載貨車鼓式制動(dòng)器制動(dòng)性能的仿真分析

劉丹丹 郭 超

(運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西 運(yùn)城 044000）

引言

車輛的制動(dòng)系統(tǒng)是車輛底盤的重要組成部分，制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能是車輛安全性的重要指標(biāo)。交通事故的發(fā)生，多數(shù)和制動(dòng)系統(tǒng)的故障、失效、制動(dòng)性能低等有關(guān)[1]。對(duì)于重型載貨車以及半掛車來說，制動(dòng)系統(tǒng)的高效、可靠性是車輛長途運(yùn)輸安全的重要保障[2]。

1 鼓式制動(dòng)器柔體分析模型的建立

1.1 建立并導(dǎo)入三維模型

以某載貨車制動(dòng)器為研究對(duì)象，在三維建模軟件CATIA中建立載貨車鼓式制動(dòng)器的三維模型，如圖1所示。從圖1可以看出，制動(dòng)蹄的三維模型中包含倒角、圓角等特征。在劃分網(wǎng)格過程中，這些特征會(huì)使網(wǎng)格復(fù)雜化，但對(duì)鼓式制動(dòng)器本身的特性影響較小。故在ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析之前需將這些特征去掉，以簡化網(wǎng)格劃分過程。簡化后的三維模型如圖2所示。

圖1 鼓式制動(dòng)器CATIA三維模型圖

圖2 簡化后的制動(dòng)蹄和制動(dòng)襯片三維模型

1.2 鼓式制動(dòng)器柔體模型的建立

對(duì)鼓式制動(dòng)鼓器部件進(jìn)行自由模態(tài)分析[3]并生成包含模態(tài)信息的MNF文件，在多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中導(dǎo)入鼓式制動(dòng)器三維模型，添加約束并設(shè)置“轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及質(zhì)量”屬性。用ANSYS軟件所建立的MNF文件替換制動(dòng)蹄和制動(dòng)襯片的剛體模型。分析制動(dòng)過程中將整車的旋轉(zhuǎn)部件慣量簡化到制動(dòng)鼓的方法，設(shè)置制動(dòng)襯片和制動(dòng)鼓之間摩擦約束，完成載貨車鼓式制動(dòng)器柔體模型的建立，如圖3所示。

圖3 載貨車鼓式制動(dòng)器領(lǐng)蹄與從蹄柔體仿真分析模型

2 基于柔體模型的鼓式制動(dòng)器制動(dòng)性能仿真分析

2.1 車輛制動(dòng)工況定義

在實(shí)際工作過程中，車輛的制動(dòng)系統(tǒng)常見的工況有2種：緊急制動(dòng)和持續(xù)制動(dòng)。

1）緊急制動(dòng)工況。車輛以較高速度行駛，駕駛員發(fā)現(xiàn)前方出現(xiàn)緊急情況需減速，此時(shí)駕駛員會(huì)以最快速度大力踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)系統(tǒng)氣壓在制動(dòng)氣室中快速達(dá)到許用最大值，車輛以最大減速度減速并停車。在緊急制動(dòng)過程中，制動(dòng)器的促動(dòng)力在較短時(shí)間內(nèi)上升到最大并保持至車輛速度由初速度降為零[4]。

2）持續(xù)制動(dòng)工況。車輛在道路上行駛時(shí)，駕駛員需與前車保持一定車距或道路為下坡需控制車速時(shí)，駕駛員會(huì)輕踩制動(dòng)踏板，達(dá)到車輛運(yùn)行狀態(tài)期望的減速度后，保持制動(dòng)踏板的位置直至車輛車速降低至期望車速后解除制動(dòng)，或在坡道上一直踩下制動(dòng)踏板以保持恒定車速。在持續(xù)制動(dòng)過程中，制動(dòng)器促動(dòng)力保持一定值直至車輛速度達(dá)到期望速度[5]。

2.2 緊急制動(dòng)工況下鼓式制動(dòng)器性能仿真分析

按照緊急制動(dòng)工況的定義，假設(shè)車輛在車速為60km/h時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)，駕駛員以最快速度將制動(dòng)踏板踩到底，此時(shí)，制動(dòng)氣室的氣壓增加到最大，為0.75MPa，制動(dòng)氣室的輸出力F0為10 800N，可得到作用于制動(dòng)器領(lǐng)蹄和從蹄上的力隨促動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。將此變化關(guān)系通過ADAMS中的SForce力輸入制動(dòng)蹄上，可得到緊急制動(dòng)工況下的車輛減速度、制動(dòng)力矩等參數(shù)。為了更加深入地了解制動(dòng)器的性能，假設(shè)制動(dòng)鼓與摩擦襯片之間的摩擦系數(shù)在0.2~0.5之間變化,制動(dòng)管路壓力為0.75MPa，其他外部條件不變，對(duì)鼓式制動(dòng)器柔體虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 鼓式制動(dòng)器柔體模型仿真分析

