混合式制動卡鉗的強度與疲勞壽命分析

李維濤，方 沂，徐 征，王親敏，王旭龍

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

混合式制動卡鉗的強度與疲勞壽命分析

李維濤，方 沂，徐 征，王親敏，王旭龍

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

對混合制動式系統(tǒng)中卡鉗的受力情況進行了理論分析，基于ABAQUS軟件建立了卡鉗的有限元模型，得到卡鉗在實際工作狀態(tài)下的薄弱環(huán)節(jié)，并結(jié)合卡鉗的使用環(huán)境及材料特性分析了卡鉗的疲勞性能，為制動卡鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

卡鉗；執(zhí)行機構(gòu)；靜力學；有限元方法；疲勞壽命

汽車的制動系統(tǒng)按能量的傳遞方式可分為機械式、液壓式、氣壓式和電控式等，而混合式制動系統(tǒng)是一種全新的制動理念，其基本特點是將電子控制與其他傳統(tǒng)制動形式相結(jié)合。其中電控機械式制動是以電能作為能量來源，由電子系統(tǒng)進行控制、新型機械結(jié)構(gòu)進行動力傳遞的一種集成化機電系統(tǒng)。電控機械式執(zhí)行機構(gòu)主要包括電機、傳動裝置、間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)、制動卡鉗等，傳動部分又分為運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)和減速增力機構(gòu)[1]。由電子控制單元發(fā)出制動信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，通過減速增力機構(gòu)使電機輸出的力矩放大，再通過運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，使制動卡鉗夾緊制動盤[2]，同時需要完成制動間隙的自動調(diào)節(jié)。在整個工作過程中，制動卡鉗主要承受通過摩擦片傳遞過來的軸向正壓力，使卡鉗產(chǎn)生應(yīng)力和變形。變形對制動效果產(chǎn)生影響，從而對整個制動系統(tǒng)造成損害，直接威脅到車輛的行車安全[3]。針對此問題，本文對制動力的大小進行理論計算，并在此基礎(chǔ)上對制動卡鉗的強度和疲勞性能進行分析。

1 靜態(tài)夾緊力的力學建模和理論計算

1.1 傳動機構(gòu)夾緊力的理論計算

傳動機構(gòu)物理模型如圖1所示。傳動機構(gòu)包括帶傳動、行星齒輪傳動和絲杠傳動。整個傳動機構(gòu)的動力來源是電機，由于制動系統(tǒng)工作狀態(tài)的特殊性，電機主要在堵轉(zhuǎn)工況下工作。

減速增力機構(gòu)采用雙排行星齒輪來傳遞動力，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)采用滑動絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。傳動機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

電機通過皮帶傳動的傳動比為:

行星齒輪傳動機構(gòu)計算如下:

（一排）ns1+k1×nr1-（1+k1）×npc1=0

（二排）ns2+k2×nr2-（1+k2）×npc2=0

k=Zr/Zs=齒圈齒數(shù)/太陽輪齒數(shù)

圖1 傳動機構(gòu)的物理模型

圖2 行星機構(gòu)簡圖

表1 執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)

式中:ns1為一排太陽輪轉(zhuǎn)速；nr1為一排齒圈轉(zhuǎn)速；npc1為一排行星架轉(zhuǎn)速。代入得:

行星齒輪的傳遞效率:

本文采用12 V低壓直流電機，堵轉(zhuǎn)扭矩為0.321 N·m，因此傳動機構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩為0.321 N·m。tanψ= p/π×d2=0.05，所以螺旋升角ψ=2.95°。當量摩擦角一般為6°～9°，本文取ρ＝9°。

經(jīng)理論計算，電控機械式制動能提供高達13138 N的制動力，完全滿足駐車及行車的制動需求，同時也可為緊急制動提供輔助制動力，是一種可靠的輔助制動手段。

1.2 實驗測試

測試試驗臺如圖3所示。該實驗平臺由電氣測試機構(gòu)和后輪實物仿真2部分組成。通過壓力傳感器對夾緊力進行測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 測試實驗臺

圖4 制動壓力波形圖

由試驗測試結(jié)果可知:夾緊力的實驗測試結(jié)果約為13 000 N，而理論計算為13 138 N。對比結(jié)果，理論值與測量值基本一致，說明K值的計算結(jié)果可信。

