏面與鋼軌的表面接觸狀況： 另一個(gè)是列車

35、的運(yùn)行速度。根據(jù)我國的實(shí)際國情，得出的可供我國機(jī)車車輛設(shè) 計(jì)時(shí)選用的制動(dòng)黏著系數(shù)公式： 干燥軌而 尸0.0624+半丄 （3- v + 260 1） 潮濕軌面 尸0.0405+ - （3-2） v + 120 2 V 式中 制動(dòng)時(shí)的列車初速度（km/h）: S ?—制動(dòng)距離（m）： 列車在制動(dòng)距離內(nèi)的平均減速度（m/疋）o 對(duì)于我國的國產(chǎn)CRH系列的動(dòng)車組，當(dāng)制動(dòng)初速為160knVh時(shí)，規(guī)定緊 急制動(dòng)距離為1400m：當(dāng)制動(dòng)初速為200km/h時(shí)，規(guī)定緊急制動(dòng)距離為 2000m；當(dāng)制動(dòng)初速為300knVh時(shí)，緊急制動(dòng)距離則要大于3000m。 針對(duì)論文設(shè)計(jì)的時(shí)速160km

36、/h的客車盤形制動(dòng)器，則平均減速度要求達(dá)到 0.7m/52:對(duì)于輪軌黏著系數(shù)小 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 根據(jù)黏著系數(shù)，制動(dòng)時(shí)輪軌間的切向作用力的最大值B“可由下式計(jì)算: (3-3) 式中 工N~~—個(gè)輪對(duì)法向反作用力N的總和，相等于軸載荷。 列車在平鋪軌道上穩(wěn)左運(yùn)行時(shí)，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(duì)軌道的破壞作用，與軸重 成正比關(guān)系，故軸重大時(shí)，軌道受的沖擊大，將提高維護(hù)成本，縮短設(shè)備壽命。 對(duì)于160km/h型動(dòng)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

37、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(shí)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，低軸 式列車速度更快，維修成本更低。 故采用軸重14t的動(dòng)車式車軸，v=160knVh,機(jī)車牽引質(zhì)量G=56t,機(jī)車計(jì) 算質(zhì)量P=12&,高磨合成閘片等效壓力》K； = 340kN,閘片的平均摩擦系數(shù) 為0.35o輪軌間的切向作用力不大于14kN。 3. 4.3軸制動(dòng)率 由于制動(dòng)力應(yīng)受輪軌黏著的限制，即： (3- B

38、工K表示整車的夾鉗壓力總和（kN）,工N表示整車 所受的重力（kN）。令為整車制動(dòng)率，則 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 ?扭轉(zhuǎn)載荷 第17頁共40頁 (3- 340 126 ? 9.8 Q ? g 6） 式中 Q———整車的總重量（t）； g 重力加速度（m/T）。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，制動(dòng)率表示該車所具有的制動(dòng)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)計(jì)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(duì)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 匕=（車體自重+整備重量+車輛載重） （3-

39、 7） 2. 垂向動(dòng)載荷 垂向動(dòng)載荷巧是由于軌面不平，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(dòng)而產(chǎn)生的。 匕=心.巴 （3- 8） 式中K*為動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的垂向動(dòng)載荷系數(shù)，其與車輛運(yùn)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)左值為準(zhǔn)。 3. 故垂向總載荷由下式計(jì)算： "匕+馬F + K奇）巴 （3- 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(yùn)行時(shí)， 同時(shí)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)而投影 面積的形心上。 對(duì)于作用于車體的離心力：

40、（N） （3- * gR 10） 式中 g——重力加速度（m/F）； v--通過曲線時(shí)的列車最大允許速度（km/h）； R——曲線半徑（m）： 匕一一車體垂向靜載荷（N）。 因?yàn)樵诰€路鋪設(shè)曲線段時(shí)，外軌鋪設(shè)比內(nèi)軌鋪設(shè)高岀一個(gè)h值，即外軌超 高量，從而使得車輛內(nèi)傾，產(chǎn)生分力H,： H2=Pxt = - （N） （3- 11） 式中人為輪對(duì)兩滾動(dòng)圓之間的距離半徑（mm）,其值為2q=1493mm 因此兩者之差: (3- H = H[ cosa-H2 12） 由于a角度很小，故cosal,即: HZWW（孟曠備）（N） (3- 13） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論

