一種新型鼓式制動器的設(shè)計與分析*

宋秦中，周成磊

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.南京星喬威泰克汽車零部件有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

鼓式制動器具有可靠性高、兼容性好、技術(shù)成熟、安裝和拆卸便利等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于中型卡車和大型客車。為了確保制動安全，制動鼓溫度不能超過極限，在選擇制動鼓的材料時，通常采用具有良好剛性和熱容的材料，還需要考慮與摩擦襯片材料相匹配，在保證較高的摩擦系數(shù)前提下，實現(xiàn)制動鼓和摩擦片的摩擦界面之間的均勻摩擦，以提高制動性能[1-3]。為滿足以上要求，制動鼓一般采用灰口鑄鐵或合金鑄鐵，制動鼓內(nèi)表面涂有一層珍珠巖層，使其更耐磨。另外，為了避免制動鼓在載荷作用下發(fā)生變形，制動鼓的剛度和強(qiáng)度也是很重要的。摩擦片的工作條件和工作環(huán)境也決定了其嚴(yán)格的材料要求，必須具備更高的抗拉、抗彎、抗壓性能和良好的耐磨性和耐沖擊性能等。除此之外，摩擦材料的選擇對剎車產(chǎn)生的噪聲和污染也有很大的影響。因此，在實際問題中，需要綜合考慮，采用低導(dǎo)熱系數(shù)和體積膨脹率的組合，以降低材料的最佳壓縮比[4-6]。

針對上述問題，借鑒盤式制動器結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，設(shè)計了一種新型鼓式制動器，并建立制動性能仿真分析的動力學(xué)模型，對制動性能和車輛匹配關(guān)系進(jìn)行了探究分析。設(shè)計過程中，采用結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)健設(shè)計相結(jié)合的方法：通過優(yōu)化設(shè)計，以確保良好的制動性能；通過穩(wěn)健設(shè)計合理調(diào)整設(shè)計變量和控制它的公差，使制動性能指標(biāo)在一個指定的公差極限，從而保證執(zhí)行器的性能在一定的工作時間內(nèi)大致相同。

1 方案設(shè)計

結(jié)合盤式制動器的優(yōu)點，針對鼓式制動器散熱困難的問題，在傳統(tǒng)鼓式制動器的基礎(chǔ)上，做了部分創(chuàng)新設(shè)計，新型鼓式制動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，最下部為制動盤，零部件都安裝在制動盤上；制動鼓為圖中間有6個孔的部分，制動蹄安裝在制動鼓外側(cè)，為如圖1所示的圓弧形，由制動片和摩擦片組成；制動蹄半徑略大于制動鼓，以保證制動蹄和制動鼓的接觸中心在兩端；制動鼓上下處設(shè)計有開孔，稱之為定位孔，定位孔上安裝定位銷和彈簧，用來引導(dǎo)制動蹄片的運動軌跡；左右兩側(cè)安裝液壓缸，液壓缸的活塞處接觸浮鉗。

圖1 新型鼓式制動器的結(jié)構(gòu)

外部油管可輸送液壓油來實現(xiàn)制動：當(dāng)車輛開始制動時，剎車油通過油管進(jìn)入液壓缸，右面的液壓缸給上面的制動片一個制動力，使其沿著導(dǎo)向銷向下運動；同時下邊的制動片產(chǎn)生一個反向作用力，沿著導(dǎo)向銷向上運動；然后緊緊的壓住制動鼓，使車輪停止轉(zhuǎn)動，達(dá)到制動效果；左面的液壓缸與右面的液壓缸同時工作，但作用的制動片前后相反，保證其制動效果。

結(jié)構(gòu)中的橡皮襯套能作稍微變形，既能起到消除制動器間隙的作用，又能起到密封作用，防止塵土侵入導(dǎo)向銷。定位銷用于固定制動蹄片，防止產(chǎn)生軸向移動。

