（內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，包頭 014000）

0 引言

全盤式機(jī)械制動(dòng)器通過(guò)隨軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)盤與固定于車輛框架上的定盤之間的摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩，如圖1所示。動(dòng)盤與定盤之間的接合與分離需要通過(guò)定盤的軸向移動(dòng)完成，這就要求定盤有受控的軸向自由度和固定的周向旋轉(zhuǎn)自由度。本研究涉及一種重型車用全盤式機(jī)械制動(dòng)器，由兩對(duì)動(dòng)盤與定盤分別構(gòu)成兩對(duì)摩擦副，動(dòng)盤為兩個(gè)軸向位置相對(duì)固定的制動(dòng)盤，定盤分別為與車輛框架固定的聯(lián)接盤和與聯(lián)接盤通過(guò)導(dǎo)向槽連接的移動(dòng)盤。制動(dòng)器工作時(shí)，移動(dòng)盤受外力推動(dòng)遠(yuǎn)離聯(lián)接盤，在兩個(gè)制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)脹緊、擠壓兩對(duì)摩擦片，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。此時(shí)，聯(lián)接盤上承受的摩擦力矩通過(guò)連接螺栓直接傳遞到車輛框架；移動(dòng)盤上承受的力矩則通過(guò)導(dǎo)向槽傳遞到聯(lián)接盤。傳統(tǒng)的導(dǎo)向槽采用了與矩形花鍵類似的結(jié)構(gòu)，為軸向均布的八對(duì)矩形齒與槽，二者在側(cè)面形成間隙配合。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該導(dǎo)向結(jié)構(gòu)工作較為可靠度，但也有磨損、生熱嚴(yán)重的問(wèn)題。

圖1 全盤式機(jī)械制動(dòng)器原理

重型車輛長(zhǎng)期在惡劣工況下工作，不合理的接觸形式可能造成大顆?？?，阻礙結(jié)合與分離動(dòng)作；聯(lián)接盤和移動(dòng)盤工作時(shí)處于相對(duì)滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，不合理的受力狀態(tài)、接觸形式可能引起局部過(guò)熱、磨損加劇甚至燒結(jié)。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠度與工作品質(zhì)，本研究使用有限元方法對(duì)導(dǎo)向槽的受力工況做了模擬；對(duì)導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，與原始導(dǎo)向槽進(jìn)行了對(duì)比分析，論證了新結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

1 矩形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

聯(lián)接盤與移動(dòng)盤通過(guò)八個(gè)周向均布的矩形導(dǎo)向槽連接，由于八個(gè)導(dǎo)向槽的受力情況相同，故分割1/8部分作為仿真模型，如圖2所示。

圖2 聯(lián)接盤與移動(dòng)盤（左圖為整體，右圖為1/8部分）

原始設(shè)計(jì)中，矩形導(dǎo)向槽處為間隙配合，間隙值范圍為：0.55mm～0.68mm（槽寬齒寬）。對(duì)間隙值間隔取值建模，間隙值分別為0.55mm、0.615mm、0.68mm。

矩形導(dǎo)向槽在間隙存在的情況下工作必然導(dǎo)致線（棱邊）與面（槽側(cè)面）的接觸，從而產(chǎn)生局部高應(yīng)力，如圖3所示。齒與槽側(cè)面接觸夾角α與槽寬b、間隙值d的關(guān)系可以用式(1)描述。

圖3 間隙值與接觸夾角的關(guān)系

夾角存在時(shí)，在絕對(duì)剛體的假設(shè)前提下，實(shí)際接觸副是“線-面”接觸，隨著棱邊磨鈍，接觸長(zhǎng)度（a）增大，接觸區(qū)域面積增大，對(duì)接觸應(yīng)力產(chǎn)生緩解作用。表面接觸應(yīng)力均值σave與接觸區(qū)域長(zhǎng)度的關(guān)系如式(2)所示，0.5mm～50mm的接觸寬度范圍內(nèi)的接觸應(yīng)力如圖4所示。

F為正壓力，按照15000N·m的制動(dòng)力矩?fù)Q算，取11160N；l為齒寬。

圖4 接觸長(zhǎng)度與接觸應(yīng)力的關(guān)系

由圖4可知：

1）越小的接觸長(zhǎng)度將導(dǎo)致越大的接觸應(yīng)力，在0.5mm的接觸長(zhǎng)度下已經(jīng)逼近1GPa；

2）在較小的接觸長(zhǎng)度（5mm以內(nèi)）下，由齒、槽間隙決定的“線-面”接觸將導(dǎo)致接近1GPa的表面接觸應(yīng)力值；

3）在棱邊磨鈍初期，接觸應(yīng)力值隨接觸長(zhǎng)度變化幅度較大，接觸應(yīng)力對(duì)磨損狀態(tài)敏感，極易造成各槽、齒表面不均等磨損甚至壓潰。