41、文） 車輛制造的幾何誤差，線路不平順等，會(huì)使車體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)?！稄?qiáng)度規(guī)范》規(guī) 定扭轉(zhuǎn)載荷取值40 kN emo 6 ?縱向力 縱向力作為列車在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，車輛之間產(chǎn)生的壓縮和拉伸的力。對(duì) 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 kNo 3. 4.5單車制動(dòng)率 盤形制動(dòng)的制動(dòng)力: (3- B 訂(K ? 0 ?壬) 14) 式中 K一閘片壓力（kN）： 申一閘片摩擦系數(shù)： r—閘片作用半徑（mm）： R_—車輛（滾動(dòng)圓）半徑（mm）。 <3-1盤形制動(dòng)聞片換算摩擦系數(shù) v/ (km> /r1 90

42、 100 110 120 130 140 150 160 ) 屮 0. 26 0. 256 0. 252 0. 248 0. 244 0. 241 0. 239 0. 236 根據(jù)表3?1,對(duì)于車軸重為14t的列車，在正常運(yùn)行中實(shí)施制動(dòng)，車輛的最 大制動(dòng)力B=170kNo 3. 4.6制動(dòng)距離 第19頁共40頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 制動(dòng)距離為空走距離和有效制動(dòng)距離之和: Sb = Sk + Se (3- 15) 制動(dòng)狀態(tài)下，除阻力外，還有制動(dòng)力B作用在列車上。則 — (" + 3) = (1 +刃側(cè)

43、+〃叨羋 at (3- 16) 式中 車輛的部件質(zhì)量（t） B 制動(dòng)力（kN）： 阻力（kN）。 其中空走距離按照簡(jiǎn)單勻速運(yùn)動(dòng)公式計(jì)算: =1000?匕?幾_t^v. 5 " 3600 3.6 (m) (3-17) 式中 5-…制動(dòng)初速（km/h）： 19) 第#頁共40頁 tk■…空走時(shí)間（S）o 我國客車通過實(shí)驗(yàn)獲得的制動(dòng)空走時(shí)間計(jì)算公式: (3- tk =3.5 —0.08Z, 18) 式中 -加算坡度千分?jǐn)?shù)，當(dāng)-X）時(shí)，規(guī)定按計(jì)算。 故-不大于3.5s,則空進(jìn)距離為156m。 根據(jù)實(shí)際列車在不同區(qū)段的制動(dòng)速度的變化，令

44、$為折算系數(shù)，選取通用 的等效折算系數(shù)表達(dá)式: (3- 8 =038+0.002 (100-V0) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 由于列車在整體作平移運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還有輪對(duì)等部件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以列 車的動(dòng)能由兩部分組成，即： =2 * 乙 2 （3-20） 式中 M——整個(gè)列車的質(zhì)星： v---列車運(yùn)行速度： I一一各個(gè)回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 0）……各個(gè)回轉(zhuǎn)部分的角速度。 令回轉(zhuǎn)部分的回轉(zhuǎn)半徑為人〃，因?yàn)椋?=?,采用分段枳分法，則間隔運(yùn) Rh 2弋9 行距離為: (3? 21) (3-22) 其中距離等效摩擦公式: 4.17?居十) 1000憐?％+”? (3

45、-23) 式中 g…一加速度系數(shù)（計(jì)算中規(guī)定統(tǒng)一取平均值$=120）； 嶺』2…一列車運(yùn)行中各個(gè)間隔速度； Cp-…各個(gè)間隔速度時(shí)期的單位合力（數(shù)值上等于速度間隔平均速度）: V-…列車運(yùn)行中各個(gè)間隔速度的平均速度的閘瓦換算摩擦系數(shù); 5-一一列車單位基本阻力。 則有效制動(dòng)距離5e = ZA5=831m 所以^ S/, = S& + S廣831+156=987mvl400m,符合設(shè)計(jì)要求。 3. 5本章小結(jié) 對(duì)于盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)而言，制動(dòng)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(duì)它們進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。在工作 中的受力情況比較復(fù)雜，包括結(jié)構(gòu)

