某輕卡輕量化制動(dòng)器性能優(yōu)化仿真與試驗(yàn)研究

宋 昕 ， 涂永梅 ， 陳金林 ， 袁 東

（1.江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010；2.江蘇恒力制動(dòng)器制造有限公司，江蘇 靖江 214500）

0 引言

輕卡承擔(dān)極大部分的城鄉(xiāng)運(yùn)輸工作[1-4]，降低輕卡燃油消耗，是綠色發(fā)展的必然要求。輕卡輕量化，即減輕整備質(zhì)量，可以很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)中用以產(chǎn)生阻礙車輛運(yùn)動(dòng)或趨勢(shì)的力的部件，一般制動(dòng)器是通過(guò)其中的固定元件對(duì)旋轉(zhuǎn)元件施加制動(dòng)力矩，以使旋轉(zhuǎn)元件的角速度減小，依靠車輪與路面的附著力，產(chǎn)生路面對(duì)車輪的制動(dòng)力，以使輕卡減速。當(dāng)前輕卡所使用的摩擦制動(dòng)器主要包括鼓式和盤式兩大類[4-10]，由于鼓式制動(dòng)器成本相對(duì)較低，其市場(chǎng)占有率穩(wěn)步攀升。本文所研究的輕卡鼓式制動(dòng)器，其制動(dòng)鼓以內(nèi)圓柱面為工作表面，其固定元件采用帶摩擦片的制動(dòng)蹄。制動(dòng)器的性能對(duì)整車制動(dòng)和安全性能有著非常關(guān)鍵的影響。輕量化，作為輕卡節(jié)能降耗的解決路徑，本研究通過(guò)對(duì)氣剎制動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的輕量化。

從制動(dòng)器的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征對(duì)比、摩擦片材料性能試驗(yàn)、疲勞性能試驗(yàn)以及制動(dòng)器總成制動(dòng)試驗(yàn)等方面入手，優(yōu)化了氣剎制動(dòng)器底板的結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)輕卡制動(dòng)器的開檔結(jié)構(gòu)，由蹄鐵設(shè)計(jì)開檔結(jié)構(gòu)來(lái)代替底座功能，并進(jìn)行了基礎(chǔ)方案與輕量化方案的CAE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比分析，同時(shí)開展相關(guān)性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該輕量化氣剎制動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊，減重效果明顯，滿足性能目標(biāo)要求。

1 制動(dòng)器輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣壓鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)是由制動(dòng)氣室提供動(dòng)力，通過(guò)調(diào)整臂驅(qū)動(dòng)S型凸輪軸，使凸輪軸旋轉(zhuǎn)，凸輪軸的漸開線面推動(dòng)滾輪與制動(dòng)蹄帶摩擦片總成一起繞蹄片軸旋轉(zhuǎn)，摩擦片對(duì)制動(dòng)鼓產(chǎn)生一個(gè)正向壓力，從而產(chǎn)生摩擦力矩，阻止制動(dòng)鼓旋轉(zhuǎn)，達(dá)到制動(dòng)的效果。氣制動(dòng)底板需固定，蹄鐵采用開檔結(jié)構(gòu)并開蹄銷孔，氣制動(dòng)底板置入蹄鐵開檔，通過(guò)蹄片軸將氣制動(dòng)底板與蹄鐵連接，蹄片軸兩端采用軸用擋圈進(jìn)行軸向固定在蹄鐵上。本研究輕量化方案優(yōu)化了氣制動(dòng)底板的結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)輕卡制動(dòng)器的開檔結(jié)構(gòu)，由蹄鐵設(shè)計(jì)開檔結(jié)構(gòu)代替底座功能，結(jié)構(gòu)對(duì)比圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)緊湊，單車可實(shí)現(xiàn)減重4.4 kg，降本增效。

圖1 制動(dòng)器輕量化結(jié)構(gòu)示意圖

2 輕量化制動(dòng)器CAE分析

2.1 CAE建模及邊界條件

CAE有限元分析是以數(shù)值分析理論為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)工程輔助設(shè)計(jì)，可快速有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度疲勞等分析工作，節(jié)約大量的物理試驗(yàn)費(fèi)用。本研究采用ABAQUS軟件，分別對(duì)氣剎制動(dòng)器基礎(chǔ)方案、輕量化方案的制動(dòng)底板及制動(dòng)蹄進(jìn)行了有限元模型搭建，網(wǎng)格尺寸為3 mm，單元類型為六面體及四面體Solid實(shí)體單元，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為39 000，網(wǎng)格單元數(shù)量為150 000，網(wǎng)格模型建立后，進(jìn)行了網(wǎng)格質(zhì)量檢查，確保仿真計(jì)算精度。其中，氣剎制動(dòng)器基礎(chǔ)方案重量為7.7 kg，制動(dòng)材料牌號(hào)為QT550，其彈性模量E為172 GPa，抗拉強(qiáng)度為550 MPa，延伸率為5%。

制動(dòng)底板CAE分析邊界條件：底板通過(guò)端面上的圓柱孔與車橋相連，固定其全部自由度，同時(shí)限制圓柱內(nèi)孔X、Z的平動(dòng)自由度以及X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在與底板相接觸的面上約束Y軸平動(dòng)自由度，如圖2（a）所示；載荷則是通過(guò)制動(dòng)氣室反作用在氣室支架上的作用力8 000 N，氣室重量在加速度的作用下，對(duì)制動(dòng)支架的沖擊力為300 N，CAE強(qiáng)度分析判斷標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度。

