吳海波，李鴻飛，孫瓊

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基于HyperWorks的制動鉗支架強度與剛度分析

吳海波，李鴻飛，孫瓊

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

制動鉗支架承載著摩擦片傳遞過來的制動力矩，其強度與剛性必須滿足要求。文章首先分析了制動鉗支架受力方式，分析了汽車制動時制動鉗支架承受載荷的計算方法。然后利用HyperWorks對某一SUV車型制動鉗支架進行網(wǎng)格劃分，并對其強度和剛度進行有限元分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計定型提供依據(jù)。

制動鉗；支架；強度；剛性

引言

制動器是保證汽車行駛安全的重要組成部件，在整個制動系統(tǒng)中，制動器作為執(zhí)行機構(gòu)，將車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能。而對于浮動鉗式制動器，制動器支架直接承載著制動摩擦片傳來的制動力矩，其強度與剛性能否滿足要求，直接影響著行車安全。

1 有限元分析流程

有限元法是利用近似數(shù)學的方法對真實的物理系統(tǒng)，包括幾何和加載工況進行模擬，其一般步驟為：

（1）問題簡化，包括結(jié)構(gòu)簡化、屬性簡化和加載簡化等。

（2）前處理，包括劃分網(wǎng)格，質(zhì)量檢查，添加材料屬性、邊界條件和載荷數(shù)據(jù)等。

（3）求解，使用求解器進行計算。

（4）后處理，判斷計算結(jié)果是否滿足要求。

有限元分析的一般流程如圖1所示。

圖1 有限元分析的一般流程

2 支架受力計算

駕駛員正常踩制動踏板時，踏板力通過真空助力器和制動主缸，轉(zhuǎn)換成制動管路壓力，經(jīng)過活塞作用在制動盤上，從而在摩擦片和制動盤之間產(chǎn)生制動力矩。該制動力矩通過摩擦片直接作用在制動鉗支架上，單摩擦片作用在支架上的力F為：

F=p*π*d2/4*f （1）

式中：p為管路壓力；

d為制動鉗缸徑

f為摩擦片系數(shù)

該制動鉗規(guī)格為單缸φ38，摩擦系數(shù)為0.38，在進行支架計算時，選取典型的0.6g和1g減速度兩種工況進行校核。0.6g和1g工況下對應(yīng)的制動管路壓力分別為6.3Mpa和8Mpa，根據(jù)上式計算得出的支架受力F：

表1

3 模型建立

3.1 三維模型導(dǎo)入與簡化

在CATIA中建立制動鉗支架三維實體模型，再利用HyperMesh提供的CATIA接口導(dǎo)入模型。為了得到較好的效果，這里我們將零件在CATIA中保存為通用的IGES的格式，然后利用HyperMesh提供的IGES接口讀入。

在尊重實際和不影響計算精度的前提下，為了減小計算量和計算時間，保證單元的質(zhì)量，簡化幾何模型，將所有的過渡圓角和倒角簡化成直角。

3.2 網(wǎng)格劃分

將三維模型以IGES格式導(dǎo)入HyperMesh中進行網(wǎng)格劃分，利用automesh命令對支架進行網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格時，要注意控制單元數(shù)目，雖然增加網(wǎng)格數(shù)量，能夠提高計算精度，但會耗費更多的計算資源和時間。故網(wǎng)格劃分時要綜合考慮，在保證計算精度的前提下，盡量減少計算時間。網(wǎng)格劃分好之后，需要利用check elems命令對其進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，嚴格控制四邊形單元的長寬比、翹曲度、最大角和最小角等參數(shù)。

圖2 制動鉗支架有限元模型

3.3 材料屬性

支架采用QT500-7材料，在HyperMesh中對材質(zhì)進行自定義設(shè)置，彈性模量為170GPa，泊松比為0.293，屈服強度為320Mpa，密度7.9g/cm2。