46、形式選擇、主要參數(shù)選擇、相關(guān)參數(shù)計(jì)算。 分析時(shí)，由于摩擦阻力主要取決于運(yùn)動(dòng)零件的制造質(zhì)量與潤(rùn)滑情況，其數(shù)值相 對(duì)比較小，進(jìn)行機(jī)構(gòu)受力分析時(shí)可以忽略不計(jì)。 第29頁共40頁 的圓圖，如圖4?1和圖4?2所示。 圖4T 外圓 第4章盤形制動(dòng)器的建模 盤形制動(dòng)器的建模采用的是由外到內(nèi)的方法，即先對(duì)主要受力部件進(jìn)疔建 模，再對(duì)內(nèi)部與車軸接觸部件建模，主要包括制動(dòng)盤和盤轂兩部分的建模。垠 終利用軟件將各部分通過約束進(jìn)行裝配，構(gòu)建出完整的盤形制動(dòng)器。 盤形制動(dòng)器中各個(gè)主要零件的模型尺寸數(shù)據(jù)來源于專業(yè)車輛制動(dòng)介紹。 4.1制動(dòng)盤的建模 本節(jié)建模的制動(dòng)盤為內(nèi)含散熱筋的機(jī)構(gòu)，在設(shè)

47、計(jì)開始時(shí)，首先創(chuàng)建草圖平 面，再通過拉伸、切槽等功能對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行建模。在本節(jié)的制動(dòng)盤建模中，采 用“零件設(shè)計(jì)‘模塊來實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)。 （1） 在“零件設(shè)計(jì)"模塊中新建零件，命名為zhidongpano （2） 利用“草圖設(shè)計(jì)”功能，在xy平面上構(gòu)建半徑分別為175mm和320mm 圖4?2內(nèi)88 （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）使用圓宦義，在制動(dòng)盤的端面上的一側(cè)作三個(gè)三角形分布、半徑為10mm 圓，如圖4?6所示：再用凸臺(tái)功能，在上一步建立草圖圓形的的端面上，選擇

48、拉伸功能，將草圖拉伸36mm,作為制動(dòng)盤的散熱筋，如圖4?7所示。 圖4-6定位凸臺(tái) o o 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(duì)象，設(shè)置旋轉(zhuǎn) 間距為20度，18個(gè)實(shí)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(dòng)盤的設(shè)計(jì)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的圓，利用拉伸實(shí)體功能，將上一步建立的草圖拉伸22 mm,如 圖4-9所

49、示。 （7）用草圖設(shè)計(jì)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，然后宦義凹槽，深度為100mm.生成制動(dòng)盤如圖4J 1所示。 圖4-10定義凹橫 4-11制動(dòng)盤 4.2盤轂的建模 （1）在“零件設(shè)計(jì)"模塊中新建零件，命名為panguo用草圖設(shè)計(jì)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9&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4J4所示。 圖4T2內(nèi)圖定義 圖4-13外圓定義 圖4?14草圖拉

50、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(jì)功能，在上一步設(shè)計(jì)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(shí)體的端面上，在“草圖”模式中建立半徑 為113mm的圓，用拉伸實(shí)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(tái) 圖4?17圓定義 （6） 通過偏移的平面，即已建立的拉伸實(shí)體的端面上，建立直徑為98.5mm的 圓輪劇草圖，并將上一步建立的草圖拉伸5

51、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,如圖兮 20和圖4-21所示。 aw砧］ 圖4-19平面定義 圖4-18拉伸草圖 圖4-20圖定義 圖4-21外圖定義 （9）選擇拉伸功能，對(duì)內(nèi)、外圓分別進(jìn)彳亍拉伸，拉伸36mm和22mm,如圖4 22和圖4?23所示。 圖4-22拉伸草圖 二Mi w-1 圖4-23定義拉伸 圖4-24定義平面 （10）用平面宦義功能,

52、在上一步建立的拉伸體的xyplane平面上宦義新的平 面，偏移于原平面22mm,完成后的平而如圖4?24所示。 圖4-25 圖定義 圖4-26邊圖定義 圖4-27定義凸臺(tái) 圖4-28平面定義 逐 .4 鼻“如：t曲目 匚二咖畑粉 圖4-29側(cè)圖定義 圖4-30倒角 （11） 用草圖設(shè)計(jì)功能，在最初設(shè)計(jì)的平面上作半徑為135.1mm和12&lmm 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

53、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(duì)所以的節(jié)圓處用倒圓角功能，在 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圓柱體的連接邊線上倒半徑為5mm的圓角。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(zhǎng) 11.472mm o (17) 退出草圖模式，對(duì)圖形進(jìn)行拉伸9mm,如圖4?33所示。 ffl 4-31桿草圖 圖4-32定義尺寸 圖4-33拉伸定義 第39頁共40頁 (

