盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)鉗的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)*

□ 鄒仁平 □ 李 強(qiáng) □ 王世江

煙臺(tái)汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 電子工程系 山東煙臺(tái) 265500

1 設(shè)計(jì)背景

汽車(chē)制動(dòng)器在車(chē)輛安全中發(fā)揮著重要的作用。汽車(chē)常用的制動(dòng)器按結(jié)構(gòu)可以分為鼓式制動(dòng)器和盤(pán)式制動(dòng)器。盤(pán)式制動(dòng)器相比鼓式制動(dòng)器散熱性更好,能夠減小摩擦熱導(dǎo)致的制動(dòng)衰減,雨天行駛時(shí)也具有更穩(wěn)定的制動(dòng)力。因此,制動(dòng)效果更好的盤(pán)式制動(dòng)器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于轎車(chē)上[1-2]。在盤(pán)式制動(dòng)器中,應(yīng)用最廣泛的是浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器。隨著汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的輕量化設(shè)計(jì)也提出了新的要求。馬玲[3]應(yīng)用Abaqus軟件對(duì)某車(chē)型盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)鉗進(jìn)行了強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析研究。華逢志等[4]建立了鋁合金制動(dòng)鉗拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)制動(dòng)鉗進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。劉順楚等[5]應(yīng)用ANSYS Workbench軟件建立了純電動(dòng)車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器的有限元模型,對(duì)制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)鉗進(jìn)行了力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化。在盤(pán)式制動(dòng)器中,除剎車(chē)盤(pán)之外,最重要的承力部件是制動(dòng)鉗和制動(dòng)鉗支架。由于制動(dòng)鉗支架承載了摩擦片傳遞的絕大部分制動(dòng)力矩,強(qiáng)度和剛度要求很高,因此對(duì)制動(dòng)鉗支架進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)。另外,由于制動(dòng)鉗支架的設(shè)計(jì)空間受到其它部件的限制,改動(dòng)余地較小,因此制動(dòng)鉗支架一般不作為輕量化設(shè)計(jì)的研究對(duì)象。筆者選取浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)鉗作為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象。傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法是設(shè)計(jì)師根據(jù)剎車(chē)系統(tǒng)的技術(shù)要求確定設(shè)計(jì)參數(shù),再根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)好剎車(chē)鉗的三維模型,然后導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程局限于剎車(chē)鉗的初始設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化結(jié)果并不一定是最優(yōu)方案,而且生成的拓?fù)鋬?yōu)化模型可能無(wú)法適應(yīng)多種加工條件,比如機(jī)械加工、鑄造或者三維打印,后期還需要重新對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)建模以投入生產(chǎn)。由此可見(jiàn),傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法存在效率低、受零件設(shè)計(jì)者水平局限、對(duì)設(shè)計(jì)師水平要求高、不適應(yīng)多種條件生產(chǎn)等缺點(diǎn)。

筆者以某乘用車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)鉗為例,運(yùn)用Creo軟件的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法,分析受力情況,合理設(shè)置約束條件,對(duì)制動(dòng)鉗進(jìn)行創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。

