城轨道车辆制动系统设计本科论文.doc

。 本科毕业设计（论文）城市轨道车辆制动系统设计学院名称： 交通工程学院 专 业： 车辆工程 学 号： 姓 名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 二一五 年 月-可编辑修改-。城市轨道车辆制动系统设计摘 要：列车制动系统作为车辆系统中的基本组成部分，其基本制动由电制动、液压制动及磁轨制动实现，通过各种形式组合使用以实现紧急制动、常用制动、停放制动、安全制动等。本论文首先进行计算分析确定盘形制动器的参数，主要包括制动盘和盘毂的相关数据。在确定数据后应用CATIA软件对制动系统主要部分盘形制动器进行三维建模，主要包括制动盘、盘毂的建模，并对这些零部件进行装配设计。通过分析盘形制动器的工作原理，对制动盘、制动钳和制动块等零部件进行静力分析。根据分析结果，为盘形制动器的设计提供理论依据，对部件结构进行合理的优化。关键词：制动钳；制动盘；建模；优化 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 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 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 pads 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-可编辑修改-。目 录序 言1第1章 课题分析21.1选题意义及依据21.2国内外的研究现状31.3研究内容41.4设计方案4第2章 方案论证52.1 制动器的分类52.2 盘形制动器的介绍52.3 制动器设计的一般原则82.4 本章小结9第3章 盘形制动器的主要参数及其选择103.1 制动盘103.1.1制动盘直径113.1.2制动盘厚度113.2 制动夹钳113.3 制动闸片123.4 参数的选择与优化123.4.1制动黏着系数123.4.2轮轨切向作用力133.4.3轴制动率143.4.4车辆载荷确定153.4.5单车制动率163.4.6制动距离17 3.5 本章小结19第4章 盘形制动器建模204.1 制动盘的建模204.2 盘毂的建模224.3盘形制动器的建模274.4本章小结28第5章 运动及力学性能分析295.1制动盘的运动分析295.1.1 仿真参数设计305.1.2 有限元加载315.2静力分析355.2.1 蠕滑性355.2.2 曲线舒适性365.3本章小结38第6章 总结40参考文献41致 谢42-可编辑修改-序言随着我国经济快速发展，铁路作为我国目前最主要的运输方式，运输量和运输频率逐年增加。铁路向高速、重载方向发展的趋势使得列车的牵引重量和速度都要不断提高，这给制动技术带来了巨大的挑战，故制动技术的应用在铁路运输中愈加重要。我国的城市轨道交通发展迅速，城市内部及城市之间的列车加速、减速及停车比较频繁。出于提高车辆运转速率和密度的考虑，设计的车辆需要快速起动、制动高效，这要求制动装置可以灵活操纵，紧急制动时迅速平稳、效果明显和制动爆发力大。因此，列车制动系统应在各种负荷下使车辆制动率基本恒定。轨道车辆由于空间位置的限制, 动力传动部件占了很大空间, 从而使得制动装置的安装空间有限，这对驱动轴的制动困难。考虑到对驱动轴实施有效制动, 近几年我国逐步开发应用了一系列不同型式的制动装置, 例如轮装式制动装置和踏面制动装置等。当列车运行情况根据运行的负载、环境等不断变化时，导致作用在列车轮轴的制动力也跟着不断变化，因此，对列车制动装置进行建模、运动分析具有重要意义。本文是关于盘形制动器的运动学和力学性能的设计，共分为六章。第一章为课题分析，主要论述论文选题意义、研究内容及目前国内外的发展状况等；第二章是对机车制动器设计的说明；第三章是对盘形制动器进行建模前的参数进行优化，主要包括制动盘、盘毂等；第四章是在第三章的基础上，对盘形制动器进行CATIA建模；第五章在第三章的基础上，对制动盘进行静力分析并提出优化；第六章是对论文进行的总结。