基于Abaqus的商用車氣壓盤式制動(dòng)器鉗體的輕量化研究

張中國 肖光春 郭 寧 石 彬 楊芝金

（1.山東越成制動(dòng)系統(tǒng)股份有限公司，棗莊 277400；2.齊魯工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250353）

目前，全球汽車已超過10億輛，導(dǎo)致汽車成為能源消耗和污染排放的主要來源。汽車輕量化技術(shù)是節(jié)能減排的最有效措施之一[1]。采用輕質(zhì)金屬材料如鋁合金進(jìn)行車輛組裝，是當(dāng)前汽車輕量化的重要途徑[2]。通過鑄造、鍛造和沖壓工藝可以將鋁合金制造成各種汽車零部件[3]。鑄造鋁合金是目前汽車金屬材料中密度較低的輕金屬材料，是汽車輕量化、提高能源效率和環(huán)境保護(hù)的首選[4-5]。汽車制動(dòng)器是汽車制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，對汽車的安全行駛起著重要作用。它的性能直接影響汽車的整體安全性能。汽車氣壓制動(dòng)器主要分為盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器。由于散熱好、響應(yīng)靈敏以及制動(dòng)力線性等優(yōu)點(diǎn)，盤式制動(dòng)器逐漸受到國內(nèi)外汽車制造商的青睞，并廣泛應(yīng)用于汽車制動(dòng)系統(tǒng)[6]?？梢?，汽車盤式制動(dòng)器的輕量化設(shè)計(jì)意義重大。

目前，盤式制動(dòng)器的研究主要涉及制動(dòng)器的設(shè)計(jì)、加工以及制動(dòng)性能的分析與提高等方面[7]。在有限元仿真方面，HOHMANN等建立了盤式制動(dòng)器的有限元模型，研究了制動(dòng)過程中接觸壓力的分布情況[8]。LIU等利用Abaqus軟件通過復(fù)特征值法研究了盤式制動(dòng)器制動(dòng)過程中的尖叫現(xiàn)象[9]。BELHOCINE等利用ANSYS軟件對不同型號(hào)和不同材料的制動(dòng)盤在制動(dòng)過程中的熱現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析[10]。在制動(dòng)過程中，制動(dòng)器的鉗體是主要的承力機(jī)構(gòu)之一[11-13]。因此，有限元分析制動(dòng)器的鉗體，掌握其制動(dòng)工況下應(yīng)力和溫度的分布規(guī)律，判斷剛度和強(qiáng)度等力學(xué)性能是否滿足使用要求，對于提高制動(dòng)器安全性十分必要[14]。

本文以商用車中盤式制動(dòng)器鉗體為研究對象，建立灰鑄鐵和鑄造鋁合金盤式制動(dòng)器鉗體的有限元模型，基于Abaqus軟件進(jìn)行制動(dòng)工況下灰鑄鐵和鑄造鋁合金嵌體的應(yīng)力和溫度場有限元分析，并基于塑性加工技術(shù)對其進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)汽車盤式制動(dòng)器輕量化的目的。

1 常溫拉伸實(shí)驗(yàn)及分析

制動(dòng)鉗由灰鑄鐵或輕合金制造，有較高的強(qiáng)度和剛度，且形狀不一。例如，用鋁合金壓鑄成型，可做成整體狀或由螺栓連接的兩半狀，外緣留有凹凸槽，方便查看或更換制動(dòng)塊。制動(dòng)鉗可安置在車軸的前橋或后橋。位于車軸前橋時(shí)，它可有效防止輪胎旋轉(zhuǎn)甩出的泥、水進(jìn)入制動(dòng)鉗，避免因制動(dòng)鉗卡滯而影響制動(dòng)效果。位于車軸后橋時(shí)，它可減小制動(dòng)時(shí)輪轂軸承的合成載荷[15-16]。

為了比較不同材料嵌體的力學(xué)性能，對灰鑄鐵和鑄造鋁合金的棒材進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。棒材的基本尺寸如圖1（a）所示，單軸拉伸試驗(yàn)通過如圖1（b）所示的萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，拉伸速率為2 mm·min-1，拉伸載荷為10 kN。在拉伸過程中，采用激光引伸計(jì)實(shí)時(shí)捕捉試樣的位移變化。拉斷后的試樣對比，如圖1（c）所示。

