周潤東,王頌揚,解文昊,王 禹,蘇 超,周志茹

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 南京 210031

0 引言

在汽車發(fā)展的過程中,汽車的制動性能是否可靠一直是衡量汽車設(shè)計是否可靠的最重要的因素。根據(jù)汽車制動器不同的結(jié)構(gòu)形式,可以分為鼓式和盤式2種類型。盤式制動器具有水穩(wěn)性好、反應(yīng)靈敏、散熱性好、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點,越來越受到人們的青睞。目前,國內(nèi)80%乘用車制動系統(tǒng)安裝盤式制動器。在國外,各級轎車、客車、貨車等已廣泛采用盤式制動器作為主要的制動裝置[1-5]。

在盤式制動器的設(shè)計中,其結(jié)構(gòu)強度設(shè)計是重中之重。如果在汽車高速行駛過程中,盤式制動器的結(jié)構(gòu)強度不足,一旦失效斷裂,將嚴重危及整車安全,造成難以估量的后果。以往的大量數(shù)據(jù)表明,汽車在高速運行時,盤式制動器的結(jié)構(gòu)由于受到持續(xù)復雜的交變載荷,很容易受到損傷,從而導致制動器的安全性能得不到保障。所以,對于盤式制動器強度的分析顯得十分重要[6]。

本文基于某型號汽車盤式制動器,設(shè)計了盤式制動器主要部件參數(shù),對相關(guān)載荷及約束條件進行了計算分析,建立了盤式制動器主要部件的三維模型,并利用有限元分析軟件ANSYS對其靜強度進行了分析,對其結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的安全性及可靠性進行了校核與驗證。

1 盤式制動器主要部件設(shè)計

1.1 制動盤

根據(jù)選取的某型號汽車原始參數(shù),確定制動盤直徑的取值范圍是輪毅直徑的70%～79%。制動盤的厚度一般取值為20～50 mm,但大部分情況下取用的值為20～30 mm。因此制動盤的厚度為22 mm,直徑為350 mm,摩擦襯塊內(nèi)外半徑分別為100、150 mm。

1.2 制動塊

選定的摩擦片厚度為11 mm。

1.3 制動鉗

制動鉗在正常情況下可以由可鍛鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造而成,與此同時制動鉗體應(yīng)該具有良好的力學性能。同時為了減少傳給制動液的受熱,可以將活塞的開口端與制動塊的背板靠緊在一起,使得活塞的耐磨損性能得到加強。

2 盤式制動器靜強度計算

2.1 制動器材料主要參數(shù)

根據(jù)選用的汽車盤式制動器原始參數(shù)及設(shè)計結(jié)果,可得到制動器主要材料參數(shù)如表1所示。

表1 制動器主要部件的材料參數(shù)

2.2 載荷計算

2.2.1 前后制動力計算

當前后輪同時抱死時為:

Fμ1+Fμ2=Gφ

(1)

Fμ1=φFz1

(2)

Fμ2=φFz2

(3)

式中:G是重力;Fμ1,Fμ2為前后制動力;Fz1,Fz2為地面對前后輪法向反作用力。代入相關(guān)參數(shù)可得:Fμ1為13 891 N,Fμ2為9 306 N。

2.2.2 制動力矩計算

3 制動器強度有限元分析

3.1 分析過程

盤式制動器主要部件在工作時,其強度與剛度必須滿足相關(guān)要求。因此,利用ANSYS對其力學性能進行驗證,同時與材料的屈服強度進行比較,證明所設(shè)計的盤式制動器的安全性與可靠性。

3.1.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)所設(shè)計的盤式制動器主要參數(shù),利用UG軟件繪制盤式制動器的三維模型,然后另存為ANSYS可以分析的step格式,再把所保存的文件導入到ANSYS中,與此同時,進行Mesh網(wǎng)格的劃分,創(chuàng)建制動器總成有限元模型,如圖1所示。

圖1 制動器有限元模型

3.1.2 邊界條件添加

制動鉗體所受到的力為45 247.2 N,方向與制動導向的方向恰好相對。汽車實際制動時通過液壓管路對制動盤表面施加壓力的大小一般為10～25 MPa,所以取制動盤及摩擦片表面施加載荷的載荷大小為25 MPa,如圖2所示。

圖2 制動器載荷施加示意圖

3.2 制動器強度分析結(jié)果

3.2.1 制動嵌體

通過圖3(a)制動鉗體的變形云圖可以看出,制動鉗體與摩擦片接觸端面,以及2個支腳的變形量最大,為0.017 375 mm,非接觸表面的變形量非常微小,在實際制動過程中可以忽略。

圖3 制動鉗體、制動盤、摩擦片變形及應(yīng)力云圖

通過圖3(b)制動鉗體的應(yīng)力云圖還能夠觀察到,制動鉗體上端面受到的應(yīng)力值最大,大小為195.86 MPa,而制動鉗體材料的屈服強度為250 MPa,所以制動鉗體完全滿足制動器實際工作強度的要求。不論是鉗體的變形或者應(yīng)力云圖,都可以發(fā)現(xiàn),其變形與應(yīng)力變化的中心軸線是對稱的,這也說明,制動鉗體的受力比較均勻。

3.2.2 制動盤

由圖3(c)制動盤的變形云圖可以知道,制動盤變形量最大處出現(xiàn)在外端邊緣處,最大變形值為0.028 202 mm,越靠近中心孔處,制動盤的變形量越小。中心盤孔處的變化幾乎沒有,同時,制動盤的變形并不對稱分布,靠近與摩擦片接觸的表面,其變形量比較大,反之則變化很微小。

由圖3(d)制動盤的應(yīng)力云圖可以得出,制動盤在受到一定載荷之后的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在制動盤的外端邊緣處,最大應(yīng)力值為138.93 MPa。由于制動盤的材料HT250的最大屈服強度值為215 MPa,所以制動盤完全滿足制動器制動時工作強度的要求。

3.2.3 摩擦片

由圖3(e)摩擦片的變形云圖可以知道,摩擦片變形量最大處在與制動盤接觸端面的邊緣處,最大值為0.001 057 1 mm,越靠近中心孔處,摩擦片的變形量越小。

由圖3(f)摩擦片的應(yīng)力云圖可以看出,摩擦片的最大應(yīng)力出現(xiàn)在摩擦片邊緣處,最大應(yīng)力值為54.476 MPa。而我國對于轎車制動摩擦片材料的屈服強度的要求為60～90 MPa,所以摩擦片完全滿足制動器工作時相應(yīng)的規(guī)定。

4 結(jié)束語

本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對盤式制動器的制動鉗體、制動盤、摩擦片等主要部件三維實體模型的力學性能進行分析,分別得到這些部件的變形與應(yīng)力云圖,通過分析變形量與受力情況,比較相應(yīng)部件材料的屈服強度,對這些主要部件的力學性能進行驗證,分析制動器是否滿足制動器制動時相應(yīng)的需要。結(jié)果表明,從材料的選型到載荷的計算,設(shè)計的結(jié)果滿足相關(guān)的設(shè)計要求。