袁二娜

上海汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)有限公司

0 前言

摩擦片是制動(dòng)系統(tǒng)中執(zhí)行制動(dòng)和傳動(dòng)功能的重要部件。它利用與旋轉(zhuǎn)盤(pán)表面的摩擦力來(lái)阻止車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，吸收機(jī)械能并將之轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)伴隨表層材料的損耗。摩擦系數(shù)、耐磨損性和耐熱性是摩擦片的三個(gè)重要指標(biāo),影響著摩擦片的功能使用壽命。統(tǒng)計(jì)表明，機(jī)械零件80%失效是磨損造成的，因此檢測(cè)摩擦片的磨損顯得尤為重要。由于制動(dòng)鉗幾何模型和輸入載荷的非對(duì)稱(chēng)，盤(pán)厚不均勻、車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩等因素，往往會(huì)出現(xiàn)摩擦片磨損不均的現(xiàn)象，即偏磨，從而降低了摩擦片的使用壽命。如果偏磨嚴(yán)重，將會(huì)導(dǎo)致多種不良問(wèn)題，如制動(dòng)力矩輸出不均、制動(dòng)不平穩(wěn)、制動(dòng)跑偏[1]、低鳴噪音[2]，甚至影響駕駛員的駕乘感覺(jué)和制動(dòng)安全等。因此研究摩擦片偏磨對(duì)于制動(dòng)鉗開(kāi)發(fā)有著重要和積極的意義。

臺(tái)架試驗(yàn)是檢驗(yàn)制動(dòng)偏磨最為常用和直接的方法。它是按行業(yè)或客戶(hù)標(biāo)準(zhǔn)，由制動(dòng)器供應(yīng)商進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,相對(duì)耗時(shí)費(fèi)材，且拖延開(kāi)發(fā)周期。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)仿真可以有效地彌補(bǔ)試驗(yàn)的不足，從而快速地復(fù)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的技術(shù)問(wèn)題。本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建立某車(chē)型的制動(dòng)系有限元模型,在A(yíng)baqus平臺(tái)上依據(jù)Archard磨損理論進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，復(fù)現(xiàn)磨損,進(jìn)行偏磨仿真分析。

1 磨損理論

相互接觸運(yùn)動(dòng)的零件之間會(huì)產(chǎn)生摩擦,造成表層材料損耗和零件尺寸變化,這種現(xiàn)象可以用接觸力學(xué)Archard磨損理論來(lái)解釋[3]。它假設(shè)摩擦副的一方為較硬材料，另一方為較軟材料。法向載荷W由n個(gè)半徑為a的相同微凸體承受（如圖1所示）。當(dāng)材料產(chǎn)生塑性變形時(shí)，法向載荷W與較軟材料的屈服極限σs的關(guān)系見(jiàn)式（1-1）。

圖1 Archard模型

當(dāng)摩擦副產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)且每個(gè)微凸產(chǎn)生的磨屑為半球時(shí),單位滑動(dòng)距離的總磨損量Q0見(jiàn)式（1-2）。

如果考慮微凸體相互產(chǎn)生磨粒的概率數(shù)k和滑動(dòng)距離L，則接觸表面的磨損量Q為：

而對(duì)于彈性材料σs≈H/3,H是布氏硬度,則式（1-3）可修改為：

依據(jù)上述公式，在abaqus平臺(tái)下進(jìn)行節(jié)點(diǎn)磨損量計(jì)算程序開(kāi)發(fā)，計(jì)算摩擦片的磨損量和偏磨。

2 有限元建模

為了準(zhǔn)確模擬制動(dòng)過(guò)程中摩擦片的行為狀態(tài)，取制動(dòng)鉗總成、制動(dòng)盤(pán)、羊角、擺臂作為幾何輸入條件（如圖2所示）。網(wǎng)格劃分的總原則是精少美悅,能用六面體網(wǎng)格的絕不用四面體網(wǎng)格，其目的在于確保網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度,并節(jié)省計(jì)算時(shí)間。對(duì)于幾何不規(guī)則殼體、支架、羊角等鑄造件采用四面體二階單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,其它幾何規(guī)則的零部件采用六面體協(xié)調(diào)單元。單元平均尺寸為4 mm，局部尺寸細(xì)化0．5~1 mm，總單元數(shù)21萬(wàn)。對(duì)于摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的接觸建立采用點(diǎn)面接觸，以便獲取每個(gè)增量步的節(jié)點(diǎn)壓力來(lái)計(jì)算磨損量和偏磨。其它接觸對(duì)采用面面接觸。

圖2 制動(dòng)鉗有限元模型

3 偏磨仿真

3.1 測(cè)量點(diǎn)定義

在制動(dòng)過(guò)程中，與制動(dòng)盤(pán)接觸的摩擦片表面都會(huì)受到不同程度的磨損。為了能全面反映摩擦片的磨損程度，同時(shí)考慮到后處理的可操作性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在摩擦片的內(nèi)外圈上各選取4個(gè)點(diǎn)（如圖3所示）,每片共計(jì)8個(gè)點(diǎn)，以此8個(gè)點(diǎn)的磨損程度來(lái)反映摩擦片在徑向和切向的偏磨，以及整體磨損程度。