其重点在于机构的建模、运动力学分析。第1章 课题分析1.1选题意义及依据 我国铁路发展的总体规划是构建货运快捷和重载、客运快速、行车高密技术协调发展。要求未来铁路发展必须不同层次技术装备并存，高新技术与适用技术并重，保证拥有自己核心技术的的技术体系。城市轨道交通的从设计生产到运营涉及到诸多领域，因为轨道列车特有的安全性、舒适性、经济性等众多指标，使得在列车的设计方面有了更高的要求。轨道交通制动系统是列车诸多组成部分中的一个关键部分，列车在运行过程中执行制动指令的频率很高，故制动系统性能的优劣对列车安全运行具有重大影响。轨道列车制动是指人为地阻止列车的运动，包含使它不加速、减速或停止运行。制动过程实质是一个能量转换过程，是将轨道车辆运行时产生的动能转换为热能。用于实现制动作用和缓解作用而安装在列车上的设备，称为“制动装置”。“列车制动装置”主要包含机车制动装置和车辆制动装置两部分，其中机车制动装置除了可以如同车辆制动装置一样使它自己实现制动和缓解作用外，还可以控制全列车实现制动作用。由于制动性能的优劣直接关系到列车能否安全正常的运行，因此制动性能是车辆极为重要的性能之一，不断改善和提高轨道车辆的制动性能始终是轨道车辆设计制造部门的重要课题。随着城市轨道交通的不断应用和发展，列车速度不断提高，路面情况愈加复杂，这使得在设计制动系统时需要考虑更多因素。作为列车的重要组成部分，车辆制动系统对列车运行起到安全稳定的作用。随着铁路技术的迅速发展，人们对其安全性、舒适性、可靠性的要求越来越高，为保证列车运行的安全，必须为轨道车辆配备十分可靠的制动系统。而制动器作为制动系统中直接作用于轮轴，制约轨道车辆运动的一个关键装置，是轨道车辆上最为重要的安全件。目前我国轨道车辆普遍采用的摩擦式制动器，因为其实际工作性能是整个制动系统中最为复杂，也是最不稳定的因素，所以优化制动器结构、提高制约性能的突出问题具有非常重要的意义。1.2 国内外研究状况当前我国机车主要采用的是国外的制动系统，如KNORR制动系统、SABWABCO制动系统以及NABCO制动系统等先进制动系统。这几类目前国际上普遍应用的制动系统，不仅操作简便，效果明显，更可以与列车其他系统进行优化配合，提高制动效率。随着我国科技实力的发展提高。铁路机车的制动部分将逐步发展成为自主研发为主，适当引进欧美系统为辅的发展格局。由于国外的制动系统成本很高，与信号或者车辆的接口相对困难，故近年来国内制动行业进步迅速。伴随着我国轨道工业的飞速发展，对国外先进技术吸收基础上不断创新，我国的轨道车辆工业对盘式制动器的应用比重逐年提高。盘式制动器的普遍应用，不仅提高了整车的运行性能，更提高了其乘坐舒适性，满足了人们对轨道车辆的要求。制动器的早期研究主要侧重于试验其摩擦性能，随着列车对其使用寿命和制动性能要求的不断提高，对于制动器的基础理论研究与应用拓展也在不断的深入进行。目前，我国轨道车辆所用的制动器以鼓式和盘式为主，而随着动车组CRH系列的发展，盘式制动器的应用更为普遍。目前国际上按照制动的作用方式将轨道车辆分为踏面和盘形两种基础制动方式。踏面制动是指闸瓦对车轮踏面施加压力产生摩擦阻力，从而达到制动效果。作为传统的制动方式，踏面制动对车轮的踏面有较大磨耗，主要表现在两方面：一方面使得踏面磨损加速，缩短了车轮使用寿命；另一方面制动产生的热影响会使得车轮承受周期性的负荷，从而踏面出现热疲劳，甚至疲劳过度导致车轮弛缓引发重大事故。由于制动功率与踏面制动对踏面产生的的影响是成正比关系的，所以当列车的制动功率达到最大规定值时，闸瓦将无法吸收其产生的热量，故目前踏面制动在高速列车中应用较少，主要应用于传统的中低速列车中。伴随着铁路交通的快速发展，踏面制动作为传统的制动方式，也逐步被盘形制动所替代。盘形制动一般将制动盘安装在车轮辐板侧面或车辆之间的轴上，利用活塞作用于制动夹钳，通过制动闸片对制动盘施加压力，二者摩擦产生阻力，阻碍列车运行。