基于有限元分析法的液壓制動鉗耐壓性能仿真

佘 祥 范偉軍 張 章 於康杰 傅 樂

（中國計量大學(xué)，杭州 310018）

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，人們生活水平的提高，對汽車安全性能要求越來越高。制動鉗是汽車制動系統(tǒng)的重要組成部件之一。在盤式制動系統(tǒng)中，制動鉗活塞推動摩擦片擠壓制動盤產(chǎn)生制動力矩。如果制動鉗質(zhì)量不合格，會使制動效果降低，甚至產(chǎn)生交通事故。其中制動鉗耐壓性能是一項重要安全指標，但目前的檢測手段較為落后，多為傳統(tǒng)儀表檢測，自動化程度低[1]。仿真試驗是利用軟件模擬真實試驗環(huán)境，對試驗對象進行模擬測試，獲得的數(shù)據(jù)可以為后期試驗和結(jié)構(gòu)改進提供理論依據(jù)[2-4]。本文利用有限元分析法對制動鉗進行耐壓仿真試驗。

1 制動卡鉗的結(jié)構(gòu)特點和工作狀態(tài)分析

制動卡鉗主要分為定鉗式和浮鉗式兩種[5]。浮鉗式應(yīng)用更加廣泛，本文主要針對浮鉗式制動鉗進行研究。浮鉗式制動鉗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 浮鉗式盤式制動鉗

浮鉗盤式制動鉗主要有制動鉗體、活塞、摩擦塊、導(dǎo)向銷、制動盤等五部分構(gòu)成，制動鉗體可以沿著導(dǎo)向銷相對車橋移動。定鉗式制動鉗沒有導(dǎo)向銷，不可以相對車橋移動。制動開始時，制動液從進油口進入活塞腔體，腔體內(nèi)液體壓強增大推動活塞擠壓制動盤，活塞上的摩擦片與制動盤摩擦產(chǎn)生制動力矩。制動結(jié)束時，活塞腔體液壓下降，在回位彈簧作用下活塞回位，摩擦片與制動盤脫離，制動結(jié)束。

在整個制動過程中，為保證有足夠的制動力，制動鉗活塞腔體里液體始終處于高壓狀態(tài)。所以，為保證制動鉗有足夠的耐壓強度，必須對制動鉗按照國家標準所規(guī)定的耐壓破壞指標進行檢測。

2 制動鉗有限元仿真

有限元分析是將有待分析的復(fù)雜模型劃分成微觀的子結(jié)構(gòu)單元，對各個子結(jié)構(gòu)單元進行受力分析和數(shù)值求解，將各個子結(jié)構(gòu)單元的求解結(jié)果進行力學(xué)迭代，得到復(fù)雜模型的力學(xué)特性。本課題采用ANSYS Workbench軟件對制動鉗進行耐壓破壞強度仿真分析。基于制動鉗工作狀態(tài)的分析，制動鉗承受高壓的部分主要是制動鉗腔體和活塞，因此本次仿真主要針對上述兩種零件進行線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。

2.1 構(gòu)建3D仿真模型

利用SolidWorks對制動鉗的活塞和鉗體進行3D建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench中進行有限元耐壓仿真，為防止倒角和螺紋等無關(guān)實際結(jié)構(gòu)特性的細小特征在計算機仿真過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在Workbench DM中將其去除；對有缺陷的面進行縫合，使其滿足仿真要求。表1為試驗所用的制動鉗與活塞材料特性。

表1 制動鉗體與活塞材料特性

在仿真試驗中，根據(jù)表1在Workbench Engineering Data中對材料屬性進行添加和定義，并構(gòu)建的仿真模型，如圖2所示。

圖2 制動鉗體與活塞仿真模型

2.2 網(wǎng)格劃分

有限元分析的實質(zhì)是將復(fù)雜模型劃分為微觀子結(jié)構(gòu)單元進行受力分析和數(shù)值求解，需要對3D模型進行網(wǎng)格化處理。首先利用虛擬拓撲工具對鉗體和活塞進行處理，忽略不重要的細節(jié)，優(yōu)化網(wǎng)格劃分。鉗體結(jié)構(gòu)復(fù)雜采用四面體網(wǎng)格劃分，可以自動、快速地細化復(fù)雜區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)?；钊Y(jié)構(gòu)規(guī)則，采用六面體為主的網(wǎng)格劃分。制動鉗鉗體與活塞的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 制動鉗體與活塞網(wǎng)格劃分模型

網(wǎng)格劃分質(zhì)量評定方法之一是Skewness（偏斜），其值位于0和1之間，數(shù)值越小越好。本次仿真中Skewness顯示平均值為0.376，劃分質(zhì)量較好。

接觸設(shè)置中不分離接觸設(shè)置的接觸面之間無法進行法向分離，但可以在切向進行無摩擦滑動。在制動過程中，制動液壓力作用活塞滑動壓緊摩擦片與制動盤摩擦產(chǎn)生制動力，在這個過程中接觸面始終接觸，因此將接觸類型設(shè)置為no separation（不分離接觸）。制動鉗體與活塞不分離接觸設(shè)置如圖4所示。

