徐 丹

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

制動器是汽車制動系統(tǒng)的重要組成部分，而盤式制動器因其結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、通風(fēng)性能良好、散熱快、制動效能恒定、自潔能力強、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點成為當(dāng)前轎車制動器的主流[1]。

隨著有限元建模技術(shù)和分析方法不斷發(fā)展并日趨成熟，有限元分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、機械、汽車、船舶、建筑等工程領(lǐng)域，有限元分析可以用來計算分析形狀及受力方式復(fù)雜的結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性問題，如應(yīng)力應(yīng)變、振動的頻率和振型、動力響應(yīng)等[2-3]。本文運用有限元分析軟件ANSYS對某盤式制動器進行模擬分析，研究盤式制動器的應(yīng)力與變形，為盤式制動器的進一步優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 盤式制動器的工作原理

盤式制動器可用于前輪，也可以用于后輪，其主要由制動鉗、制動盤、導(dǎo)向銷、剎車片及活塞組成，如圖1所示。支架緊固在懸架部件上，鉗體通過導(dǎo)向銷連接在支架上并可沿導(dǎo)向銷左右滑動。鉗體安裝導(dǎo)向銷的一側(cè)裝有活塞并用密封圈密封，形成制動輪缸，活塞與制動盤之間裝有剎車片；而另一側(cè)只有剎車片，當(dāng)制動踏板被踩下時，制動輪缸內(nèi)產(chǎn)生高壓液壓力，活塞向剎車片移動推動剎車片壓緊制動盤，如圖2所示。由于制動鉗能夠在導(dǎo)向銷上移動，鉗體在高壓液力的作用下朝活塞運動相反的方向移動，于是制動盤另一側(cè)的制動片也壓緊在制動盤上，車輪制動。制動踏板松開后，制動輪缸內(nèi)的液壓力降低，活塞密封圈的彈力使活塞回位，鉗體也回到初始位置，制動片與制動盤分離[4]。

圖1 盤式制動器主要零部件

圖2 盤式制動器工作原理

2 有限元模型的建立

2.1 制動鉗及制動鉗支架幾何模型建立

本文重點研究整個制動器的應(yīng)力應(yīng)變，因此只建立對傳遞應(yīng)力方面作用較大的零部件數(shù)值模型，其中制動鉗及制動鉗支架是制動器的主要構(gòu)件[5]。由SolidWorks繪圖軟件建立其主要構(gòu)件模型后，再導(dǎo)入ANSYS建立完整的數(shù)值模型。制動鉗及制動鉗支架幾何模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 制動鉗幾何模型

圖4 制動鉗支架幾何模型

完成零件幾何模型制作后，進行零件的組裝工作。本制動器模型采用制動鉗幾何模型中的統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)原點，按零部件之間的相對位置關(guān)系進行組裝。其中，假設(shè)制動盤厚度為5 mm，則兩片剎車片間的間隔距離同樣是5 mm，依此反推內(nèi)側(cè)背板、活塞、導(dǎo)向銷以及制動鉗的總體坐標(biāo)位置。制動器的整體組裝如圖5所示。

圖5 制動器整體組裝

2.2 有限元模型網(wǎng)格劃分

本次分析選擇ANSYS 提供的 Solid45元素進行結(jié)構(gòu)靜力分析，并采用六面體與四面體混用。制動器各主要部件的材料設(shè)定見表1。

為避免應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，從而準(zhǔn)確快速地得到分析結(jié)果，需要處理及修改幾何模型并加以簡化。

對有限元模型采用細(xì)密的網(wǎng)格分布，網(wǎng)格化后整體模型的節(jié)點數(shù)為26 278個，元素數(shù)為61 488個。

2.3 邊界條件及載重

在設(shè)定約束邊界條件時，將約束條件施加于制動鉗支架所含的螺栓孔洞中，對此孔洞內(nèi)壁進行固定，約束其在x、y、z方向的位移為零，如圖6所示。

表1 制動器材料相關(guān)參數(shù)

圖6 邊界約束條件

在設(shè)定外力的邊界條件時，模擬制動器進行制動(施加最大制動力時)的真實情況。制動時液壓制動管路提供最大液壓壓力，剎車片與制動盤之間產(chǎn)生摩擦力，為取得保守的計算結(jié)果，這里使用靜摩擦系數(shù)來模擬制動盤與剎車片的摩擦力。在模擬制動時，制動鉗內(nèi)的制動液以均布壓力的形式作用在活塞底部面積上[6]，如圖7所示；剎車片上的正向壓力及摩擦力則施加于兩側(cè)剎車片與制動盤間的接觸面積上，如圖8所示。

圖7 壓力施加位置

圖8 剎車片上摩擦力施加方式

設(shè)置完以上材料屬性、載荷和邊界條件等參數(shù)后，組合完成盤式制動器的有限元素模型，提交分析求解器進行計算分析。盤式制動器有限元模型如圖9所示。

圖9 盤式制動器有限元模型

3 試驗結(jié)果分析

3.1 剎車片

剎車片總應(yīng)變分布如圖10所示。剎車片受力后，其總應(yīng)變最小值約為0.004，而最大值約為0.034，剎車片上產(chǎn)生拉伸變形。雖然剎車片上有制動盤施予的正向壓力，但其總應(yīng)變圖中未出現(xiàn)壓縮應(yīng)變，由此可知摩擦力對剎車片的影響比正向壓力的影響大，因此在應(yīng)變中無壓縮應(yīng)變產(chǎn)生。

