侯天琦

摘 要：盤(pán)式制動(dòng)器的主要零件的強(qiáng)度和剛度直接決定了制動(dòng)系統(tǒng)是否有足夠的可靠性，是滿足汽車(chē)安全的最重要指標(biāo)。本文利用ANSYS Workbench，對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器主要零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，對(duì)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：有限元；靜力分析；剛度；強(qiáng)度

1.靜力學(xué)方程

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析通常用來(lái)分析在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)。通常情況下，一般研究的是結(jié)構(gòu)的位移、約束反力、應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。

忽略阻尼和慣性對(duì)系統(tǒng)的影響，假設(shè)結(jié)構(gòu)的加載和響應(yīng)隨時(shí)間變化不大，利用ANSYS Workbench中自帶的Mechanical模塊設(shè)置結(jié)構(gòu)靜力分析選項(xiàng)，然后運(yùn)用ANSYS求解器進(jìn)行求解計(jì)算。

一般的，靜力學(xué)分析方程為：

[K]{u}={F}

其中，[K]是剛度矩陣，{u}是位移矢量，{F}是靜載荷。在分析中，不考慮動(dòng)載荷對(duì)系統(tǒng)的影響，忽略阻尼和慣性。假設(shè)材料為彈性材料，結(jié)構(gòu)總體變形可忽略不計(jì)，那么[K]即為常量。

在對(duì)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進(jìn)行分析時(shí)，通常采取的步驟為：建立分析系統(tǒng)、定義材料基本參數(shù)和屬性、建立幾何模型、明確連接關(guān)系、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加載荷和約束、進(jìn)行求解和后處理。

2.初始參數(shù)和有限元模型的建立

在建立有限元模型之前，要先定義各部分之間的接觸關(guān)系，這些關(guān)系包括：制動(dòng)鉗體與油缸、制動(dòng)鉗體與支架、油缸與摩擦片、制動(dòng)卡鉗與摩擦片、制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)與兩個(gè)摩擦片。

經(jīng)由計(jì)算可得，油缸底面的載荷為1.7MPa，制動(dòng)盤(pán)體表面施加壓力為25MPa。給制動(dòng)器端面和中心孔施加全約束。

盤(pán)式制動(dòng)器主要零件參數(shù)見(jiàn)上表。利用Pro/E軟件進(jìn)行建模，再導(dǎo)入ANSYS Workbench中。

3.主要零件靜力學(xué)分析結(jié)果

（1）油缸。在ANSYS Workbench平臺(tái)建立靜力學(xué)分析模塊，然后導(dǎo)入油虹的有限元靜力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2. 1E11，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。對(duì)油缸開(kāi)口端面施加X(jué)方向的約束，載荷大小為1.7E6Pa；對(duì)缸體外壁施加Z方向約束，載荷大小為1MPa。

經(jīng)加載后，變形最大的部分為油缸底部中心處，為0.011061mm，實(shí)際制動(dòng)工作中可以忽略不計(jì)。應(yīng)力最大的部分為油缸底部邊緣倒角處，底面中心變形較大，最大應(yīng)力值為30.825MPa，缸體材料的最大屈服強(qiáng)度242MPa，滿足工作要求。[1]

（2）制動(dòng)盤(pán)。在ANSYS Workbench

平臺(tái)建立靜力學(xué)分析模塊，然后導(dǎo)入油虹的有限元靜力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為1.75E11，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。對(duì)盤(pán)體外端面施加X(jué)方向的約束，對(duì)輪轂面施加Y方向和Z方向的約束，載荷大小均為25MPa。

經(jīng)加載后，變形最大部分為制動(dòng)盤(pán)邊緣處，為0.019207mm，越靠近安裝中心孔變形越小。應(yīng)力最大的部分在制動(dòng)盤(pán)摩擦面邊緣，最大應(yīng)力值為262.83MPa，制動(dòng)盤(pán)材料的最大屈服強(qiáng)度345MPa，滿足工作要求。[2]

（3）摩擦片。在ANSYS Workbench

平臺(tái)建立靜力學(xué)分析模塊，然后導(dǎo)入油虹的有限元靜力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為3.4E8，泊松比為0.25，密度為2600kg/m3。對(duì)摩擦片緣施加X(jué)方向和Y方向的約束，載荷大小均為25MPa。

變形最大部分在摩擦片與制動(dòng)盤(pán)接觸側(cè)邊緣處，最大值為0.0015938mm，越靠近中心變形越小。應(yīng)力最大處摩擦片在摩擦一側(cè)邊緣，最大應(yīng)力值為43.187MPa。對(duì)于汽車(chē)制動(dòng)摩擦片我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)為60—90 MPa，所以本摩擦片滿足工作要求。

本文利用ANSYS Workbench，對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器主要零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，包括制動(dòng)盤(pán)、支架、鉗體、摩擦片，用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模，對(duì)油缸、制動(dòng)盤(pán)和摩擦片進(jìn)行了有限元分析，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗(yàn)證，分析結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]施瑞康，張德林.汽車(chē)制動(dòng)器制動(dòng)效能因數(shù)計(jì)算及結(jié)果分析[J].汽車(chē)技術(shù)，2005（06）.

[2]徐榮濱.多盤(pán)摩擦式液壓制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].液壓氣動(dòng)與密封，2009（03）.

（作者單位：大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）