逆向工程在汽車盤式制動系統設計中的應用

張燦明，過學迅，季梅霞，汪文高，李雙莉

（1.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室（武漢理工大學），武漢 430070；2.汽車零部件技術湖北省協同創新中心，武漢 430070；3.湖北文理學院機械與汽車學院，襄陽441053；4.武漢萬向汽車制動器有限公司，武漢 430201）

逆向工程在汽車盤式制動系統設計中的應用

張燦明1,2，過學迅3，季梅霞1,2，汪文高4，李雙莉4

（1.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室（武漢理工大學），武漢 430070；2.汽車零部件技術湖北省協同創新中心，武漢 430070；3.湖北文理學院機械與汽車學院，襄陽441053；4.武漢萬向汽車制動器有限公司，武漢 430201）

逆向工程是將實物轉變為CAD模型相關的數字化技術、幾何模型重構技術和產品制造技術的總稱，在各領域有著廣泛的應用。以逆向工程在汽車盤式制動器設計中的應用為例，對結構復雜、難以直接建模的復雜零件，利用三維掃描儀獲取點云數據、并以裝配的思想通過三維建模軟件CATIA進行數據處理、曲面擬合、實體重構和虛擬裝配，著重論述了曲面擬合中的一些關鍵步驟并歸納總結出解決方案，為逆向工程在汽車上的應用提供了借鑒和經驗。最后在逆向工程建立的基礎上，對制動鉗體的強度和剛度進行有限元分析，實現CAD/CAE在汽車盤式制動器設計中的應用。

逆向工程；裝配思想；盤式制動器；CATIA；CAD/CAE

張燦明

武漢理工大學汽車工程學院在讀碩士研究生，主要研究方向汽車CAD/CAE。

1 前言

在汽車發展過程中，制動系統在汽車安全行駛過程中起著至關重要的作用。裝配一款性能優異的制動器，可以提高制動效能，保持制動效能的恒定性，從而大大減小事故發生的概率。其中以盤式制動器性能最為突出，保有量最大。盤式制動器主要由鉗體，支架，活塞組件和摩擦塊等關鍵零部件組成。

逆向工程是將實物轉變為CAD模型相關的數字化技術、幾何模型重構技術和產品制造技術的總稱應用先進的逆向工程思想，開發設計新一代的盤式制動器，為盤式制動器大批量生產提供較為完備的技術支持，以提高我國在汽車零部件及整車關鍵技術方面的自主研究開發能力。

2 數據采集

數據采集方法分為接觸式采集法和非接觸式采集法。所謂接觸式采集法是指包括使用基于力的擊發原理的觸發式數據采集和連續式掃描數據采集、磁場法、超聲波法。非接觸采集法主要運用光學原理進行數據的采集所示，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結構光法以及圖像分析法等。這里采用非接觸采集法獲取復雜零件的點云數據，即三角面片數據。如圖1所示，是三維掃描儀的示意圖，其包含掃描支架，信號采集設備，信號輸出設備，及其附屬設備。零件掃描時應注意四點原則：第一，對測量頭進行軟件標定和硬件標定；第二，顯影劑噴涂均勻；第三，標志點粘貼無序；第四，掃描環境（包括光照，振動等）要穩定。

盤式制動器中，制動鉗體及支架等具有復雜的結構，難以通過簡單測繪進行正向建模。尤其是制動鉗體，其用于裝配自調機構和活塞的活塞孔位置，其內表面結構復雜，為保證逆向效果，應盡可能多的獲取內表面的點云數據。其它零件，如活塞，螺桿機構組件，卡環等則通過游標卡尺測繪建模。以制動器鉗體為例，掃描得到的鉗體點云數據如圖2所示:

3 數據處理

經三維掃描儀掃描后獲取的零件點云數據，一般可能存在破洞、背景點和壞點等現象，可通過配套軟件ATOS Professional進行處理或將三角面片數據導入CATIA中，利用CATIA中的Remove功能對噪點進行清理。

利用三維掃描儀獲取的數據其誤差保持在10 μm以上，主要來源于設備誤差。通過對設備的標定，可將該誤差減小到40 μm 以下。

4 曲面擬合

CATIA曲面擬合方法有多種，對于平面，我們可以通過以下幾種方法創建：Extrude，Sweep，Basic Surface Recognition以及Power Fit。對于規則曲面，可以通過Extrude，Revolve，Sweep，Basic Surface Recognition等功能創建出來。對于不規則曲面，主要通過Sweep，Blend，Multi-Sections Surfaces以及Power Fit等功能來創建。還有其它一些擬合功能，如Fill，Surfaces Network等。總之，對于擬合方法的選取，要根據零件的具體特征而定。

