周润东,王颂扬,解文昊,王 禹,苏 超,周志茹

南京铁道职业技术学院,江苏 南京 210031

0 引言

在汽车发展的过程中,汽车的制动性能是否可靠一直是衡量汽车设计是否可靠的最重要的因素。根据汽车制动器不同的结构形式,可以分为鼓式和盘式2种类型。盘式制动器具有水稳性好、反应灵敏、散热性好、结构紧凑等诸多优点,越来越受到人们的青睐。目前,国内80%乘用车制动系统安装盘式制动器。在国外,各级轿车、客车、货车等已广泛采用盘式制动器作为主要的制动装置[1-5]。

在盘式制动器的设计中,其结构强度设计是重中之重。如果在汽车高速行驶过程中,盘式制动器的结构强度不足,一旦失效断裂,将严重危及整车安全,造成难以估量的后果。以往的大量数据表明,汽车在高速运行时,盘式制动器的结构由于受到持续复杂的交变载荷,很容易受到损伤,从而导致制动器的安全性能得不到保障。所以,对于盘式制动器强度的分析显得十分重要[6]。

本文基于某型号汽车盘式制动器,设计了盘式制动器主要部件参数,对相关载荷及约束条件进行了计算分析,建立了盘式制动器主要部件的三维模型,并利用有限元分析软件ANSYS对其静强度进行了分析,对其结构强度设计的安全性及可靠性进行了校核与验证。

1 盘式制动器主要部件设计

1.1 制动盘

根据选取的某型号汽车原始参数,确定制动盘直径的取值范围是轮毅直径的70%～79%。制动盘的厚度一般取值为20～50 mm,但大部分情况下取用的值为20～30 mm。因此制动盘的厚度为22 mm,直径为350 mm,摩擦衬块内外半径分别为100、150 mm。

1.2 制动块

选定的摩擦片厚度为11 mm。

1.3 制动钳

制动钳在正常情况下可以由可锻铸铁或球墨铸铁铸造而成,与此同时制动钳体应该具有良好的力学性能。同时为了减少传给制动液的受热,可以将活塞的开口端与制动块的背板靠紧在一起,使得活塞的耐磨损性能得到加强。

2 盘式制动器静强度计算

2.1 制动器材料主要参数

根据选用的汽车盘式制动器原始参数及设计结果,可得到制动器主要材料参数如表1所示。

表1 制动器主要部件的材料参数

2.2 载荷计算

2.2.1 前后制动力计算

当前后轮同时抱死时为:

Fμ1+Fμ2=Gφ

(1)

Fμ1=φFz1

(2)

Fμ2=φFz2

(3)

式中:G是重力;Fμ1,Fμ2为前后制动力;Fz1,Fz2为地面对前后轮法向反作用力。代入相关参数可得:Fμ1为13 891 N,Fμ2为9 306 N。

2.2.2 制动力矩计算

3 制动器强度有限元分析

3.1 分析过程

盘式制动器主要部件在工作时,其强度与刚度必须满足相关要求。因此,利用ANSYS对其力学性能进行验证,同时与材料的屈服强度进行比较,证明所设计的盘式制动器的安全性与可靠性。

3.1.1 网格划分

根据所设计的盘式制动器主要参数,利用UG软件绘制盘式制动器的三维模型,然后另存为ANSYS可以分析的step格式,再把所保存的文件导入到ANSYS中,与此同时,进行Mesh网格的划分,创建制动器总成有限元模型,如图1所示。

图1 制动器有限元模型

3.1.2 边界条件添加

制动钳体所受到的力为45 247.2 N,方向与制动导向的方向恰好相对。汽车实际制动时通过液压管路对制动盘表面施加压力的大小一般为10～25 MPa,所以取制动盘及摩擦片表面施加载荷的载荷大小为25 MPa,如图2所示。

图2 制动器载荷施加示意图

3.2 制动器强度分析结果

3.2.1 制动嵌体

通过图3(a)制动钳体的变形云图可以看出,制动钳体与摩擦片接触端面,以及2个支脚的变形量最大,为0.017 375 mm,非接触表面的变形量非常微小,在实际制动过程中可以忽略。

图3 制动钳体、制动盘、摩擦片变形及应力云图

通过图3(b)制动钳体的应力云图还能够观察到,制动钳体上端面受到的应力值最大,大小为195.86 MPa,而制动钳体材料的屈服强度为250 MPa,所以制动钳体完全满足制动器实际工作强度的要求。不论是钳体的变形或者应力云图,都可以发现,其变形与应力变化的中心轴线是对称的,这也说明,制动钳体的受力比较均匀。

3.2.2 制动盘

由图3(c)制动盘的变形云图可以知道,制动盘变形量最大处出现在外端边缘处,最大变形值为0.028 202 mm,越靠近中心孔处,制动盘的变形量越小。中心盘孔处的变化几乎没有,同时,制动盘的变形并不对称分布,靠近与摩擦片接触的表面,其变形量比较大,反之则变化很微小。

由图3(d)制动盘的应力云图可以得出,制动盘在受到一定载荷之后的最大应力值出现在制动盘的外端边缘处,最大应力值为138.93 MPa。由于制动盘的材料HT250的最大屈服强度值为215 MPa,所以制动盘完全满足制动器制动时工作强度的要求。

3.2.3 摩擦片

由图3(e)摩擦片的变形云图可以知道,摩擦片变形量最大处在与制动盘接触端面的边缘处,最大值为0.001 057 1 mm,越靠近中心孔处,摩擦片的变形量越小。

由图3(f)摩擦片的应力云图可以看出,摩擦片的最大应力出现在摩擦片边缘处,最大应力值为54.476 MPa。而我国对于轿车制动摩擦片材料的屈服强度的要求为60～90 MPa,所以摩擦片完全满足制动器工作时相应的规定。

4 结束语

本文利用有限元分析软件ANSYS Workbench对盘式制动器的制动钳体、制动盘、摩擦片等主要部件三维实体模型的力学性能进行分析,分别得到这些部件的变形与应力云图,通过分析变形量与受力情况,比较相应部件材料的屈服强度,对这些主要部件的力学性能进行验证,分析制动器是否满足制动器制动时相应的需要。结果表明,从材料的选型到载荷的计算,设计的结果满足相关的设计要求。