某汽車制動器支架扭轉(zhuǎn)剛度有限元分析

薛亮++杜小芳

摘 要：為了驗證某汽車制動鉗支架扭轉(zhuǎn)剛度是否滿足設(shè)計要求，運用有限元方法對其進行了研究。用HyperMesh軟件建立了制動鉗支架有限元模型，用ABAQUS軟件模擬計算其扭轉(zhuǎn)剛度。對比有限元計算結(jié)果與目標(biāo)值，結(jié)果表明，仿真值高于目標(biāo)值。這說明，汽車制動鉗支架的扭轉(zhuǎn)剛度足夠。此分析為日后車輛制動器設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：制動鉗；扭轉(zhuǎn)剛度；有限元；汽車制動器

中圖分類號：TH16；U463.51 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.078

汽車制動性能是影響汽車行駛安全的重要指標(biāo)。制動鉗支架是轎車盤式制動器的一部分，它是汽車制動時制動力的承載者，但卻是一個容易被人忽略的部件。制動鉗支架的扭轉(zhuǎn)剛度是盤式制動器的重要力學(xué)性能指標(biāo)，扭轉(zhuǎn)剛度過低，容易導(dǎo)致汽車制動時支架出現(xiàn)較大變形，制動力矩分配不均，制動噪聲過大，進而影響行車安全。在汽車設(shè)計中，試驗法是研究剛度的傳統(tǒng)方法，但是，隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的成熟，越來越多的國內(nèi)外專家在汽車設(shè)計中運用計算機仿真方來代替試驗法，從而降低成本，縮短設(shè)計時間，節(jié)省大量的資金。因此，本文對某汽車的制動鉗支架進行了有限元仿真模擬。

1 某汽車制動鉗支架介紹

浮動鉗盤式制動器的制動鉗和支架是滑動接觸的，制動鉗附著在支架上滑動，而制動摩擦片與制動鉗固定在一起。制動時，在液壓的作用下，活塞將摩擦片推至滑出，制動盤與摩擦片形成摩擦副，摩擦片對活塞的反作用力使制動鉗發(fā)生軸向滑動，最終使制動盤兩邊的壓力達到動態(tài)平衡。制動鉗支架的幾何模型如圖1所示。

2 扭轉(zhuǎn)剛度理論基礎(chǔ)

汽車在某些工況下制動時，制動鉗支架會受到繞安裝孔軸線轉(zhuǎn)矩的影響，使支架發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，受力情況如圖2所示。在此，可以用扭轉(zhuǎn)剛度評價結(jié)構(gòu)抵抗這種變形的能力，具體計算方法是：假設(shè)卡鉗支架是一個直桿，并且具有均勻的扭轉(zhuǎn)剛度，然后根據(jù)材料力學(xué)教材中的公式計算扭轉(zhuǎn)剛度?？ㄣQ支架的扭轉(zhuǎn)剛度K（Nm/rad）計算公式為：

|K=Mt/α|. （1）

式（1）中：K為支架扭轉(zhuǎn)剛度，定義為扭矩與扭轉(zhuǎn)角度之比，Nm/rad；Mt為扭矩，Nm；α為扭轉(zhuǎn)角度，rad。

3 支架扭轉(zhuǎn)剛度有限元仿真

用有限元軟件HyperMesh為支架的幾何模型劃分網(wǎng)格，然后用ABAQUS軟件為模型添加約束和載荷，最后求解扭轉(zhuǎn)剛度。支架扭轉(zhuǎn)剛度的目標(biāo)值為8 000 Nm/rad。

3.1 建立有限元模型

制動鉗支架的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，在CATIA中將幾何模型文件另存為HyperMesh可識別的中間數(shù)據(jù)格式，這里采用STEP格式，然后導(dǎo)入到HyperMesh軟件中對零件進行簡化處理。因為導(dǎo)向銷孔部分的結(jié)構(gòu)對扭轉(zhuǎn)剛度的影響很小，所以，可切除導(dǎo)向銷孔部分的實體。然后對支架進行幾何清理，以方便劃分網(wǎng)格。因為制動鉗支架是鑄造件，形狀不規(guī)則，所以，可以采用四面體單元劃分，單元類型為C3D10M。制動器支架有限元模型包含節(jié)點數(shù)53 373個，單元數(shù)244 323個。支架有限元模型如圖3所示。

3.2 制動器支架材料

制動器支架的材料是HT500，在ABAQUS軟件中賦予線彈性材料特性。其中，楊氏模量E=1.75e+05 Mpa，材料泊松比λ=0.27，密度ρ=7.8e-09 T/mm3。

3.3 邊界條件

分別將安裝孔A，B上的單元通過“Coupling”命令耦合到A，B孔的中心位置，約束A安裝孔中心的全部自由度，對B安裝孔中心施加一個沿AB軸向、大小為1 000 Nm的扭矩。具體的邊界條件如圖4所示。

3.4 結(jié)果分析

用ABAQUS軟件提交相關(guān)計算求解，并在Visualization模塊中分析結(jié)果。將B安裝孔中心的扭矩作為Y軸，角位移作為X軸繪制扭矩—角位移曲線，曲線的斜率即為扭轉(zhuǎn)剛度，具體如圖5所示。

利用式（1）計算得支架的扭轉(zhuǎn)剛度K=9 523 Nm/rad，高于目標(biāo)值，符合設(shè)計要求。支架應(yīng)力云圖如圖6所示。