楊正偉

（南方天合底盤系統(tǒng)有限公司，重慶402760）

0 引言

在汽車零部件行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的情況下，輕量化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)降低成本顯得尤為重要，輕量化設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段就是不斷地優(yōu)化理論模型，精確掌握各部件受力情況，再結(jié)合CAE等分析手段從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的目的。

汽車制動(dòng)鉗常規(guī)制動(dòng)力計(jì)算采用滑動(dòng)摩擦力計(jì)算公式，將制動(dòng)液壓、缸徑、摩擦因數(shù)計(jì)算產(chǎn)生的摩擦力平均分配到內(nèi)外制動(dòng)塊上，并傳遞到支架作為支架設(shè)計(jì)的依據(jù)。但這樣的計(jì)算沒(méi)有考慮卡鉗軸銷分擔(dān)的制動(dòng)力，由于軸銷、支架、制動(dòng)塊間均采用間隙配合，理論分析很難建立準(zhǔn)確的模型來(lái)計(jì)算卡鉗軸銷分擔(dān)的制動(dòng)力。本文通過(guò)在制動(dòng)塊兩端布置應(yīng)變片的方式精確測(cè)試制動(dòng)塊的切向力和徑向力，為支架設(shè)計(jì)提供輸入力參考。

1 卡鉗常規(guī)制動(dòng)力計(jì)算方法

圖1所示為制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及受力分析，制動(dòng)卡鉗接入制動(dòng)管路中，由制動(dòng)總泵提供制動(dòng)液壓力驅(qū)動(dòng)活塞移動(dòng)，通過(guò)卡鉗浮動(dòng)夾緊兩側(cè)的制動(dòng)塊再夾緊制動(dòng)盤，利用支架擋住制動(dòng)塊的移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。常規(guī)制動(dòng)力計(jì)算[1]如下：

式中：Finner為內(nèi)塊周向制動(dòng)力；Fouter為外塊周向制動(dòng)力；μ為制動(dòng)塊摩擦因數(shù)；Fir(or)為內(nèi)(外)側(cè)徑向力；N為制動(dòng)卡鉗的活塞施加到制動(dòng)塊上的正壓力；R為卡鉗輪缸半徑；P為管路壓力；a為卡鉗缸孔中心到切向制動(dòng)力著力點(diǎn)的位置；L為支架兩端切向制動(dòng)力著力點(diǎn)的距離。

圖1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及受力分析

2 應(yīng)變實(shí)測(cè)內(nèi)外制動(dòng)塊制動(dòng)力

總體測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 應(yīng)變測(cè)試流程

2.1 對(duì)制動(dòng)塊各著力部位進(jìn)行前處理

前處理主要包含3個(gè)步驟：1）為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須保證制動(dòng)力按照單一路徑進(jìn)行傳遞，所以對(duì)制動(dòng)塊按圖3所示方式進(jìn)行切割；2）為提高應(yīng)變信號(hào)的信噪比，需要對(duì)各安裝部位進(jìn)行適當(dāng)減薄處理；3）用320#的砂紙打磨貼片表面，以增加應(yīng)變片的粘貼強(qiáng)度，如圖3所示。

2.2 應(yīng)變片的粘貼

圖3 制動(dòng)塊處理及應(yīng)變片粘貼

為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，不宜采用1/4橋方式；必須在受力部位兩側(cè)都要貼片，并且在制動(dòng)塊對(duì)稱的另一邊非受力位置貼片組成全橋，這樣可同時(shí)消除彎曲效應(yīng)和溫度影響，應(yīng)變片選用350 Ω的電阻應(yīng)變片，要具有一定的耐溫性能，表面采用防護(hù)膠進(jìn)行保護(hù)。

2.3 連線組成應(yīng)變橋

如圖3所示，A組應(yīng)變片組橋測(cè)試徑向制動(dòng)力Fir和For，B組應(yīng)變片組橋測(cè)試切向制動(dòng)力Finner和Fouter。按圖4所示方式連線組成應(yīng)變橋，Rg1、Rg3對(duì)應(yīng)A、B組的1、3號(hào)應(yīng)變片，Rg2、Rg4對(duì)應(yīng)A、B組的2、4號(hào)應(yīng)變片[2]。

圖4 應(yīng)變橋連接

應(yīng)變量和輸出電壓的關(guān)系如下：

式中：Ks為應(yīng)變片的應(yīng)變率；ε0為應(yīng)變量；E為電橋電壓；e0為輸出電壓。

由于采用Rg1和Rg3兩個(gè)工作應(yīng)變片測(cè)試同一位置，所以輸出為2倍關(guān)系；但是本測(cè)試采取標(biāo)定方式讀取具體的力值，而非計(jì)算方式，所以不用特別關(guān)注應(yīng)變值的具體大小。

2.4 應(yīng)變片的標(biāo)定

如圖5所示，固定制動(dòng)塊，然后在制動(dòng)塊各應(yīng)變片粘貼位置施加推力，同時(shí)記錄應(yīng)變值，獲取標(biāo)定曲線。

