逆向工程在汽車盤式制動系統(tǒng)設計中的應用

李虹華

廣東中智痕跡司法鑒定所，中國·廣東 佛山 528000

1 引言

在汽車開發(fā)過程中，制動系統(tǒng)在汽車安全駕駛中起著重要的作用。以優(yōu)異的性能組裝制動系統(tǒng)，可以提高制動效率，維持制動效率的穩(wěn)定性，大幅減少事故。其中，盤式制動系統(tǒng)的使用更為明顯。在實際應用中，盤式制動系統(tǒng)被廣泛應用于穩(wěn)定駕駛的汽車制動系統(tǒng)中。盤式制動系統(tǒng)也有自己的缺陷。例如，制動系統(tǒng)制造要求高，摩擦板大幅磨損，成本高。效率低，制動工作管線壓力高，需要安裝的盤式制動系統(tǒng)變速器裝置比鼓式制動系統(tǒng)更復雜。此外，由于摩擦板的面積小，需要高制動液壓，因此只能使用搭載有動力輔助裝置的車輛。使用在研究汽車盤式制動系統(tǒng)的設計特性，必須主要逆向工程的應用。

2 數(shù)據(jù)采集

逆向工程是指在不存在原始尺寸的對象或無法直接獲取對象尺寸時，通過技術手段將對象轉(zhuǎn)換為CAD 模型的數(shù)字技術。在傳統(tǒng)的設計和開發(fā)中，設計師首先根據(jù)盤式制動系統(tǒng)特有的研究、優(yōu)化和設計思路，繪制CAD模型和設計圖，然后制造、加工產(chǎn)品。但是逆向工程從實際產(chǎn)品開始，在測量裝置的幫助下獲取實際產(chǎn)品的表面特性參數(shù)和相關數(shù)據(jù)，然后根據(jù)該數(shù)字化數(shù)據(jù)進行一系列重構工作，獲取實際產(chǎn)品的CAD 模型并收集數(shù)據(jù)。三維掃描儀包括掃描托架、信號收集裝置、信號輸出裝置及其輔助裝置，三維掃描儀等接觸設備通過測量探頭與真實物體的接觸記錄測量點的坐標位置，重復該步驟獲取真實物體的點云數(shù)據(jù)[1]。由于測量密度低、測量精度低、測量時間長，該方法目前已廣泛用于非接觸測量。非接觸測量使用光學原理，掃描裝置發(fā)出的光源投影到物體表面，儀器定位物體表面點，根據(jù)物體表面反射的光記錄坐標。

采集數(shù)據(jù)時應注意以下幾點：

①對制動器卡鉗體及支架進行表面處理，在關鍵位置貼上反射光膠，以快速提供三維掃描儀的空間定位坐標。掃描儀參數(shù)被設置。在盤式制動系統(tǒng)中，制動鉗主體和托架具有復雜的結(jié)構，很難進行正向建模。為了確保其制動鉗體效果，需要在表面得到盡可能多的點云數(shù)據(jù)。

②將掃描儀放置在距離物理表面，然后慢慢沿著物體表面掃描，以便掃描物體的所有區(qū)域。通常由支持軟件ATOS 專業(yè)人員處理，或者具有可以導入CATIA 中的背景點和壞點，并使用CATIA 移除功能清除噪聲。

③掃描后，掃描結(jié)果文件的后綴將被導出。由于HandyScan 軟件可以直接輸出生成的三角形網(wǎng)格表面，因此可以在掃描時直接重建，而不會產(chǎn)生干擾。

3 曲面擬合

對于零件重構，常見過程是生成三維模型，如導入點云數(shù)據(jù)、處理點云數(shù)據(jù)、過濾、刪除、生成、編輯三角網(wǎng)格曲面，快速重建基準平面、繪制曲線[2]。因此，制動鉗體和支架建模過程如下：

①點云數(shù)據(jù)的導入和處理。此步驟中包含的Catia 模塊主要是在數(shù)字化形狀編輯器（DSE）中導入掃描的點云數(shù)據(jù)，以捕捉點云中的噪波并刪除冗馀點云。三角網(wǎng)格曲面是在降噪后生成的。

②曲面快速重建。使用Catia 中的“曲面快速重建”（QSR）模塊，可以選擇并激活幾個點云，以根據(jù)激活的點云生成曲面。通過激活卡鉗體側(cè)面和卡鉗體支架內(nèi)表面的點云生成基準平面，并在該基準平面上重建模型。