54、18) 重復(fù)第一步得到的草圖，建立半徑為7mm的圓。 (19) 用凸臺(tái)功能，對(duì)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 35、4?36所示。 圖4-34定義凸臺(tái) 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，其邊長(zhǎng)11.472mm, 如圖4-37所示。 （23） 退出草圖模式后采用拉伸功能，對(duì)圖形進(jìn)行拉伸9mm,如圖4-37所示。 圖4-36頂端倒角 圖4-37螺母定義

55、 4.3盤形制動(dòng)器的裝配 設(shè)計(jì)方案的前兩節(jié)對(duì)制動(dòng)盤和盤轂的建模已經(jīng)完成，本節(jié)將對(duì)其進(jìn)行裝配。 （1） 首先進(jìn)入“裝配設(shè)計(jì)”模式，采用“插入零件”功能，將制動(dòng)盤和盤轂的 插入。 （2） 利用“接觸約束”功能，選擇制動(dòng)盤的內(nèi)端面和盤轂的外端面。 （3） 利用“重合約束”功能，選擇盤轂與螺栓相對(duì)應(yīng)的螺紋孔軸線，如圖4-38 所示。 （4） 采用“距離約束”功能，對(duì)螺栓小的端面邊界和盤轂進(jìn)行約束，再利用 “重合約束”功能，約束螺栓小頭孔軸線和銷孔的軸線使其重合，如圖4-39所 /Jxo （5） 利用“距離約束”和“重合約束”功能，對(duì)制動(dòng)盤和盤轂進(jìn)行裝配，得到 裝配圖如圖4-40、4-

56、41所示。 圖4-38盤董 圖4-40整體圖 圖4?39 盤董袈配 圖4-41側(cè)門整體圖 4. 4本章小結(jié) 本章節(jié)利用CATIA軟件進(jìn)行建模，首先利用零件設(shè)計(jì)，對(duì)盤形制動(dòng)器進(jìn)行 建模，主要部件包括盤轂和制動(dòng)盤。在對(duì)各個(gè)主要部件裝配時(shí)，使用距離約束、 重合功能及面接觸等功能對(duì)零件進(jìn)行裝配，為后面的力學(xué)分析做準(zhǔn)備。 第五章 盤形制動(dòng)器力學(xué)性能分析 5.1有限元分析簡(jiǎn)介 在盤形制動(dòng)器運(yùn)動(dòng)過程中，盤形制動(dòng)器跟隨車軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要承受制 動(dòng)夾鉗的壓力，并將此力通過鍵傳給車軸，從而阻止輪對(duì)快速運(yùn)轉(zhuǎn)，降低旋轉(zhuǎn) 速度，達(dá)到平穩(wěn)減速的效果。 有限元的主要含義就是將結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，即將

57、實(shí)際結(jié)構(gòu)假象地離散為有 限數(shù)目規(guī)則單元組合體，通過對(duì)離散體進(jìn)行分析研究，得出滿足精度要求的結(jié) 果來替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，從而了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的整體物理性能，這樣可以解 決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。 盤形制動(dòng)器有限元分析的基本步驟為： （1） 結(jié)合實(shí)際，給分析對(duì)象定義材料屬性。 （2） 邊界約束。對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析要通過對(duì)結(jié)構(gòu)體上的一些 結(jié)構(gòu)要素如點(diǎn)、邊、面等進(jìn)行約束，建立分析的邊界條件，從而限制要分析對(duì) 象的某些自由度。 （3） 結(jié)合分析對(duì)象在實(shí)際工作中的受力或力矩情況對(duì)適當(dāng)部位加載。 （4） 網(wǎng)格劃分。進(jìn)行有限元分析之前，必須根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)

