楊仁華

?

基于ANSYS的制動(dòng)卡鉗仿真分析

楊仁華

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)盤式制動(dòng)器制動(dòng)卡鉗進(jìn)行仿真分析，分析了制動(dòng)器結(jié)構(gòu)、卡鉗載荷及卡鉗約束條件。利用CATIA三維軟件對(duì)鉗體進(jìn)行實(shí)體建模，并導(dǎo)入到ANSYS，利用ANSYS進(jìn)行仿真分析，通過(guò)極限工況分析，對(duì)卡鉗進(jìn)行了改進(jìn)，最終使卡鉗達(dá)到強(qiáng)度與剛度要求。

制動(dòng)卡鉗；有限元；仿真分析；強(qiáng)度與剛度

汽車制動(dòng)器是汽車上非常重要的一個(gè)組成部分，它可以使行駛中的汽車強(qiáng)制降速、在各種路況下正常駐車、下長(zhǎng)坡時(shí)車速維持平穩(wěn)?？梢哉f(shuō)，汽車制動(dòng)器直接關(guān)系到汽車的安全性。盤式制動(dòng)卡鉗作為制動(dòng)器的一個(gè)重要零件，不但是制動(dòng)卡鉗，也包含制動(dòng)輪缸，因此其強(qiáng)度與剛度非常重要，然而制動(dòng)卡鉗是一個(gè)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件，采用傳統(tǒng)的力學(xué)方法難以計(jì)算其強(qiáng)度與剛度，本文采用CAE對(duì)制動(dòng)卡鉗進(jìn)行了仿真分析。

1 盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

盤式制動(dòng)器作為轎車主要使用的制動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-2]。

1—制動(dòng)盤；2—制動(dòng)卡鉗；3—制動(dòng)塊；4—活塞；5—進(jìn)油口；6—導(dǎo)向銷；7—車橋。

2 制動(dòng)卡鉗載荷分析

3 有限元模型建立

3.1 制動(dòng)卡鉗的材料特性

對(duì)稱錐齒輪式差速器殼體的材料是球墨鑄鐵QT500-18，其材料特性如表1所示。

3.2 有限元模型建立

利用CATIA三維軟件對(duì)制動(dòng)卡鉗進(jìn)行三維建模，然后利用CATIA軟件將制動(dòng)卡鉗三維模型存為stp文件，通過(guò)該stp文件將殼體的三維模型導(dǎo)入ANSYS，進(jìn)而完成三維模型的導(dǎo)入；制動(dòng)卡鉗模型導(dǎo)入后，根據(jù)制動(dòng)卡鉗結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度不等的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，再考慮分析內(nèi)容，采用智能劃分和局部細(xì)化的方法對(duì)殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的有限元模型[3]如圖2所示。

4 約束條件及靜力分析

4.1 約束條件及載荷施加

表1 QT400材料特性表

材料名稱彈性模量/（N/m2）泊松比質(zhì)量密度/（kg/m3）極限強(qiáng)度/（N/m2）屈服強(qiáng)度/（N/m2） QT500-181.61E+110.2747.01E+034.00E+083.20E+08

4.2 制動(dòng)卡鉗仿真結(jié)果分析

通過(guò)網(wǎng)格劃分、加約束、加載荷，求解器運(yùn)行求解，得到仿真結(jié)果如圖3所示。其中圖（a）為變形分析，圖（b）為應(yīng)力分析，圖（c）為安全分析。

制動(dòng)卡鉗初始設(shè)計(jì)方案，其觀察口的厚度為8.5 mm。從圖3可以看出，制動(dòng)卡鉗的最大形變?yōu)?.88 mm，形變量較大；應(yīng)力最大值為466.9 MP，超出了屈服強(qiáng)度320 MP；安全系數(shù)較低，為0.70，不符合安全要求，必須要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖2 制動(dòng)卡鉗網(wǎng)格劃分

（a）變形分析

（b）應(yīng)力分析

（c）安全分析

在改進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)制動(dòng)卡鉗的觀察口四個(gè)角容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問(wèn)題，嚴(yán)重影響了制動(dòng)卡鉗的強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)調(diào)整和分析，發(fā)現(xiàn)倒角和增加制動(dòng)卡鉗觀察口的厚度能夠減小應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。最后將設(shè)計(jì)的觀察口厚度由8.5 mm增加

到10 mm，對(duì)觀察口的四個(gè)角進(jìn)行3 mm的倒角，得到了如圖4所示的結(jié)果。其中圖（a）為變形分析，圖（b）為應(yīng)力分析，圖（c）為安全分析。

（a）變形分析

（b）應(yīng)力分析

（c）安全分析

由上圖的分析結(jié)果可以得到，在增加觀察口厚度為10 mm，對(duì)四個(gè)角進(jìn)行3 mm的倒角后，制動(dòng)卡鉗的最大變形量減小到0.45 mm，變形符合規(guī)范；最大應(yīng)力減小到158.7 MP，在屈服強(qiáng)度320 MP內(nèi)；安全系數(shù)提高到了2.0，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦，抗疲勞斷裂計(jì)算選取的安全系數(shù)為=1.5～3，本次設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2，符合安全要求。由以上數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)后的制動(dòng)卡鉗各項(xiàng)數(shù)據(jù)都得到了相應(yīng)的提高，所以制動(dòng)卡鉗最后采用觀察口厚度為10 mm，四個(gè)角進(jìn)行3 mm的倒角。

綜上所述，制動(dòng)卡鉗經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，卡鉗尺寸進(jìn)行了改動(dòng)，觀察口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，由原來(lái)的直角改為圓角，改進(jìn)后制動(dòng)卡鉗的強(qiáng)度與剛度達(dá)到要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某類型轎車制動(dòng)卡鉗在極限工況下進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表明，該制動(dòng)卡鉗初始設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均不符合要求。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，將制動(dòng)卡鉗觀察口厚度由原來(lái)的8.5 mm增加為10 mm，觀察口四個(gè)角由直角改為半徑為3 mm的圓角，制動(dòng)卡鉗的強(qiáng)度與剛度均達(dá)到要求。分析結(jié)果：為制動(dòng)卡鉗設(shè)計(jì)提供了一種適用的工程方法。

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造（下）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］嚴(yán)亮.盤式制動(dòng)器的匹配設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（10）.

［3］張洪才.何波.有限元分析：ANSYS13.0從入門到實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕

2095－6835（2018）19－0127－02

U463.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.127

楊仁華，長(zhǎng)期從事汽車計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與汽車計(jì)算機(jī)輔助工程研究。