佟廷友

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221000）

基于ANSYS汽車鼓式制動器的有限元分析

佟廷友

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221000）

制動器是制動系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，它是產(chǎn)生制動力矩的部件，建立某汽車鼓式制動器三維實體模型，基于ANSYS對制動器進(jìn)行考慮摩擦因素的接觸分析，分析緊急制動工況下鼓式制動器的接觸應(yīng)力和變形，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

鼓式制動器；ANSYS；接觸分析

鼓式制動器是利用制動蹄片擠壓制動鼓而獲得制動力的，可分為內(nèi)張式和外束式兩種內(nèi)張鼓式制動器是以制動鼓的內(nèi)圓柱面為工作表面，在現(xiàn)代汽車上廣泛使用，它的制動蹄塊位于制動輪內(nèi)側(cè)，在剎車的時候位于制動鼓內(nèi)的制動蹄塊在一端受到促動力時，可繞其另一端的支點(diǎn)向外轉(zhuǎn)動，壓靠在制動鼓內(nèi)圓而上，產(chǎn)生摩擦力矩，達(dá)到剎車的目的。

鼓式制動器一般包含以下幾個裝置：促動凸輪、制動蹄、摩擦片和制動鼓，這種制動器結(jié)構(gòu)緊湊，密封容易，可用于安裝空間受限制的場合。鼓式制動器按制動蹄的受力情況不同，可分為領(lǐng)從蹄式、雙領(lǐng)蹄式、雙從蹄式、自增力式等類型，領(lǐng)從蹄式制動器制動效能比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于安裝，廣泛用作貨車的前、后輪制動器和轎車的后輪制動器。

鼓式制動器的制動力穩(wěn)定性差，在不同路面上制動力變化很大，不易于掌控。制動塊和輪鼓在高溫影響下較易發(fā)生極為復(fù)雜的變形，容易產(chǎn)生制動衰退和振抖現(xiàn)象，引起制動效率下降[1]。汽車高速行駛，汽車制動系統(tǒng)是最重要的安全裝置，很多交通事故產(chǎn)生的主要原因都和制動系統(tǒng)有關(guān)。因此對制動制動器進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義，本文以某汽車鼓式制動器進(jìn)行了接觸分析并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化得到了良好的接觸形態(tài)。

1 有限元模型的建立

1.1 建立幾何模型

為縮短建模以及結(jié)果求解的時間，突出主要的問題，在建立制動器的幾何模型時，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕汉雎詫嶓w模型中的凸臺、小孔、倒角、安裝孔以及間隙檢測孔這些元素，部分工藝倒圓以倒角代替，以滿足映射網(wǎng)格劃分條件。在ANSYS中創(chuàng)建實體建模，因為ANSYS/Workbench分析時對象是裝配體，因而需要把各個零件組裝成一個完整的裝配體[2]，如圖1所示。

圖1 ANSYS/Workbench的制動器模型

1.2 定義材料屬性

鼓式制動器是由制動鼓、制動蹄以及摩擦片組成，需要定義的各部分材料物理參數(shù)如表1所示。

表1 制動器各零件材料的屬性定義

1.3 創(chuàng)建約束與接觸設(shè)置

摩擦片是通過多個鉚釘鉚接在制動蹄上面的，因而定義制動蹄與摩擦片內(nèi)表面的接觸類型為粘結(jié)，即不允許面之間有相對滑動或分離。對于摩擦片外表面與制動鼓內(nèi)表面，定義其接觸類型為有摩擦，在這種情況下，在發(fā)生相對滑動之前，兩接觸面可以通過接觸區(qū)域傳遞一定數(shù)量的剪應(yīng)力，取兩個面之間的摩擦因子為0.3.并根據(jù)定義目標(biāo)面和接觸面的基本原則[3]，綜合考慮選取制動鼓內(nèi)表面為目標(biāo)面，摩擦片摩擦面為接觸面

在模擬制動器工作時，選取制動蹄銷孔內(nèi)圓面為約束目標(biāo)，只定義一個繞軸線轉(zhuǎn)動的自由度，其他轉(zhuǎn)動與位移自由度都為零；同時選取制動鼓的內(nèi)圓面為約束目標(biāo)，定義一個繞軸線轉(zhuǎn)動的自由度，其他轉(zhuǎn)動與位移自由度也都為零。

1.4 網(wǎng)格的劃分

利用ANSYS/Workbench軟件自動劃分網(wǎng)格功能，根據(jù)零件幾何形狀自動匹配合適的網(wǎng)格類型，反復(fù)修改網(wǎng)格尺寸以得到較精確的分析結(jié)果[4]。最終，確定網(wǎng)格的尺寸為3 mm，這樣劃出的網(wǎng)格較為規(guī)整、細(xì)密。

2 等作用力仿真結(jié)果的分析

2.1 創(chuàng)建載荷分析步

鼓式制動器在工作時，制動鼓是轉(zhuǎn)動的，制動S凸輪的工作帶動制動蹄，摩擦片壓迫制動鼓。為了能夠更好的模擬制動過程，求解過程共分兩個載荷求解步：第一載荷步，定義制動鼓固定，對制動蹄施加凸輪促動力，模擬出制動鼓在不轉(zhuǎn)動時各個零件的位移、應(yīng)力等情況。第二載荷步，定義對制動鼓施加小的轉(zhuǎn)角位移，模擬摩擦制動時的情況，求解出此時各零件的位移、應(yīng)力等情況。

