商用車制動盤的過盈匹配研究

林瑋靜，孔 卓，孫 超，房紹山

（中國重型汽車集團有限公司，山東 濟南 250101）

引言

隨著國家相關法規(guī)的實施，加之用戶對商用車舒適性、安全性和智能化的追求，盤式制動器的應用匹配越來越廣泛，其中《機動車運行安全技術條件》（GB 7258—2017）和《營運貨車安全技術條件》（JT/T 1178.1—2018）等制動法規(guī)已強制要求在專用校車、危化品等專用車型上標配盤式制動器，因此，隨著盤式制動器技術的日益成熟，盤式制動器將成為商用車的標配產品。

目前商用車匹配的盤式車橋普遍采用制動盤固定在輪轂的結構形式[1]，見圖1。該結構的弊端是更換制動盤時只能采取拆卸輪轂和軸承，不可避免地會影響到輪轂軸承的使用壽命，同時由于驅動橋輪邊載荷較大，簡單地采用法蘭結構已經無法滿足驅動橋的承載，因此，創(chuàng)新設計了盤式驅動橋輪端結構。在端面配合的前提下，增加了制動盤內腔與輪轂外圓的配合，進而實現了在保證承載能力的前提下，可獨立更換制動盤，無需拆卸輪轂和軸承。

圖1 普通盤式輪邊結構

制動盤內腔與輪轂外圓需設置一定過盈量，保證輪轂外圓對制動盤起到支撐作用，同時過盈量應當有精確控制，保證可手動安裝、拆卸。針對結構特點，建立了輪轂、制動盤三維有限元模型[2]，分析了不同過盈量、不同軸向配合尺寸下的制動盤滑動阻力，通過該方法實現了正向確定輪轂與制動盤過盈量，精確控制制動盤滑動阻力。

1 輪轂制動盤熱機耦合有限元建模

1.1 有限元模型

建立的熱機耦合模型中，主要包括輪轂和制動盤，系統(tǒng)有限元模型見圖2，同時需要確定制動盤與輪轂配合尺寸L 值，見圖3。分別選取了L 值為12 mm、17 mm、22 mm、27 mm。有限元模型主要使用四面體單元建模，共包括89 159 個單元和10 000個節(jié)點。模型中各零件材料參數見表1。其中，輪轂的熱膨脹系數、熱導率為根據模型尺寸進行了人為調整。

圖2 輪轂與制動盤有限元模型

圖3 輪轂與制動盤配合尺寸

表1 材料的物理特性

1.2 關鍵參數設定

（1）非線性接觸定義[3]。輪轂與制動盤之間定義為SURFACE_TO_SURFACE 接觸，摩擦系數定為0.15，兩者間的熱傳導定義為零，保證制動盤不存在熱量輸入。（2）輪轂熱量輸入設置。將輪轂與制動盤的初始溫度設置為0 ℃，預估制動盤與輪轂過盈量，初步確定輪轂熱膨脹量達到預估過盈量所需熱量[4]，然后將熱量加載到輪轂上。

2 輪轂與制動盤過盈匹配分析結果

通過分析過盈量、軸向滑動阻力，確定過盈量與軸向滑動阻力的關系，進而根據實際需要滑動阻力確定過盈量所需范圍。

2.1 過盈量分析

為了便于結果描述，以L 值為12 mm 的有限元模型為代表進行分析。根據圖4 輪轂和制動盤的溫度分析結果，可知只有輪轂存在溫度升高的情況，制動盤溫度分析前后保持不變。因此，輪轂外圓的直徑增大量就是輪轂與制動盤之間的過盈量，選取輪轂中心切面上的兩個對稱點A1、A2，見圖5， A1 和A2 的徑向位移增量之和即為輪轂和制動盤過盈量，A1、A2 的位移增量與仿真時間的關系見圖6。

圖4 輪轂與制動盤溫度分布

圖5 A1 和A2 兩點選取位置

圖6 A1 點和A2 點位移增量

2.2 軸向滑動阻力分析

利用有限元軟件，可獲得輪轂與制動盤之間的作用力，其中其軸向方向的作用力即為制動盤的軸向滑動阻力，其大小與仿真時間關系見圖7。

圖7 制動盤軸向滑動阻力

2.3 不同配合尺寸下的計算結果分析

由圖5、圖6 可知，輪轂制動盤過盈量與制動盤軸向滑動阻力可通過仿真時間的傳遞建立對應關系。為確定制動盤與輪轂不同配合L 值下的滑動阻力變化，調整L 值，分別對L 值為17 mm、22 mm、27 mm 的有限元模型進行計算，圖7 為不同L 值時，過盈量與滑動阻力之間的關系。為滿足可手動安裝、拆卸制動盤，制動盤滑動阻力峰值為500 N。

圖7 不同L 值制動盤軸向滑動阻力

由圖7 可知，將L=12 mm，過盈量為0.001 mm 為基礎設計值，L 值不變的情況下，過盈量每增大100 %，其夾緊力將增大100 %；過盈量不變的情況下，L 值每增大41.7 %，其夾緊力將增大12 %?？梢酝ㄟ^實際加工工藝及承載大小合理調整L 值和過盈量。

3 結語

（1）建立了商用車輪轂和制動盤的有限元模型，通過人為設定輪轂熱膨脹量和熱導率，建立了輪轂制動盤的熱機耦合模型，同時定義了輪轂與制動盤的非線性接觸。（2）模型經過仿真計算后，分別分析了過盈量與仿真時間的關系、軸向滑動阻力與仿真時間的關系，通過仿真時間的傳遞，可建立過盈量與滑動阻力之間的對應關系。 （3）在建立過盈量與滑動阻力之間的對應關系后，同時考慮制動盤與輪轂的配合尺寸L的影響，建立了三者的關系圖，分別確定了過盈量、配合尺寸L對制動盤軸向滑動阻力的影響大小，從而實現確定相關配合尺寸。