2 浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器工作原理

浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)鉗是浮動(dòng)的,浮動(dòng)方式有兩種,一種是制動(dòng)鉗可作平行滑動(dòng),另一種是制動(dòng)鉗可繞支撐銷(xiāo)擺動(dòng)。兩種方式制動(dòng)油缸都是單側(cè)的,其中與油缸同側(cè)的制動(dòng)塊總成是活動(dòng)的,另一側(cè)的制動(dòng)總成則固定在制動(dòng)鉗上。制動(dòng)時(shí),在制動(dòng)油液壓力作用下,活塞推動(dòng)活動(dòng)的制動(dòng)塊總成壓靠到制動(dòng)盤(pán)上,反作用力則推動(dòng)制動(dòng)鉗連同固定的制動(dòng)塊總成壓向制動(dòng)盤(pán)的另一側(cè),直到兩側(cè)的制動(dòng)塊總成的受力達(dá)到均等為止[6]。浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器只在制動(dòng)盤(pán)的一側(cè)裝有油缸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉,易于布置,結(jié)構(gòu)尺寸緊湊,可使制動(dòng)器近一步移近輪轂,同一組制動(dòng)塊可兼用于行車(chē)制動(dòng)和駐車(chē)制動(dòng)。浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)鉗沒(méi)有跨越制動(dòng)盤(pán)的油道或油管,減少了油液受熱機(jī)會(huì),單側(cè)油缸又位于制動(dòng)盤(pán)的內(nèi)側(cè),受車(chē)輪遮蔽較小,冷卻條件較好。另外,單側(cè)油缸的活塞比兩側(cè)油缸的活塞要長(zhǎng),增大了油缸的散熱面積,因此制動(dòng)油液溫度比固定鉗式的低30～50 K,氣化的可能性較小[7]。相比于固定鉗盤(pán)式制動(dòng)器,浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器可將油缸和活塞等精密件減去一半,造價(jià)大為降低。浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 浮動(dòng)鉗盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

3 制動(dòng)鉗載荷工況

汽車(chē)制動(dòng)時(shí),單個(gè)輪胎所需要的制動(dòng)力矩T為:

T=Gμ0R0/4

(1)

式中:G為車(chē)重;μ0為車(chē)輪摩擦因數(shù);R0為車(chē)輪半徑。

假設(shè)制動(dòng)片的摩擦表面全部與制動(dòng)盤(pán)接觸,且各處單位壓力分布均勻,制動(dòng)器的制動(dòng)力矩Mμ為:

Mμ=2μFR=T

(2)

式中:μ為制動(dòng)片摩擦因數(shù),一般取0.35;F為單側(cè)制動(dòng)塊對(duì)制動(dòng)盤(pán)的壓緊力;R為壓緊力作用半徑。

單側(cè)制動(dòng)塊對(duì)制動(dòng)盤(pán)的壓緊力F為:

F=πd2P/4

(3)

式中:d為活塞直徑,為56 mm;P為制動(dòng)油壓。

對(duì)于常見(jiàn)的具有扇形摩擦表面的制動(dòng)片,如果徑向?qū)挾炔皇呛艽?可取R為平均半徑Rm或有效半徑Re,這樣已經(jīng)足夠精確。

平均半徑Rm為:

Rm=(R1+R2)/2

(4)

式中:R1、R2分別為摩擦制動(dòng)片扇形表面的內(nèi)半徑和外半徑。

有效半徑Re為:

(5)

有效半徑為扇形摩擦表面的面積中心至制動(dòng)盤(pán)中心的距離。式(5)也可寫(xiě)為:

(6)

m=R1/R2

(7)

輪胎制動(dòng)力矩與制動(dòng)油壓的關(guān)系為:

T=2SReημP

(8)

式中:S為缸孔端面積;η為油壓傳遞效率,一般可取0.95。

由式(1)～式(8)可計(jì)算出制動(dòng)時(shí)需施加15.5 MPa的制動(dòng)油壓在活塞底部和殼體底部。由于制動(dòng)鉗支架承載了大部分制動(dòng)器自身產(chǎn)生的制動(dòng)力矩,所以不考慮制動(dòng)力矩對(duì)制動(dòng)鉗的影響[8],可計(jì)算出制動(dòng)鉗左側(cè)壁板承受的剎車(chē)盤(pán)支反力為43.825 N。

4 制動(dòng)鉗邊界條件

車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí),若制動(dòng)器處在受力平衡狀態(tài),此時(shí)對(duì)制動(dòng)鉗所受力進(jìn)行分析[9]。