58、行 必要的幾何簡(jiǎn)化，定義單元的類型、數(shù)目、大小和排列方式等。 （5） 單元特性計(jì)算。 （6） 對(duì)有限元模型解析。即結(jié)合整個(gè)離散化連續(xù)體的代數(shù)方程，把各個(gè)單 元的節(jié)點(diǎn)力矢量集合為總的力和載荷矢量，求解節(jié)點(diǎn)位移，從而可進(jìn)一步計(jì)算 出單元應(yīng)變與應(yīng)力。 （7）結(jié)果處理與顯示。將有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加工處理并以圖形、圖像或 其他形式顯示出來。 網(wǎng)格的劃分影響有限元分析精度，是一個(gè)重要步驟，將劃分網(wǎng)格時(shí)要考慮 的原為： （1） 網(wǎng)格的數(shù)量。網(wǎng)格數(shù)星的大小影響計(jì)算量的大小，也彩響計(jì)算結(jié)果的 精度。因此要結(jié)合計(jì)算量和精度確定網(wǎng)格的數(shù)量。 （2） 網(wǎng)格的密度。根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)變化梯度，劃分相對(duì)的疏密網(wǎng)格

59、。 （3） 良好的單元形狀。正多邊形或正多而體為單元最佳形狀。 （4） 良好的部分過渡性。過度應(yīng)相對(duì)平穩(wěn)。 （5） 網(wǎng)格的自適應(yīng)性。在幾何尖角處等變化大的地方劃分密集的網(wǎng)格，保 證計(jì)算精確。 盤形制動(dòng)器的的工作環(huán)境較惡劣，在列車高速運(yùn)行過程中做變速運(yùn)動(dòng)，因 此在制動(dòng)過程中的受力情況比較復(fù)雜，包括車身作用力、運(yùn)動(dòng)慣性力、摩擦力 及外界阻力。在分析時(shí)，由于盤轂與車軸的摩擦阻力主要取決于運(yùn)動(dòng)零件的制 造質(zhì)量與潤(rùn)滑情況，其數(shù)值相對(duì)比較小，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)受力分析時(shí)忽略不計(jì)。 在對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行靜力分析時(shí)，必須了解制動(dòng)盤的受力情況。制動(dòng)盤主要承 受夾鉗的壓力，通過采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的聯(lián)合制動(dòng)模式，產(chǎn)生

60、的夾鉗力直 接作用在制動(dòng)盤的側(cè)面，另外，制動(dòng)盤還受到車軸對(duì)其的壓力及回轉(zhuǎn)慣性力， 但由于制動(dòng)盤所受回轉(zhuǎn)慣性力相對(duì)于車軸內(nèi)壓力的作用方向相反，為保證制動(dòng) 盤具有滿足條件的強(qiáng)度，因此在研究時(shí)不考慮此力，由于制動(dòng)盤受到的內(nèi)壓力 對(duì)盤形制動(dòng)器的作用不明顯，可以忽略。 盤形制動(dòng)器受力的垠惡劣工況是當(dāng)列車處于高速運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行緊急制動(dòng)。 此時(shí)制動(dòng)盤所受的側(cè)壓力是聯(lián)合制動(dòng)模式的最大制動(dòng)力，此壓力垂直加于制動(dòng) 盤的兩個(gè)側(cè)面，由于制動(dòng)盤隨車軸做轉(zhuǎn)動(dòng)，所以同時(shí)對(duì)盤轂銷孔座處固定約束, 限制盤轂的軸線z軸上的其余方向的位移，同時(shí)限制x、y、z軸三個(gè)方向的旋 轉(zhuǎn)約束。 5.1.1仿真參數(shù)設(shè)計(jì) 制動(dòng)盤在做功過程中，

61、其側(cè)面主要承受夾鉗的高壓力，對(duì)于聯(lián)合制動(dòng)模式 而言，其制動(dòng)壓力可達(dá)110-610 kpa,當(dāng)列車處于緊急制動(dòng)時(shí)，取最大測(cè)試壓力 為210 kpa進(jìn)行研究。 從制動(dòng)盤的工作條件可以看出，為保證機(jī)構(gòu)具有良好的工作特性，對(duì)制動(dòng) 盤的灰口鑄鐵材料，要求好的耐磨性、熱膨脹系數(shù)小、好的熱傳導(dǎo)性、好的力 學(xué)性能及良好的加工性能，如圖5-1所示。 圖5T應(yīng)用材料 材料的結(jié)構(gòu)屬性：楊氏模量7e+010 N_m2 ,泊松比為0.270,密度7210 kg_m3,熱膨脹2.46e-005_Kdeg,屈服強(qiáng)度9.5e+007 N_m2o選中制動(dòng)盤，點(diǎn)擊 測(cè)量慣量，讀取制動(dòng)盤質(zhì)量m為27kg,如圖5?2所示