2.2 等作用力下第一載荷步結(jié)果

按照實際作用力的方向?qū)芍苿犹惴謩e施加12 KN的作用力，模擬制動蹄在凸輪作用下的張開過程。如圖2，為載荷施加效果。

圖2 作用力作用在制動蹄

對制動蹄施加等作用力的仿真結(jié)果如下：

制動蹄如圖3，制動蹄在第一載荷步中的位移，其變形區(qū)域也集中在兩蹄靠近凸輪的上半部分，制動蹄的下半部分幾乎沒有位移形變，最大形變出現(xiàn)在制動蹄的頂端部位。

圖3 第一載荷步制動蹄位移

如圖4，為第一載荷步下制動蹄應(yīng)力圖，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在兩制動蹄靠近凸輪端環(huán)面。應(yīng)力最大值為125.54 MPa，小于制動蹄材料的屈服強(qiáng)度。

圖4 第一載荷步制動蹄應(yīng)力

（3）接觸壓力

圖5為第一載荷步后，接觸壓力分布情況，由于兩制動蹄受到的作用力相等，方向相反，所以可以知道兩邊摩擦片上的壓力分布相似，接觸壓力主要發(fā)生在襯片靠近凸輪端，腰部襯片基本上未參與接觸。最大壓力發(fā)生在靠近凸輪端的頂部，大小為56.53 MPa.

圖5 第一載荷步接觸壓力分布

2.3 等作用力下第二載荷步結(jié)果

第二載荷步是在第一載荷步的基礎(chǔ)上對制動鼓施加微小的轉(zhuǎn)動位移，以模擬制動鼓與制動蹄的摩擦運(yùn)動。

（1）制動蹄

在第二載荷步中，制動蹄的應(yīng)力分布如圖6，由于制動鼓轉(zhuǎn)動過程中的增勢效應(yīng)，領(lǐng)蹄靠近銷軸部分的應(yīng)力明顯增大，最大值達(dá)到了118.87 MPa，而從蹄靠近銷軸端部分則由于減勢效應(yīng)，應(yīng)力明顯下降。

圖6 第二載荷步制動蹄應(yīng)力

（2）接觸壓力

圖7為第二載荷步后，接觸壓力分布情況，最大接觸應(yīng)力為60.097 MPa，出現(xiàn)在領(lǐng)蹄靠近凸輪一側(cè)，在增勢效應(yīng)的作用下領(lǐng)蹄與制動鼓的貼合程度遠(yuǎn)比從蹄要好。接觸壓力的分布與參考文獻(xiàn)[5]中接觸壓力分布規(guī)律基本一致。

圖7 第二載荷步接觸壓力分布

3 實際促動力下載荷步仿真結(jié)果

提取各接觸單元的單元摩擦力及單元面積，通過計算得到領(lǐng)蹄、從蹄的制動力矩M1和M2分別為2578 Nm和849.6 Nm.經(jīng)過運(yùn)算得出在等作用力的情況下，兩制動蹄的效能因數(shù)分別為K1=1.79， K2=0.59.而制動器在實際工作時，兩制動蹄張開位移相同，所以取制動力矩相等，M=（M1+M2）/2.求得實際作用在兩制動蹄上的作用力分別為F1=7979 N，F(xiàn)2=24206 N.并對實際作用下制動器進(jìn)行仿真。

第一載荷步中，對領(lǐng)蹄施加作用力7979 N，對從蹄施加作用力24206 N，第二載荷步中，對制動鼓上施加旋轉(zhuǎn)位移，其他條件不變，對模型進(jìn)行求解，得到實際結(jié)果如下：

3.1 制動蹄仿真分析

圖8為實際作用力下，制動蹄的應(yīng)力，其分布規(guī)律與等作用力下第二載荷步制動蹄應(yīng)力分布相似最大值為131.52 MPa，結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求。

圖8 實際作用力下制動蹄應(yīng)力

3.2 接觸壓強(qiáng)仿真分析

圖9表示實際作用力下的接觸壓力，圖中，領(lǐng)蹄最大接觸壓力為40.7 MPa，于摩擦片靠近凸輪一側(cè)，而從蹄的最大接觸壓力為63.195 MPa，出現(xiàn)在摩擦片靠近凸輪一側(cè)端部。從蹄的最大接觸壓力是領(lǐng)蹄的1.5倍，且高應(yīng)力集中在端部極小的區(qū)域內(nèi)。這樣會導(dǎo)致接觸壓力在圓周上分布不均，引起制動力矩波動，一定程度上影響制動穩(wěn)定性，產(chǎn)生噪聲；同時也會引起局部溫度過高，造成制動鼓出現(xiàn)龜裂。

圖9 實際作用下接觸壓強(qiáng)分布

4 制動器的參數(shù)優(yōu)化

改變摩擦片的其實摩擦角度，分別仿真測試制動鼓與摩擦片之間接觸壓力的分布情況。

從表2可以看出，利用有限元軟件計算出來的最大接觸壓力值會隨著摩擦起始角的改變而不斷變化。當(dāng)起始摩擦角θ取40°，即將摩擦片幾何對稱分布時得到的最大接觸壓力最小。

U463.51

A

1672-545X（2016）11-0237-03

2016-08-18

佟廷友（1980-），男，江蘇徐州人，在職研究生，講師，研究方向：車輛工程。