楊仁華

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基于ANSYS的制動卡鉗仿真分析

楊仁華

（西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039）

運用CAE技術對盤式制動器制動卡鉗進行仿真分析，分析了制動器結(jié)構、卡鉗載荷及卡鉗約束條件。利用CATIA三維軟件對鉗體進行實體建模，并導入到ANSYS，利用ANSYS進行仿真分析，通過極限工況分析，對卡鉗進行了改進，最終使卡鉗達到強度與剛度要求。

制動卡鉗；有限元；仿真分析；強度與剛度

汽車制動器是汽車上非常重要的一個組成部分，它可以使行駛中的汽車強制降速、在各種路況下正常駐車、下長坡時車速維持平穩(wěn)。可以說，汽車制動器直接關系到汽車的安全性。盤式制動卡鉗作為制動器的一個重要零件，不但是制動卡鉗，也包含制動輪缸，因此其強度與剛度非常重要，然而制動卡鉗是一個結(jié)構比較復雜的零件，采用傳統(tǒng)的力學方法難以計算其強度與剛度，本文采用CAE對制動卡鉗進行了仿真分析。

1 盤式制動器結(jié)構

盤式制動器作為轎車主要使用的制動器，其結(jié)構如圖1所示[1-2]。

1—制動盤；2—制動卡鉗；3—制動塊；4—活塞；5—進油口；6—導向銷；7—車橋。

2 制動卡鉗載荷分析

3 有限元模型建立

3.1 制動卡鉗的材料特性

對稱錐齒輪式差速器殼體的材料是球墨鑄鐵QT500-18，其材料特性如表1所示。

3.2 有限元模型建立

利用CATIA三維軟件對制動卡鉗進行三維建模，然后利用CATIA軟件將制動卡鉗三維模型存為stp文件，通過該stp文件將殼體的三維模型導入ANSYS，進而完成三維模型的導入；制動卡鉗模型導入后，根據(jù)制動卡鉗結(jié)構復雜、厚度不等的結(jié)構特點，再考慮分析內(nèi)容，采用智能劃分和局部細化的方法對殼體進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的有限元模型[3]如圖2所示。

4 約束條件及靜力分析

4.1 約束條件及載荷施加

表1 QT400材料特性表

材料名稱彈性模量/（N/m2）泊松比質(zhì)量密度/（kg/m3）極限強度/（N/m2）屈服強度/（N/m2） QT500-181.61E+110.2747.01E+034.00E+083.20E+08

4.2 制動卡鉗仿真結(jié)果分析

通過網(wǎng)格劃分、加約束、加載荷，求解器運行求解，得到仿真結(jié)果如圖3所示。其中圖（a）為變形分析，圖（b）為應力分析，圖（c）為安全分析。

制動卡鉗初始設計方案，其觀察口的厚度為8.5 mm。從圖3可以看出，制動卡鉗的最大形變?yōu)?.88 mm，形變量較大；應力最大值為466.9 MP，超出了屈服強度320 MP；安全系數(shù)較低，為0.70，不符合安全要求，必須要進行改進設計。

圖2 制動卡鉗網(wǎng)格劃分

（a）變形分析

（b）應力分析

（c）安全分析

在改進過程中發(fā)現(xiàn)制動卡鉗的觀察口四個角容易出現(xiàn)應力集中問題，嚴重影響了制動卡鉗的強度。經(jīng)過調(diào)整和分析，發(fā)現(xiàn)倒角和增加制動卡鉗觀察口的厚度能夠減小應力集中發(fā)生的可能性。最后將設計的觀察口厚度由8.5 mm增加

到10 mm，對觀察口的四個角進行3 mm的倒角，得到了如圖4所示的結(jié)果。其中圖（a）為變形分析，圖（b）為應力分析，圖（c）為安全分析。

（a）變形分析

（b）應力分析

（c）安全分析

由上圖的分析結(jié)果可以得到，在增加觀察口厚度為10 mm，對四個角進行3 mm的倒角后，制動卡鉗的最大變形量減小到0.45 mm，變形符合規(guī)范；最大應力減小到158.7 MP，在屈服強度320 MP內(nèi)；安全系數(shù)提高到了2.0，由機械設計手冊推薦，抗疲勞斷裂計算選取的安全系數(shù)為=1.5～3，本次設計安全系數(shù)為2，符合安全要求。由以上數(shù)據(jù)可以看出，改進后的制動卡鉗各項數(shù)據(jù)都得到了相應的提高，所以制動卡鉗最后采用觀察口厚度為10 mm，四個角進行3 mm的倒角。

綜上所述，制動卡鉗經(jīng)過改進后，卡鉗尺寸進行了改動，觀察口的結(jié)構進行改進，由原來的直角改為圓角，改進后制動卡鉗的強度與剛度達到要求。

5 結(jié)束語

對某類型轎車制動卡鉗在極限工況下進行有限元分析，分析結(jié)果表明，該制動卡鉗初始設計方案的結(jié)構強度和剛度均不符合要求。經(jīng)過改進，將制動卡鉗觀察口厚度由原來的8.5 mm增加為10 mm，觀察口四個角由直角改為半徑為3 mm的圓角，制動卡鉗的強度與剛度均達到要求。分析結(jié)果：為制動卡鉗設計提供了一種適用的工程方法。

［1］陳家瑞.汽車構造（下）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］嚴亮.盤式制動器的匹配設計［J］.現(xiàn)代制造技術與裝備，2016（10）.

［3］張洪才.何波.有限元分析：ANSYS13.0從入門到實戰(zhàn)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：嚴麗琴〕

2095－6835（2018）19－0127－02

U463.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.127

楊仁華，長期從事汽車計算機輔助設計與汽車計算機輔助工程研究。