2 制動卡鉗的靜力學有限元分析

通過對夾緊力的理論計算，得到制動卡鉗所受最大軸向力為13 138 N，承受壓力的位置位于鉗爪區(qū)域，測量鉗爪部分的表面積為1 240 mm2。因此，在有限元分析中施加在制動卡鉗部分的應(yīng)力σ=13 138 N/1 240 mm2=10.6 MPa。在此工況下對制動卡鉗進行有限元分析。

2.1 有限元模型的建立

將制動卡鉗的三維模型導入ABAQUS后，根據(jù)分析對象的幾何特征選擇最適合的網(wǎng)格單元。本文采用C3D10（10結(jié)點二次四面體單元）劃分網(wǎng)格，共得到92 731個單元，141 703個結(jié)點。

2.2 添加材料屬性

制動卡鉗一般為鑄造件，材料大部分為球墨鑄鐵，目前有的制動卡鉗使用了新的材料，如B11后制動卡鉗采用鋁合金材料。由于鑄鐵卡鉗產(chǎn)品成本低，因此仍是當前的主流產(chǎn)品。本文選取QT500-7為卡鉗的制造材料[4]，材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

2.3 定義邊界條件

制動時，卡鉗可沿平行于導向銷的方向（Z軸）運動，因此需要約束X、Y軸方向的平動和3個方向的轉(zhuǎn)動。通過之前的受力分析，將10.6 MPa的壓力加載到鉗爪位置。

2.4 卡鉗應(yīng)力結(jié)果分析

應(yīng)力水平直接關(guān)系到制動卡鉗的使用壽命，由于制動卡鉗的工作環(huán)境非常惡劣，需要承受高溫和一定的沖擊與振動。因此，在這樣的條件下卡鉗如果發(fā)生破壞將導致嚴重的后果，故需要選取較大的安全系數(shù)。根據(jù)國家相關(guān)部門在設(shè)計規(guī)范中的具體規(guī)定，在機械制造中，塑性材料取n=1.2～2.5，因此選取卡鉗的安全系數(shù)為2，已知卡鉗的條件屈服強度為320 MPa，則許用應(yīng)力應(yīng)為160 MPa左右，卡鉗所受最大應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力?？ㄣQ所受應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 卡鉗所受應(yīng)力分布

由應(yīng)力云圖可知，卡鉗所受最大應(yīng)力位于鉗爪與鉗體連接部位，此處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象?？ㄣQ在軸向夾緊力作用下，對應(yīng)的最大應(yīng)力約為160 MPa。因此，在安全范圍之內(nèi)，其強度能夠滿足使用要求。

位移是衡量構(gòu)件的另一個重要參數(shù)，制動鉗的變形量應(yīng)保持在一定的安全范圍之內(nèi)，才能保證對制動盤具有足夠的夾緊力。卡鉗的應(yīng)變云圖如圖6所示。

圖6 卡鉗的應(yīng)變云圖

由應(yīng)變云圖可知，最大變形發(fā)生在鉗爪頂端，對應(yīng)的最大變形量約為0.23 mm。因此，鉗爪是卡鉗工程設(shè)計的關(guān)鍵部位，為了保證制動鉗的變形量在安全范圍之內(nèi)，可對鉗爪采取增加厚度等有效措施。

3 卡鉗的疲勞壽命分析

在技術(shù)改進和研究開發(fā)過程中，了解破壞形式對車輛零部件強度的影響，具有極其重要的意義。在大多情況下，分析人員可以預(yù)測疲勞危險點的位置，并進行疲勞壽命分析，得到相對可靠的零部件預(yù)測壽命，既可大大縮短開發(fā)周期，又能節(jié)省大量試驗費用[5]。本文基于卡鉗所受到的載荷時間歷程，研究卡鉗的應(yīng)力狀態(tài)，并結(jié)合卡鉗的工作狀態(tài)及材料特性來分析其疲勞性能。