圖6、圖7所示為某車型制動(dòng)塊切向和徑向標(biāo)定曲線，切向標(biāo)定曲線的加載和卸載曲線幾乎重合，并且線性度很好。

由于零件結(jié)構(gòu)和加載方向的原因，徑向標(biāo)定曲線的加載和卸載曲線出現(xiàn)一定差異，后續(xù)數(shù)據(jù)處理采用加載曲線處理數(shù)據(jù)，符合制動(dòng)卡鉗的實(shí)際工作情況。

2.5 安裝和測(cè)試

圖5 標(biāo)定示意圖

將標(biāo)定完成的制動(dòng)塊安裝到臺(tái)架上，連接測(cè)試設(shè)備。本測(cè)試用臺(tái)架型號(hào)是LINK3900，應(yīng)變測(cè)試設(shè)備為L(zhǎng)MS的多通道數(shù)據(jù)采集，采集軟件為Test.Xpress 10。由于國(guó)內(nèi)超 過(guò)300 ℃的高溫應(yīng)變測(cè)試技術(shù)掌握非常 有限，并且各類粘接劑在高溫下存在粘貼力下降的問(wèn)題[3]，所以制動(dòng)測(cè)試時(shí)的溫度必須嚴(yán)格控制，建議不超過(guò)150 ℃，否則嚴(yán)重影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 臺(tái)架測(cè)數(shù)據(jù)

臺(tái)架測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 切向力標(biāo)定曲線

圖7 徑向力標(biāo)定曲線

表1 臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù):摩擦因數(shù)、制動(dòng)力矩、管路壓力

3.2 應(yīng)變及制動(dòng)力對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)

應(yīng)變及制動(dòng)力對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理和分析

提取制動(dòng)壓力和接觸力關(guān)系曲線如圖8所示。

由于卡鉗的初始間隙和啟動(dòng)液壓等關(guān)系，導(dǎo)致關(guān)系曲線的初始段非線性，超過(guò)1 MPa之后進(jìn)入近似線性關(guān)系段；用Minitab軟件對(duì)線性段進(jìn)行回歸分析，得出的擬合直線方程如表3所示。

表2 應(yīng)變及接觸力對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)

圖8 制動(dòng)壓力和接觸力關(guān)系曲線

表3 擬合直線方程

從R-Sq和R-Sq(調(diào)整)兩項(xiàng)指標(biāo)看，擬合方程的準(zhǔn)確度較好；通過(guò)擬合方程計(jì)算10 MPa情況下的接觸力與常規(guī)方法計(jì)算的接觸力對(duì)比如表4所示。

表4 接觸力對(duì)比 N

將應(yīng)變法實(shí)測(cè)接觸力與常規(guī)計(jì)算力比值作為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的修正參考，調(diào)整支架部件設(shè)計(jì)的輸入力，從而實(shí)現(xiàn)支架部件的精確化輕量化設(shè)計(jì)。

4 應(yīng)用

以某車型制動(dòng)器支架部件的設(shè)計(jì)為例，制動(dòng)器基本參數(shù)：缸徑為φ60 mm，AK名義摩擦因數(shù)為0.38，制動(dòng)有效半徑為125 mm，a值為5.2 mm，L值為130.8 mm。具體計(jì)算如表5所示。

常規(guī)方法計(jì)算總的制動(dòng)力矩為2686.1 N·m，修正后的Fouter和Finner產(chǎn)生的制動(dòng)力矩為2126 N·m，兩者的差值560.1 N·m加載到支架銷孔部位，銷孔到制動(dòng)器中心的距離149 mm，計(jì)算出加載力為3759 N。按常規(guī)方法計(jì)算的力值（表5中第2列數(shù)據(jù)）加載進(jìn)行CAE分析的結(jié)果如圖9所示。分析結(jié)果：最大應(yīng)力為419.5 MPa，最大變形為0.979 mm。

表5 常規(guī)計(jì)算的力值的修正

圖9 常規(guī)方法計(jì)算力值加載及計(jì)算結(jié)果

按修正優(yōu)化后的方法計(jì)算的力值（表5中第4列數(shù)據(jù)）加載進(jìn)行CAE分析，如圖10所示。分析結(jié)果為：最大應(yīng)力為394.4 MPa，最大變形為0.668 mm，如果將變形保持0.979 mm作為優(yōu)化目標(biāo)，按新的方法可使零件減重至少15%以上，限于篇幅原因不再詳述。

圖10 優(yōu)化方法計(jì)算力值加載及計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

在被測(cè)結(jié)構(gòu)空間受限無(wú)法安裝力感器進(jìn)行測(cè)試的情況下，本文展示一種通過(guò)應(yīng)變片測(cè)試、標(biāo)定、讀取力值的方法。具體應(yīng)用到汽車制動(dòng)卡鉗的制動(dòng)力測(cè)試和分析中，通過(guò)該方法測(cè)試了某車型制動(dòng)鉗總成中制動(dòng)塊對(duì)支架部件的切向和徑向?qū)嶋H力值，并同現(xiàn)行常規(guī)計(jì)算方法計(jì)算出的力進(jìn)行對(duì)比，得出修正比值。運(yùn)用該修正比值調(diào)整支架部件的輸入力值，優(yōu)化了支架部件的結(jié)構(gòu)從而減輕部件質(zhì)量。優(yōu)化后的部件通過(guò)了臺(tái)架強(qiáng)度和耐久驗(yàn)證符合要求，體現(xiàn)了該方法的價(jià)值。