宮麗男， 龐在祥， 馬 輝， 張曦予， 劉 冰

(1.長春職業(yè)技術學院 工程技術分院， 吉林 長春 130033;2.長春工業(yè)大學 工程訓練中心， 吉林 長春 130012;3.長春工業(yè)大學 科學研究處， 吉林 長春 130012;4.長春工業(yè)大學 國際教育學院， 吉林 長春 130012;5.長春工業(yè)大學 后勤管理處， 吉林 長春 130012)

0 引 言

隨著我國公路交通事業(yè)的發(fā)展，汽車已成為人們日常生活中不可或缺的交通和運輸工具[1-2]。汽車制動系統(tǒng)作為汽車安全行駛的必要、關鍵部件，其制動性能的優(yōu)劣和制動效率的高低直接關系到汽車行駛過程中的安全性和運輸效率。商用車作為重要的運輸工具，其行駛路面較為復雜，尤其是在山區(qū)道路中行駛，而現(xiàn)有商用車的制動器類型多以S凸輪鼓式制動器和盤式制動器為主，鼓式制動器在結構上較簡單、成本低，但通風散熱條件較差且質量重，長時間高速行駛時，制動器內部熱量不容易散發(fā)，會產生熱能的衰退，造成摩擦系數(shù)下降，制動力減弱，制動效能無法保證，對行車安全影響較大[3-4]。盤式制動器質量較輕，制動性能好，但存在價格昂貴，企業(yè)及用戶很難承擔等現(xiàn)象。楔式制動器結構緊湊、重量輕、成本低、制動力矩大、制動效率高、制造簡單、可獨立自動調整剎車間隙，能規(guī)避制動器發(fā)熱、抱死等不良現(xiàn)象的發(fā)生，有效彌補鼓式制動器和盤式制動器的不足。通過分析現(xiàn)有商用車制動器優(yōu)缺點，運用一種帶有楔塊的領從蹄式制動器結構，并基于三維造型軟件CATIA對楔式制動器總成進行統(tǒng)一建模，然后利用ANSYS有限元分析軟件對制動器關鍵零部件進行分析，驗證了設計的合理性。

1 楔式制動器工作原理

楔式制動器就是一種特殊的鼓式制動器，為了增加制動器的制動性能和良好的熱學特性，在結構上做出了改進，將楔塊與氣室的連接軸模塊代替鼓式制動器中自動調整臂+凸輪支架+凸輪軸模塊。利用楔形張開裝置來驅動汽車制動，比傳統(tǒng)的鼓式制動器在結構上更加緊湊、重量輕，兩制動蹄可獨立自動調整剎車間隙，有效避免制動發(fā)熱、抱死等不良現(xiàn)象發(fā)生，并采用全封閉的自調整機構，保證制動器的高壽命使用。

楔式制動器按結構形式可劃分為領從蹄式、雙向雙領蹄式、雙向自增力式[5]。文中通過分析對比三種制動器結構形式及工作狀態(tài)，考慮到雙向領蹄式制動器結構需兩個楔形的促動裝置，這樣導致結構相對較大，從而影響商用車底盤其它器件的布置，增力式楔式制動器雖然在制動效果方面更好，但價格偏高。在綜合考慮各類楔式制動器結構及其經(jīng)濟效益后，以領從蹄式楔式制動器為研究對象，對制動器的結構進行設計。該結構制動器在制動效能以及制動穩(wěn)定性等方面具有一定優(yōu)勢，在行車過程中，前進和倒車制動效能保持恒定，且結構簡單、成本低，易于設計組成駐車制動機構。

楔式制動器制動時，楔形張開裝置由于受到氣室中產生的推力而張開，這時在制動蹄與張開裝置兩端接觸的部分產生了兩個相反的推力，反向推力會推動兩制動蹄繞著支撐軸向外進行擴張，與旋轉的制動鼓進行接觸，制動蹄與制動鼓之間就會產生制動力矩，從而對車輪產生制動作用[6]。制動解除時，由于氣室產生的制動推力消失，使制動器的張開裝置恢復到原位，兩個制動蹄在回位彈簧的拉力作用下離開制動鼓的內表面，導致摩擦力消失，制動力矩變?yōu)榱?，從而汽車可以正常行駛?/p>

2 楔式制動器實體建模

在建模過程中，所建立的幾何模型的優(yōu)劣直接決定著有限元分析模型的好壞，以及分析結果的正確性。同時在保證所建立模型正確的前提下，建模效率的提高也是一個重要因素。建模時，首先要綜合設計計算尺寸和實際尺寸繪制各零部件的零件圖，然后將各個零件圖依次導入三維造型軟件的裝配模塊中，最后在各零部件之間添加相應的配合關系及約束關系，最終完成制動器的實體虛擬裝配模型。