③在曲線和表面擬合Catia 零件設計模塊（PD）和生成形狀設計模塊（GSD）環(huán)境中安裝制動鉗和支架。

4 實體重構和虛擬裝配

曲面擬合后，下一步是實體重構。CATIA 有兩種方法：ThickSurfaces 和CloseSurfaces。對于結(jié)構比簡單的零件，如果需要增加厚度，請使用加厚曲面構建實體模型。對于結(jié)構復雜的零件，請使用封閉曲面來構建實體模型。而其他零件如螺紋孔和光孔基于實體模型。由于活塞缸和制動盤結(jié)構簡單、尺寸簡單，且制動系統(tǒng)帶有原始設計圖紙，因此Solidworks 將對這兩個部件進行建模。這是因為Solidworks在實體建模方面具有便利性，而且建模時間短。制動系統(tǒng)片和制動系統(tǒng)盤模型的建立屬于正向設計，因此按照游標卡尺、角度尺、塞規(guī)等工具測量的尺寸進行繪制、切割等操作，是一個比較簡單的過程[3]。最后，得到盤式制動系統(tǒng)裝配圖紙，建立制動系統(tǒng)的立體模型。制動系統(tǒng)各組件的組裝關系也影響制動系統(tǒng)。因此，對于主要元件的組件相關尺寸，必須測量并檢查零件匹配后的尺寸。為了確保該尺寸的精度，盤式制動系統(tǒng)的虛擬組裝工作必須在測量所有部件的固體結(jié)構后進行。組裝時，零件可以共存。另外，在盤式制動系統(tǒng)的組裝工序中，也部分零件之間存在交叉干涉。

5 有限元分析

大多數(shù)汽車零件的結(jié)構和形狀很復雜，機械分析和其他工程分析很難獲得分析解決方案。計算機科學的飛速發(fā)展，通過高精度的有限元數(shù)值模擬法可以解決這個問題。有限元法將連續(xù)體分離為多個要素，按照機械公式獲取同時的數(shù)學公式，分析同時方程得到目標物。利用物體振動機械特性，使用各要素解決的區(qū)域的未解決問題。有限元分析的計算程序目前已經(jīng)非常完善，汽車工業(yè)領域的有限元分析被廣泛使用。除了完成汽車的靜態(tài)分析外，還可以進行分析動態(tài)分析。有限元的模態(tài)分析主要分為前處理、求解、后處理三個階段。前處理階段基于逆向工程技術的盤式制動系統(tǒng)研究優(yōu)化，主要包括簡化幾何模型、網(wǎng)格元素選擇和網(wǎng)格劃分、定義邊界條件與載荷等。在后處理階段主要提取處理結(jié)果，根據(jù)研究需要提取分析結(jié)果和計算結(jié)果。

有限元模型用數(shù)學方法表示三維實體，根據(jù)構件的實際工作條件，應用數(shù)學模型進行計算和分析?？梢圆捎肁NSYS/Workbench 對盤式制動系統(tǒng)進行了模態(tài)分析，Workbench 劃分包括多種劃分方法。從結(jié)構上講，六面體網(wǎng)格優(yōu)于四面體網(wǎng)格，因此在六面體是網(wǎng)格元素分割的首選。而不規(guī)則的部件以四面體分割。

①模型幾何清理及網(wǎng)格劃分。將制動系統(tǒng)的所有部件導入Ansys/workbench 平臺。首先，清理DesignModeler 模塊的幾何模型，刪除制動鉗主體制動流體入口的凸臺，刪除不重要的倒角、中間槽等，然后通過切片或其他操作將零件分成常規(guī)區(qū)域。為了在拆分后確保公共節(jié)點，必須使用formanewpart 命令重新組合。網(wǎng)格分割采用四面六面體分割等多種方法，網(wǎng)格細分備受關注。網(wǎng)格分割完成后，將使用質(zhì)量、長寬比等進行檢查，結(jié)構中各零部件擁有的有限元模型。

②制動系統(tǒng)材料特性設置線性彈性材料在進行模態(tài)分析時，制動盤、制動鉗體和支架均采用HT250 制成，鋼襯與Q235 相似。

③邊界條件的適用。因為制動盤與輪轂連接，所以固定的約束被設定在螺栓孔中。鉗體可以沿導向銷反復滑動，其他自由度受約束，但沿銷軸的移動自由度除外。制動鉗托架用轉(zhuǎn)向節(jié)臂固定，因此固定約束設定在螺栓孔中。

④逆向工程設計組裝完成后，用有限元法分析主要部件，檢查汽車技術/AUTOSCI-TECH 的強度剛性。以鉗體的計算強度和剛度進行有限元分析。根據(jù)規(guī)范要求，在氣缸液壓的典型工作條件下分析分割的三維網(wǎng)格。為了得到更穩(wěn)定的應力應變值，采用鉗體材料為鋁合金，滿足剛性要求。

6 結(jié)語

逆向工程為制造行業(yè)提供了高效、全新的產(chǎn)品開發(fā)方案，是一項全面、實用的技術。作為汽車系統(tǒng)不可缺少的一部分，確保汽車安全駕駛的關鍵是汽車制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)時制動系統(tǒng)會振動，不穩(wěn)定的振動會產(chǎn)生噪聲。這種噪音不僅影響汽車的駕駛舒適性，還會對周圍環(huán)境造成聲音污染，同時還可能對汽車制動系統(tǒng)組件造成疲勞損傷。逆向工程技術被廣泛應用于汽車制動系統(tǒng)的開發(fā)中，對汽車有非常重要的影響，有效地改善和維持汽車的制動性能。目前，基于逆向工程的盤式制動系統(tǒng)設計高效準確，大大縮短了探索時間，對汽車獨立創(chuàng)新和優(yōu)化設計有著重要作用。