相比较于踏面制动，一方面盘形制动未对踏面施加作用力，所以车轮踏面的热负荷和机械磨耗较小，不仅延长了车轮的使用寿命，还提高了制动效率，其噪声也有利于环境保护；另一方面盘形制动采用制动盘摩擦制动，制动效果明显，并且可以根据线路要求配备多套制动设备，提高了应用空间。1.3研究内容本次论文研究将运动学与力学相结合，通过对盘形制动器进行三维建模，从而实现对盘形制动器的优化设计。设计要求：1. 深入学习盘形制动器的工作原理，对制动器的设计和应用有全面的了解；2. 运用CATIA软件对盘形制动器进行建模，主要包括制动盘、盘毂的建模，并对主要的部件进行装配；3.在盘形制动器的模型基础上，对制动器进行应力分析，并融入设计的关键性要求，对数据进行优化。1.4设计方案为了使制动器的设计更加合理、客观，本着科学严谨的态度，按照以下步骤对盘形制动器进行优化设计：（1）通过向地铁公司咨询和查阅相关参考文献，了解目前制动领域的发展状况及相关技术；（2）深入研究制动器工作过程，增强对机车制动机构的知识的把握；（3）使用CATIA V5软件完成制动机构的三维建模，包括制动盘、盘毂，并对各组成部分进行装配；（4）对制动盘进行力学分析，通过对不同状况下的受力情况进行研究，对制动器的尺寸和材料进行优化。 第二章 方案论证2.1制动器的分类盘式制动器根据摩擦副中固定元件结构可分为钳盘式制动器、全盘式制动器两种形式。若按照制动钳结构形式进行区分，钳盘式制动器可分为固定钳盘式制动器和浮钳盘式两种形式。制动器作为制动系统中最主要的部件，是列车制动系统中制止或者减缓列车运行的部件。制动器按照摩擦副结构形式主要包含盘式、鼓式两种形式。 盘式制动器：其固定摩擦元件为制动块，制动块带有摩擦片，安装于制动盘两侧，其旋转元件以两侧面为工作面，且制动盘须沿垂直方向安放。当两侧的制动块夹紧制动盘时，摩擦面上产生摩擦力矩作用于制动盘，制止车轮转动，起到制动效果（图1-1）。 图1-1 盘形制动器 鼓式制动器：目前机车运用的主要包括外束 1制动盘；2闸片；3闸片托；型鼓式和内张型鼓式两种。内张型鼓式制动器的 4制动缸；5杠杆摩擦元件以一对含有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄。鼓式制动器在制动时，制动蹄摩擦片的外表面和制动鼓的内圆柱面形成摩擦表面，在制动鼓上面摩擦产生阻力，从而达到制动的目的。 2.2 盘式制动器的介绍伴随着铁路机车载重的增大和速度的提高,对制动系统的要求也愈加严格。而以前普遍应用的闸瓦制动将主要热能传递给车轮,而对于车轮的制作材料和主体结构无法随意变动,这限制了车辆的使用。盘形制动在列车运行中不仅成本较低，日常维护比较简单，而且很大程度上提高了车轴制动功率，降低了列车制动时的纵向冲动。因为针对制动的不同要求，可以选择不同形式的制动盘，所以变相地扩大了盘形制动器的使用范围，推动了盘形制动器的普遍应用。早在20世纪30年代，德国率先在地铁中装配了盘式制动器,介于其良好的工作性能，随后在其快速列车中上也装备了这种制动器。随后英国、法国、美国、日本和俄罗斯等国家在轨道车辆上也普遍采用盘形制动器。目前国外已经逐步开始研制含陶瓷铝合金的制动盘，我国正在借鉴国外先进技术，展开深入研究，以便更好地满足货物列车快速、重载的要求。盘式制动器作为目前应用普遍的一种新型制动器（图2-1），轨道车辆的盘形制动是指在车轴或车轮辐板侧面安装铸铁，利用活塞控制制动夹钳将冶金材料或者合成材料制成的闸片压紧制动盘的侧面，利用制动盘与闸片产生的摩擦力，使列车减缓速度或停车。不仅很大程度上提高轨道车辆的主动安全性，也很好处理了旧式制动器无法杜绝的基本问题，如维修频率较高、噪音污染较大和粉尘污染严重等。 图2-1 盘形制动器制动盘作为列车制动时承受热能的主要部件,对其材质选择要求很高。目前普遍采用合金耐磨铸铁, 铸铁的热传导系数、热容量较高，但是铸铁盘的强度较差,故合金既可发挥铸铁的优点,又避免了其强度差的特性。另外对制动器的结构设计也很关键，在轮对高速转动和车轴载荷过大的情况下产生大量热负荷,因此对于轴盘式的制动盘的两侧间铸有径向的孔,形成离心通道,而轮盘式的制动盘内侧也有通风筋,可实现径向通风,使得制动器结构具有良好的散热功能，并且缓和热负荷的应力作用。