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(yīng)用中，盤式制動系統(tǒng)被廣泛應(yīng)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(fù)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(shè)計特性，必須主要逆向工程的應(yīng)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(shù)手段將對象轉(zhuǎn)換為CAD 模型的數(shù)字技術(shù)。在傳統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)中，設(shè)計師首先根據(jù)盤式制動系統(tǒng)特有的研究、優(yōu)化和設(shè)計思路，繪制CAD模型和設(shè)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(guān)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(gòu)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(shè)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(fù)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(xué)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(yīng)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(guān)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(shè)置。在盤式制動系統(tǒng)中，制動鉗主體和托架具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(dǎo)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(gòu)，常見過程是生成三維模型，如導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)計模塊（PD）和生成形狀設(shè)計模塊（GSD）環(huán)境中安裝制動鉗和支架。

4 實體重構(gòu)和虛擬裝配

曲面擬合后，下一步是實體重構(gòu)。CATIA 有兩種方法：ThickSurfaces 和CloseSurfaces。對于結(jié)構(gòu)比簡單的零件，如果需要增加厚度，請使用加厚曲面構(gòu)建實體模型。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，請使用封閉曲面來構(gòu)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(gòu)簡單、尺寸簡單，且制動系統(tǒng)帶有原始設(shè)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(shè)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(guān)系也影響制動系統(tǒng)。因此，對于主要元件的組件相關(guān)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(gòu)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(gòu)和形狀很復(fù)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(xué)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(xué)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(lǐng)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(shù)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(xué)方法表示三維實體，根據(jù)構(gòu)件的實際工作條件，應(yīng)用數(shù)學(xué)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(gòu)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(dǎo)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(guān)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(gòu)中各零部件擁有的有限元模型。

②制動系統(tǒng)材料特性設(shè)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(shè)定在螺栓孔中。鉗體可以沿導(dǎo)向銷反復(fù)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(shè)定在螺栓孔中。

④逆向工程設(shè)計組裝完成后，用有限元法分析主要部件，檢查汽車技術(shù)/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(yīng)力應(yīng)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(shù)。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(guān)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(shù)被廣泛應(yīng)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(shè)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(shè)計有著重要作用。