2.1 托架的三維實體建模

首先，選擇托架作為所有零件體及最后裝配體的基準，在繪制托架之前，要先確定各個定位尺寸。確定以后進入CATIA V5零件圖模塊[7-8]，進入草圖，繪制托架主體輪廓，退出草圖編輯器，通過凸臺命令對輪廓進行拉伸，得到托架主體。通過凹槽命令對主體進行裁剪，最終得到托架。托架三維實體如圖1所示。

由于托架與楔形促動裝置的接觸平面與參考平面并不平行，所以需要對參考平面進行旋轉與偏移，在所得平面新建草圖，然后再進行凸臺的拉伸和凹槽等命令。

2.2 制動蹄的三維實體建模

1)根據(jù)托架中外圓尺寸確定制動蹄的尺寸半徑，在草圖編輯器中繪制110°弧形環(huán)，拉伸出環(huán)形凸臺。

2)繪制輪廓以及引導線草圖，用肋命令，得到制動蹄主體的一半。

3)在環(huán)形凸臺兩端分別建立平面，繪制草圖，通過凸臺和凹槽等命令得到制動蹄與楔形促動裝置、托架連接接觸的實體部分。

4)利用鏡像命令，得到制動蹄主體。

5)利用凹槽命令，繪制連接制動蹄與摩擦襯片的鉚釘?shù)目?，同時要記錄孔的位置，以便繪制摩擦襯片。

制動蹄三維實體如圖2所示。

2.3 摩擦襯片的三維實體建模

建模時首先根據(jù)制動器制動蹄的外圓尺寸確定制動器摩擦襯片的半徑，并通過計算得出制動器中摩擦襯片包角為110°，單個摩擦襯片取值50°，利用三維軟件中的凸臺命令拉伸，得到摩擦襯片的主體，并進行裁剪。最后，根據(jù)制動蹄上鉚釘孔的位置，在襯片主體上繪制出鉚釘孔，得到摩擦襯片實體模型如圖3所示。

2.4 楔形促動裝置的三維實體建模

繪制楔形促動裝置三維實體之前，首先將托架、制動蹄、摩擦襯片進行簡單裝配，用自頂向下的建模方法對楔形促動裝置三維實體開始建模，利用凸臺、凹槽、旋轉體等命令分別對裝置腔體、推桿、傳力結構進行實體繪制，最終得到楔形促動裝置三維實體，如圖4所示。

2.5 楔式領從蹄式制動器整體裝配

在裝配設計模塊中，通過孔中心的定位、接觸面的距離約束、角度約束將各個零件進行裝配，有利于各個零件之間的拆裝。楔式領從蹄式制動器裝配總圖如圖5所示。

3 楔式領從蹄式制動器的有限元分析

為了方便對制動器模型進行有限元分析[9]，首先對三維模型進行簡化，刪除各部分的倒角，將遮塵蓋、托架、支撐銷、螺絲等多余零件去掉，簡化楔式張開裝置，改用約束力來代替該裝置。導入模型后，通過輸入零件材料的物理性質參數(shù)，對制動器中的制動蹄和摩擦襯片進行分析，材料特性見表1。

表1 制動蹄與摩擦襯片的材料特性

通過不同維度、不同類型的若干微小單元，對一個實體的結構進行劃分，將有限個小單元連成一個離散模型進行受力分析，網(wǎng)格劃分結果如圖6所示。

通過對制動器邊界條件和約束進行設置，設定摩擦片與制動鼓之間的摩擦系數(shù)為0.3，約束水平推力為17 103 N，得到施加力后的約束圖，如圖7所示。

領蹄應力分布如圖8所示。

前蹄的最大應力為64.792 MPa，其最大應力值在與楔形張開裝置的接觸部分，該應力遠遠小于鋼的屈服極限。

制動蹄變形圖如圖9所示。

最大變形量為0.058 1 mm。應力和變形在允許范圍內。

從蹄應力分布如圖10所示。

前蹄的最大應力為63.05 MPa，其最大應力值也在與楔形張開裝置的接觸部分。

摩擦襯片應力分布及變形圖分別如圖11和圖12所示。

摩擦襯片的最大應力為7.759 MPa，最大變形量為0.043 8 mm，應力和位移量都低于材料的剛度要求。

4 結 語

基于CATIA三維造型軟件對楔式制動器進行特征建模和虛擬裝配，為楔式制動器的仿真分析提供了樣機模型。通過有限元分析軟件對制動器中領蹄、制動蹄、從蹄、摩擦襯片等關鍵零部件進行有限元分析，得到了應力和變形圖，從分析結果可知，所設計的楔式制動器滿足設計要求，驗證了前期設計的合理性。