目前盘形制动在制动盘的安装形式上可分为轮盘制动和轴盘制动（图2-2）。 图2-2（a） 轮盘制动 图2-2（b） 轴盘制动1轮对；2制动盘；3单元制动缸；4制动夹钳；5牵引电机对于轮盘制动，其安装连接方式可分为三种: (1) 多点式结构 多点式结构将不少于两个的环形制动盘分别安装于轮芯的两侧,用套有尼龙套的螺栓将制动盘连接起来,其中套尼龙套的目的是起到缓和热应力的作用，以防制动过程中螺栓受力升温发生变形。 (2) 浮动式结构 将制动盘与安装座用径向弹性圆套筒销来连接以缓和制动时的热应力变形。 (3) 双金属式结构制动盘的材料采用铸铁，将制动盘与支座一起铸造成为双金属结构。因为这种结构要求制动盘与车轴同心的程度不高，故只要保持其相对位置不变。针对盘形制动, 浮动式连接方式是制动盘安装采用的方式，分为整盘式和对半式两种连接方式。轮盘制动（图2-3）的制动盘一般安装于车轮两侧，其安装方式是通过6个定位销进行对中定位和传递制动力矩，将两个摩擦盘安装在车轮两侧。而两个摩擦盘采用12个径向排列的螺栓连接，使用防松螺母锁紧螺栓。 图2-3 轮盘制动车轮制动盘要求将摩擦表面与轮缘外表面齐平，以便制动盘与其他类型的制动闸片和制动夹钳配合使用。当制动盘应用于动力转向架时，规定安装4个制动盘。轴盘制动的制动盘安装在车轴或者空心轴套上，可以在车轴内侧或外侧，在空间允许的条件下可以安装4个制动盘8个摩擦面，能提供更大制动力。盘形制动装置包含制动盘和制动夹钳，其中安装在制动夹钳上的制动闸片与制动盘组成摩擦副，通过与制动盘表面的摩擦作用将制动能量转换为热能释放。盘式制动器与传统制动器对比，有以下特性：（1）盘形制动器没有制动鼓，制动器不存在间隙的明显加大，故制动踏板的行程较大。当输出相同的制动力矩时，其尺寸与质量相对较小，这有利于实现间隙的自动调整和对其他部件的保养作业，使工作人员在调整间隙、结构设计简化等方面趋于灵活。（2）盘形制动器的制动盘和摩擦块之间的间隙较小，一般为0.05mm至0.15mm。这不仅有利于提高驱动机构的制约力传动比，也缩短了活塞的操作时间。（3）盘形制动器是多回路的制动驱动系统的主体，其制动力稳定。通过制动盘和两侧闸片之间的紧压，两者之间可以获得稳定的摩擦系数，各车轮都能不同车速下都可以均匀一致地实现平稳的制动，这确保了整个系统的安全性。（4）相比较于传统的制动器，盘式制动器的结构复杂，制造工艺更为精细，对与之相配合的部件要求高，故生产成本也要高于传统制动器，并且噪音低和环境污染较小。（5）盘式制动器制动时，制动盘直接与空气相接触，其散热性能很好。摩擦块对制动盘的高压易挤出其中水分，故制动效能只会发生微小的变化。（6）在制动盘内部铸造加强筋，一方面改善了铸造的工艺性能，使制动盘的强度得到加强。另一方面大大的节省了制作材料。当摩擦片磨损时，易实现制动器的摩损报警，方便及时更换摩擦片。因此对轨道车辆而言,盘式制动器制动效率高，耐用环保,制动力曲线相对平直,成本相对较低,是一种实用的制动器。2.3 制动器设计的一般原则轨道交通的制动性能是指在保证列车的方向稳定性前提下，实现短距离内停车或者能够以稳定均匀的速度下较长的坡道。为达使用要求，不仅要考虑维修方便、经济适用,更要保持良好的制动效果。因此在设计制动器的过程中要考虑诸多因素，如制动效能的稳定性、制动器的一些尺寸、制动间隙的大小等因素，并对制动力、制动力分配系数、制动器因数等进行较为详细的计算。对主要零件诸如制动盘、制动钳、制动闸片、摩擦衬块进行结构设计并计算。不论如何设计,只要根据实际情况满足制动要求，力求结构简单、实用方便。2.4 本章小结本章通过总体介绍制动器的发展及运用，说明了盘形制动器在轨道制动行业中的重要性。盘形制动器不仅提高列车的安全性和可靠性，也帮助企业提高竞争力，从长远来看更是节能环保，符合现代产品的发展方向。第三章 盘形制动器的主要参数及其选择3.1 制动盘 现在我国车辆的轴装制动由整体式铸铁结构的制动盘环和盘毂组成，其中制动盘和盘毂通过螺栓、垫片和弹性套等连接。盘毂将其固定在车轴上。