3.4 邊界條件與載荷設(shè)置

以汽車在制動時某一瞬時支架的受力狀態(tài)為加載依據(jù)。

由于支架是用兩個螺栓固連于轉(zhuǎn)向節(jié)，因此支架與轉(zhuǎn)向節(jié)的連接螺栓孔X、Y、Z三個方向的6個自由度均需要被約束。

支架受到摩擦片傳遞的制動力，該力垂直作用在摩擦片導(dǎo)向槽端面上，根據(jù)上方計算得出的支架受力施加載荷，點與面耦合，在點上施加載荷，方向沿著面內(nèi)法線方向，如下圖3所示。

圖3 約束與加載示意圖

4 計算及結(jié)果分析

4.1 判斷依據(jù)

（1）強度檢查

需要檢查支架在1g減速度工況下，支架的最大等效應(yīng)力是否超過了支架材料本身的屈服強度，據(jù)此判斷支架強度設(shè)計是否合格。

（2）剛性檢查

1.0g工況載荷下支架內(nèi)側(cè)中心位移值是否小于0.12mm，扭轉(zhuǎn)值是否小于0.26mm，其中扭轉(zhuǎn)值==外側(cè)中心位移-內(nèi)側(cè)中心位移。

4.2 計算結(jié)果

使用HyperMesh自帶的RADIOSS求解，并將求解的結(jié)果掉入HyperView中，分別檢查應(yīng)力分布與變形量分布。

（1）兩種工況的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4（a） 0.6g的應(yīng)力云圖

圖4（b） 1g的應(yīng)力云圖

（2）兩種工況的變形云圖如圖5所示。

圖5（a） 0.6g的變形云圖

圖5（b） 1g的變形云圖

4.3 結(jié)果分析

（1）強度計算結(jié)果：

在0.6g和1g兩種制動工況下，支架的最大等效應(yīng)力分別為168.2Mpa、213.6Mpa，而支架材料為QT500，其屈服強度為320Mpa，在兩種制動工況下支架的最大等效應(yīng)力均小于材料的屈服強度，所以支架強度設(shè)計合格。

（2）剛性計算結(jié)果：

1.0g工況載荷下支架內(nèi)側(cè)中心位移為0.1163mm，滿足設(shè)計標準<0.12mm；且外側(cè)中心位移為0.1949mm，計算出支架扭轉(zhuǎn)值：

扭轉(zhuǎn)值=外側(cè)中心位移-內(nèi)側(cè)中心位移

=0.2459-0.1163

=0.1296mm

滿足設(shè)計標準<0.26mm，所以支架剛性設(shè)計合格。

5 結(jié)論

通過對支架進行實際受力分析，利用有限元軟件Hyper Mesh建立了支架有限元模型，施加合適的載荷和邊界條件，再利用RADIOSS求解器對進行計算，得到支架的應(yīng)力云圖和形變云圖。通過將計算數(shù)據(jù)與設(shè)計標準進行對比，確認支架強度設(shè)計和剛性設(shè)計滿足設(shè)計要求，為支架結(jié)構(gòu)定型提供數(shù)據(jù)參考和理論支持。

[1] 王亮.盤式制動器的參數(shù)化建模及強度分析[D].武漢:武漢理工大學,2014.

[2] 張勝蘭,嚴飛.基于HyperWorks 的車架模態(tài)分析[J].機械設(shè)計與制造,2005,4（4）:10～11.

[3] 吳海波,李晉,石磊磊.輕型貨車車架的有限元建模及模態(tài)分析[J].公路與汽運,2012 (4):17-19.

Strength and stiffness analysis of brake caliper bracket based on HyperWorks

Wu Haibo, Li Hongfei, Sun Qiong

( Anhui jianghuai automobile group co. LTD, Anhui Hefei 230601 )

The brake caliper bracket carries the braking torque transmitted by the friction plate, its strength and rigidity must meet the design requirements. This paper first analyzes the force mode of the brake caliper bracket, and analyzes the calculating method of bearing load of brake caliper bracket during vehicle braking. Then HyperWorks is used to mesh the bracket of a SUV vehicle, and analyzes its strength and rigidity by finite element method, which provides a basis to freeze the architectural design.

Caliper;Bracket;Strength;Rigidity

U466

B

1671-7988(2018)22-125-03

吳海波，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

U466

B

1671-7988(2018)22-125-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.044