蹄－鼓式制動器接觸分析

陜西漢德車橋有限公司 （西安 710200）鄭小艷 丁煒琦

制動器是保證汽車行駛安全性的關(guān)鍵，對于鼓式制動器，制動力的產(chǎn)生是靠摩擦片和制動鼓之間的摩擦產(chǎn)生的，因而制動鼓的好壞直接影響汽車的制動性能。在汽車制動器設(shè)計中，有限元分析為優(yōu)化制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了有力依據(jù)。本文對某重型卡車后輪鼓式制動器（領(lǐng)、從蹄式）進行接觸分析，模擬整個制動過程，并與三種不同改進結(jié)構(gòu)的制動鼓進行對比分析。

1.分析模型

圖1為蹄－鼓式制動器結(jié)構(gòu)，制動器由制動鼓、制動蹄和摩擦片三部分組成，制動蹄的促動力來自凸輪傳遞的氣壓制動力矩。在促動力的作用下制動蹄繞支撐銷張開，與轉(zhuǎn)動的制動鼓摩擦，產(chǎn)生制動力矩。

圖1 蹄－鼓式制動器結(jié)構(gòu)

2.有限元模型的建立

（1）網(wǎng)格與接觸設(shè)置 本文利用三維建模軟件對蹄－鼓式制動器進行三維實體建模，然后導入前處理軟件中建立有限元模型。為了提高計算速度和精度，采用8節(jié)點六面體實體單元對制動鼓和摩擦片進行網(wǎng)格劃分，4節(jié)點殼單元對制動蹄進行網(wǎng)格劃分。

在摩擦片和制動鼓內(nèi)表面建立接觸關(guān)系，其中制動鼓內(nèi)表面為主面，摩擦片外表面為從面，類型為面面接觸，設(shè)置靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)都為0.4；摩擦片與制動蹄間通過多個鉚釘連接，所以在建立模型時，通過在結(jié)合面上將摩擦材料與制動蹄上對應(yīng)的節(jié)點共用，即結(jié)合表面采用同一層節(jié)點，而結(jié)合面兩側(cè)則采用不同的材料劃分單元網(wǎng)格；為了模擬制動鼓與摩擦片間的相對滑動，方便給制動鼓施加強制轉(zhuǎn)動位移和約束，建模時，制動鼓底面采用殼單元。

由于分析過程中需考慮溫度的影響，所以在設(shè)置材料屬性時應(yīng)選用與熱相關(guān)的材料卡片，分別為制動鼓、摩擦片和制動蹄創(chuàng)建熱材料，材料參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)

蹄－鼓式制動器有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，共有單元100 458個，節(jié)點117 746個。

（2）約束條件與加載過程 根據(jù)蹄－鼓式制動器的實際工作狀態(tài)，對其添加約束和載荷。在制動過程中，凸輪軸張開，在張開力的作用下制動蹄繞支撐銷轉(zhuǎn)動，使摩擦片與轉(zhuǎn)動的制動鼓接觸，大部分的制動能量由制動鼓吸收，使制動鼓溫度升高，而制動鼓溫度過高，將引起制動力矩減小，熱應(yīng)力增加，因此，在計算制動鼓強度時，必須考慮溫度的影響。

圖2 蹄－鼓式制動器有限元網(wǎng)格模型

故約束只放開制動鼓和制動蹄支撐銷孔繞軸向的轉(zhuǎn)動自由度，在制動鼓底面中心處施加強制轉(zhuǎn)動位移，0.1～1s內(nèi)轉(zhuǎn)動25rad，在制動蹄凸輪軸孔處施加張開力，大小為5×104N，同時為了考慮溫度的影響，在制動鼓內(nèi)表面施加溫度場，0.5～0.6s內(nèi)溫度從1℃上升到200℃，0.6～1s內(nèi)保持200℃不變。

由于所有約束和載荷都必須與時間相關(guān)，所以在施加各個約束與載荷時必須先分別定義約束、載荷及溫度隨時間變化的曲線。

蹄－鼓式制動器約束加載后有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 蹄－鼓式制動器約束加載有限元模型

（3）改進的制動鼓結(jié)構(gòu) “網(wǎng)格與接觸設(shè)置”中模型為某重型卡車簡化后的制動鼓模型，在原始制動鼓模型的基礎(chǔ)上提出三種不同的改進結(jié)構(gòu)，并進行對比分析。三種不同改進結(jié)構(gòu)的制動鼓截面網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 三種不同改進結(jié)構(gòu)的制動鼓截面網(wǎng)格

將三種不同改進結(jié)構(gòu)的制動鼓按照（1）、（2）所述，設(shè)置與原始結(jié)構(gòu)相同的材料屬性、接觸、約束和加載。

3.分析求解

（1）設(shè)置求解過程控制參數(shù) 設(shè)置計算終止時間為1s，計算結(jié)果文件的輸出間隔為0.01s。

（2）求解結(jié)果對比分析 用后處理軟件查看求解器的運算結(jié)果，分別導入原始結(jié)構(gòu)和三種不同改進結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果文件，對比0.9s時蹄寬中點所對應(yīng)的制動鼓內(nèi)、外表面的應(yīng)力，如圖5、圖6所示。

圖5 0.9s時蹄寬中點所對應(yīng)的制動鼓內(nèi)表面應(yīng)力云圖

圖6 0.9s時蹄寬中點所對應(yīng)的制動鼓外表面應(yīng)力云圖

根據(jù)表2將原始結(jié)構(gòu)與三種不同改進結(jié)構(gòu)的制動鼓，就0.9s時蹄寬中點所對應(yīng)的內(nèi)、外表面應(yīng)力，以及各個制動鼓的重量對比可知：三種不同改進結(jié)構(gòu)的制動鼓內(nèi)、外表面應(yīng)力較原始結(jié)構(gòu)都有所降低，綜合考慮應(yīng)力與重量，密集周向筋結(jié)構(gòu)的制動鼓內(nèi)、外表面應(yīng)力降低最多，且重量較原始結(jié)構(gòu)增加值小于加寬加強帶50mm結(jié)構(gòu)，所以為最優(yōu)改進設(shè)計方案。

表2 結(jié)果對比分析