当列车运行时，车轴转动作平动和定轴转动，制动盘作为具有径向排布散热筋的环形铸铁件随之转动（图3-1）。散热筋不仅传递热量，也通风散热，保证摩擦盘的热平衡。制动盘的外沿为制动接触的摩擦面，内侧铸有多个大小形状相同的细柱形散热筋，沿径向均匀分布，从而在散热筋间形成气流通道。由于铁道车辆在运行过程中情况复杂，会出现许多变动，这也对摩擦盘的厚度、散热筋的尺寸限制及制动盘的材料提出了更多要求。考虑到列车紧急制动的爆发力，摩擦盘的可磨耗厚度一般规定为7 mm，在其圆周方向有一个槽，车辆在运行规定周期后会需根据要求更换。由于受到轨道承载力和机车质量要求的限制，在摩擦盘的设计过程中需要尽量减小质量。 图3-1 典型制动盘 此次设计课题是轴装制动器（图3-2）,主要针对SW-220K型转向架的新型高速客车转向架。作为目前运用最为广泛的制动器，轴装制动器安装、维护方便。轴装制动盘主要由径向散热筋的摩擦盘和盘毂组成，安装在两车轮之间的车轴上。其中盘毂和车轴采用过盈配合，过盈量为0.2mm左右。摩擦盘通过挡圈压紧在盘毂上，挡圈通过8个径向排列的螺栓与盘毂相连接。通过定位销，挡圈与盘毂进行定位和传递制动力。另外摩擦盘的安装孔径要求螺栓大，承受紧固力，而不承受剪切力。 图3-2 轴装制动盘3.1.1 制动盘直径D 为保证160km/h快速客车的安全运行，需要制动盘直径D的数值尽量大，以便增大摩擦盘的有效半径，进而减小制动钳对制动盘的压力，有利于减小作用于衬块的单位压力和工作温度。但实际应用中考虑到轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为车轮直径的70%左右。根据国家标准，轮对的轮径是915mm，且轴重规定14t。 制动盘=75%=0.7*915=640.5mm.取640mm；车轴为RD型，故内径取350mm。所以制动盘的外径为640 mm，内径为350 mm。 3.1.2 制动盘厚度h 考虑到列车的轻便性，制动盘的质量不宜过大，故对其厚度有所限制。机车制动时的温升加速，为减少温升，制动盘厚度又不宜过小。为了加快制动热量的消散，在制动盘中间铸有径向通风孔道，大大增加了散热面积，但盘的整体厚度加大。制动盘铸成中间有径向通风槽的双层盘，按照国际标准，通风式制动盘实心厚度取为44mm，散热筋取30mm，所以制动盘总厚度74mm。 制动盘的表面应光滑平整，两侧表面不平行度低于0.05mm，盘面摆差低于0.1mm。3.2 制动夹钳针对SW-220K型转向架的新型高速客车转向架,每个转向架装配有4个紧凑式夹钳装置，在转向架上并排布置，列车进行制动时其中两个装置起制动作用。每个带停放功能的制动夹钳在自动制动出现故障时，在车体两侧轨道旁均可手动缓解停放装置。对于160km/h提速客车的要求，车辆采用RZS型制动夹钳，其寿命周期成本(LLC)有效降低。根据车辆轻型化的设计要求，对RZS型制动夹钳进行优化设计： 采用铝合金压铸成整体，尺寸小，质量轻，相比普通的夹钳质量减轻30kg。在夹钳的外缘留有一段开口，方便在不整体拆卸夹钳的情况下定期检查和更换制动闸片。单独制造的油缸装嵌入钳体中，为了减少传给制动液的热量，将活塞开口端部切成阶梯状，减少活塞与制动块背板的接触面积，形成两个相对且在同一平面内的小半圆环形端面。活塞由铸铝合金制成，活塞应能压住尽量多的制动块面积，以免衬块发生卷角而引起尖叫声。为了提高其耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。3.3 制动闸片制动闸片由背板和摩擦衬块构成，一般直接将背板和衬块压嵌或铆接在一起。摩擦衬块多为扇形，也有矩形、正方形等，根据应用的不同，其形状、尺寸及连接方式也有所不同。针对RZS型制动夹钳，所设计制动闸片为圆弓形，外形为UIC标准设计形状（图3-2）。 图3-2 UIC标准制动闸片 制动闸片与其支架的接口为楔形榫头，由对称的上下两半组成。制动闸片上的沟槽主要有减少摩擦副上水分和排污两个作用，并且列车在制动过程中摩擦副产生的残留物可通过沟槽快速排出，这使得制动效果更为明显，也有利于延长闸片使用寿命。