胡如方，高 洪，寧世玉

單向自增力制動(dòng)器熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

*胡如方1，高 洪1，寧世玉2

（1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽，蕪湖 241000；2.蕪湖誠拓汽車零部件有限公司，安徽，蕪湖 241000）

通過靜力學(xué)分析，建立地面制動(dòng)力與輪缸促動(dòng)力之間的映射關(guān)系，作為車型匹配和確定有限元分析力邊界條件的基本依據(jù)；以ANSYS的WORKBENCH模塊為開發(fā)環(huán)境，就給定車型進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，準(zhǔn)確的找到了制動(dòng)器在力和溫度共同影響下的變化規(guī)律。這對(duì)于改善制動(dòng)器熱衰退性能和延長使用壽命提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

自增力制動(dòng)器；靜力學(xué)分析；熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

國外對(duì)汽車制動(dòng)器熱-結(jié)構(gòu)耦合的研究起步較早，主要采用的是數(shù)值計(jì)算法[1]，大部分為二維模型并著眼于制動(dòng)時(shí)摩擦生熱等問題的理論研究以及制動(dòng)器溫度場的定性分析。近年來多采用有限元分析軟件依據(jù)順序耦合法進(jìn)行分析。雖然國內(nèi)對(duì)制動(dòng)器熱-結(jié)構(gòu)耦合的研究起步較晚，但還是對(duì)溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了大量的深入研究。由于熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算量較大，計(jì)算時(shí)間較長，對(duì)于那些易產(chǎn)生高溫，長時(shí)間制動(dòng)或多次循環(huán)制動(dòng)的場合就很少涉及到了，對(duì)自增力制動(dòng)器的研究少之又少，本研究依據(jù)自增力制動(dòng)器工作特點(diǎn)，采用直接耦合方法，利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱結(jié)構(gòu)分析。通過圖9、圖10的對(duì)比分析結(jié)果，得知溫度對(duì)制動(dòng)蹄及制動(dòng)鼓的應(yīng)變有較大影響，在靜應(yīng)力和熱載荷共同作用下，制動(dòng)蹄的最大應(yīng)力比純靜應(yīng)力作用下增加了近兩倍，制動(dòng)蹄及制動(dòng)鼓的最大應(yīng)變均增加了近十倍。所以，對(duì)這種受靜應(yīng)力及熱載荷共同作用下的自增力制動(dòng)器的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析是十分有用的。

1 單向自增力制動(dòng)器靜力學(xué)建模

由力平衡方程及對(duì)o點(diǎn)力矩平衡方程得：

由(1)~(3)式，解得：

式中

蹄片對(duì)制動(dòng)鼓的制動(dòng)力矩大小為：

圖2 制動(dòng)器受力分析

2 自增力式制動(dòng)器熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

2.1 自增力式制動(dòng)器三維建模

采用CATIA軟件對(duì)制動(dòng)器的主要零部件，如制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄等進(jìn)行實(shí)體建模[3]，如圖3所示。

1-制動(dòng)鼓 2-制動(dòng)蹄 3-制動(dòng)底板 4-輪缸 5-摩擦片

制動(dòng)器的虛擬裝配過程是，先導(dǎo)入兩個(gè)制動(dòng)蹄，再導(dǎo)入制動(dòng)板，保證兩零件的軸線重合，并保持一定的間隙；約束設(shè)定以后再依次導(dǎo)入輪缸、制動(dòng)鼓，確保導(dǎo)入零件和原有零件的軸線重合；最后，制動(dòng)鼓與底板接觸即可得到自增力式制動(dòng)器的三維裝配模型，如圖4所示。

圖4 自增力式制動(dòng)器三維裝配圖

2.2 自增力制動(dòng)器熱-結(jié)構(gòu)耦合軟件實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

為保證耦合分析盡可能的符合實(shí)際情況，現(xiàn)做如下假設(shè)：

（1）制動(dòng)過程中不可能出現(xiàn)車輪抱死現(xiàn)象；

（2）制動(dòng)鼓、摩擦片均為同性彈性材料；

（3）摩擦過程中產(chǎn)生的熱能只能被制動(dòng)蹄、制動(dòng)鼓吸收。

（4）汽車行駛到最高車速（100 km/h）時(shí)開始制動(dòng)，直到車速為零。

選定某車型廂式貨車。具體參數(shù)如下：

表1 車型參數(shù)

根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)，可求得所需促動(dòng)力F0=3485.5 N≈3.5 kN。在制動(dòng)過程中，制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄為主要受力部件[4]，所以，設(shè)計(jì)中只考慮制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄的應(yīng)力、應(yīng)變問題。制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄均采用灰鑄鐵，密度為7000 kg/m3，彈性模量為1.26 GPa，泊松比為0.3；在前面的三維建模時(shí)，適當(dāng)?shù)氖÷粤艘恍┹^小的倒角、圓孔等結(jié)構(gòu)，簡化了幾何模型，所以，生成的三維模型可以直接導(dǎo)入；在劃分網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格劃分是否合理直接關(guān)系到計(jì)算的收斂性和精確度，由于制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄形狀不規(guī)則，而映射體網(wǎng)格只包含六面體單元，所以選擇自由網(wǎng)格劃分形式，結(jié)果如圖5所示。