通過常溫拉伸試驗(yàn)得出的灰鑄鐵和鑄造鋁合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。分析可知，灰鑄鐵和鑄造鋁合金的屈服強(qiáng)度分別為434 MPa和376 MPa，抗拉強(qiáng)度分別為787 MPa和447 MPa?？梢钥闯觯瑑煞N材料的屈服強(qiáng)度比較接近，故在實(shí)際工作中抵抗塑性變形的能力也相近，因而可以考慮在實(shí)際應(yīng)用中鑄造鋁合金替代灰鑄鐵來制造汽車的鉗體。

2 制動(dòng)器鉗體的有限元建模

2.1 劃分網(wǎng)格

在汽車制動(dòng)過程中，鉗體是主要的受力機(jī)構(gòu)，對其進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析具有十分重要的意義。由于鉗體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、圓角多，為縮短軟件計(jì)算時(shí)間，在UG4.0軟件中將三維模型中不必要的小孔和圓角刪除后，將簡化后的模型保存為.stp格式文件[17]，如圖3所示。通過軟件集成技術(shù)導(dǎo)入Hypermesh中劃分網(wǎng)格并建立有限元模型。

為了能準(zhǔn)確反映各零件的應(yīng)力、應(yīng)變及位移規(guī)律，采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元作為劃分網(wǎng)格類型。它的有限元網(wǎng)格模型，如圖4所示。完成網(wǎng)格粗劃分后，在鉗體邊緣處細(xì)化和改善網(wǎng)格。

2.2 材料參數(shù)

分析灰鑄鐵和鑄造鋁合金兩種材料的強(qiáng)度、剛度，對比鉗體差異，研究不同材料用于實(shí)現(xiàn)鉗體輕量化的可行性。兩種材料的基本參數(shù)對照如表1所示。

表1 灰鑄鐵和鑄造鋁合金的材料參數(shù)

通過表1中材料的屬性對比可以明顯看出，相較于灰鑄鐵，鑄造鋁合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)更低，說明其耐高溫性能更優(yōu)越，在較高的熱摩擦環(huán)境下可以延長使用壽命。同時(shí)，鑄造鋁合金的密度更低，更符合汽車輕量化的要求。

2.3 約束和加載

當(dāng)盤式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，鉗體內(nèi)部液壓缸中的液體壓力推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，使與活塞連接的制動(dòng)塊與制動(dòng)盤接觸。它的反作用力推動(dòng)鉗體運(yùn)動(dòng)并將壓力傳遞到另一側(cè)的制動(dòng)塊，使其與制動(dòng)盤接觸，實(shí)現(xiàn)對汽車的制動(dòng)。

在有限元模型中確定制動(dòng)盤圓心的位置，在此處建立參考點(diǎn)RP-1，并將鉗體耦合于該參考點(diǎn)。通過參考點(diǎn)RP-1，使鉗體沿其軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)過程中，通過邊界條件保證鉗體只能轉(zhuǎn)動(dòng)，其他方向不產(chǎn)生移動(dòng)。具體約束條件如圖5所示。

通過對制動(dòng)器施加一個(gè)力矩，使其能夠達(dá)到接近工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程。力矩M通過式（1）確定：

式中：K為制動(dòng)器效能因數(shù)；P為制動(dòng)器輸入力，取兩個(gè)制動(dòng)器張開力的平均值；R為制動(dòng)器的作用半徑。

制動(dòng)器的輸入力P通過式（2）確定：

式中：F為氣室推桿推力，由配置的氣室確定；i為凸輪傳動(dòng)比，i=L/e（L為調(diào)整臂臂長，e為凸輪力臂，即凸輪基圓半徑）。

由于在鉗體工作的過程中涉及摩擦?xí)a(chǎn)生摩擦熱，故而將熱能的變化也考慮在內(nèi)。通過邊界和載荷條件對其熱量的傳遞過程進(jìn)行設(shè)置，如圖6所示。