62、。 □ 5?. @ 渣* 圖5-2材料屬性 *5】p** 加 I " 1 XMfi I E 5.1.2有限元加載 (1)進(jìn)入"分析與模擬”中“Generative Structural Analysis”模塊，選擇“Static Analysis",如圖 5-3 所示。 （2）點(diǎn)擊［Meshing Method］（網(wǎng)格劃分方法）工具欄內(nèi)的【Octree Tetrahedron Mesher］按鈕，設(shè)置網(wǎng)格大小，如圖54所示。 （3）選取制動(dòng)盤的內(nèi)表面進(jìn)行“Clamp”加緊，如圖5?5所示。 圖5-3靜態(tài)分析 

63、圖5-4網(wǎng)格劃分 圖5-5 約束 （4）取制動(dòng)盤處于垠惡劣的情況進(jìn)行加載，緊急制動(dòng)壓力取p z =210 kpa,選取“Pressure",垂直加于制動(dòng)盤的側(cè)面，如圖5?6所示。 系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)按照默認(rèn)的參數(shù)對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，雙擊模型 樹中的“OCTREE Tetrahedron Mesh.lS可以修改網(wǎng)格參數(shù)，得到精細(xì)的網(wǎng)格單 元，使結(jié)果更加精確。 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第41頁共40頁 圖5?6施加壓力 0 圖5-7施加壓力 (5) 點(diǎn)擊-Compute"計(jì)算圖標(biāo)，選

64、擇“All %十算，如圖5?8所示。 Efrnct Q SUfkt", 0 曲 梓2? IM， 5 k FHU Dtmtnt VlxM.l OCTREE Ttihroo MHU : 蠢 PO0ef/.l 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第45頁共40頁 圖5-8壓力計(jì)算 圖5-9應(yīng)力顯示圖 化衛(wèi)仏 巴坯*二：中心耳24田也。?反⑥―它#介7◎百E.Ufi 圖5-10應(yīng)力圖 f 耳 LTn* MaM^crJ /" Nod4fld Element Prc<5!rtk.t MoU ?ai

65、 圖5?11 位移圖 （6）調(diào)整顯示模式，如圖5-9, 5-10, 5-11所示。 當(dāng)制動(dòng)盤處于緊急制動(dòng)夾鉗時(shí)，此時(shí)承受最惡劣的情況，由圖5-9,圖5- 10,可以看出制動(dòng)盤的最大應(yīng)力出現(xiàn)在散熱筋處，低于材料的屈服強(qiáng)度。由位 移圖分析可知，制動(dòng)盤的摩擦而外側(cè)的變形最大，其中盤轂的邊側(cè)在軸向方向 略微向內(nèi)擠壓，由于存在銷的約束，制動(dòng)盤變形量很小。 5. 2靜力分析 由應(yīng)力圖看出，應(yīng)力仍主

66、要集中于制動(dòng)盤的摩擦面處，在不超出屈服強(qiáng)度 的前提下，與傳統(tǒng)的制動(dòng)盤相比，應(yīng)力稍許增加，在一定程度上達(dá)到了節(jié)約材 料的目的。 5. 2.1蠕滑性 通過對(duì)快速客車的提速要求，必然會(huì)增加輪軌的彈性，牽引力的增大會(huì)使 得車輪和鋼軌之間的正壓力和切向力變大，從而運(yùn)行中必然會(huì)有發(fā)生蠕滑。 縱向蠕滑率 V — V —亠二 (5- 1) 橫向蠕滑率 V — V (5- 2） 式中 匕——車輛實(shí)際前進(jìn)速度： vxr——車輛純滾動(dòng)前進(jìn)速度： 匕.——車輛實(shí)際橫向速度： ——車輛純滾動(dòng)橫向速度。 在可控的線性范圍內(nèi)，蠕滑力和蠕滑率之間的關(guān)系可以表示為： F = -f （5-3） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） f = \414RN(kN) (5- 4) 式中 f-——蠕滑系數(shù)： R 車輪半徑(mm)； N——分配到每個(gè)車輪上的軸重(t)。 對(duì)于160knVh的快速客車，車輪直徑為915mm,輪對(duì)的軸重為14t,則蠕 滑系數(shù)11764.6 kNo此時(shí)若輪對(duì)上每個(gè)車輪都有向前的蠕滑力F=1 kN時(shí)，則 蠕滑率