宋秦中，周成磊

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.南京星喬威泰克汽車零部件有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

鼓式制動(dòng)器具有可靠性高、兼容性好、技術(shù)成熟、安裝和拆卸便利等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中型卡車和大型客車。為了確保制動(dòng)安全，制動(dòng)鼓溫度不能超過(guò)極限，在選擇制動(dòng)鼓的材料時(shí)，通常采用具有良好剛性和熱容的材料，還需要考慮與摩擦襯片材料相匹配，在保證較高的摩擦系數(shù)前提下，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)鼓和摩擦片的摩擦界面之間的均勻摩擦，以提高制動(dòng)性能[1-3]。為滿足以上要求，制動(dòng)鼓一般采用灰口鑄鐵或合金鑄鐵，制動(dòng)鼓內(nèi)表面涂有一層珍珠巖層，使其更耐磨。另外，為了避免制動(dòng)鼓在載荷作用下發(fā)生變形，制動(dòng)鼓的剛度和強(qiáng)度也是很重要的。摩擦片的工作條件和工作環(huán)境也決定了其嚴(yán)格的材料要求，必須具備更高的抗拉、抗彎、抗壓性能和良好的耐磨性和耐沖擊性能等。除此之外，摩擦材料的選擇對(duì)剎車產(chǎn)生的噪聲和污染也有很大的影響。因此，在實(shí)際問(wèn)題中，需要綜合考慮，采用低導(dǎo)熱系數(shù)和體積膨脹率的組合，以降低材料的最佳壓縮比[4-6]。

針對(duì)上述問(wèn)題，借鑒盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型鼓式制動(dòng)器，并建立制動(dòng)性能仿真分析的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)制動(dòng)性能和車輛匹配關(guān)系進(jìn)行了探究分析。設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)健設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法：通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保良好的制動(dòng)性能；通過(guò)穩(wěn)健設(shè)計(jì)合理調(diào)整設(shè)計(jì)變量和控制它的公差，使制動(dòng)性能指標(biāo)在一個(gè)指定的公差極限，從而保證執(zhí)行器的性能在一定的工作時(shí)間內(nèi)大致相同。

1 方案設(shè)計(jì)

結(jié)合盤(pán)式制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)鼓式制動(dòng)器散熱困難的問(wèn)題，在傳統(tǒng)鼓式制動(dòng)器的基礎(chǔ)上，做了部分創(chuàng)新設(shè)計(jì)，新型鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，最下部為制動(dòng)盤(pán)，零部件都安裝在制動(dòng)盤(pán)上；制動(dòng)鼓為圖中間有6個(gè)孔的部分，制動(dòng)蹄安裝在制動(dòng)鼓外側(cè)，為如圖1所示的圓弧形，由制動(dòng)片和摩擦片組成；制動(dòng)蹄半徑略大于制動(dòng)鼓，以保證制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓的接觸中心在兩端；制動(dòng)鼓上下處設(shè)計(jì)有開(kāi)孔，稱之為定位孔，定位孔上安裝定位銷和彈簧，用來(lái)引導(dǎo)制動(dòng)蹄片的運(yùn)動(dòng)軌跡；左右兩側(cè)安裝液壓缸，液壓缸的活塞處接觸浮鉗。

圖1 新型鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)

外部油管可輸送液壓油來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)：當(dāng)車輛開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，剎車油通過(guò)油管進(jìn)入液壓缸，右面的液壓缸給上面的制動(dòng)片一個(gè)制動(dòng)力，使其沿著導(dǎo)向銷向下運(yùn)動(dòng)；同時(shí)下邊的制動(dòng)片產(chǎn)生一個(gè)反向作用力，沿著導(dǎo)向銷向上運(yùn)動(dòng)；然后緊緊的壓住制動(dòng)鼓，使車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到制動(dòng)效果；左面的液壓缸與右面的液壓缸同時(shí)工作，但作用的制動(dòng)片前后相反，保證其制動(dòng)效果。

結(jié)構(gòu)中的橡皮襯套能作稍微變形，既能起到消除制動(dòng)器間隙的作用，又能起到密封作用，防止塵土侵入導(dǎo)向銷。定位銷用于固定制動(dòng)蹄片，防止產(chǎn)生軸向移動(dòng)。