针对160km/h新型高速客车，考虑到沟槽形状与列车运行环境、制动盘与制动闸片的配合形式有关，采用上下对称的十字交叉形沟槽。 考虑到衬块由于磨光或者受工作环境影响会使得制动闸片与制动盘面间摩擦系数衰减，并且对环境造成污染，所以要求其抗热衰退性能要好，受温度和压力的影响要小。由于摩擦系数愈高的材料，其耐磨性愈差，所以在制动器设计时要综合考虑材料的特性，要求材料的摩擦系数约为 0.30.5。本次设计的制动闸片均为合成制动闸片，选用粉末冶金材料，其摩擦系数均为035。3.4 参数的选择与优化3.4.1 制动黏着系数1.黏着系数主要受两个因素影响：一个是车轮踏面与钢轨的表面接触状况；另一个是列车的运行速度。根据我国的实际国情，得出的可供我国机车车辆设计时选用的制动黏着系数公式：干燥轨面 =0.0624+ （3-1）潮湿轨面 =0.0405+ （3-2） （3-2） 式中 -制动时的列车初速度（km/h）； S -制动距离（m）； a -列车在制动距离内的平均减速度（m/）。对于我国的国产CRH系列的动车组，当制动初速为160km/h时，规定紧急制动距离为1400m；当制动初速为200km/h时，规定紧急制动距离为2000m；当制动初速为300km/h时，紧急制动距离则要大于3000m。针对论文设计的时速160km/h的客车盘形制动器，则平均减速度要求达到0.7m/；对于轮轨黏着系数，则介于0.07与0.171之间，一般取0.1。3.4.2 轮轨切向作用力 根据黏着系数，制动时轮轨间的切向作用力的最大值可由下式计算： （3-3） 式中 -一个轮对法向反作用力的总和，相等于轴载荷。列车在平铺轨道上稳定运行时，车辆的轮轴所承受之垂直负荷称之为轴重，即每根车轴负担的重量。由于在同等速度下，车辆对轨道的破坏作用，与轴重成正比关系，故轴重大时，轨道受的冲击大，将提高维护成本，缩短设备寿命。对于160km/h型动力集中型客车，一方面考虑到轮轨黏着限制，要求增加机车的轴重来增加踏面的摩擦力，从而提高加速爬坡及停车等性能；但同时沉重的机车将给轨道带来“砸夯”式的破坏效果。出于综合考虑，在保持冲击不变的前提下，轴重减轻可以提高通过速度，整条线路诸多弯道、道岔下来，低轴式列车速度更快，维修成本更低。故采用轴重14t的动车式车轴，=160km/h，机车牵引质量G=56t，机车计算质量P=126t，高磨合成闸片等效压力kN，闸片的平均摩擦系数为0.35。轮轨间的切向作用力不大于14kN。3.4.3 轴制动率 由于制动力应受轮轨黏着的限制，即： （3-4）令,称之为轴制动率，可得： （3-5）对于整个机车，式中表示整车的夹钳压力总和（kN），表示整车所受的重力（kN）。令为整车制动率，则 （3-6） 式中 Q-整车的总重量（t）； g-重力加速度（m/）。根据设计要求，制动率表示该车所具有的制动能力，其值大于轮轨黏着系数与闸瓦摩擦系数之比就要发生滑行和擦伤。设计中： 因此关于黏着系数及轴的选择是合适的。3.4.4 车辆载荷确定 对于作用于车体上的载荷，由下面几部分力组成：1. 垂向静载荷 （3-7）2. 垂向动载荷 垂向动载荷是由于轨面不平，钢轨接缝等原因及车辆本身状态不良等因素，引起轮轨间冲击和车辆簧上振动而产生的。 （3-8）式中为动力学实验测得的垂向动载荷系数，其与车辆运行速度，转向架弹簧装置的静挠度等因素有关，一般以规定值为准。3. 故垂向总载荷由下式计算： （3-9）4.侧向力作用在车体上的侧向力包括风力和离心力，即列车在线路的曲线段运行时，同时承受垂直于车体侧壁的风力。根据我国的风压分布图，风压力取为550 pa，其合力作用于车体侧面投影面积的形心上。对于作用于车体的离心力： （N） （3-10） 式中 g-重力加速度（m/）； -通过曲线时的列车最大允许速度（km/h）； R-曲线半径（m）； -车体垂向静载荷（N）。 因为在线路铺设曲线段时，外轨铺设比内轨铺设高出一个h值，即外轨超高量，从而使得车辆内倾，产生分力： （N） （3-11）式中为轮对两滚动圆之间的距离半径（mm），其值为2=1493mm。