圖5 劃分網(wǎng)格

由于制動(dòng)鼓受力比較復(fù)雜，本文在施加載荷及邊界條件時(shí)，假設(shè)摩擦片與制動(dòng)鼓之間在包角范圍內(nèi)完全接觸；摩擦片的摩擦系數(shù)不隨溫度發(fā)生變化；假設(shè)制動(dòng)輪缸液壓力保持不變，制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓之間的最大壓力均勻的作用在制動(dòng)鼓表面上。通過靜力學(xué)分析知，可對(duì)其制動(dòng)蹄施加3.5 kN的促進(jìn)力，由(4)式可計(jì)算外表面所受總壓力；由(8)式可計(jì)算制動(dòng)鼓受到的制動(dòng)力矩(1561.5 N×m)。如圖6所示。進(jìn)而可得到純機(jī)械應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果，如圖7、圖8所示。

圖6 對(duì)制動(dòng)蹄、制動(dòng)鼓施加載荷、約束

圖7 制動(dòng)蹄、制動(dòng)鼓應(yīng)力圖

圖8 制動(dòng)蹄、制動(dòng)鼓應(yīng)變圖

從圖中可知，制動(dòng)蹄的最大形變發(fā)生于制動(dòng)蹄與摩擦片接觸的邊緣處[5]，最大應(yīng)力0.068402 GPa，最大應(yīng)變?yōu)?.024077 mm，制動(dòng)鼓最大應(yīng)力為0.32917 GPa；最大應(yīng)變?yōu)?.9098×10-4mm；結(jié)果表明一般最大應(yīng)力發(fā)生在制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄接觸周圍，設(shè)計(jì)制造時(shí)需要注意該處的強(qiáng)度與剛度。

在靜應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，進(jìn)入ANSYS 中的WORKBENCH模塊，將Static Structural模塊直接插入Steady-State Thermal模塊的Solution中，建立結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)的耦合；首先，要確定制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓的材料性能參數(shù)：溫度24 ℃、熱傳導(dǎo)率40 W/(m·K)、彈性模量148 E(109Pa)、泊松比0.3、比熱容480 C(J/kg·K)、初速度為100 km/h、初始角速度W0為87.6 rad/s。參數(shù)輸入完后模型導(dǎo)入只需和靜力學(xué)分析的模型建立連接即可。在制動(dòng)過程中因制動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量形成了制動(dòng)器和外界環(huán)境之間的溫度差，因此，施加制動(dòng)鼓內(nèi)表面溫度為100 ℃，外表面為75 ℃。

圖9 制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力場

圖10 制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)變場

經(jīng)過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析[8]，依據(jù)圖9、圖10知，在考慮溫度場影響的情況下，得到制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓的應(yīng)力、應(yīng)變都發(fā)生了一定程度的變化，但是，均未超過屈服極限和剛度要求，所以，以上設(shè)計(jì)、分析均合理。制動(dòng)蹄最大應(yīng)力為1.808×108Pa，最大應(yīng)變?yōu)?.15285 mm，制動(dòng)鼓最大應(yīng)力為3.2917×108Pa，最大應(yīng)變?yōu)?.15674 mm。由此可見，如純靜力學(xué)分析相比，溫度對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變的影響比較大。

3 結(jié)論

通過基于單向自增力制動(dòng)器三維數(shù)字化模型的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，可得出以下結(jié)論[9]：

（1）通過對(duì)制動(dòng)蹄的靜力學(xué)分析（圖7、圖8），可以找出制動(dòng)蹄出現(xiàn)最大應(yīng)力應(yīng)變的具體位置，研究該位置的剛度、強(qiáng)度問題，對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)制造時(shí)具有指導(dǎo)意義。

（2）通過對(duì)制動(dòng)鼓進(jìn)行熱場分析（圖9、圖10），得知在摩擦面上制動(dòng)鼓的溫度高，離摩擦面越遠(yuǎn)溫度越低，這對(duì)于有針對(duì)性的改善制動(dòng)鼓的結(jié)構(gòu)以防止制動(dòng)過程中的熱衰退有深遠(yuǎn)意義。

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Coupled analysis thermal-mechanical in the self-directional-servo brake

*HU Ru-fang, GAO Hong, NING Shi-yu

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Ploytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China; 2.Wuhu Chengtuo Auto Parts Co., Ltd. Wuhu, Anhui 241000, China)

The mapping relations between the ground braking force and the wheel cylinder impetus is established by statics analysis, which can be used as the basic foundation of matching Vehicles and determining the finite element analysis of the force boundary conditions. Based on the development environment of ANSYS-WORKBENCH, the heat structure coupling analysis was conducted on the given model. Furthermore, we find the change rule of the brake under the common effect in force and temperature, which can provide technical basis for improving the performance of the brake thermal recession and prolonging the service life.

the servo brake; statics analysis; coupling analysis of thermal-mechanical

TH113.2+2

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.02.017

1674-8085(2014)02-0079-04

2013-08-23；

2013-12-16

2012年度蕪湖市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012cxy02)

*胡如方(1986-)，女，山東菏澤人，碩士生，主要從事數(shù)字化汽車設(shè)計(jì)與制造研究(E-mail: 1415602593@qq.com);

高 洪(1963-)，男，安徽樅陽縣人，教授，博士，碩導(dǎo)，主要從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與CAD等研究(E-mail: gaohong0706@sina.com);

寧世玉(1971-)，男，安徽蕪湖人，主要從事數(shù)字化汽車設(shè)計(jì)與制造研究(E-mail: whct88@163.com).