商用車(chē)楔式制動(dòng)器總成建模及有限元分析

宮麗男， 龐在祥， 馬 輝， 張曦予， 劉 冰

(1.長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程技術(shù)分院， 吉林 長(zhǎng)春 130033;2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 吉林 長(zhǎng)春 130012;3.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 科學(xué)研究處， 吉林 長(zhǎng)春 130012;4.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 國(guó)際教育學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012;5.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 后勤管理處， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

隨著我國(guó)公路交通事業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕煌ê瓦\(yùn)輸工具[1-2]。汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車(chē)安全行駛的必要、關(guān)鍵部件，其制動(dòng)性能的優(yōu)劣和制動(dòng)效率的高低直接關(guān)系到汽車(chē)行駛過(guò)程中的安全性和運(yùn)輸效率。商用車(chē)作為重要的運(yùn)輸工具，其行駛路面較為復(fù)雜，尤其是在山區(qū)道路中行駛，而現(xiàn)有商用車(chē)的制動(dòng)器類(lèi)型多以S凸輪鼓式制動(dòng)器和盤(pán)式制動(dòng)器為主，鼓式制動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上較簡(jiǎn)單、成本低，但通風(fēng)散熱條件較差且質(zhì)量重，長(zhǎng)時(shí)間高速行駛時(shí)，制動(dòng)器內(nèi)部熱量不容易散發(fā)，會(huì)產(chǎn)生熱能的衰退，造成摩擦系數(shù)下降，制動(dòng)力減弱，制動(dòng)效能無(wú)法保證，對(duì)行車(chē)安全影響較大[3-4]。盤(pán)式制動(dòng)器質(zhì)量較輕，制動(dòng)性能好，但存在價(jià)格昂貴，企業(yè)及用戶(hù)很難承擔(dān)等現(xiàn)象。楔式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、成本低、制動(dòng)力矩大、制動(dòng)效率高、制造簡(jiǎn)單、可獨(dú)立自動(dòng)調(diào)整剎車(chē)間隙，能規(guī)避制動(dòng)器發(fā)熱、抱死等不良現(xiàn)象的發(fā)生，有效彌補(bǔ)鼓式制動(dòng)器和盤(pán)式制動(dòng)器的不足。通過(guò)分析現(xiàn)有商用車(chē)制動(dòng)器優(yōu)缺點(diǎn)，運(yùn)用一種帶有楔塊的領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，并基于三維造型軟件CATIA對(duì)楔式制動(dòng)器總成進(jìn)行統(tǒng)一建模，然后利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)制動(dòng)器關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

1 楔式制動(dòng)器工作原理

楔式制動(dòng)器就是一種特殊的鼓式制動(dòng)器，為了增加制動(dòng)器的制動(dòng)性能和良好的熱學(xué)特性，在結(jié)構(gòu)上做出了改進(jìn)，將楔塊與氣室的連接軸模塊代替鼓式制動(dòng)器中自動(dòng)調(diào)整臂+凸輪支架+凸輪軸模塊。利用楔形張開(kāi)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)，比傳統(tǒng)的鼓式制動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上更加緊湊、重量輕，兩制動(dòng)蹄可獨(dú)立自動(dòng)調(diào)整剎車(chē)間隙，有效避免制動(dòng)發(fā)熱、抱死等不良現(xiàn)象發(fā)生，并采用全封閉的自調(diào)整機(jī)構(gòu)，保證制動(dòng)器的高壽命使用。

楔式制動(dòng)器按結(jié)構(gòu)形式可劃分為領(lǐng)從蹄式、雙向雙領(lǐng)蹄式、雙向自增力式[5]。文中通過(guò)分析對(duì)比三種制動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式及工作狀態(tài)，考慮到雙向領(lǐng)蹄式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)需兩個(gè)楔形的促動(dòng)裝置，這樣導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，從而影響商用車(chē)底盤(pán)其它器件的布置，增力式楔式制動(dòng)器雖然在制動(dòng)效果方面更好，但價(jià)格偏高。在綜合考慮各類(lèi)楔式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及其經(jīng)濟(jì)效益后，以領(lǐng)從蹄式楔式制動(dòng)器為研究對(duì)象，對(duì)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)制動(dòng)器在制動(dòng)效能以及制動(dòng)穩(wěn)定性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，在行車(chē)過(guò)程中，前進(jìn)和倒車(chē)制動(dòng)效能保持恒定，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，易于設(shè)計(jì)組成駐車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)。

