高景峰

【摘 ?要】汽車的制動(dòng)器是用于使行駛中的汽車減速或停車，使下坡行駛的汽車的車速保持穩(wěn)定及使已經(jīng)停駛的汽車在原地（包括在斜坡上）駐留不動(dòng)的機(jī)構(gòu)。而對(duì)于氣壓鼓式制動(dòng)器來(lái)說(shuō)，制動(dòng)器底板的可靠性使制動(dòng)器工作可靠性的重要保證，制動(dòng)器底板是除制動(dòng)鼓外各零部件（包括制動(dòng)凸輪軸、制動(dòng)蹄總成、氣室支架總成）的安裝基體，制動(dòng)器底板在工作過(guò)程中承受制動(dòng)蹄總成反力外，還必須承受制動(dòng)凸輪的非平衡力及氣室支架對(duì)制動(dòng)器底板的力矩作用。由于制動(dòng)器底板的受力比較復(fù)雜，加之制動(dòng)底板的非規(guī)則形狀，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)制動(dòng)器底板。然后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證制動(dòng)底板的強(qiáng)度和剛度。這樣的設(shè)計(jì)往往設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，且不能達(dá)到對(duì)制動(dòng)器底板的最優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。本文主要簡(jiǎn)紹應(yīng)用有限元分析方法對(duì)制動(dòng)器底板進(jìn)行強(qiáng)度及剛度計(jì)算，為制動(dòng)器底板的設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】制動(dòng)器底板;有限元;力學(xué)模型

制動(dòng)解除如圖-所示。

1.制動(dòng)器底板有限元模型建立和分析

（1）有限元分析（FEA）是對(duì)物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是將連續(xù)理想化為有限個(gè)單元集合而成，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接，通過(guò)劃分單元，求解有限個(gè)數(shù)值來(lái)近似模擬真實(shí)環(huán)境的無(wú)限個(gè)未知量。對(duì)制動(dòng)器底板的有限元分析第一步就是建立制動(dòng)器底板的有限元模型。

（2）該型制動(dòng)器底板屬于鑄造成型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在車輛的制動(dòng)過(guò)程中，承受氣室支架的彎矩、凸輪軸的非平衡力、領(lǐng)從蹄的支反力等的綜合作用。在建模時(shí)，去掉不影響分析的小圓角及螺紋孔。

（3）該制動(dòng)器所配氣室面積為S=193cm?，凸輪軸漸開(kāi)線基圓直徑D=24mm，調(diào)整臂長(zhǎng)度L1=150mm，制動(dòng)器額定規(guī)則氣壓ρ=0.6Mpa，制動(dòng)器直徑D=400mm，領(lǐng)蹄效能因數(shù)BF1=1.88，從蹄的效能因數(shù)BF2=0.56

（4）制動(dòng)器底板所用的材料為QT450，查資料得到其材料參數(shù)，材料的彈性系數(shù)E=160Gpa，波松比u=0.29，屈服極限σ=300Mpa，抗拉強(qiáng)度σ=450Mpa。

（5）網(wǎng)格劃分主要包括三個(gè)步驟：選擇單元、設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制（控制網(wǎng)格密度）、執(zhí)行網(wǎng)格劃分命令。在該制動(dòng)器底板的分析中，網(wǎng)格尺寸控制為4，單元總數(shù)為14860個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為118905個(gè)。

（6）制動(dòng)器底板模型的受力分析，底板在制動(dòng)過(guò)程中的受力情況，我們考慮緊急制動(dòng)情況下的制動(dòng)器發(fā)揮最大制動(dòng)力矩時(shí)底板的受力。制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)時(shí)氣壓大小ρ=0.6Mpa。

氣室的輸出力大小：F=ρ×S=0.6×10×193×9=10422（N）

以凸輪軸為對(duì)象，假設(shè)凸輪軸的領(lǐng)蹄的輸入力為P1，對(duì)從蹄的輸入力為P2，氣室的推力F通過(guò)調(diào)整臂對(duì)凸輪產(chǎn)生的力矩為M，P1、P2的反作用力的力矩與M力矩平衡，則對(duì)凸輪軸建立力矩平衡方程組如下：

（P1+P2）/2=MD………（1）

P1*BFQ1=P2*BF2………（2）

M=F×L……………………（3）

將各已知數(shù)據(jù)分別代人以上方程可求出：

P1≈15078（N）

P2≈65253（N）

求出P1及P2后，根據(jù)參考文獻(xiàn)，以制動(dòng)器總成為研究對(duì)象，制動(dòng)鼓旋轉(zhuǎn)方向，摩擦片的摩擦系數(shù)u=0.38，則可求出r=20.8度。求壓力中心圓直徑L≈234mm，

在已知凸輪軸對(duì)領(lǐng)蹄的作用力P1的大小及方向后，采用力的三角形法則，即可以求出領(lǐng)蹄對(duì)制動(dòng)底板的方向及大小，采用同樣的方法可以求出從蹄對(duì)制動(dòng)底板的力的方向及大小。

2.約束條件和施加載荷

在實(shí)際工程中，汽車制動(dòng)底板是與轉(zhuǎn)向節(jié)法蘭或橋殼軸管法蘭固定在一起。約束制動(dòng)底板安裝面X、Y、Z軸方向的自由度，在制動(dòng)底板上施加P、領(lǐng)蹄、從蹄方向的力，同時(shí)在氣室空間位置相應(yīng)點(diǎn)施加氣室輸出力F。

3.計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)力單位為Mpa，在底板法蘭與本體連接處的圓弧部分應(yīng)力較大，達(dá)到了σ=231Mpa，這與該制動(dòng)器底板在實(shí)際使用過(guò)程中疲勞斷裂的位置相符合。底板其他部分應(yīng)力大致在105Mpa以下，左邊靠近銷孔座的地方應(yīng)力達(dá)到了121Mpa。根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，制動(dòng)底板法蘭與本體連接圓弧應(yīng)力偏大，雖然低于材料的屈服強(qiáng)度，由于在實(shí)際車輛咋制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)底板的支架法蘭與本體連接的過(guò)渡圓弧部分承受彎矩作用，從而在該處產(chǎn)生對(duì)稱應(yīng)力疲勞。對(duì)于球墨鑄鐵材料來(lái)說(shuō)，其對(duì)稱應(yīng)力疲勞極限應(yīng)力為：

σ=0.45σ=0.45×450=202.5（Mpa）

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，其最大應(yīng)力σ>σ。從而導(dǎo)致制動(dòng)底板在該處產(chǎn)生疲勞斷裂。

4.優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析

為了降低底板的最大應(yīng)力，對(duì)該處過(guò)渡圓弧進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將法蘭與底板本體連接的圓弧由R25改為R45，重新建模后計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力，其最大應(yīng)力值為157Mpa，比優(yōu)化設(shè)計(jì)前最大應(yīng)力有顯著降低。且其應(yīng)力值小于該材料的對(duì)稱疲勞應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)：

通過(guò)建立汽車零部件，結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的有限元計(jì)算模型，或利用UG等CAD軟件建立3D參數(shù)化模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在有限元等CAE軟件中進(jìn)行仿真分析和計(jì)算，可降低設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使得汽車在輕量化、舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到改進(jìn)和提高，具有非常重大的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

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