因此两者之差： （3-12）由于角度很小，故cos1，即： （N） （3-13）5.扭转载荷 车辆制造的几何误差，线路不平顺等，会使车体产生扭转。强度规范规定扭转载荷取值40 kNm。6.纵向力 纵向力作为列车在各种运动状态下，车辆之间产生的压缩和拉伸的力。对于160km/h的快速客车，采用第一工况的载荷组合方式。客车的拉伸力为980 kN，压缩力为1180 kN。3.4.5 单车制动率盘形制动的制动力： （3-14）式中 K-闸片压力（kN）； -闸片摩擦系数； r-闸片作用半径(mm)； R-车辆（滚动圆）半径(mm)。 表3-1 盘形制动闸片换算摩擦系数/（km）901001101201301401501600.260.2560.2520.2480.2440.2410.2390.236根据表3-1，对于车轴重为14t的列车，在正常运行中实施制动，车辆的最大制动力B=170kN。3.4.6 制动距离 制动距离为空走距离和有效制动距离之和： （3-15） 制动状态下，除阻力外，还有制动力B作用在列车上。则 （3-16） 式中 ，-车辆的部件质量（t） B-制动力（kN）； W-阻力（kN）。 其中空走距离按照简单匀速运动公式计算： （m） （3-17） 式中 -制动初速（km/h）； -空走时间（s）。 我国客车通过实验获得的制动空走时间计算公式： （3-18） 式中 -加算坡度千分数，当0时，规定按=0 计算。 故不大于3.5s，则空走距离为156m。 根据实际列车在不同区段的制动速度的变化，令为折算系数，选取通用的等效折算系数表达式： 0.38+0.002（100-） （3-19） 由于列车在整体作平移运动的同时，还有轮对等部件作回转运动，所以列车的动能由两部分组成，即： （3-20） 式中 M-整个列车的质量； -列车运行速度； I-各个回转部分的转动惯量； -各个回转部分的角速度。 令回转部分的回转半径为，因为=，采用分段积分法，则间隔运行距离为： （3-21） （3-22） 其中距离等效摩擦公式： = （3-23）式中 -加速度系数（计算中规定统一取平均值=120）； -列车运行中各个间隔速度； -各个间隔速度时期的单位合力（数值上等于速度间隔平均速度）； -列车运行中各个间隔速度的平均速度的闸瓦换算摩擦系数； -列车单位基本阻力。 则有效制动距离 = 831m所以： =831+156=987m 1400m，符合设计要求。3.5 本章小结 对于盘式制动器设计而言，制动系数和闸片受力是最重要的参数，牵扯到许多其他参数，因此为了更好的确定参数，对它们进行综合优化设计。在工作中的受力情况比较复杂，包括结构形式选择、主要参数选择、相关参数计算。分析时，由于摩擦阻力主要取决于运动零件的制造质量与润滑情况，其数值相对比较小，进行机构受力分析时可以忽略不计。第4章 盘形制动器的建模盘形制动器的建模采用的是由外到内的方法，即先对主要受力部件进行建模，再对内部与车轴接触部件建模，主要包括制动盘和盘毂两部分的建模。最终利用软件将各部分通过约束进行装配，构建出完整的盘形制动器。盘形制动器中各个主要零件的模型尺寸数据来源于专业车辆制动介绍。4.1 制动盘的建模本节建模的制动盘为内含散热筋的机构，在设计开始时，首先创建草图平面，再通过拉伸、切槽等功能对制动盘进行建模。在本节的制动盘建模中，采用“零件设计”模块来实现方案设计。（1）在“零件设计”模块中新建零件，命名为zhidongpan。（2）利用“草图设计”功能，在xy平面上构建半径分别为175mm和320mm的圆图，如图4-1和图4-2所示。 图4-1 外圆 图4-2内圆（3）退出草图模式，采用“拉伸”功能，将草图拉伸22 mm，如图4-3所示。 图4-3 拉伸草图 图4-4 定义草图 图4-5 重复定义（4）使用圆定义，在制动盘的端面上的一侧作三个三角形分布、半径为10mm圆，如图4-6所示；再用凸台功能，在上一步建立草图圆形的的端面上，选择拉伸功能，将草图拉伸36mm，作为制动盘的散热筋，如图4-7所示。 