□ 鄒仁平 □ 李 強(qiáng) □ 王世江

煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 電子工程系 山東煙臺 265500

1 設(shè)計背景

汽車制動器在車輛安全中發(fā)揮著重要的作用。汽車常用的制動器按結(jié)構(gòu)可以分為鼓式制動器和盤式制動器。盤式制動器相比鼓式制動器散熱性更好,能夠減小摩擦熱導(dǎo)致的制動衰減,雨天行駛時也具有更穩(wěn)定的制動力。因此,制動效果更好的盤式制動器越來越廣泛地應(yīng)用于轎車上[1-2]。在盤式制動器中,應(yīng)用最廣泛的是浮動鉗盤式制動器。隨著汽車輕量化設(shè)計技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,對盤式制動器的輕量化設(shè)計也提出了新的要求。馬玲[3]應(yīng)用Abaqus軟件對某車型盤式制動器制動鉗進(jìn)行了強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析研究。華逢志等[4]建立了鋁合金制動鉗拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型,并對制動鉗進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。劉順楚等[5]應(yīng)用ANSYS Workbench軟件建立了純電動車盤式制動器的有限元模型,對制動盤和制動鉗進(jìn)行了力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化。在盤式制動器中,除剎車盤之外,最重要的承力部件是制動鉗和制動鉗支架。由于制動鉗支架承載了摩擦片傳遞的絕大部分制動力矩,強(qiáng)度和剛度要求很高,因此對制動鉗支架進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計會帶來很大的風(fēng)險。另外,由于制動鉗支架的設(shè)計空間受到其它部件的限制,改動余地較小,因此制動鉗支架一般不作為輕量化設(shè)計的研究對象。筆者選取浮動鉗盤式制動器的制動鉗作為優(yōu)化設(shè)計對象。傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法是設(shè)計師根據(jù)剎車系統(tǒng)的技術(shù)要求確定設(shè)計參數(shù),再根據(jù)設(shè)計參數(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗設(shè)計好剎車鉗的三維模型,然后導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。這樣的優(yōu)化設(shè)計過程局限于剎車鉗的初始設(shè)計方案,優(yōu)化結(jié)果并不一定是最優(yōu)方案,而且生成的拓?fù)鋬?yōu)化模型可能無法適應(yīng)多種加工條件,比如機(jī)械加工、鑄造或者三維打印,后期還需要重新對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)建模以投入生產(chǎn)。由此可見,傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法存在效率低、受零件設(shè)計者水平局限、對設(shè)計師水平要求高、不適應(yīng)多種條件生產(chǎn)等缺點。

筆者以某乘用車盤式制動器的制動鉗為例,運(yùn)用Creo軟件的創(chuàng)成式設(shè)計方法,分析受力情況,合理設(shè)置約束條件,對制動鉗進(jìn)行創(chuàng)成式設(shè)計。

2 浮動鉗盤式制動器工作原理

浮動鉗盤式制動器的制動鉗是浮動的,浮動方式有兩種,一種是制動鉗可作平行滑動,另一種是制動鉗可繞支撐銷擺動。兩種方式制動油缸都是單側(cè)的,其中與油缸同側(cè)的制動塊總成是活動的,另一側(cè)的制動總成則固定在制動鉗上。制動時,在制動油液壓力作用下,活塞推動活動的制動塊總成壓靠到制動盤上,反作用力則推動制動鉗連同固定的制動塊總成壓向制動盤的另一側(cè),直到兩側(cè)的制動塊總成的受力達(dá)到均等為止[6]。浮動鉗盤式制動器只在制動盤的一側(cè)裝有油缸,結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,易于布置,結(jié)構(gòu)尺寸緊湊,可使制動器近一步移近輪轂,同一組制動塊可兼用于行車制動和駐車制動。浮動鉗盤式制動器的制動鉗沒有跨越制動盤的油道或油管,減少了油液受熱機(jī)會,單側(cè)油缸又位于制動盤的內(nèi)側(cè),受車輪遮蔽較小,冷卻條件較好。另外,單側(cè)油缸的活塞比兩側(cè)油缸的活塞要長,增大了油缸的散熱面積,因此制動油液溫度比固定鉗式的低30～50 K,氣化的可能性較小[7]。相比于固定鉗盤式制動器,浮動鉗盤式制動器可將油缸和活塞等精密件減去一半,造價大為降低。浮動鉗盤式制動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 浮動鉗盤式制動器結(jié)構(gòu)

3 制動鉗載荷工況

汽車制動時,單個輪胎所需要的制動力矩T為:

T=Gμ0R0/4

(1)

式中:G為車重;μ0為車輪摩擦因數(shù);R0為車輪半徑。

假設(shè)制動片的摩擦表面全部與制動盤接觸,且各處單位壓力分布均勻,制動器的制動力矩Mμ為:

Mμ=2μFR=T

(2)

式中:μ為制動片摩擦因數(shù),一般取0.35;F為單側(cè)制動塊對制動盤的壓緊力;R為壓緊力作用半徑。

單側(cè)制動塊對制動盤的壓緊力F為:

F=πd2P/4

(3)

式中:d為活塞直徑,為56 mm;P為制動油壓。

對于常見的具有扇形摩擦表面的制動片,如果徑向?qū)挾炔皇呛艽?可取R為平均半徑Rm或有效半徑Re,這樣已經(jīng)足夠精確。

平均半徑Rm為:

Rm=(R1+R2)/2

(4)

式中:R1、R2分別為摩擦制動片扇形表面的內(nèi)半徑和外半徑。

有效半徑Re為:

(5)

有效半徑為扇形摩擦表面的面積中心至制動盤中心的距離。式(5)也可寫為:

(6)

m=R1/R2

(7)

輪胎制動力矩與制動油壓的關(guān)系為:

T=2SReημP

(8)

式中:S為缸孔端面積;η為油壓傳遞效率,一般可取0.95。

由式(1)～式(8)可計算出制動時需施加15.5 MPa的制動油壓在活塞底部和殼體底部。由于制動鉗支架承載了大部分制動器自身產(chǎn)生的制動力矩,所以不考慮制動力矩對制動鉗的影響[8],可計算出制動鉗左側(cè)壁板承受的剎車盤支反力為43.825 N。

4 制動鉗邊界條件

車輛進(jìn)行制動時,若制動器處在受力平衡狀態(tài),此時對制動鉗所受力進(jìn)行分析[9]。

制動盤的反作用力通過內(nèi)側(cè)摩擦片、活塞及制動油作用在制動鉗的油缸側(cè)壁上,產(chǎn)生一個均布力P1。

油缸側(cè)壁通過外側(cè)摩擦片對制動盤產(chǎn)生一個力,該力對制動鉗側(cè)壁產(chǎn)生一個支反力P2,這一支反力均勻分布在制動片與制動盤接觸面上,為:

P2=0.25πd2P1/A

(9)

式中:A為外摩擦塊與鉗指的接觸面積,通過Creo軟件測量為1 299.04 mm2。

將相關(guān)參數(shù)代入式(9)進(jìn)行計算,可以得到P2為33.736 MPa。

與支架相連接螺栓孔處受到支架對制動鉗的作用力。由于制動處于平衡狀態(tài),此時鉗體沒有位移,因此約束制動鉗與支架連接的兩個螺栓孔內(nèi)表面的六個自由度。

5 創(chuàng)成式設(shè)計方法

創(chuàng)成式設(shè)計能夠根據(jù)用戶的約束和要求創(chuàng)建經(jīng)過優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計,用戶只要在Creo軟件中輸入產(chǎn)品設(shè)計要求,軟件即可自動生成一個或多個設(shè)計方案,軟件可代替設(shè)計師自主完成設(shè)計。設(shè)計過程完全在Creo設(shè)計環(huán)境中進(jìn)行,快速探索創(chuàng)新的設(shè)計選項,減少開發(fā)時間和開發(fā)環(huán)節(jié)。人工智能驅(qū)動的創(chuàng)成式設(shè)計可以為用戶提供更高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計,以更低的成本實現(xiàn)產(chǎn)品的計算機(jī)輔助設(shè)計、工程、制造。

創(chuàng)成式設(shè)計具體功能包括六部分。第一,將創(chuàng)成式設(shè)計過程集成到Creo Parametric設(shè)計環(huán)境中的 UI 功能區(qū)和上下文相關(guān)菜單,具有簡化的工作流程。第二,創(chuàng)成式設(shè)計過程與產(chǎn)品的計算機(jī)輔助設(shè)計建模過程無縫對接,只需選擇產(chǎn)品三維模型的設(shè)計空間,添加載荷和約束,定義優(yōu)化目標(biāo)、材料和制造方法。第三,基于強(qiáng)大的人工智能驅(qū)動的優(yōu)化引擎,快速生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。第四,創(chuàng)成式設(shè)計產(chǎn)生的模型支持從傳統(tǒng)制造到增材制造的常見制造要求。第五,創(chuàng)成式設(shè)計結(jié)束后,用戶能夠預(yù)覽和查詢優(yōu)化設(shè)計及仿真結(jié)果。第六,交互過程的結(jié)果通過對幾何圖形和設(shè)置的編輯而動態(tài)更新。