楔式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，楔形張開(kāi)裝置由于受到氣室中產(chǎn)生的推力而張開(kāi)，這時(shí)在制動(dòng)蹄與張開(kāi)裝置兩端接觸的部分產(chǎn)生了兩個(gè)相反的推力，反向推力會(huì)推動(dòng)兩制動(dòng)蹄繞著支撐軸向外進(jìn)行擴(kuò)張，與旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)鼓進(jìn)行接觸，制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓之間就會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，從而對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生制動(dòng)作用[6]。制動(dòng)解除時(shí)，由于氣室產(chǎn)生的制動(dòng)推力消失，使制動(dòng)器的張開(kāi)裝置恢復(fù)到原位，兩個(gè)制動(dòng)蹄在回位彈簧的拉力作用下離開(kāi)制動(dòng)鼓的內(nèi)表面，導(dǎo)致摩擦力消失，制動(dòng)力矩變?yōu)榱?，從而汽?chē)可以正常行駛。

2 楔式制動(dòng)器實(shí)體建模

在建模過(guò)程中，所建立的幾何模型的優(yōu)劣直接決定著有限元分析模型的好壞，以及分析結(jié)果的正確性。同時(shí)在保證所建立模型正確的前提下，建模效率的提高也是一個(gè)重要因素。建模時(shí)，首先要綜合設(shè)計(jì)計(jì)算尺寸和實(shí)際尺寸繪制各零部件的零件圖，然后將各個(gè)零件圖依次導(dǎo)入三維造型軟件的裝配模塊中，最后在各零部件之間添加相應(yīng)的配合關(guān)系及約束關(guān)系，最終完成制動(dòng)器的實(shí)體虛擬裝配模型。

2.1 托架的三維實(shí)體建模

首先，選擇托架作為所有零件體及最后裝配體的基準(zhǔn)，在繪制托架之前，要先確定各個(gè)定位尺寸。確定以后進(jìn)入CATIA V5零件圖模塊[7-8]，進(jìn)入草圖，繪制托架主體輪廓，退出草圖編輯器，通過(guò)凸臺(tái)命令對(duì)輪廓進(jìn)行拉伸，得到托架主體。通過(guò)凹槽命令對(duì)主體進(jìn)行裁剪，最終得到托架。托架三維實(shí)體如圖1所示。

由于托架與楔形促動(dòng)裝置的接觸平面與參考平面并不平行，所以需要對(duì)參考平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與偏移，在所得平面新建草圖，然后再進(jìn)行凸臺(tái)的拉伸和凹槽等命令。

2.2 制動(dòng)蹄的三維實(shí)體建模

1)根據(jù)托架中外圓尺寸確定制動(dòng)蹄的尺寸半徑，在草圖編輯器中繪制110°弧形環(huán)，拉伸出環(huán)形凸臺(tái)。

2)繪制輪廓以及引導(dǎo)線(xiàn)草圖，用肋命令，得到制動(dòng)蹄主體的一半。

3)在環(huán)形凸臺(tái)兩端分別建立平面，繪制草圖，通過(guò)凸臺(tái)和凹槽等命令得到制動(dòng)蹄與楔形促動(dòng)裝置、托架連接接觸的實(shí)體部分。

