獨立式EPB結構設計與仿真分析

卞榮花　陳新　宋高翔　宋新強

摘 要：本文通過計算汽車在不同坡度上駐車時所需要駐車力的大小，設計獨立式EPB結構，并通過對獨立式EPB結構中主要部件螺栓和卡鉗嵌體的受力仿真分析，驗證整個結構最大應力位置及所選用的材料滿足設計要求，總結出獨立式EPB卡鉗鉗體可以進行輕量化設計，適應現今汽車輕量化的發展趨勢。

關鍵詞：獨立式EPB 卡鉗強度 仿真分析

Independent EPB Structure Design and Simulation Analysis

Bian Ronghua Chen Xin Song Gaoxiang Song Xinqiang

Abstract：In this paper， the independent EPB structure is designed by calculating the parking force required when the car is parked on different slopes， and the force simulation analysis of the main components of the independent EPB structure and the caliper inlay are verified to verify the maximum stress position of the structure and the selected materials meeting the design requirements. It is concluded that the independent EPB caliper body can be lightweight design to adapt to the current development trend of automobile lightweight.

Key words：independent EPB， caliper strength simulation analysis

1 引言

隨著汽車技術的發展和人民對于汽車要求的提升，傳統手剎逐漸被電子駐車制動系統（Electrical Park Bake 簡稱EPB）所取代，EPB分為三種，分別是拉索式EPB、集成式EPB和獨立式EPB。拉索式EPB就是傳統手剎的簡單替代，手柄改成電子開關，電機代替人施加作用力，已經逐漸淘汰。常見的EPB為集成式EPB系統，是指將行車過程中的臨時制動和停車后的長時間制動功能融合在一起。EPB這類由電子控制方式實現手剎制動的技術，其工作原理與機械式手剎相同， 均是通過剎車盤與卡鉗式手剎之間的摩擦力達到控制手剎制動，只不過控制方式從原先的機械式手剎拉桿變成了電子按鈕，使力裝置從原來的人力改成電機力，而且功能也新增自動駐車，主動釋放，集成了防盜系統，實現可靠的數字芯片防盜功能。

隨著車輛向高端化的發展，制動器采用固定式卡鉗越來越多，為此獨立式EPB系統也隨之應用越來越廣。

2 獨立式EPB結構受力計算

（1）整車參數

（2）駐車受力分析

車輛靜止在坡道上，根據車輛的參數和駐車制動器的參數，以及路面和輪胎的摩擦系數，對其進行極限駐車能力計算。車輪上坡受力分析，如圖1。

圖1中，車輛上坡時質心距離為Lf、Lr，原水平時的的距離為Lf、Lr，質心高度為H，車輪半徑r，h=H-r是水平時車輛軸上質心高度，由圖可以看出，水平路面和坡道路面兩種狀態下質心距離變化的幾何關系，紅色粗線表示質心的水平投影位移。

Lf=Lf×cosθ+h×sinθ

Lr=Lr×cosθ-h×sinθ

根據上述公式，推導出上坡時的駐車公式如下：

tanα=

上坡時駐坡的極限角度：α=tan-1

代入車輛參數得：

空載：α=0.751411

滿載：α=0.750105

后輪附著力：

Fr=μ×m×g×（Lf×cosθ+h×sinθ）

空載：Fr=6051.172N

滿載：Fr=6641.296N

同理計算出下坡時后輪附著力分別為：

空載：Fr=4050.702N

滿載：Fr=4389.554N

（3）EPB電機力與卡鉗夾緊力計算

取上坡及下坡，滿載空載的不同狀態下的后輪附著力的最大值作為EPB所需產生的最小附著力，計算EPB電機的輸出力為：

Fepb=

Fepb=10869.23N

卡鉗的夾緊力：

Fcaliper=Fepb=10869.23N

接下來以卡鉗的夾緊力作為支架的輸入力進行EPB卡鉗鉗體受力分析。

3 獨立式EPB卡鉗鉗體分析

先借助于CATIA的強大功能設計本次獨立式EPB制動器總成，然后導入至Abaqus軟件進行分析優化，得出符合強度要求的獨立式EPB制動器。

（1）獨立式EPB制動器總成設計

借助于CATIA軟件進行本次獨立式EPB制動器總成的尺寸結構設計。在本次設計的獨立式EPB制動器總成中卡鉗鉗體進行了輕量化及通用化設計，而卡鉗鉗體為獨立式EPB支架中左右側夾緊力的傳遞部件，因此作為設計重點進行分析。獨立式EPB制動器總成除掉電機部分，機械部分的靜強度分析對象即卡鉗鉗體如圖2所示：

接下來需要將圖2的模型導入至Abaqus軟件進行卡鉗鉗體受力分析。

（2）獨立式EPB卡鉗鉗體受力分析

本文采用Abaqus軟件進行卡鉗鉗體受力分析，Abaqus是功能強大的有限元分析軟件，可以分析復雜的固體力學和結構力學系統，模擬非常龐大的模型，處理高度非線性問題。Abaqus不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以完成系統級的分析和研究。

本次分析主要采用了Abaqus靜態應力/位移分析模塊分析功能。

設置螺栓和卡鉗材料屬性，其中螺栓為鍛鋼材料，彈性模量為193MPa，泊松比為0.3;卡鉗為鑄鋁材料，彈性模量為80MPa，泊松比為0.33。

在卡鉗和螺栓之間定義接觸，摩擦系數設置為0.48（鋁和低碳鋼的滑動摩擦系數），在螺栓末端和卡鉗座的螺紋處建立綁定約束。

設置卡鉗最大加載力。根據上述計算結果，取合理公差最大值作為卡鉗支架強度分析的輸入力，其中1.1的系數是在摩擦片允許合理的公差范圍內最大值，即F=10869.23×1.1=11956N。

參數設置完畢，進行仿真分析后，發現最大應力點在螺栓與卡鉗鉗體的夾緊處，此處S Mises平均應力為1.214MPa，小于所選用的螺栓的屈服極限193MPa。卡鉗鉗體上最大應力為0.45MPa，小于鋁合金的屈服極限70MPa，從剖視圖4上看出，支架的承載力矩主要由螺栓來承受，因而鋁合金卡鉗鉗體仍可以減輕較多重量。

如圖5可以看出，卡鉗最大變形量發生在卡鉗底部為2.8e-01mm即0.28mm，符合最大變形量為0.3mm的設計要求。

4 結論

通過研究仿真運行的結果，發現整個獨立式EPB卡鉗鉗體的最大應力發生在螺栓與卡鉗鉗體的夾緊處，螺栓的屈服極限遠大于最大應力;鉗體采用的鋁合金最大屈服極限也是遠大于卡鉗鉗體的最大應力;同時，卡鉗的最大變形量也是小于設計要求，綜上三個方面都是完全符合設計要求的。獨立式EPB機構的承載力矩主要由螺栓來承擔，所以獨立式EPB卡鉗鉗體還可以更輕量化，滿足現在汽車輕量化設計的要求。

基金項目：江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（202013114006Y）

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