制動(dòng)盤(pán)的反作用力通過(guò)內(nèi)側(cè)摩擦片、活塞及制動(dòng)油作用在制動(dòng)鉗的油缸側(cè)壁上,產(chǎn)生一個(gè)均布力P1。

油缸側(cè)壁通過(guò)外側(cè)摩擦片對(duì)制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生一個(gè)力,該力對(duì)制動(dòng)鉗側(cè)壁產(chǎn)生一個(gè)支反力P2,這一支反力均勻分布在制動(dòng)片與制動(dòng)盤(pán)接觸面上,為:

P2=0.25πd2P1/A

(9)

式中:A為外摩擦塊與鉗指的接觸面積,通過(guò)Creo軟件測(cè)量為1 299.04 mm2。

將相關(guān)參數(shù)代入式(9)進(jìn)行計(jì)算,可以得到P2為33.736 MPa。

與支架相連接螺栓孔處受到支架對(duì)制動(dòng)鉗的作用力。由于制動(dòng)處于平衡狀態(tài),此時(shí)鉗體沒(méi)有位移,因此約束制動(dòng)鉗與支架連接的兩個(gè)螺栓孔內(nèi)表面的六個(gè)自由度。

5 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)能夠根據(jù)用戶(hù)的約束和要求創(chuàng)建經(jīng)過(guò)優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì),用戶(hù)只要在Creo軟件中輸入產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,軟件即可自動(dòng)生成一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)方案,軟件可代替設(shè)計(jì)師自主完成設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程完全在Creo設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行,快速探索創(chuàng)新的設(shè)計(jì)選項(xiàng),減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)。人工智能驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)可以為用戶(hù)提供更高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計(jì),以更低的成本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工程、制造。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)具體功能包括六部分。第一,將創(chuàng)成式設(shè)計(jì)過(guò)程集成到Creo Parametric設(shè)計(jì)環(huán)境中的 UI 功能區(qū)和上下文相關(guān)菜單,具有簡(jiǎn)化的工作流程。第二,創(chuàng)成式設(shè)計(jì)過(guò)程與產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模過(guò)程無(wú)縫對(duì)接,只需選擇產(chǎn)品三維模型的設(shè)計(jì)空間,添加載荷和約束,定義優(yōu)化目標(biāo)、材料和制造方法。第三,基于強(qiáng)大的人工智能驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化引擎,快速生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。第四,創(chuàng)成式設(shè)計(jì)產(chǎn)生的模型支持從傳統(tǒng)制造到增材制造的常見(jiàn)制造要求。第五,創(chuàng)成式設(shè)計(jì)結(jié)束后,用戶(hù)能夠預(yù)覽和查詢(xún)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果。第六,交互過(guò)程的結(jié)果通過(guò)對(duì)幾何圖形和設(shè)置的編輯而動(dòng)態(tài)更新。

在Creo軟件中進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的流程如下:① 定義設(shè)計(jì)空間、材料、力學(xué)性能、載荷、約束、設(shè)計(jì)目標(biāo)、制造工藝,設(shè)置優(yōu)化單元尺寸; ② 啟動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì); ③ 進(jìn)行力學(xué)性能分析,查詢(xún)受力和位移云圖,根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)目標(biāo); ④ 生成可制造設(shè)計(jì)結(jié)果,導(dǎo)出能夠用于加工的三維模型。

6 制動(dòng)鉗創(chuàng)成式設(shè)計(jì)

6.1 幾何模型

在項(xiàng)目初期,整車(chē)廠確定整車(chē)參數(shù),應(yīng)用制動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算軟件進(jìn)行盤(pán)式制動(dòng)器整體參數(shù)計(jì)算,并根據(jù)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行公差計(jì)算。使用Creo軟件建立制動(dòng)鉗最大設(shè)計(jì)空間的三維模型,確認(rèn)制動(dòng)鉗設(shè)計(jì)空間及最大輪廓。其中,液壓缸體的尺寸需要根據(jù)實(shí)際尺寸來(lái)設(shè)計(jì),不需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,兩固定孔之間的距離要與制動(dòng)鉗支架上的固定孔之間距離相等,便于安裝固定。根據(jù)制動(dòng)盤(pán)尺寸、制動(dòng)片尺寸、制動(dòng)片背板尺寸,確定制動(dòng)鉗側(cè)壁和液壓缸之間的尺寸空間,制動(dòng)鉗的上部做弧形處理。

