丁煒琦，鄭小艷，蘇武，張龍

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

前言

節(jié)能減排是汽車行業(yè)永恒的主題之一，商用車橋向輕量化發(fā)展是大勢(shì)所趨，不僅可以降低整車油耗、提高載重量，還可以節(jié)省材料、降低成本，其中鼓式制動(dòng)器作為汽車的一個(gè)重要零部件，輕量化也是它未來(lái)發(fā)展的方向。所謂輕量化就是在保證制動(dòng)器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和制動(dòng)性能的前提下，盡可能地減少產(chǎn)品的重量以減少生產(chǎn)成本。對(duì)于汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，控制成本是非常重要的。在產(chǎn)品質(zhì)量相差不多的情況下，更低的成本會(huì)讓企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中更具有優(yōu)勢(shì)。

本文在滿足鼓式制動(dòng)器自身剛度、強(qiáng)度要求的同時(shí)，基于非線性分析軟件對(duì)某重型商用車鼓式制動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

1 鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鼓式制動(dòng)器

圖2 輕量化鼓式制動(dòng)器

如圖1所示，重型商用車橋傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鼓式制動(dòng)器主要由鑄造制動(dòng)底板、鑄造制動(dòng)蹄、滾輪、摩擦片等組成，對(duì)鑄造制動(dòng)底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將鑄造制動(dòng)蹄優(yōu)化為沖焊制動(dòng)蹄，輕量化鼓式制動(dòng)器較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)減重10%，如圖2所示。

2 鼓式制動(dòng)器磨合工況仿真分析

2.1 有限元模型

以輕量化鼓式制動(dòng)器為例，有限元模型如圖3所示，制動(dòng)底板、制動(dòng)蹄采用四面體單元?jiǎng)澐謱?shí)體網(wǎng)格，摩擦片、制動(dòng)鼓、凸輪軸和滾輪采用六面體單元?jiǎng)澐謱?shí)體網(wǎng)格。

采用車輛前進(jìn)坐標(biāo)系，x軸指向車輛前進(jìn)方向，y軸指向前進(jìn)方向的左側(cè)，z軸豎直向上。采用mm, s, t有限元常用單位制。

圖3 輕量化鼓式制動(dòng)器有限元模型

由于存在制造和安裝誤差，鼓式制動(dòng)器初始使用時(shí)接觸狀況不佳。為了更加真實(shí)地模擬制動(dòng)器在實(shí)際工作時(shí)熱—應(yīng)力耦合行為的特點(diǎn)，有必要對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，使摩擦片與制動(dòng)鼓之間接觸良好，接近正常使用情況[1]。

鑄件材料為 QT450，其屈服強(qiáng)度為 310MPa，彈性模量為147GPa，泊松比為0.25，密度為7300kg/m3；沖焊件材料為 Q345，其屈服強(qiáng)度為 345MPa，彈性模量為 210GPa，泊松比為0.3，密度為7900kg/m3。

2.2 約束和載荷

邊界條件[2]如圖4所示。仿真時(shí)，將制動(dòng)鼓法蘭部位的內(nèi)柱面通過(guò)多點(diǎn)約束(MPC)耦合到旋轉(zhuǎn)軸線的控制點(diǎn)上；制動(dòng)蹄下端與制動(dòng)底板鉸接，采用 MPC將銷孔內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)耦合到其軸線的控制點(diǎn)上；制動(dòng)蹄上端與滾輪相連，因此也將上端圓孔表面節(jié)點(diǎn)耦合到位于其軸線的控制點(diǎn)上；滾子主控點(diǎn)位于軸線上，滾子主控點(diǎn)與制動(dòng)蹄上端控制點(diǎn)之間通過(guò)梁?jiǎn)卧B接。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，制動(dòng)氣室通過(guò)凸輪軸向凸輪傳遞轉(zhuǎn)矩，在有限元模型中，將凸輪與軸連接的圓形區(qū)域通過(guò)梁?jiǎn)卧詈系轿挥谕馆嗇S軸線的主控點(diǎn)上。

圖4 輕量化鼓式制動(dòng)器磨合工況仿真模型

制動(dòng)鼓和摩擦片之間設(shè)置接觸，制動(dòng)鼓內(nèi)表面為主面，摩擦片外表面為從面，摩擦因數(shù)為0.4。摩擦片與制動(dòng)蹄之間設(shè)置Tie約束。凸輪與滾輪之間設(shè)置無(wú)摩擦接觸，滾輪為主面，凸輪為從面。