图4-6 定位凸台 图4-7 定义阵列 （5）在“零件”模式中采用圆形阵列功能，将散热筋作为旋转对象，设置旋转间距为20度，18个实例，将其绕X轴旋转，构建18组散热筋。分别如图4-7和图4-8所示。 图4-8 生成图 图4-9 拉伸图 （6）根据制动盘的设计要求，在已生成的拉伸柱体的无摩擦面一侧设置平面，距离初始xy平面垂向距离58mm。再进入“草图”模式在此平面基础上建立半径为320mm的圆，利用拉伸实体功能，将上一步建立的草图拉伸22 mm，如图4-9所示。（7）用草图设计功能，在xy平面上建立如图4-10所示的草图，即半径为175mm的圆形，然后定义凹槽，深度为100mm，生成制动盘如图4-11所示。 图4-10 定义凹槽 4-11 制动盘4.2 盘毂的建模（1）在“零件设计”模块中新建零件，命名为pangu。用草图设计功能，在xyplane 平面上建立如图4-12和图4-13所示的半径分别为98.5mm和111mm的圆。（2）退出“草图”模式，采用“拉伸”功能，将前面构建的双圆一起拉伸150mm，形成的圆柱体作为盘毂的外层，如图4-14所示。 图4-12 内圆定义 图4-13 外圆定义 图4-14 草图拉伸 4-15 定义平面（3）在上一步建立的拉伸体的xyplane平面上定义新的平面，偏移于原平面57mm，完成后的平面如图4-15所示。（4）用草图设计功能，在上一步设计的平面上作半径为320mm的圆；选择拉伸功能，将其拉伸36mm，结果如图4-16所示。（5）利用偏移的平面，即已建立的实体的端面上，在“草图”模式中建立半径为113mm的圆，用拉伸实体功能，将上一步建立的草图轮廓同步拉伸，如图4-17所示。 图4-16 创建凸台 图4-17 圆定义（6）通过偏移的平面，即已建立的拉伸实体的端面上，建立直径为98.5mm的圆轮廓草图，并将上一步建立的草图拉伸57mm，如图4-18所示。（7）利用平面定义功能，在已经建立的拉伸体的xy平面上定义新的平面，偏移于原平面36mm，完成后的平面如图4-19所示。（8）在上一步建立的平面上建立草图，其圆半径为167mm和175mm，如图4-20和图4-21所示。 图4-18 拉伸草图 图4-19 平面定义 图4-20 圆定义 图4-21 外圆定义（9）选择拉伸功能，对内、外圆分别进行拉伸，拉伸36mm和22mm，如图4-22和图4-23所示。 图4-22 拉伸草图 图4-23 定义拉伸 图4-24 定义平面（10）用平面定义功能，在上一步建立的拉伸体的xyplane平面上定义新的平面，偏移于原平面22mm，完成后的平面如图4-24所示。 图4-25 圆定义 图4-26 边圆定义 图4-27 定义凸台 图4-28 平面定义 图4-29 侧圆定义 图4-30 倒角（11）用草图设计功能，在最初设计的平面上作半径为135.1mm和128.1mm的圆，如图4-25、图4-26所示。（12）选择拉伸功能，将其拉伸1.5mm，作为盘毂的节圆倒角处，结果如图4-27所示。（13）用平面定义功能，在上一步建立的拉伸体的xyplane平面上定义新的平面，偏移于原平面139.2mm，完成后的平面如图4-28所示。（14）选择拉伸功能，将其拉伸2mm，然后对所以的节圆处用倒圆角功能，在圆柱体的连接边线上倒半径为5mm的圆角。结果如图4-30所示。（15）选择xy plane ，建立草图如图4-31，圆形的半径为7mm。（16）选择xy plane ，建立如图4-32所示的等边六边形，作为螺栓的顶面，其边长11.472mm。（17）退出草图模式，对图形进行拉伸9mm，如图4-33所示。 图4-31杆草图 图4-32定义尺寸 图4-33拉伸定义（18）重复第一步得到的草图，建立半径为7mm的圆。（19）用凸台功能，对草图圆进行，拉伸80mm，如图4-34所示。（20）用倒圆角功能，在圆柱体的连接边线上倒半径为4 mm的圆角，如图4-35、4-36所示。 图4-34 定义凸台 图4-35 倒角定义（21）选择xy plane ，建立半径为7mm的圆形草图，如图4-37所示。