陜西漢德車橋有限公司 （西安 710200）鄭小艷 丁煒琦

制動(dòng)器是保證汽車行駛安全性的關(guān)鍵，對(duì)于鼓式制動(dòng)器，制動(dòng)力的產(chǎn)生是靠摩擦片和制動(dòng)鼓之間的摩擦產(chǎn)生的，因而制動(dòng)鼓的好壞直接影響汽車的制動(dòng)性能。在汽車制動(dòng)器設(shè)計(jì)中，有限元分析為優(yōu)化制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了有力依據(jù)。本文對(duì)某重型卡車后輪鼓式制動(dòng)器（領(lǐng)、從蹄式）進(jìn)行接觸分析，模擬整個(gè)制動(dòng)過(guò)程，并與三種不同改進(jìn)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)鼓進(jìn)行對(duì)比分析。

1.分析模型

圖1為蹄－鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，制動(dòng)器由制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄和摩擦片三部分組成，制動(dòng)蹄的促動(dòng)力來(lái)自凸輪傳遞的氣壓制動(dòng)力矩。在促動(dòng)力的作用下制動(dòng)蹄繞支撐銷張開，與轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)鼓摩擦，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

圖1 蹄－鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

2.有限元模型的建立

（1）網(wǎng)格與接觸設(shè)置 本文利用三維建模軟件對(duì)蹄－鼓式制動(dòng)器進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后導(dǎo)入前處理軟件中建立有限元模型。為了提高計(jì)算速度和精度，采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元對(duì)制動(dòng)鼓和摩擦片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，4節(jié)點(diǎn)殼單元對(duì)制動(dòng)蹄進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在摩擦片和制動(dòng)鼓內(nèi)表面建立接觸關(guān)系，其中制動(dòng)鼓內(nèi)表面為主面，摩擦片外表面為從面，類型為面面接觸，設(shè)置靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)都為0.4；摩擦片與制動(dòng)蹄間通過(guò)多個(gè)鉚釘連接，所以在建立模型時(shí)，通過(guò)在結(jié)合面上將摩擦材料與制動(dòng)蹄上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)共用，即結(jié)合表面采用同一層節(jié)點(diǎn)，而結(jié)合面兩側(cè)則采用不同的材料劃分單元網(wǎng)格；為了模擬制動(dòng)鼓與摩擦片間的相對(duì)滑動(dòng)，方便給制動(dòng)鼓施加強(qiáng)制轉(zhuǎn)動(dòng)位移和約束，建模時(shí)，制動(dòng)鼓底面采用殼單元。

由于分析過(guò)程中需考慮溫度的影響，所以在設(shè)置材料屬性時(shí)應(yīng)選用與熱相關(guān)的材料卡片，分別為制動(dòng)鼓、摩擦片和制動(dòng)蹄創(chuàng)建熱材料，材料參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)

蹄－鼓式制動(dòng)器有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，共有單元100 458個(gè)，節(jié)點(diǎn)117 746個(gè)。

（2）約束條件與加載過(guò)程 根據(jù)蹄－鼓式制動(dòng)器的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)其添加約束和載荷。在制動(dòng)過(guò)程中，凸輪軸張開，在張開力的作用下制動(dòng)蹄繞支撐銷轉(zhuǎn)動(dòng)，使摩擦片與轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)鼓接觸，大部分的制動(dòng)能量由制動(dòng)鼓吸收，使制動(dòng)鼓溫度升高，而制動(dòng)鼓溫度過(guò)高，將引起制動(dòng)力矩減小，熱應(yīng)力增加，因此，在計(jì)算制動(dòng)鼓強(qiáng)度時(shí)，必須考慮溫度的影響。

圖2 蹄－鼓式制動(dòng)器有限元網(wǎng)格模型

故約束只放開制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄支撐銷孔繞軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在制動(dòng)鼓底面中心處施加強(qiáng)制轉(zhuǎn)動(dòng)位移，0.1～1s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)25rad，在制動(dòng)蹄凸輪軸孔處施加張開力，大小為5×104N，同時(shí)為了考慮溫度的影響，在制動(dòng)鼓內(nèi)表面施加溫度場(chǎng)，0.5～0.6s內(nèi)溫度從1℃上升到200℃，0.6～1s內(nèi)保持200℃不變。

由于所有約束和載荷都必須與時(shí)間相關(guān)，所以在施加各個(gè)約束與載荷時(shí)必須先分別定義約束、載荷及溫度隨時(shí)間變化的曲線。

蹄－鼓式制動(dòng)器約束加載后有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 蹄－鼓式制動(dòng)器約束加載有限元模型

（3）改進(jìn)的制動(dòng)鼓結(jié)構(gòu) “網(wǎng)格與接觸設(shè)置”中模型為某重型卡車簡(jiǎn)化后的制動(dòng)鼓模型，在原始制動(dòng)鼓模型的基礎(chǔ)上提出三種不同的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行對(duì)比分析。三種不同改進(jìn)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)鼓截面網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 三種不同改進(jìn)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)鼓截面網(wǎng)格

將三種不同改進(jìn)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)鼓按照（1）、（2）所述，設(shè)置與原始結(jié)構(gòu)相同的材料屬性、接觸、約束和加載。

3.分析求解

（1）設(shè)置求解過(guò)程控制參數(shù) 設(shè)置計(jì)算終止時(shí)間為1s，計(jì)算結(jié)果文件的輸出間隔為0.01s。

（2）求解結(jié)果對(duì)比分析 用后處理軟件查看求解器的運(yùn)算結(jié)果，分別導(dǎo)入原始結(jié)構(gòu)和三種不同改進(jìn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果文件，對(duì)比0.9s時(shí)蹄寬中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)鼓內(nèi)、外表面的應(yīng)力，如圖5、圖6所示。

圖5 0.9s時(shí)蹄寬中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)鼓內(nèi)表面應(yīng)力云圖

圖6 0.9s時(shí)蹄寬中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)鼓外表面應(yīng)力云圖

根據(jù)表2將原始結(jié)構(gòu)與三種不同改進(jìn)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)鼓，就0.9s時(shí)蹄寬中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的內(nèi)、外表面應(yīng)力，以及各個(gè)制動(dòng)鼓的重量對(duì)比可知：三種不同改進(jìn)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)鼓內(nèi)、外表面應(yīng)力較原始結(jié)構(gòu)都有所降低，綜合考慮應(yīng)力與重量，密集周向筋結(jié)構(gòu)的制動(dòng)鼓內(nèi)、外表面應(yīng)力降低最多，且重量較原始結(jié)構(gòu)增加值小于加寬加強(qiáng)帶50mm結(jié)構(gòu)，所以為最優(yōu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

表2 結(jié)果對(duì)比分析