2.3 約束分析及載荷添加

為在仿真中添加準確的載荷，對制動形成后活塞和制動鉗受力分析。制動鉗體和活塞的受力分析簡圖如圖5所示。

圖5 制動鉗體與活塞受力分析簡圖

圖4 不分離接觸設(shè)置

如圖5所示，制動鉗鉗體油缸內(nèi)壁和活塞制動時都受到制動液的壓力，分別是F1、F2、F3和F4。對應(yīng)的壓強相等，即P1=P2=P3=P4?；钊€受到制動盤反作用到活塞的反作用力F5，制動鉗體還受到反作用力F6。在浮鉗式制動鉗制動過程中，制動鉗體可以沿著導(dǎo)向銷軸向（Z軸）滑動，所以仿真中只保留Z軸方向的自由度。制動形成后，活塞相對制動鉗體靜止，所以此時限制所有方向的自由度。

根據(jù)以上分析，在制動鉗油缸內(nèi)壁和活塞上添加均勻分布的壓力載荷。仿真中先添加制動鉗正常工作壓強12MPa，然后基于汽車制動行業(yè)標準《液壓制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》（QC/T 592-2013）中耐壓破壞測試要求中規(guī)定，添加最大破壞壓力35MPa載荷進行仿真。載荷和約束添加示意圖如圖6所示。

圖6 載荷與約束添加示意圖

3 仿真結(jié)果

3.1 正常工作壓力下結(jié)果分析

通過ANSYS Workbench對鉗體與活塞進行有限元分析，得到鉗體與活塞的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖分別如圖7、圖8所示，得出在正常12MPa工作壓力下，制動鉗體與活塞最大應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表2 工作壓力下制動鉗體和活塞最大應(yīng)力與應(yīng)變

由表2可知，制動鉗體最大應(yīng)力為238.56MPa，出現(xiàn)在制動鉗體底部倒角部位，此部位由于制動鉗體形狀發(fā)生變化，因此較易發(fā)生應(yīng)力集中?；钊畲髴?yīng)力為164.71MPa，出現(xiàn)在活塞底部中間部位。查閱相關(guān)表格可得制動鉗體與活塞材料屈服強度與抗拉強度，來校核應(yīng)力是否在允許范圍內(nèi)，材料性能如表3所示。

表3 制動鉗體與活塞力學(xué)性能

由表3可知，通過比較鉗體與活塞所受到的應(yīng)力，它們均小于其材料的屈服強度，所以此制動鉗模型在正常工作情況下滿足強度要求。制動鉗體與活塞最大應(yīng)變量分別為0.05mm和0.04mm，應(yīng)變量大小可忽略不計，不影響汽車在行駛過程中行車制動。

3.2 最大過載壓力下結(jié)果分析

上述仿真驗證了該制動鉗模型滿足在正常工作壓力下強度需求，現(xiàn)對其施加汽車行業(yè)標準QC/T 592-2013規(guī)定的35MPa壓力進行仿真試驗。仿真結(jié)果應(yīng)力云圖與應(yīng)變云圖如圖9、圖10所示。讀取仿真應(yīng)力云圖與應(yīng)變云圖得出鉗體和活塞最大應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)绫?所示。

圖7 工作壓力下制動鉗體與活塞應(yīng)力云圖

圖8 正常工作壓力下制動鉗體與活塞應(yīng)變云圖

表4 耐壓破壞下制動鉗體和活塞最大應(yīng)力與應(yīng)變

根據(jù)表4可知，制動鉗體最大應(yīng)力為543.94MPa，其最大應(yīng)變量為0.15mm?；钊畲髴?yīng)力為481.04MPa，其最大應(yīng)變量為0.13mm。通過對比表2可知，制動鉗體與活塞最大應(yīng)力均超過材料允許強度，其應(yīng)變也相對在正常工作壓力下應(yīng)變大小高出2倍。因此，在最大破壞壓力情況下，制動鉗體與活塞均可能出現(xiàn)不同程度的損壞。

圖9 最大破壞壓力下制動鉗體與活塞應(yīng)力云圖

圖10 最大破壞壓力下制動鉗體與活塞應(yīng)變云圖

通過以上對鉗體與活塞進行的最大壓力破壞仿真試驗，人們從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，制動鉗體薄弱環(huán)節(jié)主要分布在制動鉗底部周圍倒角處，造成此處應(yīng)力較大的可能原因為出現(xiàn)了應(yīng)力集中；活塞的薄弱環(huán)節(jié)主要分布在活塞底部中心部位?？紤]到制動鉗生產(chǎn)工藝與成本，在制動鉗模型設(shè)計時適當增加制動鉗薄弱部位鉗體厚度，避免在制動鉗關(guān)鍵受力部位出現(xiàn)尖銳轉(zhuǎn)角，對提高制動鉗正常工作安全與使用壽命有很大的幫助。

4 結(jié)語

本文運用有限元分析法，借助ANSYS Workbench軟件對液壓制動鉗進行耐壓性能仿真分析。仿真結(jié)果顯示，制動鉗鉗體底部倒角部位為薄弱環(huán)節(jié)，可能由于應(yīng)力集中而應(yīng)力較大?；钊谋∪醐h(huán)節(jié)為底部圓面中心部位。在正常工作載荷12MPa作用下，制動鉗不會損壞，但在過載載荷35MPa作用下會出現(xiàn)不同程度損壞。本文利用軟件仿真給出的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖。制動鉗活塞和鉗體的應(yīng)力分布清晰，仿真結(jié)果可作為試驗測試和結(jié)構(gòu)改進的理論依據(jù)。