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        商用車制動(dòng)盤的過盈匹配研究

        2021-10-16 09:37:12林瑋靜房紹山
        山東交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:有限元模型

        林瑋靜,孔 卓,孫 超,房紹山

        (中國重型汽車集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

        引言

        隨著國家相關(guān)法規(guī)的實(shí)施,加之用戶對商用車舒適性、安全性和智能化的追求,盤式制動(dòng)器的應(yīng)用匹配越來越廣泛,其中《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》(GB 7258—2017)和《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件》(JT/T 1178.1—2018)等制動(dòng)法規(guī)已強(qiáng)制要求在專用校車、?;返葘S密囆蜕蠘?biāo)配盤式制動(dòng)器,因此,隨著盤式制動(dòng)器技術(shù)的日益成熟,盤式制動(dòng)器將成為商用車的標(biāo)配產(chǎn)品。

        目前商用車匹配的盤式車橋普遍采用制動(dòng)盤固定在輪轂的結(jié)構(gòu)形式[1],見圖1。該結(jié)構(gòu)的弊端是更換制動(dòng)盤時(shí)只能采取拆卸輪轂和軸承,不可避免地會(huì)影響到輪轂軸承的使用壽命,同時(shí)由于驅(qū)動(dòng)橋輪邊載荷較大,簡單地采用法蘭結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足驅(qū)動(dòng)橋的承載,因此,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了盤式驅(qū)動(dòng)橋輪端結(jié)構(gòu)。在端面配合的前提下,增加了制動(dòng)盤內(nèi)腔與輪轂外圓的配合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在保證承載能力的前提下,可獨(dú)立更換制動(dòng)盤,無需拆卸輪轂和軸承。

        圖1 普通盤式輪邊結(jié)構(gòu)

        制動(dòng)盤內(nèi)腔與輪轂外圓需設(shè)置一定過盈量,保證輪轂外圓對制動(dòng)盤起到支撐作用,同時(shí)過盈量應(yīng)當(dāng)有精確控制,保證可手動(dòng)安裝、拆卸。針對結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了輪轂、制動(dòng)盤三維有限元模型[2],分析了不同過盈量、不同軸向配合尺寸下的制動(dòng)盤滑動(dòng)阻力,通過該方法實(shí)現(xiàn)了正向確定輪轂與制動(dòng)盤過盈量,精確控制制動(dòng)盤滑動(dòng)阻力。

        1 輪轂制動(dòng)盤熱機(jī)耦合有限元建模

        1.1 有限元模型

        建立的熱機(jī)耦合模型中,主要包括輪轂和制動(dòng)盤,系統(tǒng)有限元模型見圖2,同時(shí)需要確定制動(dòng)盤與輪轂配合尺寸L 值,見圖3。分別選取了L 值為12 mm、17 mm、22 mm、27 mm。有限元模型主要使用四面體單元建模,共包括89 159 個(gè)單元和10 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中各零件材料參數(shù)見表1。其中,輪轂的熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率為根據(jù)模型尺寸進(jìn)行了人為調(diào)整。

        圖2 輪轂與制動(dòng)盤有限元模型

        圖3 輪轂與制動(dòng)盤配合尺寸

        表1 材料的物理特性

        1.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

        (1)非線性接觸定義[3]。輪轂與制動(dòng)盤之間定義為SURFACE_TO_SURFACE 接觸,摩擦系數(shù)定為0.15,兩者間的熱傳導(dǎo)定義為零,保證制動(dòng)盤不存在熱量輸入。(2)輪轂熱量輸入設(shè)置。將輪轂與制動(dòng)盤的初始溫度設(shè)置為0 ℃,預(yù)估制動(dòng)盤與輪轂過盈量,初步確定輪轂熱膨脹量達(dá)到預(yù)估過盈量所需熱量[4],然后將熱量加載到輪轂上。