圖3 摩擦片測(cè)試點(diǎn)布置

3.2 仿真結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)工況，選取22 bar和30 bar液壓下的磨損數(shù)據(jù),查看現(xiàn)有設(shè)計(jì)下摩擦片偏磨狀況。表1和圖4為內(nèi)摩擦片偏磨數(shù)據(jù)。對(duì)內(nèi)摩擦片而言，不同壓力下磨損率和偏磨程度不同。首先壓力越大切向和徑向磨損斜率越大，即偏磨越嚴(yán)重。因此，高壓制動(dòng)更易導(dǎo)致偏磨問(wèn)題。其次，當(dāng)外半徑leading側(cè)的磨損量達(dá)到3．058 mm時(shí)，trailing側(cè)的磨損量為2．837 mm,外半徑的磨損率為3．24 um/mm；當(dāng)內(nèi)半徑leading側(cè)的磨損量達(dá)到3．024 mm時(shí)，trailing側(cè)的磨損量為2．819 mm,外半徑的磨損率為3．27 um/mm。因此，leading側(cè)的磨損量要大于trailing側(cè)，即偏磨發(fā)生在leading側(cè)，此種現(xiàn)象與多數(shù)摩擦片工作中偏磨表現(xiàn)吻合。同時(shí)，對(duì)比內(nèi)外徑四對(duì)測(cè)量點(diǎn)的磨損可見(jiàn)，外徑的磨損量大于內(nèi)徑的磨損量，因此徑向主要是外側(cè)偏磨。這也與摩擦片的實(shí)際工作表現(xiàn)吻合。

表1 內(nèi)摩擦片磨損率

表2和圖5為外摩擦片偏磨數(shù)據(jù)。對(duì)外摩擦片而言，壓力也是影響偏磨的重要因素。對(duì)比22 bar和30 bar液壓下的磨損率，可以看出壓力越大偏磨越嚴(yán)重。其次，當(dāng)外半徑leading側(cè)的磨損量達(dá)到2．96 mm時(shí)，trailing側(cè)的磨損量為3．164 mm,外半徑的磨損率為-2 um/mm；當(dāng)內(nèi)半徑leading側(cè)的磨損量達(dá)到2．959 mm時(shí)，trailing側(cè)的磨損量為3．145 mm,內(nèi)半徑的磨損率為-2．97 um/mm；因此，trailing側(cè)的磨損量要大于leading側(cè)，即偏磨發(fā)生在trailing側(cè)，恰與內(nèi)摩擦片相反。而實(shí)際工作中，大部分外摩擦片的偏磨也都發(fā)生在trailing側(cè)，這與制動(dòng)鉗自身結(jié)構(gòu)和受力有密切的關(guān)系。同時(shí)，對(duì)比內(nèi)外徑四對(duì)測(cè)量點(diǎn)的磨損，可以看出，外徑的磨損量略大于內(nèi)徑的磨損量，因此徑向外側(cè)偏磨，但沒(méi)有內(nèi)片嚴(yán)重。

圖5 外摩擦片磨損曲線(xiàn)

表2 外摩擦片磨損率

由上述分析可定性得出，內(nèi)片leading側(cè)和外片trailing側(cè)偏磨較重，主要表現(xiàn)在切向，需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善切向偏磨。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案

從Archard的磨損方程可知，壓力和滑移速度是影響磨損的主要因素。徑向和切向偏磨主要是因?yàn)閴毫Ψ植疾痪突凭€(xiàn)速度不同造成的，節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力分布越均勻，偏磨越小。因此可以通過(guò)摩擦片開(kāi)倒角，更改殼體、制動(dòng)盤(pán)、活塞偏心、公差和尺寸配合、支架等結(jié)構(gòu)[4]來(lái)改善壓力分布。由于開(kāi)倒角對(duì)噪音影響大，而其它零件基本凍結(jié)，不易更改，因此，從支架結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)加強(qiáng)支架橋部（如圖6所示），希望改善偏磨，主要是切向偏磨。

圖6 加強(qiáng)后的支架模型

4.2 優(yōu)化結(jié)果

圖7內(nèi)摩擦片磨損對(duì)比曲線(xiàn)

圖7 和表3為支架更改前后內(nèi)摩擦片偏磨數(shù)據(jù)。可以看出，在22 bar液壓下,切向的平均偏磨由3．25 um/mm降到2．92 um/mm;在30 bar液壓下,切向的平均偏磨由4．48 um/mm降到4．06 um/mm。由此可見(jiàn)，加強(qiáng)支架結(jié)構(gòu)使切向偏磨得以改善，leading側(cè)磨損得以減小。而對(duì)徑向偏磨的影響甚微，且徑向偏磨并不嚴(yán)重，可不予考慮。由此可見(jiàn)，加強(qiáng)支架結(jié)構(gòu)也使外摩擦片切向偏磨得以改善。

表3 新舊方案內(nèi)摩擦片磨損率對(duì)比

通過(guò)支架加強(qiáng)方案和仿真定性驗(yàn)證，可見(jiàn)內(nèi)外摩擦片的偏磨都得到了改善，同時(shí)本方案也在臺(tái)架試驗(yàn)中得以驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文根據(jù)制動(dòng)鉗的工作原理，建立了制動(dòng)系有限元模型，并根據(jù)Archard磨損理論在A(yíng)baqus平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)摩擦片偏磨模擬，很好地預(yù)測(cè)了偏磨趨勢(shì)。通過(guò)更改支架結(jié)構(gòu)使偏磨得以改善。因此，本仿真方法可作為研發(fā)中定性預(yù)測(cè)制動(dòng)偏磨的

表4和圖8為支架更改前后外摩擦片偏磨數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，在22 bar液壓下,切向的平均偏磨由2．98 um/mm降到2．60 um/mm;在30bar液壓下,切向的平均偏磨由4．09 um/mm降到3．62 um/mm。一種快速有效的方法，同時(shí)本文所用的改善偏磨的方案也可作為實(shí)際工程項(xiàng)目的參考方案。由于本方法不能定量計(jì)算磨損，因此僅可以定性預(yù)測(cè)，還不能與臺(tái)架試驗(yàn)形成定量對(duì)比。

表4 新舊方案外摩擦片磨損率對(duì)比

圖8 外摩擦片磨損對(duì)比曲線(xiàn)