圖10 剎車片總應(yīng)變分布

剎車片變形及磨損如圖11所示。將剎車片的總應(yīng)變分布(圖10)與實際的剎車片變形磨損(圖11)交互比對，可知真實的變形及磨損情況與有限元分析結(jié)果相符，其磨損都集中于剎車片前后兩端，尤其前段最為明顯。

圖11 剎車片變形及磨損

3.2 制動鉗

制動鉗總應(yīng)變分布如圖12所示。此構(gòu)件整體都沒有很大的應(yīng)變量，只有局部的小區(qū)域達(dá)到0.001 3～0.001 5，而且邊緣地帶的應(yīng)變(約0.000 6)和應(yīng)力值也都遠(yuǎn)小于屈服點，構(gòu)件滿足強度要求。

制動鉗泵體主要承受其內(nèi)部的均布油壓壓力，因此其外部的應(yīng)變量很小，約為 0.1e-3以下，而內(nèi)部的應(yīng)變量也約在 0.3e-3以下，如圖13所示。泵體是制動分泵的重要組成部分，一旦其變形將會導(dǎo)致泵體與活塞之間產(chǎn)生泄漏，從而影響制動性能。因此，制動鉗分泵所承受的應(yīng)力雖然不大，但其剛度要求卻很高，所以在設(shè)計上其斷面面積較為寬厚，以達(dá)到減少變形的目的。

圖12 制動鉗總應(yīng)變分布

圖13 制動鉗泵體應(yīng)變分布

3.3 制動鉗支架

制動鉗支架應(yīng)力分布如圖14所示，其最大應(yīng)變發(fā)生位置集中于導(dǎo)向銷與制動鉗支架相接合的部分。此位置產(chǎn)生最大變形的原因是因為制動鉗支架是整個制動器里唯一具有位移約束條件為零的構(gòu)件，而導(dǎo)向銷需要將大部分的外力從制動鉗傳遞至制動鉗支架，所以其傳遞的力量較大，又因為在斷面面積改變的位置上容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以在制動鉗支架中最容易發(fā)生破壞的位置就集中于傳遞大量外力又同時有斷面縮減的部分，制動鉗支架局部應(yīng)變分布如圖15所示，最大值為 0.001 2。由圖15可知在截面面積縮小位置最容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞，但由于其最大應(yīng)變值0.001 2仍小于制動鉗支架材料的屈服應(yīng)變值0.002，因此這部分的強度依然足夠。

3.4 剎車片背板

剎車片背板將剎車片承受的外力傳遞到制動鉗支架上，以保持制動片在制動過程中的穩(wěn)定性，但由于剎車片背板構(gòu)件的形狀像薄板，所以容易產(chǎn)生彎折變形。內(nèi)側(cè)及外側(cè)剎車片背板應(yīng)變?nèi)鐖D16所示，內(nèi)側(cè)剎車片因為其背后只有活塞提供約束力，所以內(nèi)側(cè)剎車片背板的兩端極易彎折，外側(cè)剎車片背板與制動鉗的接觸面積較大，具有充分的約束條件，因此其變形量較小。

圖14 制動鉗支架應(yīng)力分布

圖15 制動鉗支架局部應(yīng)變分布

圖16 內(nèi)側(cè)及外側(cè)剎車片背板應(yīng)變分布

內(nèi)側(cè)剎車片背板彎折位置集中在兩個孔洞附近，應(yīng)變?nèi)鐖D17所示。此孔洞的功用是嵌合固定住剎車片，但其周圍卻容易造成應(yīng)力集中并產(chǎn)生裂縫。此外，此孔洞的邊緣恰與活塞的邊緣重合，活塞雖提供剎車片背板約束力，但由于其邊緣和孔洞的邊緣重合，所以更使得背板的孔洞邊緣因為傳遞內(nèi)力的截面積驟減而加重了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖17 剎車片背板與活塞應(yīng)變分布

3.5 導(dǎo)向銷

導(dǎo)向銷的變形及應(yīng)變?nèi)鐖D18所示。由圖18可見最大應(yīng)力出現(xiàn)于導(dǎo)向銷和制動鉗支架接合處，而且導(dǎo)向銷出現(xiàn)了彎曲變形。這是由于導(dǎo)向銷需要將大部分的外力從制動鉗傳遞至制動鉗支架，同時斷面面積驟變也會導(dǎo)致應(yīng)力集中。因此，導(dǎo)向銷上最容易發(fā)生破壞的位置就是同時具有傳遞外力功能及斷面縮減部分，即圖18中圓圈位置。

圖18 導(dǎo)向銷的變形及應(yīng)變分布

4 小結(jié)

本文引用逆向工程，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建某盤式制動器的有限元模型，模擬與分析了盤式制動器各主要部件的應(yīng)力與變形。結(jié)果表明該盤式制動器性能達(dá)到工作要求，在剎車片的形狀、剎車片背板的厚度、導(dǎo)向銷之間的距離及制動鉗支架的輕量化設(shè)計等方面還有進一步優(yōu)化的空間。