逆向工程在汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張燦明，過(guò)學(xué)迅，季梅霞，汪文高，李雙莉

（1.現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢理工大學(xué)），武漢 430070；2.汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070；3.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)學(xué)院，襄陽(yáng)441053；4.武漢萬(wàn)向汽車(chē)制動(dòng)器有限公司，武漢 430201）

逆向工程在汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張燦明1,2，過(guò)學(xué)迅3，季梅霞1,2，汪文高4，李雙莉4

（1.現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢理工大學(xué)），武漢 430070；2.汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070；3.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)學(xué)院，襄陽(yáng)441053；4.武漢萬(wàn)向汽車(chē)制動(dòng)器有限公司，武漢 430201）

逆向工程是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重構(gòu)技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱(chēng)，在各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以逆向工程在汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為例，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以直接建模的復(fù)雜零件，利用三維掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、并以裝配的思想通過(guò)三維建模軟件CATIA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲面擬合、實(shí)體重構(gòu)和虛擬裝配，著重論述了曲面擬合中的一些關(guān)鍵步驟并歸納總結(jié)出解決方案，為逆向工程在汽車(chē)上的應(yīng)用提供了借鑒和經(jīng)驗(yàn)。最后在逆向工程建立的基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)鉗體的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元分析，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE在汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

逆向工程；裝配思想；盤(pán)式制動(dòng)器；CATIA；CAD/CAE

張燦明

武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向汽車(chē)CAD/CAE。

1 前言

在汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中，制動(dòng)系統(tǒng)在汽車(chē)安全行駛過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。裝配一款性能優(yōu)異的制動(dòng)器，可以提高制動(dòng)效能，保持制動(dòng)效能的恒定性，從而大大減小事故發(fā)生的概率。其中以盤(pán)式制動(dòng)器性能最為突出，保有量最大。盤(pán)式制動(dòng)器主要由鉗體，支架，活塞組件和摩擦塊等關(guān)鍵零部件組成。

逆向工程是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重構(gòu)技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱(chēng)應(yīng)用先進(jìn)的逆向工程思想，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新一代的盤(pán)式制動(dòng)器，為盤(pán)式制動(dòng)器大批量生產(chǎn)提供較為完備的技術(shù)支持，以提高我國(guó)在汽車(chē)零部件及整車(chē)關(guān)鍵技術(shù)方面的自主研究開(kāi)發(fā)能力。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)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(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集、磁場(chǎng)法、超聲波法。非接觸采集法主要運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集所示，主要包括：激光三角形法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。這里采用非接觸采集法獲取復(fù)雜零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即三角面片數(shù)據(jù)。如圖1所示，是三維掃描儀的示意圖，其包含掃描支架，信號(hào)采集設(shè)備，信號(hào)輸出設(shè)備，及其附屬設(shè)備。零件掃描時(shí)應(yīng)注意四點(diǎn)原則：第一，對(duì)測(cè)量頭進(jìn)行軟件標(biāo)定和硬件標(biāo)定；第二，顯影劑噴涂均勻；第三，標(biāo)志點(diǎn)粘貼無(wú)序；第四，掃描環(huán)境（包括光照，振動(dòng)等）要穩(wěn)定。

盤(pán)式制動(dòng)器中，制動(dòng)鉗體及支架等具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，難以通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)繪進(jìn)行正向建模。尤其是制動(dòng)鉗體，其用于裝配自調(diào)機(jī)構(gòu)和活塞的活塞孔位置，其內(nèi)表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證逆向效果，應(yīng)盡可能多的獲取內(nèi)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其它零件，如活塞，螺桿機(jī)構(gòu)組件，卡環(huán)等則通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)繪建模。以制動(dòng)器鉗體為例，掃描得到的鉗體點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示:

3 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)三維掃描儀掃描后獲取的零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一般可能存在破洞、背景點(diǎn)和壞點(diǎn)等現(xiàn)象，可通過(guò)配套軟件ATOS Professional進(jìn)行處理或?qū)⑷敲嫫瑪?shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA中，利用CATIA中的Remove功能對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行清理。

利用三維掃描儀獲取的數(shù)據(jù)其誤差保持在10 μm以上，主要來(lái)源于設(shè)備誤差。通過(guò)對(duì)設(shè)備的標(biāo)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(duì)于平面，我們可以通過(guò)以下幾種方法創(chuàng)建：Extrude，Sweep，Basic Surface Recognition以及Power Fit。對(duì)于規(guī)則曲面，可以通過(guò)Extrude，Revolve，Sweep，Basic Surface Recognition等功能創(chuàng)建出來(lái)。對(duì)于不規(guī)則曲面，主要通過(guò)Sweep，Blend，Multi-Sections Surfaces以及Power Fit等功能來(lái)創(chuàng)建。還有其它一些擬合功能，如Fill，Surfaces Network等。總之，對(duì)于擬合方法的選取，要根據(jù)零件的具體特征而定。