設(shè)計的新型鼓式制動器三個關(guān)鍵部分材料的物理參數(shù)如表1所示。各種組件之間的關(guān)系不是相互獨立的，存在接觸關(guān)系和相互約束關(guān)系等。在鼓式制動器的實際結(jié)構(gòu)中，摩擦片通常是由鉚釘連接在制動片表面，所以兩個摩擦片內(nèi)表面、外表面和兩個制動片為固定約束。此外，由于制動鼓相對固定，需要進(jìn)一步創(chuàng)造兩個摩擦片和制動鼓之間的接觸，在后續(xù)工作中需要對其進(jìn)行相關(guān)的接觸分析。

表1 新型鼓式制動器部件材料的物理參數(shù)

基于上述討論，通過對汽車傳統(tǒng)制動器和新型制動器進(jìn)行分析，建立其有限元模型進(jìn)行分析，具體步驟如下：①幾何建模：利用CATIA繪制幾何模型；②CAE分析：建立網(wǎng)格模型，并進(jìn)行連接分析項設(shè)置；③對比分析：后處理，比對圖像并分析結(jié)果。

2 新型鼓式制動器建模

2.1 零件設(shè)計

零件設(shè)計包括制動器盤、摩擦片、定位銷、墊圈、彈簧、液壓油管以及液壓缸活塞等的設(shè)計，最終用CATIA建立的新型制動器的模型如圖2所示。

圖2 新型制動器的CATIA模型

2.2 裝配設(shè)計

制動蹄與制動鼓為相合約束，軸和銷為相合約束，蹄片與浮鉗為接觸約束，其總裝圖如圖3所示。

圖3 新型制動器總裝圖

3 新型鼓式制動器分析

把設(shè)計好的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，加載并設(shè)置摩擦接觸，使得蹄片和內(nèi)鼓摩擦，摩擦因數(shù)為0.35，接觸類型為適應(yīng)到接觸，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 新型制動器網(wǎng)格劃分

分別以制動蹄上定位孔的圓心點為中心，建立鼓式制動器制動蹄下各銷孔的局部坐標(biāo)系。除了在針孔的Y方向上的自由轉(zhuǎn)動之外，另外的5個自由度被耦合點所約束。通過內(nèi)表面之間的摩擦片，把兩個制動片表面綁定定義約束，同時對制動鼓表面底部位置的約束條件也做了簡化處理，以降低裝配的復(fù)雜程度及失敗的可能性[4-6]。最后，在整個鼓式制動器的兩個制動蹄的表面上分別施加200 N制動力，模擬制動輪缸(圖1所示的液壓缸)的制動過程。

進(jìn)行求解計算，并插入Contact tool查看接觸面積。仿真結(jié)果對比如圖5～圖8和表2所示。

圖5 接觸情況對比

圖6 Pressure壓力云圖對比

圖7 Frictional Stress摩擦壓力云圖對比

圖8 Equivalent Stress等效應(yīng)力云圖對比

表2 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)匯總

對比圖5～圖8可知：新型鼓式制動器制動時的壓力以及產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)制動器；新型鼓式制動器接觸面積以及深度比傳統(tǒng)鼓式制動器要多也更深，意味著摩擦面積也就越大，制動效果更好。

4 結(jié)語

鼓式制動器因為摩擦面積較大，摩擦效能較好，但散熱困難、容易出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象且自身重量大。為了解決傳統(tǒng)鼓式制動器散熱問題，借鑒盤式制動器結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，設(shè)計了一種新型鼓式制動器。利用計算機(jī)技術(shù)對制動器的設(shè)計進(jìn)行研究，在CATIA軟件中建立制動性能仿真分析的動力學(xué)模型，得出制動性能和車輛匹配關(guān)系。隨后采用ANSYS Workbench軟件對設(shè)計的新型鼓式制動器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，對比傳統(tǒng)鼓式制動器的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明其散熱速度和制動效能均優(yōu)于傳統(tǒng)制動器。本文研究是對新型制動器研發(fā)的有益探索。