當(dāng)制動(dòng)鼓與摩擦襯片之間的摩擦系數(shù)為0.2時(shí),制動(dòng)鼓角速度和角減速度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示；制動(dòng)器制動(dòng)力矩隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示；制動(dòng)蹄的應(yīng)變能隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示。

應(yīng)變能描述了制動(dòng)器在制動(dòng)過程中由于力作用而引起的變形，從圖7可以看出，在制動(dòng)過程中，制動(dòng)器領(lǐng)蹄和從蹄的應(yīng)變能大小有很大差異，領(lǐng)蹄的應(yīng)變能大于從蹄，隨著摩擦系數(shù)增大，兩者之間的差異變大。這是因?yàn)橹苿?dòng)時(shí)領(lǐng)蹄旋轉(zhuǎn)方向與制動(dòng)鼓方向相同，摩擦力作用使制動(dòng)蹄進(jìn)一步壓緊制動(dòng)鼓，即領(lǐng)蹄的“增勢(shì)”作用，而從蹄正好相反，有“減勢(shì)”作用。這樣的差異導(dǎo)致領(lǐng)蹄與從蹄上的摩擦力差別很大，從而降低了制動(dòng)器整體的制動(dòng)力矩。

分別設(shè)置制動(dòng)鼓與摩擦襯片之間的摩擦系數(shù)為0.3、0.4、0.5,可得出制動(dòng)鼓角速度、角減速度，制動(dòng)器制動(dòng)力矩與制動(dòng)蹄的應(yīng)變能隨時(shí)間的變化關(guān)系。不同摩擦系數(shù)下柔體模型仿真結(jié)果見表1。

制動(dòng)氣室壓力為0.75MPa時(shí)的制動(dòng)器制動(dòng)力矩隨摩擦系數(shù)的變化關(guān)系如圖8所示。

從圖8可以看出，當(dāng)摩擦系數(shù)增大時(shí)，制動(dòng)力矩的變化呈拋物線上升趨勢(shì)。當(dāng)摩擦系數(shù)大于0.4時(shí)，摩擦系數(shù)的微小改變，使制動(dòng)力矩產(chǎn)生很大的變化。對(duì)于鼓式制動(dòng)器來說，保證制動(dòng)鼓和制動(dòng)襯片之間摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，是保證制動(dòng)器性能的關(guān)鍵。

圖5 制動(dòng)鼓角速度和角減速度隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖6 領(lǐng)蹄和從蹄的制動(dòng)力矩隨時(shí)間的變化關(guān)系

由于引起制動(dòng)鼓和制動(dòng)襯片之間摩擦系數(shù)變化的因素非常多，如摩擦材料的屬性、摩擦材料在制動(dòng)工況中的微觀屬性改變、制動(dòng)時(shí)制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄的振動(dòng)等，要提高制動(dòng)器性能，需在制動(dòng)器摩擦材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性方面進(jìn)行深入研究。

圖7 領(lǐng)蹄和從蹄的應(yīng)變能隨時(shí)間的變化關(guān)系

表1 不同摩擦系數(shù)下柔體模型仿真結(jié)果

圖8 制動(dòng)器制動(dòng)力矩隨摩擦系數(shù)的變化關(guān)系

3 結(jié)論

1）載貨車鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)性能是衡量車輛制動(dòng)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。本文采用制動(dòng)鼓等效慣量計(jì)算方法，利用車輛和制動(dòng)器參數(shù)計(jì)算了柔體模型中制動(dòng)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、車速與制動(dòng)鼓轉(zhuǎn)速的關(guān)系，分析了緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)器的制動(dòng)性能。

2）柔體分析模型充分考慮了制動(dòng)器部件的變形特性以及制動(dòng)鼓與制動(dòng)襯片之間的摩擦作用，因此計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。

3）在柔體分析模型的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步分析制動(dòng)器的振動(dòng)特性，研究制動(dòng)器性能對(duì)于制動(dòng)襯片摩擦系數(shù)的敏感性等。

4）基于現(xiàn)有的柔體模型進(jìn)行深入研究，可進(jìn)行鼓式制動(dòng)器的熱分析、聲振分析及耐久分析等，為制動(dòng)器的制動(dòng)性能研究提供依據(jù)。

1 王宣鋒.鼓式制動(dòng)器動(dòng)力學(xué)性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006

2 章菊，徐偉杰，李鵬，等.某汽車鼓式制動(dòng)器虛擬樣機(jī)的建模與仿真分析[J].汽車零部件，2016（12）:12-17

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