在Creo軟件中進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)成式設(shè)計的流程如下:① 定義設(shè)計空間、材料、力學(xué)性能、載荷、約束、設(shè)計目標(biāo)、制造工藝,設(shè)置優(yōu)化單元尺寸; ② 啟動優(yōu)化設(shè)計; ③ 進(jìn)行力學(xué)性能分析,查詢受力和位移云圖,根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整設(shè)計目標(biāo); ④ 生成可制造設(shè)計結(jié)果,導(dǎo)出能夠用于加工的三維模型。

6 制動鉗創(chuàng)成式設(shè)計

6.1 幾何模型

在項目初期,整車廠確定整車參數(shù),應(yīng)用制動系統(tǒng)計算軟件進(jìn)行盤式制動器整體參數(shù)計算,并根據(jù)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行公差計算。使用Creo軟件建立制動鉗最大設(shè)計空間的三維模型,確認(rèn)制動鉗設(shè)計空間及最大輪廓。其中,液壓缸體的尺寸需要根據(jù)實際尺寸來設(shè)計,不需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,兩固定孔之間的距離要與制動鉗支架上的固定孔之間距離相等,便于安裝固定。根據(jù)制動盤尺寸、制動片尺寸、制動片背板尺寸,確定制動鉗側(cè)壁和液壓缸之間的尺寸空間,制動鉗的上部做弧形處理。

建立的制動鉗初始幾何模型如圖2所示。

▲圖2 制動鉗初始幾何模型

在初始幾何模型的內(nèi)部建立不需要創(chuàng)成式設(shè)計區(qū)域的模型,其中制動鉗側(cè)壁需要保留的模型尺寸依據(jù)摩擦片的尺寸確定,固定孔上要保留的尺寸根據(jù)固定螺栓的連接頭最大尺寸確定。液壓缸模型整體需要作為保留模型,并對液壓缸內(nèi)的密封環(huán)槽做避空處理。制動鉗模型處理如圖3所示。

▲圖3 制動鉗模型處理

6.2 載荷和邊界條件

在Creo軟件的創(chuàng)成式設(shè)計模塊中,為模型指定起始幾何、保留幾何,添加載荷和約束。其中,指定透明部分為起始幾何,指定藍(lán)色部分為保留幾何。由于制動鉗在制動平衡時是靜止的,因此為兩個固定孔內(nèi)壁添加固定約束,為保留幾何添加33.736 MPa的均勻壓力,為油缸底部內(nèi)壁添加15.5 MPa的均勻壓力。約束和載荷如圖4所示。

▲圖4 約束和載荷

6.3 創(chuàng)成式設(shè)計結(jié)果

以最大化剛度作為設(shè)計目標(biāo),約束條件為鉗體軸向位移不超過2 mm。體積分?jǐn)?shù)上限30%,即去除材料不超過選定設(shè)計區(qū)域的30%[10-11]。幾何約束為優(yōu)化后的模型為具有2°拔模角的鑄造件,且以中間基準(zhǔn)面對稱。制動鉗材料為鑄鋼,材料的泊松比為0.28,楊氏模量為170 GPa,密度為7.8 g/cm3,拉伸屈服應(yīng)力為349 MPa。優(yōu)化最小尺寸單元為3.154 mm,共劃分為10 650個單元,經(jīng)過256次迭代。創(chuàng)成式設(shè)計結(jié)果如圖5所示。

▲圖5 創(chuàng)成式設(shè)計結(jié)果

創(chuàng)成式設(shè)計后的應(yīng)力云圖如圖6所示,軸向位移云圖如圖7所示。

▲圖6 創(chuàng)成式設(shè)計后應(yīng)力云圖▲圖7 創(chuàng)成式設(shè)計后軸向位移云圖

創(chuàng)成式設(shè)計后最大應(yīng)力為335 MPa,沒有超過材料的拉伸屈服應(yīng)力。創(chuàng)成式設(shè)計后軸向最大位移產(chǎn)生在側(cè)壁末端,為1.7 mm。鉗體兩側(cè)最大位移均未超過2 mm,表明制動鉗強(qiáng)度符合要求。原制動鉗的質(zhì)量為3.349 kg,創(chuàng)成式設(shè)計后制動鉗的質(zhì)量為2.512 kg,質(zhì)量減小25%。

7 結(jié)束語

通過Creo軟件建立了盤式制動器制動鉗的創(chuàng)成式設(shè)計模型,確定了保留幾何、初始幾何,施加了載荷和約束條件,進(jìn)行了創(chuàng)成式設(shè)計。

對創(chuàng)成式設(shè)計后的模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析,得到制動鉗的應(yīng)力云圖和軸向位移云圖。分析結(jié)果表明,創(chuàng)成式設(shè)計后滿足工況需要。

制動鉗創(chuàng)成式設(shè)計大大降低了制動鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度,提高了設(shè)計效率,使制動鉗設(shè)計效率提高50%,得到的產(chǎn)品模型更能適應(yīng)不同加工方法的要求。