曲面擬合前，必須要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)面，該基準(zhǔn)面作為之后所有創(chuàng)建平面的基準(zhǔn)，具有至關(guān)重要的作用。因?yàn)閷?shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(zhǔn)上的。CATIA提供了非常簡(jiǎn)便而有效的方法來(lái)創(chuàng)建基準(zhǔn)面，即構(gòu)建笛卡爾坐標(biāo)系。對(duì)于某些具有對(duì)稱(chēng)特征的零件，如果坐標(biāo)系構(gòu)建合理，可以利用CATIA提供的對(duì)稱(chēng)（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(dòng)器零件較多，具有復(fù)雜的裝配關(guān)系，并且部分零部件是通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量建模得到的，為保證虛擬裝配工作的順利進(jìn)行，在曲面擬合的過(guò)程中必須要以裝配的思想來(lái)構(gòu)建曲面。以制動(dòng)鉗體為例，如圖3所示，圖中1處和2處的表面是通過(guò)支撐銷(xiāo)和導(dǎo)向銷(xiāo)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(gè)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(dǎo)向銷(xiāo)，支撐銷(xiāo)之間的裝配就會(huì)發(fā)生干涉，正確裝配如圖4所示:

5 實(shí)體重構(gòu)

曲面擬合后，下一步進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)，即由面形成體的過(guò)程。CATIA提供了兩種構(gòu)造實(shí)體模型的方法，Thick Surfaces和Close Surfaces。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，規(guī)則的零件，只需要加厚就能完成的則選用Thick Surfaces構(gòu)建實(shí)體模型；對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件，則選用Close Surfaces構(gòu)建實(shí)體模型。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器鉗體，首先創(chuàng)建各表面并合并為一體，最后通過(guò)封閉曲面構(gòu)建實(shí)體模型。螺紋孔、光孔等其他零件特征則在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上建立。

6 虛擬裝配

所有零件實(shí)體構(gòu)造完成以后，則要進(jìn)行盤(pán)式制動(dòng)器的虛擬裝配工作。在進(jìn)行裝配時(shí)，可按組件和零件并存的方式進(jìn)行，如螺桿機(jī)構(gòu)組件，活塞機(jī)構(gòu)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(yīng)的零件裝配而成。組件與組件之間可以是并列關(guān)系，也可以是包含關(guān)系。虛擬裝配完成后的盤(pán)式制動(dòng)器如圖7所示。所有零件裝配完成后，還要進(jìn)行干涉和間隙檢查。在盤(pán)式制動(dòng)器裝配過(guò)程中允許部分零件之間出現(xiàn)干涉的情況，如彈簧片，回位彈簧，滑銷(xiāo)防塵套等。

7 有限元分析

利用逆向工程設(shè)計(jì)完成裝配件后，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)主要零件進(jìn)行有限元分析，校核其強(qiáng)度和剛度。以計(jì)算鉗體強(qiáng)度和剛度為例進(jìn)行有限元分析，劃分后的3D網(wǎng)格如圖8所示。按照規(guī)范要求，選擇缸內(nèi)液壓值為6.86 MPa的典型工況進(jìn)行分析。為了得到更加穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變值，采取慣性釋放的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算應(yīng)力結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出最大應(yīng)力為67.1 Mpa，而鉗體材料為鋁合金，其屈服強(qiáng)度為150 Mpa，許用應(yīng)力為100 MPa，故滿(mǎn)足其強(qiáng)度要求。位移結(jié)果如圖10所示，其沿軸線方向最大位移為0.1 mm，小于國(guó)標(biāo)要求的0.2 mm，故滿(mǎn)足其剛度要求。

8 結(jié)論

從上述分析可以看出，基于逆向工程方法的盤(pán)式制動(dòng)器設(shè)計(jì)高效，準(zhǔn)確，大大縮短摸索的時(shí)間，為后續(xù)自主創(chuàng)新，優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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專(zhuān)家推薦

呂清濤：

本文采用逆向工程方式對(duì)汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)做逆向設(shè)計(jì)，利用三維掃描儀采集數(shù)據(jù)，CATIA做數(shù)據(jù)處理，并做重構(gòu)，最后對(duì)制動(dòng)鉗體的強(qiáng)度和剛度分析，滿(mǎn)足使用要求。論文分析準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)詳細(xì)。

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