3.1 卡鉗等效應(yīng)力計算

卡鉗材料為QT500-7，為鐵素體球墨鑄鐵，定義其為各向同性結(jié)構(gòu)材料。選取危險區(qū)域節(jié)點的應(yīng)力值進行計算，該節(jié)點的受力情況如下:

最大應(yīng)力σmax=160 MPa

最小應(yīng)力σmin=0 MPa

應(yīng)力幅值σa=（σmax-σmin）/2=80 MPa

平均應(yīng)力σm=（σmax+σmin）/2=80 MPa

應(yīng)力比R=σmin/σmax=0，卡鉗承受的是脈動循環(huán)疲勞載荷。

本文采用Goodman直線模型:σa=σ-1[1-（σm/σb）]，此時可以得到該節(jié)點的等效應(yīng)力σ-1=95 MPa，卡鉗的最大應(yīng)力處在鉗爪的底部，最大值為160 MPa，材料的屈服應(yīng)力值為320 MPa。因此，靜力學計算出的結(jié)果相對材料破壞值是遠小于屈服值的，部件沒有發(fā)生屈服[6]。

3.2 卡鉗的疲勞校核計算

根據(jù)材料S-N曲線[7]，由最小二乘法得出的擬合方程為lgN=a+b×lgσ-1，式中a=27.5186，b=-9.2445，所以擬合方程為 lgN=27.518 6-9.244 5×lgσ-1，QT500-7的S-N曲線如圖7所示。

圖7 QT500-7的S-N曲線

由圖7可以看出這種卡鉗壽命約為109。在實際生產(chǎn)中使用次數(shù)為109時基本可以認為此卡鉗具有無限壽命。

4 結(jié)論

混合式制動系統(tǒng)作為一種全新的制動理念，符合當今汽車集成化、一體化的發(fā)展趨勢。本文通過對制動力的理論計算，并結(jié)合有限元分析得出如下結(jié)論:

（1）混合式制動所提供的制動力完全能夠滿足駐車及行車的制動需求，同時也可為緊急制動提供輔助制動力，是一種可靠的輔助制動手段。

（2）制動卡鉗主要承受通過摩擦片傳遞的軸向正應(yīng)力，通過有限元分析，獲得卡鉗的應(yīng)力分布云圖和變形云圖，驗證了卡鉗自身強度能夠滿足使用要求。

（3）結(jié)合卡鉗的有限元分析結(jié)果，對卡鉗的疲勞壽命進行預(yù)測，從而得出在采用電控制動時，卡鉗完全能夠滿足使用需求。如果加入液壓作用，卡鉗是否滿足要求則有待后續(xù)研究。

［1］趙一博.電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的研究與開發(fā)［D］.北京:清華大學，2010.

［2］傅云峰.汽車電子機械制動系統(tǒng)設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學，2013.

［3］郇 鉦.汽車電子駐車制動（EPB）控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南京:南京理工大學，2012.

［4］孫玉福.實用工程材料手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2014.

［5］江迎春.基于ANSYS的轎車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞壽命分析［J］.汽車科技，2008（3）:32-36.

［6］米承繼，谷正氣，伍文廣，等.隨機載荷下礦用自卸車后橋殼疲勞壽命分析［J］.機械工程學報，2012（12）:103-109.

［7］趙少汴，王忠保.抗疲勞設(shè)計——方法與數(shù)據(jù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

Analysis of strength and fatigue life for the composite brake calipers

LI Wei-tao，F(xiàn)ANG Yi，XU Zheng，WANG Qin-min，WANG Xu-long
（School of Automotive and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

The theoretical analysis of the caliper brake system for hybrid force is made in this paper.The model of calipers in the finite element model based on ABAQUS software is established，and the weak link of the caliper in the actual working state is obtained.The fatigue performance of calipers is analyzed with the environment for use and the characteristics of the materials，so as to provide a theoretical basis for the structure design of the brake caliper.

caliper；actuator；statics；finite element method；fatigue life

U463.5

A

2095－0926（2015）02－0027－04

2015-03-07

天津市科技計劃基礎(chǔ)研究項目（14JCYBJC22000）.

李維濤（1989—），男，碩士研究生；方 沂（1963—），男，教授，碩士生導師，研究方向為數(shù)控高速加工技術(shù)、機械CAD/CAM等.