曲面擬合前，必須要創建一個基準面，該基準面作為之后所有創建平面的基準，具有至關重要的作用。因為實際的產品設計都有尺寸公差和形位公差的要求，公差都是建立在一定的基準上的。CATIA提供了非常簡便而有效的方法來創建基準面，即構建笛卡爾坐標系。對于某些具有對稱特征的零件，如果坐標系構建合理，可以利用CATIA提供的對稱（symmetry）功能，直接獲得另外一半的特征，從而大大提高建模效率。

由于制動器零件較多，具有復雜的裝配關系，并且部分零部件是通過游標卡尺測量建模得到的，為保證虛擬裝配工作的順利進行，在曲面擬合的過程中必須要以裝配的思想來構建曲面。以制動鉗體為例，如圖3所示，圖中1處和2處的表面是通過支撐銷和導向銷與支架相連接的。這兩處的表面必須是在平行于YOZ平面的同一平面上。而1處和2處旁邊的兩個螺紋孔則必須要保證與該表面的垂直度要求。否則支架，鉗體和導向銷，支撐銷之間的裝配就會發生干涉，正確裝配如圖4所示:

5 實體重構

曲面擬合后，下一步進行實體重構，即由面形成體的過程。CATIA提供了兩種構造實體模型的方法，Thick Surfaces和Close Surfaces。對于結構比較簡單，規則的零件，只需要加厚就能完成的則選用Thick Surfaces構建實體模型；對于結構比較復雜的零件，則選用Close Surfaces構建實體模型。對于復雜結構的制動器鉗體，首先創建各表面并合并為一體，最后通過封閉曲面構建實體模型。螺紋孔、光孔等其他零件特征則在實體模型的基礎上建立。

6 虛擬裝配

所有零件實體構造完成以后，則要進行盤式制動器的虛擬裝配工作。在進行裝配時，可按組件和零件并存的方式進行，如螺桿機構組件，活塞機構組件，鉗體組件如圖6所示，拉索支架，拉桿等。每一組件都由相應的零件裝配而成。組件與組件之間可以是并列關系，也可以是包含關系。虛擬裝配完成后的盤式制動器如圖7所示。所有零件裝配完成后，還要進行干涉和間隙檢查。在盤式制動器裝配過程中允許部分零件之間出現干涉的情況，如彈簧片，回位彈簧，滑銷防塵套等。

7 有限元分析

利用逆向工程設計完成裝配件后，為檢驗設計的合理性，對主要零件進行有限元分析，校核其強度和剛度。以計算鉗體強度和剛度為例進行有限元分析，劃分后的3D網格如圖8所示。按照規范要求，選擇缸內液壓值為6.86 MPa的典型工況進行分析。為了得到更加穩定的應力應變值，采取慣性釋放的方法進行計算，計算應力結果如圖9所示，從圖中可以看出最大應力為67.1 Mpa，而鉗體材料為鋁合金，其屈服強度為150 Mpa，許用應力為100 MPa，故滿足其強度要求。位移結果如圖10所示，其沿軸線方向最大位移為0.1 mm，小于國標要求的0.2 mm，故滿足其剛度要求。

8 結論

從上述分析可以看出，基于逆向工程方法的盤式制動器設計高效，準確，大大縮短摸索的時間，為后續自主創新，優化設計奠定了堅實的基礎。

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專家推薦

呂清濤：

本文采用逆向工程方式對汽車盤式制動系統做逆向設計，利用三維掃描儀采集數據，CATIA做數據處理，并做重構，最后對制動鉗體的強度和剛度分析，滿足使用要求。論文分析準確，數據詳細。

Design of Automotive Disc Brake Based on Reverse Engineering

ZHANG Can-ming1.2, GUO Xue-xun3, JI Mei-xia1.2, WANG Wen-gao4, LI Shuang-li4
(1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components (Wuhan University of Technology), Wuhan 430070, China; 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan 430070, China; 3.Hubei University of Arts and Science . School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiangyang 441053, China;4.Wuhan universal automobile brake corporation, LTD., Wuhan 430201, China)

Reverse engineering, commonly used in some field, is the general name of the digital technology, reconstruction technique, manufacturing prowess, which are applied to turning material object into CAD model. Those complex parts with complicated structure which are difficult to model, 3D scanner is used to obtain the point cloud data, and assembly thought is used to process data, fit surface, reconstruct and virtually assembly in CATIA through the application of reverse engineering in the design of automotive disc brake. Some key steps of surface reconstruction is focused on, summing up the solutions, providing reference and experience for the application of reverse engineering in the automotive engineering. Finally, the strength and stiffness of the braking clamp body is analyzed through FEM (finite element analysis) based on the reverse engineering, realizing the application of CAD/CAE in the design of automotive disc brake.

reverse engineering; Assembly thought; Disc brake; CATIA; CAD/CAE

U463.5

A

1005-2550（2016）01-0012-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.002

2015-08-04