基于摩擦接觸關(guān)系的蹄式制動(dòng)器制動(dòng)性能優(yōu)化

基于摩擦接觸關(guān)系的蹄式制動(dòng)器制動(dòng)性能優(yōu)化

評(píng)估車輛鎖的主要指標(biāo)是鎖的效率及其連續(xù)性，以及鎖的方向穩(wěn)定性。單自由度蹄式制動(dòng)器摩擦片壓力分布不均勻性問(wèn)題突出,嚴(yán)重影響了車輛的制動(dòng)性能,甚至影響了摩擦片的使用壽命。目前,關(guān)于單自由度蹄式制動(dòng)器摩擦片壓力分布的研究,多為針對(duì)某一具體的蹄式制動(dòng)器進(jìn)行有限元分析,發(fā)現(xiàn)摩擦片接觸壓力分布規(guī)律并不完全符合余弦分布規(guī)律,尚缺乏對(duì)摩擦片壓力分布規(guī)律的影響因素以及如何改善不均勻性等問(wèn)題的探討。因此,對(duì)單自由度制動(dòng)器的摩擦片接觸壓力分布規(guī)律及其優(yōu)化進(jìn)行研究有一定的必要性和理論意義。本文利用ANSYS/Workbench軟件對(duì)某一具體雙領(lǐng)蹄制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬,分析制動(dòng)鼓與摩擦片之間的壓力分布,并與理論余弦分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)優(yōu)化制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù),獲得良好的制動(dòng)性能。1制動(dòng)鼓與摩擦片間的接觸壓力依據(jù)制動(dòng)時(shí)各部件之間的相互約束關(guān)系和主要力學(xué)特性,建立蹄式制動(dòng)器有限元模型時(shí),需要建立制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄和摩擦片3部分模型。本文測(cè)試制動(dòng)鼓與摩擦片之間的接觸壓力,未測(cè)試制動(dòng)器的應(yīng)力、形變,所以去除結(jié)構(gòu)尖角和圓角不會(huì)對(duì)接觸壓力的仿真結(jié)果產(chǎn)生較大影響。模型的簡(jiǎn)化既能確保一定的分析精度,又可以提高網(wǎng)格劃分和計(jì)算的速度。本文利用UGSNX5.0建立蹄式制動(dòng)器的三維實(shí)體模型,然后通過(guò)通用接口以*.x_t的格式導(dǎo)入ANSYS/Workbench軟件中。1.1網(wǎng)格尺寸劃分利用ANSYS/Workbench軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能,根據(jù)零件幾何形狀自動(dòng)匹配合適的網(wǎng)格類型,反復(fù)修改網(wǎng)格尺寸以得到較精確的分析結(jié)果。制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄網(wǎng)格自動(dòng)利用高精度10節(jié)點(diǎn)四面體Solid186進(jìn)行劃分,網(wǎng)格尺寸為6mm。摩擦片網(wǎng)格自動(dòng)利用高精度20節(jié)點(diǎn)六面體Solid187進(jìn)行劃分,網(wǎng)格尺寸為3mm。共劃分30310個(gè)節(jié)點(diǎn),80626個(gè)單元,如圖1所示。定義制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄和摩擦片的材料屬性,見(jiàn)表1。1.2制動(dòng)鼓內(nèi)表面為目標(biāo)面模型中共有4對(duì)接觸對(duì),通過(guò)接觸單元Targe170和Conta173進(jìn)行模擬。根據(jù)定義目標(biāo)面和接觸面的基本原則,綜合考慮選取制動(dòng)鼓內(nèi)表面為目標(biāo)面,摩擦片的摩擦面為接觸面,接觸類型為摩擦接觸,摩擦因數(shù)為0.3;摩擦片的非摩擦面為目標(biāo)面,制動(dòng)蹄外表面為接觸面,制動(dòng)蹄與摩擦襯片之間采用綁定連接,以保持二者在材料不同的基礎(chǔ)上連接面結(jié)點(diǎn)重合。模擬制動(dòng)器工作時(shí)的邊界條件:選取制動(dòng)鼓的底面為約束目標(biāo),將其固定;選取制動(dòng)蹄上的銷孔內(nèi)圓面為約束目標(biāo),放開(kāi)X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,其他方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度為0。1.3制動(dòng)鼓間間隙的消除制動(dòng)器為雙領(lǐng)蹄液壓驅(qū)動(dòng),兩制動(dòng)蹄所受輪缸活塞推力大小相等,方向相反。模型中摩擦片與制動(dòng)鼓之間存在0.4mm間隙,過(guò)大的間隙易導(dǎo)致求解時(shí)發(fā)生剛體位移,影響計(jì)算的精確度。