2.3 仿真結(jié)果與分析

2.3.1 制動(dòng)鼓徑向變形

制動(dòng)鼓的徑向最大變形量可以直觀的反映出制動(dòng)器的剛性，輕量化制動(dòng)器的制動(dòng)鼓徑向變形云圖如圖5所示。

圖5 輕量化制動(dòng)器制動(dòng)鼓徑向變形云圖

2.3.2 制動(dòng)底板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性

根據(jù)有限元分析結(jié)果可以得到輕量化制動(dòng)底板上凸輪軸孔、支承銷處反力，如表1所示，將反力加在制動(dòng)底板上，即可得到制動(dòng)底板的應(yīng)力和變形，如圖6、圖7所示。

表1 輕量化制動(dòng)底板受力

圖6 輕量化制動(dòng)底板應(yīng)力云圖

圖7 輕量化制動(dòng)底板變形云圖

2.3.3 制動(dòng)蹄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性

制動(dòng)蹄的應(yīng)力和變形，如圖8、圖9所示。

圖8 輕量化制動(dòng)蹄應(yīng)力云圖

圖9 輕量化制動(dòng)蹄變形云圖

2.3.4 領(lǐng)從蹄接觸壓強(qiáng)

領(lǐng)從蹄接觸壓強(qiáng)云圖如圖10、圖11所示。

圖10 領(lǐng)蹄接觸壓強(qiáng)云圖

圖11 從蹄接觸壓強(qiáng)云圖

從領(lǐng)從蹄接觸壓強(qiáng)云圖可看出，由于制動(dòng)鼓法蘭一側(cè)受到螺栓約束，剛都比較大，而開(kāi)口一側(cè)剛度較小，所以摩擦片左側(cè)靠近制動(dòng)鼓法蘭的部位接觸壓強(qiáng)略大于靠近制動(dòng)鼓開(kāi)口的部位。

2.3.5 仿真結(jié)果對(duì)比

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和輕量化結(jié)構(gòu)鼓式制動(dòng)器仿真對(duì)比結(jié)果如表 2所示，從對(duì)比結(jié)果可知：磨合工況下，輕量化制動(dòng)器制動(dòng)力矩優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，剛性、強(qiáng)度與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)，滿足使用要求。

表2 磨合工況仿真對(duì)比結(jié)果

3 鼓式制動(dòng)器拖磨工況仿真分析

3.1 有限元模型

拖磨工況仿真采用熱—應(yīng)力耦合分析方法[3]，考慮溫度場(chǎng)的影響，為了簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算效率，將鼓式制動(dòng)器模型簡(jiǎn)化為制動(dòng)鼓、摩擦片和制動(dòng)蹄，制動(dòng)鼓勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 30s，制動(dòng)蹄滾輪處加載有限元分析得到的張開(kāi)力，如表3所示。

表3 輕量化制動(dòng)蹄張開(kāi)力

邊界條件如圖12所示。仿真時(shí)，將制動(dòng)鼓法蘭部位的內(nèi)柱面通過(guò)多點(diǎn)約束(MPC)耦合到旋轉(zhuǎn)軸線的控制點(diǎn)上，將制動(dòng)蹄銷孔內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)耦合到其軸線的控制點(diǎn)上。

圖12 輕量化鼓式制動(dòng)器拖磨工況仿真模型

3.2 仿真結(jié)果與分析

輕量化制動(dòng)器制動(dòng)鼓溫度云圖如圖13所示。

圖13 輕量化鼓式制動(dòng)器制動(dòng)鼓溫度云圖

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和輕量化結(jié)構(gòu)鼓式制動(dòng)器拖磨工況仿真對(duì)比結(jié)果如表4所示，從對(duì)比結(jié)果可知：拖磨工況下，輕量化制動(dòng)器制動(dòng)力矩優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，制動(dòng)鼓最高溫度與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)，滿足使用要求。

表4 拖磨工況仿真對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

本文在滿足鼓式制動(dòng)器自身剛度、強(qiáng)度要求的前提下對(duì)某重型商用車鼓式制動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，減重量達(dá)到10%，基于非線性分析軟件對(duì)輕量化鼓式制動(dòng)器在磨合工況和拖磨工況進(jìn)行仿真分析，通過(guò)對(duì)比分析結(jié)果可知：輕量化制動(dòng)器制動(dòng)力矩優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，剛性、強(qiáng)度與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)，滿足使用要求。

[1] 鄭小艷,丁煒琦.蹄—鼓式制動(dòng)器接觸分析[J].金屬加工,2013,1:78-80.

[2] 呂振華,亓昌.蹄—鼓式制動(dòng)器熱彈性耦合有限元分析[J].機(jī)械強(qiáng)度,2003,25(4):401-407.

[3] 張建輝.鼓式制動(dòng)器熱彈性耦合非線性有限元分析[D].武漢:武漢科技大學(xué),2012.