基于ANSYS Workbench的一種盤式制動器設計與分析

周潤東,王頌揚,解文昊,王 禹,蘇 超,周志茹

南京鐵道職業技術學院,江蘇 南京 210031

0 引言

在汽車發展的過程中,汽車的制動性能是否可靠一直是衡量汽車設計是否可靠的最重要的因素。根據汽車制動器不同的結構形式,可以分為鼓式和盤式2種類型。盤式制動器具有水穩性好、反應靈敏、散熱性好、結構緊湊等諸多優點,越來越受到人們的青睞。目前,國內80%乘用車制動系統安裝盤式制動器。在國外,各級轎車、客車、貨車等已廣泛采用盤式制動器作為主要的制動裝置[1-5]。

在盤式制動器的設計中,其結構強度設計是重中之重。如果在汽車高速行駛過程中,盤式制動器的結構強度不足,一旦失效斷裂,將嚴重危及整車安全,造成難以估量的后果。以往的大量數據表明,汽車在高速運行時,盤式制動器的結構由于受到持續復雜的交變載荷,很容易受到損傷,從而導致制動器的安全性能得不到保障。所以,對于盤式制動器強度的分析顯得十分重要[6]。

本文基于某型號汽車盤式制動器,設計了盤式制動器主要部件參數,對相關載荷及約束條件進行了計算分析,建立了盤式制動器主要部件的三維模型,并利用有限元分析軟件ANSYS對其靜強度進行了分析,對其結構強度設計的安全性及可靠性進行了校核與驗證。

1 盤式制動器主要部件設計

1.1 制動盤

根據選取的某型號汽車原始參數,確定制動盤直徑的取值范圍是輪毅直徑的70%～79%。制動盤的厚度一般取值為20～50 mm,但大部分情況下取用的值為20～30 mm。因此制動盤的厚度為22 mm,直徑為350 mm,摩擦襯塊內外半徑分別為100、150 mm。

1.2 制動塊

選定的摩擦片厚度為11 mm。

1.3 制動鉗

制動鉗在正常情況下可以由可鍛鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造而成,與此同時制動鉗體應該具有良好的力學性能。同時為了減少傳給制動液的受熱,可以將活塞的開口端與制動塊的背板靠緊在一起,使得活塞的耐磨損性能得到加強。

2 盤式制動器靜強度計算

2.1 制動器材料主要參數

根據選用的汽車盤式制動器原始參數及設計結果,可得到制動器主要材料參數如表1所示。

表1 制動器主要部件的材料參數

2.2 載荷計算

2.2.1 前后制動力計算

當前后輪同時抱死時為:

Fμ1+Fμ2=Gφ

(1)

Fμ1=φFz1

(2)

Fμ2=φFz2

(3)

式中:G是重力;Fμ1,Fμ2為前后制動力;Fz1,Fz2為地面對前后輪法向反作用力。代入相關參數可得:Fμ1為13 891 N,Fμ2為9 306 N。

2.2.2 制動力矩計算

3 制動器強度有限元分析

3.1 分析過程

盤式制動器主要部件在工作時,其強度與剛度必須滿足相關要求。因此,利用ANSYS對其力學性能進行驗證,同時與材料的屈服強度進行比較,證明所設計的盤式制動器的安全性與可靠性。

3.1.1 網格劃分

根據所設計的盤式制動器主要參數,利用UG軟件繪制盤式制動器的三維模型,然后另存為ANSYS可以分析的step格式,再把所保存的文件導入到ANSYS中,與此同時,進行Mesh網格的劃分,創建制動器總成有限元模型,如圖1所示。

圖1 制動器有限元模型

3.1.2 邊界條件添加

制動鉗體所受到的力為45 247.2 N,方向與制動導向的方向恰好相對。汽車實際制動時通過液壓管路對制動盤表面施加壓力的大小一般為10～25 MPa,所以取制動盤及摩擦片表面施加載荷的載荷大小為25 MPa,如圖2所示。

圖2 制動器載荷施加示意圖

3.2 制動器強度分析結果

3.2.1 制動嵌體

通過圖3(a)制動鉗體的變形云圖可以看出,制動鉗體與摩擦片接觸端面,以及2個支腳的變形量最大,為0.017 375 mm,非接觸表面的變形量非常微小,在實際制動過程中可以忽略。

圖3 制動鉗體、制動盤、摩擦片變形及應力云圖

通過圖3(b)制動鉗體的應力云圖還能夠觀察到,制動鉗體上端面受到的應力值最大,大小為195.86 MPa,而制動鉗體材料的屈服強度為250 MPa,所以制動鉗體完全滿足制動器實際工作強度的要求。不論是鉗體的變形或者應力云圖,都可以發現,其變形與應力變化的中心軸線是對稱的,這也說明,制動鉗體的受力比較均勻。

3.2.2 制動盤

由圖3(c)制動盤的變形云圖可以知道,制動盤變形量最大處出現在外端邊緣處,最大變形值為0.028 202 mm,越靠近中心孔處,制動盤的變形量越小。中心盤孔處的變化幾乎沒有,同時,制動盤的變形并不對稱分布,靠近與摩擦片接觸的表面,其變形量比較大,反之則變化很微小。

由圖3(d)制動盤的應力云圖可以得出,制動盤在受到一定載荷之后的最大應力值出現在制動盤的外端邊緣處,最大應力值為138.93 MPa。由于制動盤的材料HT250的最大屈服強度值為215 MPa,所以制動盤完全滿足制動器制動時工作強度的要求。

3.2.3 摩擦片

由圖3(e)摩擦片的變形云圖可以知道,摩擦片變形量最大處在與制動盤接觸端面的邊緣處,最大值為0.001 057 1 mm,越靠近中心孔處,摩擦片的變形量越小。

由圖3(f)摩擦片的應力云圖可以看出,摩擦片的最大應力出現在摩擦片邊緣處,最大應力值為54.476 MPa。而我國對于轎車制動摩擦片材料的屈服強度的要求為60～90 MPa,所以摩擦片完全滿足制動器工作時相應的規定。

4 結束語

本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對盤式制動器的制動鉗體、制動盤、摩擦片等主要部件三維實體模型的力學性能進行分析,分別得到這些部件的變形與應力云圖,通過分析變形量與受力情況,比較相應部件材料的屈服強度,對這些主要部件的力學性能進行驗證,分析制動器是否滿足制動器制動時相應的需要。結果表明,從材料的選型到載荷的計算,設計的結果滿足相關的設計要求。