設(shè)計(jì)的新型鼓式制動(dòng)器三個(gè)關(guān)鍵部分材料的物理參數(shù)如表1所示。各種組件之間的關(guān)系不是相互獨(dú)立的，存在接觸關(guān)系和相互約束關(guān)系等。在鼓式制動(dòng)器的實(shí)際結(jié)構(gòu)中，摩擦片通常是由鉚釘連接在制動(dòng)片表面，所以兩個(gè)摩擦片內(nèi)表面、外表面和兩個(gè)制動(dòng)片為固定約束。此外，由于制動(dòng)鼓相對(duì)固定，需要進(jìn)一步創(chuàng)造兩個(gè)摩擦片和制動(dòng)鼓之間的接觸，在后續(xù)工作中需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的接觸分析。

表1 新型鼓式制動(dòng)器部件材料的物理參數(shù)

基于上述討論，通過(guò)對(duì)汽車傳統(tǒng)制動(dòng)器和新型制動(dòng)器進(jìn)行分析，建立其有限元模型進(jìn)行分析，具體步驟如下：①幾何建模：利用CATIA繪制幾何模型；②CAE分析：建立網(wǎng)格模型，并進(jìn)行連接分析項(xiàng)設(shè)置；③對(duì)比分析：后處理，比對(duì)圖像并分析結(jié)果。

2 新型鼓式制動(dòng)器建模

2.1 零件設(shè)計(jì)

零件設(shè)計(jì)包括制動(dòng)器盤(pán)、摩擦片、定位銷、墊圈、彈簧、液壓油管以及液壓缸活塞等的設(shè)計(jì)，最終用CATIA建立的新型制動(dòng)器的模型如圖2所示。

圖2 新型制動(dòng)器的CATIA模型

2.2 裝配設(shè)計(jì)

制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓為相合約束，軸和銷為相合約束，蹄片與浮鉗為接觸約束，其總裝圖如圖3所示。

圖3 新型制動(dòng)器總裝圖

3 新型鼓式制動(dòng)器分析

把設(shè)計(jì)好的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，加載并設(shè)置摩擦接觸，使得蹄片和內(nèi)鼓摩擦，摩擦因數(shù)為0.35，接觸類型為適應(yīng)到接觸，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 新型制動(dòng)器網(wǎng)格劃分

分別以制動(dòng)蹄上定位孔的圓心點(diǎn)為中心，建立鼓式制動(dòng)器制動(dòng)蹄下各銷孔的局部坐標(biāo)系。除了在針孔的Y方向上的自由轉(zhuǎn)動(dòng)之外，另外的5個(gè)自由度被耦合點(diǎn)所約束。通過(guò)內(nèi)表面之間的摩擦片，把兩個(gè)制動(dòng)片表面綁定定義約束，同時(shí)對(duì)制動(dòng)鼓表面底部位置的約束條件也做了簡(jiǎn)化處理，以降低裝配的復(fù)雜程度及失敗的可能性[4-6]。最后，在整個(gè)鼓式制動(dòng)器的兩個(gè)制動(dòng)蹄的表面上分別施加200 N制動(dòng)力，模擬制動(dòng)輪缸(圖1所示的液壓缸)的制動(dòng)過(guò)程。

進(jìn)行求解計(jì)算，并插入Contact tool查看接觸面積。仿真結(jié)果對(duì)比如圖5～圖8和表2所示。

圖5 接觸情況對(duì)比

圖6 Pressure壓力云圖對(duì)比

圖7 Frictional Stress摩擦壓力云圖對(duì)比

圖8 Equivalent Stress等效應(yīng)力云圖對(duì)比

表2 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)匯總

對(duì)比圖5～圖8可知：新型鼓式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的壓力以及產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)制動(dòng)器；新型鼓式制動(dòng)器接觸面積以及深度比傳統(tǒng)鼓式制動(dòng)器要多也更深，意味著摩擦面積也就越大，制動(dòng)效果更好。

4 結(jié)語(yǔ)

鼓式制動(dòng)器因?yàn)槟Σ撩娣e較大，摩擦效能較好，但散熱困難、容易出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象且自身重量大。為了解決傳統(tǒng)鼓式制動(dòng)器散熱問(wèn)題，借鑒盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型鼓式制動(dòng)器。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，在CATIA軟件中建立制動(dòng)性能仿真分析的動(dòng)力學(xué)模型，得出制動(dòng)性能和車輛匹配關(guān)系。隨后采用ANSYS Workbench軟件對(duì)設(shè)計(jì)的新型鼓式制動(dòng)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，對(duì)比傳統(tǒng)鼓式制動(dòng)器的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明其散熱速度和制動(dòng)效能均優(yōu)于傳統(tǒng)制動(dòng)器。本文研究是對(duì)新型制動(dòng)器研發(fā)的有益探索。