3 應(yīng)力場和溫度場的有限元分析

3.1 應(yīng)力場分析

基于Abaqus軟件對經(jīng)過前處理的有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算和模型后處理，得到灰鑄鐵和鋁合金鉗體的應(yīng)力云圖，分別如圖7（a）和圖7（b）所示。其中，顏色越深的部分，說明在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中所受的應(yīng)力越大，越易產(chǎn)生損壞。

由圖7（a）可知：制動(dòng)器鉗體在工作過程中應(yīng)力集中的部分主要在殼體的邊緣部位；而與圖7（a）相比，鋁合金材質(zhì)鉗體的應(yīng)力集中數(shù)值明顯減小，且應(yīng)力集中區(qū)域的面積也相對減少，說明鑄造鋁合金材質(zhì)的鉗體在同等工作環(huán)境下的塑性要優(yōu)于灰鑄鐵材質(zhì)的鉗體。同時(shí)，圖7中鑄造鋁合金材質(zhì)的鉗體的最大應(yīng)力值為276.1 MPa，小于該材料的屈服極限376.0 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 溫度場分析

在實(shí)際工作過程中，鉗體不可避免地與制動(dòng)器接觸產(chǎn)生摩擦，達(dá)到制動(dòng)的目的。運(yùn)動(dòng)過程中，鉗體與制動(dòng)器之間由于摩擦產(chǎn)生的熱量不可忽視。模擬兩種不同材質(zhì)鉗體在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的溫度場云圖，分布如圖8所示。

可以看出，熱量較高的部位主要集中在鉗體與制動(dòng)盤接觸的部位，進(jìn)而由此處將熱量傳遞到其他部位。與灰鑄鐵材質(zhì)的鉗體相比，鋁合金材質(zhì)鉗體在與制動(dòng)器接觸部位達(dá)到的最高溫度明顯降低，且高溫集中范圍相對較小，這是由于鋁合金的耐高溫特性所致。

4 基于單向壓縮的零件尺寸優(yōu)化

鋁合金鉗體通過鑄造生成，難免會(huì)在零件的內(nèi)部夾雜氣孔，導(dǎo)致零件內(nèi)部致密性不足。因此，需要在后續(xù)過程中通過單向壓縮手段去除其內(nèi)部缺陷，優(yōu)化鑄造鋁合金鉗體的坯料尺寸。具體操作為，在鑄造鉗體的一側(cè)預(yù)留0.2 mm的加工余量，并通過壓板對該側(cè)施加一定的載荷，將該部位的材料沿一定方向壓縮0.2 mm，以增加零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性?；趩蜗驂嚎s模擬的有限元建模，如圖9所示。

對單向壓縮過程進(jìn)行應(yīng)力場有限元模擬，得出的應(yīng)力分布情況如圖10所示。

可以看出，雖然單向壓縮過程中局部區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中，但是數(shù)值相對較小，可以在后續(xù)過程中對零件進(jìn)行去應(yīng)力退火將其消除。

5 結(jié)論

以商用車中常見的盤式制動(dòng)器鉗體為研究對象，基于Abaqus軟件進(jìn)行應(yīng)力和溫度場的有限元分析及輕量化研究，主要結(jié)論如下。

（1）對灰鑄鐵和鑄造鋁合金兩種不同材質(zhì)的棒材進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，灰鑄鐵和鑄造鋁合金的屈服強(qiáng)度比較接近，抵抗塑性變形的能力相近，鑄造鋁合金可替代灰鑄鐵來制造汽車的鉗體。

（2）鑄造鋁合金鉗體在相同制動(dòng)工況下產(chǎn)生的應(yīng)力分布更均勻，應(yīng)力集中部分較少；鑄造鋁合金鉗體的溫度分布相較于灰鑄鐵的范圍要小。

（3）鑄造鋁合金在鑄造過程中產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，可采取單向壓縮的工藝去除；而單向壓縮產(chǎn)生的應(yīng)力集中相對較小，可以在后續(xù)過程中對零件進(jìn)行去應(yīng)力退火將其消除。