2 矩形、扇形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

鑒于矩形導(dǎo)向槽的間隙敏感性，考慮以扇形導(dǎo)向槽代替。扇形導(dǎo)向槽（帶間隙）在發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，理論上仍保持面與面的接觸，在相同的外部載荷作用下可以減小局部應(yīng)力。扇形導(dǎo)向槽橫截面如圖5所示。

圖5 扇形導(dǎo)向槽（左）與矩形導(dǎo)向槽（右）橫截面對(duì)比

2.1 仿真前處理

從幾何接觸形式上看，扇形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中槽、齒接觸為面接觸，理論上將有效緩解接觸應(yīng)力，為了量化地掌握扇形導(dǎo)向槽的接觸應(yīng)力緩解能力，使用ANSYS軟件進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析。關(guān)鍵計(jì)算環(huán)境設(shè)置項(xiàng)如下：

1）材料選擇：選擇結(jié)構(gòu)鋼設(shè)置兩零件。

2）網(wǎng)格劃分：對(duì)接觸面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其余按照默認(rèn)的精網(wǎng)格密度劃分，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分

3）接觸設(shè)置：為了得到無(wú)透穿的高精度計(jì)算結(jié)果，將接觸行為設(shè)置為對(duì)稱行為（Symmetric），選擇增廣Lagrange（Augemented Lagrange）算法。

4）邊界條件：如圖7所示。按照聯(lián)接盤在車輛框架上的固定位置設(shè)置固定約束（Fixed）；在移動(dòng)盤的內(nèi)圓柱表面設(shè)置圓柱副（Cylindrical support），并釋放切向自由度；在移動(dòng)盤的斷面處施加9868N的推力（Force），大小按照制動(dòng)力矩（15000N·m）與結(jié)構(gòu)尺寸換算。

圖7 邊界條件

5）進(jìn)行0.1s的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析（Static Structural），迭代步數(shù)20～100子步。

2.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果主要關(guān)注兩個(gè)項(xiàng)目：

1）導(dǎo)向槽側(cè)面的接觸應(yīng)力（Pressure）。接觸應(yīng)力直接反應(yīng)了相同外力作用下，接觸表面的受力情況，過(guò)大的接觸應(yīng)力易導(dǎo)致局部磨損、壓潰。

2）聯(lián)接盤、移動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)應(yīng)力（Equivalent Stress）。表面接觸形式的差異決定了齒、槽間相互作用力的作用點(diǎn)、分布狀態(tài)不同，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的差異。

為了討論齒側(cè)間隙值對(duì)上述分析結(jié)果的影響，和發(fā)現(xiàn)一般性規(guī)律，上述兩個(gè)項(xiàng)目均在0.68mm、0.615mm、0.55mm三個(gè)間隙狀態(tài)下進(jìn)行。

矩形、扇形導(dǎo)向槽接觸壓力對(duì)照結(jié)果如表1所示。

1）橫向?qū)Ρ染匦?、扇形?dǎo)向槽側(cè)面接觸壓力可以看出：在各種間隙狀態(tài)下，扇形導(dǎo)向槽都獲得了較均勻的壓力分布，且多數(shù)區(qū)域的峰值壓力都低于矩形導(dǎo)向槽；

2）縱向?qū)Ρ炔煌g隙狀態(tài)下槽側(cè)面接觸壓力可以看出：表面接觸壓力不因間隙值變化呈明顯規(guī)律性，矩形導(dǎo)向槽的壓力峰值波動(dòng)幅度較扇形導(dǎo)向槽更大。

表1 矩形、扇形導(dǎo)向槽接觸壓力對(duì)比

矩形、扇形導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)照結(jié)果如表2所示。

1）橫向?qū)Ρ染匦?、扇形?dǎo)向槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以看出：矩形導(dǎo)向槽上應(yīng)力自接觸棱邊向周邊擴(kuò)散，扇形導(dǎo)向槽則較均勻地分布在接觸面上。在各種間隙狀態(tài)下，扇形導(dǎo)向槽都較好地緩解了應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)峰值應(yīng)力甚至在矩形導(dǎo)向槽的0.5倍以下；

表2 矩形、扇形導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比

2）縱向?qū)Ρ炔煌g隙狀態(tài)下導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以看出：結(jié)構(gòu)應(yīng)力不因間隙值變化呈明顯規(guī)律性，矩形導(dǎo)向槽的應(yīng)力峰值波動(dòng)幅度較扇形導(dǎo)向槽更大。

3 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的扇形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)將矩形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的“線、面接觸”改變?yōu)椤懊妗⒚妗苯佑|，有效地改善了接觸壓力分布的均勻性；同時(shí)，由于避免了從面到線的降維接觸，齒、槽間相互作用力的分布狀態(tài)得以均勻化調(diào)整，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象也得到了很好的緩解。