        2 輪轂與制動(dòng)盤過盈匹配分析結(jié)果

        通過分析過盈量、軸向滑動(dòng)阻力,確定過盈量與軸向滑動(dòng)阻力的關(guān)系,進(jìn)而根據(jù)實(shí)際需要滑動(dòng)阻力確定過盈量所需范圍。

        2.1 過盈量分析

        為了便于結(jié)果描述,以L 值為12 mm 的有限元模型為代表進(jìn)行分析。根據(jù)圖4 輪轂和制動(dòng)盤的溫度分析結(jié)果,可知只有輪轂存在溫度升高的情況,制動(dòng)盤溫度分析前后保持不變。因此,輪轂外圓的直徑增大量就是輪轂與制動(dòng)盤之間的過盈量,選取輪轂中心切面上的兩個(gè)對稱點(diǎn)A1、A2,見圖5, A1 和A2 的徑向位移增量之和即為輪轂和制動(dòng)盤過盈量,A1、A2 的位移增量與仿真時(shí)間的關(guān)系見圖6。

        圖4 輪轂與制動(dòng)盤溫度分布

        圖5 A1 和A2 兩點(diǎn)選取位置

        圖6 A1 點(diǎn)和A2 點(diǎn)位移增量

        2.2 軸向滑動(dòng)阻力分析

        利用有限元軟件,可獲得輪轂與制動(dòng)盤之間的作用力,其中其軸向方向的作用力即為制動(dòng)盤的軸向滑動(dòng)阻力,其大小與仿真時(shí)間關(guān)系見圖7。

        圖7 制動(dòng)盤軸向滑動(dòng)阻力

        2.3 不同配合尺寸下的計(jì)算結(jié)果分析

        由圖5、圖6 可知,輪轂制動(dòng)盤過盈量與制動(dòng)盤軸向滑動(dòng)阻力可通過仿真時(shí)間的傳遞建立對應(yīng)關(guān)系。為確定制動(dòng)盤與輪轂不同配合L 值下的滑動(dòng)阻力變化,調(diào)整L 值,分別對L 值為17 mm、22 mm、27 mm 的有限元模型進(jìn)行計(jì)算,圖7 為不同L 值時(shí),過盈量與滑動(dòng)阻力之間的關(guān)系。為滿足可手動(dòng)安裝、拆卸制動(dòng)盤,制動(dòng)盤滑動(dòng)阻力峰值為500 N。

        圖7 不同L 值制動(dòng)盤軸向滑動(dòng)阻力

        由圖7 可知,將L=12 mm,過盈量為0.001 mm 為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)值,L 值不變的情況下,過盈量每增大100 %,其夾緊力將增大100 %;過盈量不變的情況下,L 值每增大41.7 %,其夾緊力將增大12 %。可以通過實(shí)際加工工藝及承載大小合理調(diào)整L 值和過盈量。

        3 結(jié)語

        (1)建立了商用車輪轂和制動(dòng)盤的有限元模型,通過人為設(shè)定輪轂熱膨脹量和熱導(dǎo)率,建立了輪轂制動(dòng)盤的熱機(jī)耦合模型,同時(shí)定義了輪轂與制動(dòng)盤的非線性接觸。(2)模型經(jīng)過仿真計(jì)算后,分別分析了過盈量與仿真時(shí)間的關(guān)系、軸向滑動(dòng)阻力與仿真時(shí)間的關(guān)系,通過仿真時(shí)間的傳遞,可建立過盈量與滑動(dòng)阻力之間的對應(yīng)關(guān)系。 (3)在建立過盈量與滑動(dòng)阻力之間的對應(yīng)關(guān)系后,同時(shí)考慮制動(dòng)盤與輪轂的配合尺寸L的影響,建立了三者的關(guān)系圖,分別確定了過盈量、配合尺寸L對制動(dòng)盤軸向滑動(dòng)阻力的影響大小,從而實(shí)現(xiàn)確定相關(guān)配合尺寸。

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