4)利用鏡像命令，得到制動(dòng)蹄主體。

5)利用凹槽命令，繪制連接制動(dòng)蹄與摩擦襯片的鉚釘?shù)目?，同時(shí)要記錄孔的位置，以便繪制摩擦襯片。

制動(dòng)蹄三維實(shí)體如圖2所示。

2.3 摩擦襯片的三維實(shí)體建模

建模時(shí)首先根據(jù)制動(dòng)器制動(dòng)蹄的外圓尺寸確定制動(dòng)器摩擦襯片的半徑，并通過(guò)計(jì)算得出制動(dòng)器中摩擦襯片包角為110°，單個(gè)摩擦襯片取值50°，利用三維軟件中的凸臺(tái)命令拉伸，得到摩擦襯片的主體，并進(jìn)行裁剪。最后，根據(jù)制動(dòng)蹄上鉚釘孔的位置，在襯片主體上繪制出鉚釘孔，得到摩擦襯片實(shí)體模型如圖3所示。

2.4 楔形促動(dòng)裝置的三維實(shí)體建模

繪制楔形促動(dòng)裝置三維實(shí)體之前，首先將托架、制動(dòng)蹄、摩擦襯片進(jìn)行簡(jiǎn)單裝配，用自頂向下的建模方法對(duì)楔形促動(dòng)裝置三維實(shí)體開(kāi)始建模，利用凸臺(tái)、凹槽、旋轉(zhuǎn)體等命令分別對(duì)裝置腔體、推桿、傳力結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體繪制，最終得到楔形促動(dòng)裝置三維實(shí)體，如圖4所示。

2.5 楔式領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器整體裝配

在裝配設(shè)計(jì)模塊中，通過(guò)孔中心的定位、接觸面的距離約束、角度約束將各個(gè)零件進(jìn)行裝配，有利于各個(gè)零件之間的拆裝。楔式領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器裝配總圖如圖5所示。

3 楔式領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器的有限元分析

為了方便對(duì)制動(dòng)器模型進(jìn)行有限元分析[9]，首先對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除各部分的倒角，將遮塵蓋、托架、支撐銷(xiāo)、螺絲等多余零件去掉，簡(jiǎn)化楔式張開(kāi)裝置，改用約束力來(lái)代替該裝置。導(dǎo)入模型后，通過(guò)輸入零件材料的物理性質(zhì)參數(shù)，對(duì)制動(dòng)器中的制動(dòng)蹄和摩擦襯片進(jìn)行分析，材料特性見(jiàn)表1。

表1 制動(dòng)蹄與摩擦襯片的材料特性

通過(guò)不同維度、不同類(lèi)型的若干微小單元，對(duì)一個(gè)實(shí)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，將有限個(gè)小單元連成一個(gè)離散模型進(jìn)行受力分析，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)對(duì)制動(dòng)器邊界條件和約束進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定摩擦片與制動(dòng)鼓之間的摩擦系數(shù)為0.3，約束水平推力為17 103 N，得到施加力后的約束圖，如圖7所示。

領(lǐng)蹄應(yīng)力分布如圖8所示。

前蹄的最大應(yīng)力為64.792 MPa，其最大應(yīng)力值在與楔形張開(kāi)裝置的接觸部分，該應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的屈服極限。

制動(dòng)蹄變形圖如圖9所示。

最大變形量為0.058 1 mm。應(yīng)力和變形在允許范圍內(nèi)。

從蹄應(yīng)力分布如圖10所示。

前蹄的最大應(yīng)力為63.05 MPa，其最大應(yīng)力值也在與楔形張開(kāi)裝置的接觸部分。

摩擦襯片應(yīng)力分布及變形圖分別如圖11和圖12所示。

摩擦襯片的最大應(yīng)力為7.759 MPa，最大變形量為0.043 8 mm，應(yīng)力和位移量都低于材料的剛度要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于CATIA三維造型軟件對(duì)楔式制動(dòng)器進(jìn)行特征建模和虛擬裝配，為楔式制動(dòng)器的仿真分析提供了樣機(jī)模型。通過(guò)有限元分析軟件對(duì)制動(dòng)器中領(lǐng)蹄、制動(dòng)蹄、從蹄、摩擦襯片等關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，得到了應(yīng)力和變形圖，從分析結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的楔式制動(dòng)器滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了前期設(shè)計(jì)的合理性。