王巍 姚磊
摘要:鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)底板實(shí)驗(yàn)中翹曲變形,通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、CAE分析,提高底板強(qiáng)度,剛度。
關(guān)鍵詞:制動(dòng)底板;強(qiáng)度;剛度;CAE分析
1引言
鼓式制動(dòng)器是通過(guò)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得制動(dòng)蹄片將制動(dòng)摩擦片壓緊在制動(dòng)鼓內(nèi)側(cè),從而產(chǎn)生制動(dòng)力,進(jìn)而使車輪依據(jù)實(shí)際需要減速,或在最短的距離內(nèi)停止,以確保行車安全,同時(shí)保障汽車停放可靠而不能自動(dòng)滑移。主要由制動(dòng)鼓、制動(dòng)底板、制動(dòng)蹄、輪缸組成,制動(dòng)過(guò)程中,蹄片和制動(dòng)鼓由于摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力都傳遞到制動(dòng)底板上,因此制動(dòng)底板需要有足夠的強(qiáng)度和剛度,以保證制動(dòng)過(guò)程安全有效。
2制動(dòng)底板變形
某車型的后鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)底板在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生翹曲變形而影響了制動(dòng)效果,如下圖1。
受力分析:
制動(dòng)過(guò)程中,制動(dòng)力通過(guò)蹄片作用在下圖的支點(diǎn)位置,F(xiàn)=10MPa×3.14×25.4×25.4×2.2/4=11142N
由于底板支點(diǎn)處受力較大,經(jīng)過(guò)檢查,發(fā)現(xiàn)零件變形也出現(xiàn)在這個(gè)位置,初步判斷底板強(qiáng)度、剛度不足是主要原因。
3CAE分析
對(duì)底板結(jié)構(gòu)如圖2,進(jìn)行CAE分析。
3.1分析軟件選擇
Hypermesh軟件是美國(guó)Altair公司的產(chǎn)品,具有強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能,并能與眾多的有限元求解器進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換,對(duì)提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率很有幫助。
Abaqus是功能強(qiáng)大的有限元軟件,可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng),特別是模擬高度非線性模型來(lái)解決問題。Hyperview是后處理軟件,用于CAE的模型檢查和結(jié)果處理。
3.2分析參數(shù)確定
(1)網(wǎng)格參數(shù)
制動(dòng)底板屬于鈑金結(jié)構(gòu),網(wǎng)格類型采用殼單元,網(wǎng)格大小為5mm。
(2)材料參數(shù)
底板材料為DC04,如表1。
3.3約束與加載
在底板法蘭4個(gè)安裝孔固定約束,在底板下方支點(diǎn)處加載F=的載荷。
3.4分析結(jié)果
根據(jù)以上參數(shù)及約束加載,經(jīng)過(guò)軟件分析,可得以下變形云圖及應(yīng)力云圖,如表2。
根據(jù)分析結(jié)果,底板最大應(yīng)力238.8Mpa,已經(jīng)超過(guò)屈服強(qiáng)度,變形3.303mm,變形也比較大。
4結(jié)構(gòu)優(yōu)化
根據(jù)分析結(jié)果和問題零件檢查,基本確定曲翹變形問題是由于底板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不夠而引起,因此考慮從材料、結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)而有效提高底盤的強(qiáng)度和剛度。針對(duì)該問題,做出三個(gè)參考方案:
方案一,如圖3。
(1)板厚增加0.5mm,由原來(lái)3.0mm變?yōu)?.5mm;
(2)結(jié)構(gòu)上更改:加強(qiáng)翻邊的沖壓深度加深,徑向輻射加強(qiáng)筋徑向加長(zhǎng);
(3)法蘭安裝面沖壓加深0.5mm,防塵圈更改。
方案二,如圖4。
(1)板厚不變,仍為3.0mm;
(2)法蘭安裝面不變;
(3)結(jié)構(gòu)上更改:加強(qiáng)翻邊的沖壓深度加深,徑向輻射加強(qiáng)筋徑向加長(zhǎng)。
方案三,如圖5。
(1)板厚增加0.5mm,由原來(lái)3.0mm改為3.5mm;
(2)將底板周緣沖防塵翻邊替代防塵圈,制動(dòng)鼓更改,如a處;
(3)法蘭安裝面沖壓加深0.5mm,軸承安裝孔處沖翻邊,如b處。
不同方案下分析結(jié)果的云圖對(duì)比情況,如表3。
相應(yīng)方案下進(jìn)行具體分析,結(jié)果的數(shù)值對(duì)比,如表4。
通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn),方案一、二中增加厚度0.5mm,大概可以減小18Mpa的應(yīng)力;采取更改結(jié)構(gòu)加強(qiáng)翻邊沖壓深度加深,徑向輻射加強(qiáng)筋加深徑向加長(zhǎng),可以減小69Mpa。其具體貢獻(xiàn)情況如表5。
從表5可以看出,結(jié)構(gòu)更改對(duì)制動(dòng)底盤的強(qiáng)度、剛度提升顯著,同時(shí)只通過(guò)增加板厚較難達(dá)到預(yù)期效果。此外,對(duì)比結(jié)構(gòu)更改方案,方案三中通過(guò)增加板厚,并翻邊提高剛度,但底盤整個(gè)結(jié)構(gòu)變化較大,重量也增加較多,不推薦采用。
方案一,通過(guò)增加板厚,并加深翻邊,拉長(zhǎng)筋條,法蘭面下沉來(lái)提高剛度,其效果與方案三接近,但結(jié)構(gòu)變化較小,重量增加不多,建議采用。
綜上所述,對(duì)比可優(yōu)化方案,最終采用了方案一,有效解決了底板變形問題。
5結(jié)語(yǔ)
提高零件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,可以從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增加材料厚度,替換材料等方面考慮,增加厚度,替換材料比較容易實(shí)現(xiàn),同時(shí)可能會(huì)增加零件成本。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法不但需要工程師對(duì)零件結(jié)構(gòu)比較熟悉,而且要深入了解零件的負(fù)載工況,從而預(yù)估結(jié)構(gòu)更改的影響趨勢(shì)。整個(gè)具體的實(shí)施過(guò)程中可能需要較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期,此外還可能會(huì)增加實(shí)驗(yàn)材料的消耗和成本。
CAE(Computer Aided Engineering)是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。倘若借助CAE分析軟件,可以更準(zhǔn)確地模擬各種實(shí)驗(yàn)負(fù)載工況,進(jìn)行機(jī)械事故原因分析及有效查找,并提供相關(guān)的分析結(jié)果來(lái)判斷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案是否正向優(yōu)化。
具體的CAE分析應(yīng)用越來(lái)越廣泛,可以更好的分析解決問題,提高效率。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用CAE分析,可以提高方案的準(zhǔn)確性,避免批量生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息傳遞,不僅對(duì)某些技術(shù)難題,甚至對(duì)于全面的CAE分析過(guò)程都有可能得到專家的技術(shù)支持,這必將在CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用方面發(fā)揮極為重要的作用。然而,事實(shí)上CAE技術(shù)在我國(guó)的中小型企業(yè)發(fā)展滯后,相關(guān)專業(yè)人員缺乏。但是在當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代里,利用信息通信技術(shù)與各行業(yè)的跨界融合,推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),不斷創(chuàng)造出新產(chǎn)品、新業(yè)務(wù)及新模式,CAE技術(shù)的發(fā)展較好地契合了實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025進(jìn)而逐漸成為制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。