特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)理論分析

路修強(qiáng)，楊圣俊

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

0 引言

特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)動壓盤1、彈子2、移動壓盤 3、回位彈簧 4、片式制動器5等零件組成。當(dāng)車輛需要制動時(shí)，制動力通過液壓缸推動轉(zhuǎn)動拉桿使轉(zhuǎn)動盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動盤通過彈子讓壓盤產(chǎn)生軸向力，克服回位彈簧的拉力將片式制動器壓緊，使車輛達(dá)到制動效果。松開制動踏板時(shí)，液壓缸回縮帶動拉桿回轉(zhuǎn)，彈子和移動壓盤在彈簧拉力作用下向左平移，片式制動器分離，軸向制動力消失。

圖1 特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)圖

特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)基理為：滾動彈子在一定傾角的滾槽內(nèi)滾動[1-2]，由于滾槽漸變，轉(zhuǎn)動盤做旋轉(zhuǎn)，在兩側(cè)擠壓應(yīng)力的作用下，彈子旋轉(zhuǎn)加軸向運(yùn)動，移動盤做軸向位移，通過中介彈子把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向運(yùn)動，為制動器摩擦副結(jié)合提供正壓力。此結(jié)構(gòu)既改變了力的方向，又增大了力的大小。

本文作者分析特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)力和位移的傳遞函數(shù)并進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變模擬分析，為特種越野車剎車系統(tǒng)提供一種全新制動系統(tǒng)思路。

1 加壓機(jī)構(gòu)力傳遞及增力系數(shù)推導(dǎo)

為便于運(yùn)動機(jī)制研究與仿真分析，提取特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)模型

其中，圖2(a)為裝配體、圖2(b)為彈子與壓盤裝配體(由于轉(zhuǎn)動盤與移動盤對稱只表示一組)。駕駛員制動時(shí)，轉(zhuǎn)動壓盤、彈子、移動壓盤受力如圖3所示。其中，F(xiàn)為作用于轉(zhuǎn)動壓盤的作動力，F(xiàn)x為沿x方向作用于轉(zhuǎn)動壓盤上的支撐力，F(xiàn)y為沿y方向作用于移動壓盤上的支撐力，F(xiàn)o為移動壓盤作用于制動器的壓力，即特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)輸出力，F(xiàn)′o則為其反作用力。

圖3 彈子盤各構(gòu)件受力分析

假設(shè)彈子作勻速運(yùn)動，根據(jù)力的平衡關(guān)系，在y方向上，由圖3(a)得式(1)：

F=(f′1cosα+N′1sinα)·n

(1)

在x方向上，由圖3(c)得式(2)：

F′o=(N′2cosα-f′2sinα)·n

(2)

式中：n為彈子個(gè)數(shù)。

N1與N′1、N2與N′2、f1與f′1、f2與f′2均為作用力與反作用力[3-4]。對彈子而言，N1=N2，f1、f2為彈子受到的摩擦力[5]。若μ為彈子與壓盤間的摩擦因數(shù)，則有f1=μ·N1，f2=μ·N2。

由式(1) 、式(2)推理得式(3)：

(3)

所以特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)輸出力為

力傳遞函數(shù)分別對α、μ求導(dǎo)，得：

所以，力傳遞函數(shù)對彈子槽傾角、彈子摩擦因數(shù)而言是減函數(shù)。

凹槽傾角α對應(yīng)的增力系數(shù)λ如表1所示。軸向推力Fy=λ·T/R，即只需要很小的轉(zhuǎn)動扭矩就產(chǎn)生成倍的軸向力。

表1 增力系數(shù)λ

2 特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)位移函數(shù)推導(dǎo)

在車輛制動過程中，設(shè)彈子與兩壓盤接觸點(diǎn)處的速度：vA是彈子隨轉(zhuǎn)動壓盤旋轉(zhuǎn)的切線速度，vB是彈子隨移動壓盤沿軸向移動的速度。

設(shè)轉(zhuǎn)動壓盤旋轉(zhuǎn)角度為θ[單位為(°)]，彈子中心線所在圓的半徑為Rd，移動壓盤的軸向位移為x，彈子滾動角速度為ω，則有：

所以位移傳遞函數(shù)為

顯然，g(α，Rd)隨α和Rd的增大而增大。

用正交試驗(yàn)法計(jì)算各個(gè)參數(shù)對位移的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動角度為35°時(shí)，轉(zhuǎn)動盤凹槽傾角分別：15°、15.5°、16°、16.5°、17°，中心線半徑分別為60、65、70、75、80 mm。圖4給出3D Map圖，可以看出：位移隨著凹槽傾角和中心線半徑增大而增大。

圖4 位移傳遞計(jì)算值

3 特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)模擬分析

運(yùn)用ANSYS軟件瞬態(tài)動力學(xué)模塊對特種車剎車盤加壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。首先在CREO中建模，使彈子槽傾角α=16.5°，中心線半徑R=80 mm，彈子槽個(gè)數(shù)為8個(gè)，彈子半徑為6.5 mm，并保存成.igs格式。

保存好的零部件導(dǎo)入ANSYS軟件，從左拖入Geometry幾何處理模塊，對不被識別的尖角進(jìn)行簡化處理；處理好的幾何體導(dǎo)入瞬態(tài)動力學(xué)模塊，并在MESH里面劃分網(wǎng)格，要對凹槽部分和接觸的彈子作加密處理；接觸類型選擇摩擦接觸，兩移動盤之間接觸設(shè)置為面接觸，摩擦因數(shù)為0.14；彈子與兩盤之間的凹槽距離設(shè)置為剛好接觸并設(shè)置為兩邊線接觸，摩擦因數(shù)為0.01。施加約束為圓柱約束，移動盤為軸向Free，徑向、周向?yàn)镕ix。轉(zhuǎn)動盤為周向Free，徑向、軸向Fix。后處理添加等效應(yīng)變和等效應(yīng)力，如圖5所示。

圖5 施加約束

通過對約束施加轉(zhuǎn)矩500 N·m，模擬分析出等效應(yīng)變?nèi)鐖D6(a)所示，等效最大應(yīng)變?yōu)?.003 mm，等效應(yīng)力云圖如圖6(b)所示，最大等效應(yīng)力565.79 MPa。

圖6 彈子盤模擬分析

4 結(jié)束語

主要針對特種越野車輛制動器，為大扭矩制動提供理論計(jì)算及等效應(yīng)力、應(yīng)變模擬分析。由于制動時(shí)轉(zhuǎn)動盤等效應(yīng)力太大、材料硬度要求高，后續(xù)還應(yīng)該加大對彈子盤加壓機(jī)構(gòu)材料的研究。