建立的制動(dòng)鉗初始幾何模型如圖2所示。

▲圖2 制動(dòng)鉗初始幾何模型

在初始幾何模型的內(nèi)部建立不需要?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)區(qū)域的模型,其中制動(dòng)鉗側(cè)壁需要保留的模型尺寸依據(jù)摩擦片的尺寸確定,固定孔上要保留的尺寸根據(jù)固定螺栓的連接頭最大尺寸確定。液壓缸模型整體需要作為保留模型,并對(duì)液壓缸內(nèi)的密封環(huán)槽做避空處理。制動(dòng)鉗模型處理如圖3所示。

▲圖3 制動(dòng)鉗模型處理

6.2 載荷和邊界條件

在Creo軟件的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模塊中,為模型指定起始幾何、保留幾何,添加載荷和約束。其中,指定透明部分為起始幾何,指定藍(lán)色部分為保留幾何。由于制動(dòng)鉗在制動(dòng)平衡時(shí)是靜止的,因此為兩個(gè)固定孔內(nèi)壁添加固定約束,為保留幾何添加33.736 MPa的均勻壓力,為油缸底部?jī)?nèi)壁添加15.5 MPa的均勻壓力。約束和載荷如圖4所示。

▲圖4 約束和載荷

6.3 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)結(jié)果

以最大化剛度作為設(shè)計(jì)目標(biāo),約束條件為鉗體軸向位移不超過(guò)2 mm。體積分?jǐn)?shù)上限30%,即去除材料不超過(guò)選定設(shè)計(jì)區(qū)域的30%[10-11]。幾何約束為優(yōu)化后的模型為具有2°拔模角的鑄造件,且以中間基準(zhǔn)面對(duì)稱(chēng)。制動(dòng)鉗材料為鑄鋼,材料的泊松比為0.28,楊氏模量為170 GPa,密度為7.8 g/cm3,拉伸屈服應(yīng)力為349 MPa。優(yōu)化最小尺寸單元為3.154 mm,共劃分為10 650個(gè)單元,經(jīng)過(guò)256次迭代。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

▲圖5 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)結(jié)果

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后的應(yīng)力云圖如圖6所示,軸向位移云圖如圖7所示。

▲圖6 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后應(yīng)力云圖▲圖7 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后軸向位移云圖

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后最大應(yīng)力為335 MPa,沒(méi)有超過(guò)材料的拉伸屈服應(yīng)力。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后軸向最大位移產(chǎn)生在側(cè)壁末端,為1.7 mm。鉗體兩側(cè)最大位移均未超過(guò)2 mm,表明制動(dòng)鉗強(qiáng)度符合要求。原制動(dòng)鉗的質(zhì)量為3.349 kg,創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后制動(dòng)鉗的質(zhì)量為2.512 kg,質(zhì)量減小25%。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Creo軟件建立了盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)鉗的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模型,確定了保留幾何、初始幾何,施加了載荷和約束條件,進(jìn)行了創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。

對(duì)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后的模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析,得到制動(dòng)鉗的應(yīng)力云圖和軸向位移云圖。分析結(jié)果表明,創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后滿(mǎn)足工況需要。

制動(dòng)鉗創(chuàng)成式設(shè)計(jì)大大降低了制動(dòng)鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度,提高了設(shè)計(jì)效率,使制動(dòng)鉗設(shè)計(jì)效率提高50%,得到的產(chǎn)品模型更能適應(yīng)不同加工方法的要求。