制動(dòng)蹄的CAE分析邊界條件：制動(dòng)蹄右端圓柱孔通過(guò)銷子與制動(dòng)底板連接，繞著銷子旋轉(zhuǎn)，故約束右端圓柱孔的自由度，即X、Y、Z的平動(dòng)自由度和X、Y的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；制動(dòng)蹄背面用于安裝摩擦塊，當(dāng)制動(dòng)結(jié)束時(shí)，摩擦塊與制動(dòng)鼓接觸，故約束制動(dòng)蹄背面的X、Y的平動(dòng)自由度。按最大0.8 MPa氣壓，根據(jù)蹄的受力情況，制動(dòng)蹄外圓弧受到的最大壓力F1=40 304 N，如圖2（b）所示。

圖2 制動(dòng)器CAE分析邊界條件

2.2 CAE強(qiáng)度對(duì)比分析

本研究按照上述工況，對(duì)氣剎制動(dòng)器基礎(chǔ)方案和輕量化方案進(jìn)行了CAE強(qiáng)度對(duì)比分析，得到如圖3所示的制動(dòng)蹄分析結(jié)果。分析結(jié)果顯示，基礎(chǔ)方案制動(dòng)蹄應(yīng)力最大值出現(xiàn)在制動(dòng)蹄左端凸起處，應(yīng)力最大值為180 MPa，制動(dòng)蹄所用材料為QT450-10，屬于鑄鐵類，故選用第一強(qiáng)度理論校核，即最大拉應(yīng)力理論，QT450-10的最大抗拉強(qiáng)度為450 MPa，因此滿足強(qiáng)度要求。而輕量化制動(dòng)蹄應(yīng)力最大值出現(xiàn)在制動(dòng)蹄左端凸起處，應(yīng)力最大值為76 MPa，應(yīng)力下降效果明顯，結(jié)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)減重，又優(yōu)化了強(qiáng)度，滿足目標(biāo)要求。

圖3 輕量化制動(dòng)蹄CAE強(qiáng)度分析結(jié)果

本研究對(duì)氣剎制動(dòng)器基礎(chǔ)方案和輕量化方案底座進(jìn)行了CAE強(qiáng)度對(duì)比分析，得到如圖4的分析結(jié)果。基礎(chǔ)方案底座應(yīng)力最大值出現(xiàn)在氣室支架的加強(qiáng)筋處，應(yīng)力最大值為323 MPa，制動(dòng)蹄所用材料為QT450-10，屬于鑄鐵類，故選用第一強(qiáng)度理論校核，即最大拉應(yīng)力理論，QT450-10的最大抗拉強(qiáng)度為450 MPa，因此滿足強(qiáng)度要求。而輕量化制動(dòng)器的底座的應(yīng)力最大值為321 MPa，較基礎(chǔ)方案，應(yīng)力下降了2 MPa，優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，輕量化效果顯著。

圖4 制動(dòng)器底座CAE強(qiáng)度對(duì)比分析結(jié)果

3 輕量化制動(dòng)器振動(dòng)試驗(yàn)分析

完成上述制動(dòng)器輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CAE強(qiáng)度對(duì)比分析后，開展了輕量化制動(dòng)器振動(dòng)試驗(yàn)，以校核該輕量化制動(dòng)器振動(dòng)耐久疲勞強(qiáng)度性能。試驗(yàn)條件為在不同頻率及不同加速度條件下，振動(dòng)一定次數(shù)，檢查輕量化制動(dòng)器是否存在裂紋及螺栓松動(dòng)等失效問(wèn)題。試驗(yàn)條件：15 Hz頻率下，振動(dòng)加速度為10 g，振動(dòng)次數(shù)為1 125 000次；22 Hz頻率下，振動(dòng)加速度為15 g，振動(dòng)次數(shù)為120 000次；25 Hz頻率下，振動(dòng)加速度為20 g，振動(dòng)次數(shù)為195 000次；35 Hz頻率下，振動(dòng)加速度為25 g，振動(dòng)次數(shù)為57 500次。本試驗(yàn)在室溫環(huán)境下，利用電磁激振器及振動(dòng)控制儀，采用單點(diǎn)控制進(jìn)行試驗(yàn)控制，工裝條件如圖5所示。

圖5 輕量化制動(dòng)器振動(dòng)試驗(yàn)

按照上述試驗(yàn)工裝條件，對(duì)輕量化制動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，得到如圖6所示的測(cè)試結(jié)果，靜置清理后，經(jīng)詳細(xì)檢查，試樣未出現(xiàn)裂紋及螺栓 松動(dòng)問(wèn)題，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 輕量化制動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究基于有限元仿真理論，采用ABAQUS軟件，優(yōu)化了氣制動(dòng)底板結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)輕卡制動(dòng)器的開檔結(jié)構(gòu)，由蹄鐵設(shè)計(jì)開檔結(jié)構(gòu)代替底座功能。基于輕卡制動(dòng)器實(shí)際的安裝固定條件，開展了制動(dòng)器基礎(chǔ)方案和輕量化方案的制動(dòng)蹄及底座的CAE強(qiáng)度對(duì)比分析，分析結(jié)果顯示，輕量化制動(dòng)器系統(tǒng)中的制動(dòng)蹄及底座的最大應(yīng)力較基礎(chǔ)方案都得到優(yōu)化下降，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度目標(biāo)要求。此外，還同步開展了輕量化制動(dòng)器振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，在不同頻率及不同加速度工況下，按照設(shè)計(jì)目標(biāo)振動(dòng)次數(shù)進(jìn)行激勵(lì)振動(dòng)加載，試驗(yàn)后，詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋及螺栓松動(dòng)問(wèn)題。因此，綜合CAE分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，輕量化制動(dòng)器滿足零部件設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，可實(shí)現(xiàn)減重4.4 kg，效果顯著。