因此采用兩步載荷進(jìn)行加載,如下:第1載荷步:給制動(dòng)蹄加一小轉(zhuǎn)角,使摩擦片與制動(dòng)鼓接觸,以消除間隙。第2載荷步:在制動(dòng)蹄的受力端施加7000N的促動(dòng)力,模擬制動(dòng)蹄壓緊制動(dòng)鼓的過(guò)程。2摩擦片壓力分布特性本文研究的制動(dòng)器摩擦片起始角為44.50°,摩擦片包角為106.00°,如圖2所示,制動(dòng)鼓與摩擦片之間的最大壓力為57.344MPa。最大壓力在靠近摩擦片受力的一端,其兩端的壓力較小,摩擦片的壓力分布并不連續(xù)。單自由度的領(lǐng)蹄摩擦襯片徑向壓力理論公式為:式中:p1為任一點(diǎn)的壓力;pmax為最大壓力;α表示鉸接點(diǎn)與最大壓力點(diǎn)之間的角度。利用理論公式畫(huà)出理論曲線圖,pmax取57.344MPa?；贏NSYS/Workbench軟件的分析結(jié)果,沿摩擦片圓周方向每隔12°測(cè)試橫向壓力并取平均值,將壓力平均值對(duì)應(yīng)摩擦片上的角度位置做成曲線,并將二者進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示。通過(guò)對(duì)比可以看出,利用有限元軟件分析得到的摩擦片壓力分布規(guī)律不完全符合余弦分布規(guī)律,摩擦片上的接觸壓力峰值過(guò)大且較集中。為減小因個(gè)別單位面積上壓力過(guò)大而造成摩擦片的磨損,有必要對(duì)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。3動(dòng)鼓與摩擦片接觸壓力分布蹄式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)相互關(guān)系如圖4所示,β為摩擦片起始角,α為摩擦片包角。影響摩擦片接觸壓力分布的因素主要有:摩擦片起始角β、摩擦片包角α、鉸接點(diǎn)位置和摩擦片寬度等。為了盡可能少變動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)而又達(dá)到明顯的優(yōu)化效果,針對(duì)摩擦片起始角進(jìn)行優(yōu)化。原始模型的摩擦片起始角為44.50°,摩擦片包角為106.00°,根據(jù)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)相互關(guān)系可知,摩擦片非幾何對(duì)稱分布。當(dāng)摩擦片幾何對(duì)稱分布時(shí),摩擦片起始角為37.00°?，F(xiàn)對(duì)摩擦片起始角角度做以下幾種改變,分別測(cè)試制動(dòng)鼓與摩擦片之間的接觸壓力分布情況。以37.00°和44.50°為起始角等差數(shù)列的第2和第4個(gè)數(shù),以3.75°為公差,得到起始角等差數(shù)列33.25°、37.00°、40.75°、44.50°和48.25°。對(duì)不同摩擦片起始角的制動(dòng)器進(jìn)行有限元分析,得到最大接觸壓力值,見(jiàn)表2。從表2可以看出,利用有限元軟件測(cè)試的摩擦片接觸壓力峰值隨著摩擦片起始角的不同而有所改變。當(dāng)起始角為37.00°時(shí),即摩擦片幾何對(duì)稱布置時(shí),測(cè)試出接觸壓力峰值相比于其他非對(duì)稱布置時(shí)的壓力峰值明顯降低,且接觸壓力的最大值相對(duì)于起始角為44.50°的初始模型減小了約30%。基于摩擦片壓力分析結(jié)果,沿圓周方向每隔12°測(cè)試壓力并取平均值,將壓力平均值對(duì)應(yīng)摩擦片上的角度位置做成曲線,得到5組不同起始角位置的壓力分布對(duì)比曲線,如圖5所示。從圖5可以看出,摩擦片非幾何對(duì)稱布置時(shí),接觸壓力峰值過(guò)大且較集中,壓力分布情況不完全符合余弦分布規(guī)律。當(dāng)摩擦片起始角為37.00°時(shí),即摩擦片幾何對(duì)稱布置,接觸壓力峰值明顯降低,制動(dòng)鼓與摩擦片之間的接觸壓力分布曲線較為平滑。利用有限元分析軟件測(cè)試37.00°起始角位置時(shí)摩擦片接觸壓力分布情況,如圖6所示。基于ANSYS/Workbench軟件的分析結(jié)果,沿摩擦片圓周方向每隔12°測(cè)試橫向壓力并取平均值,將壓力平均值對(duì)應(yīng)摩擦片上角度位置做成曲線。利用理論公式做出理論曲線圖,取pmax=38.645MPa進(jìn)行對(duì)比,如圖7所示。從圖7可以看出,起始角為37.00°時(shí),即摩擦片幾何對(duì)稱布置,利用有限元分析軟件得到的接觸壓力分布規(guī)律基本符合理論公式得到的余弦分布規(guī)律。4壓力分布規(guī)律利用有限元軟件對(duì)單自由度蹄式制動(dòng)器摩擦片接觸壓力進(jìn)行了理論分析,得出如下結(jié)論:(1)利用ANSYS/Workbench軟件建立了單自由度蹄式制動(dòng)器模型,測(cè)試摩擦片起始角為44.50°時(shí)制動(dòng)鼓與摩擦片之間的接觸壓力,壓力分布規(guī)律并不完全符合理論余弦分布規(guī)律,接觸壓力峰值過(guò)大且