接触分析在鼓式制动器设计中的应用_图文

1、 万方数据70机械设计第26卷第3期表1制动器结构参数参数数值制动鼓半径r/m0.2摩擦村片宽度b/m O,13摩擦衬片包角(。117摩擦因数肛O.4摩擦衬片起始角or(o原结构35(31摩擦衬片厚度h/m0.015在促进力Pi的作用下,制动蹄绕轴线固定的支撑销张开与转动的制动鼓摩擦,产生制动力矩膨。其中i=1为领蹄,f=2为从蹄(下同。第i蹄的制动效能因数为:墨=慨/PfR(1效能因数表征了制动器作用半径上的摩擦力与输入力之比,是制动器结构优化设计的主要评价指标之一。在结构型式、摩擦因数确定的情况下,制动器效能因数由其本身结构参数决定。该模型属于等位移制动器,制动时两蹄对鼓的压紧程度相同,两

2、者产生的制动力矩基本相等”J。即:J|Ifl*M2(2将式(2代入式(1,可进一步写成:KIPIrnP2(3 3有限元模型3.1模型的建立模型中制动鼓、制动蹄、摩擦衬片采用ANSYS三维实体单元Solid45,制动蹄与摩擦衬片几何实体之间采用粘接的形式,以保持两者在材料不同的基础上连接面节点重合,制动鼓、制动蹄和摩擦衬片的装配如图4所示。制动过程中制动蹄与制动鼓之间存在相互挤压和摩擦。因此,在制动鼓与摩擦衬片之间可能接触的位置分别建立面接触单元来模拟蹄、鼓之间的相互作用。建模过程中,由于制动蹄与滚轮的接触不是研究重点,所以该局部区域可简化为三维刚性杆单元Link8构造的伞形杆系,如图5所示。为

3、节约计算资源,在忠于结构主要力学特性的前提下采取了以下简化措施:(1忽略功能性凸台、锪孔及检测孔、装配孔等。(2部分工艺性倒圆以倒角代替。豳4鼓式制动器有限元分析模型田5局部结构单元模型3.2边界条件约束制动鼓与轮鼓接触端面轴向位移,约束制动鼓与轮鼓螺栓连接位置节点径向位移,使制动鼓只有绕轴向旋转这一自由度。约束制动蹄与支撑销接触环面的径向位移及接触环面边缘结点的轴向位移,使制动蹄只有绕支撑销旋转这一自由度。3.3载荷分析考虑到在制动器结构参数、工作条件确定的情况下,单个制动器最大制动力恒定且领、从蹄制动力矩基本相等。为得到S型凸轮对蹄的实际促进力Pl,先计算制动器效能因素K。对制动蹄采用力加

4、载方式,使其可以跟随鼓的变形,始终保证蹄、鼓的接触,更符合制动器的真实工作情况,同时克服了以往模型中位移加载所带来的收敛性差、计算误差大的缺点1。对两制动蹄按实际作用力方向施以等促进力20kN,模拟蹄在促进力作用下压紧鼓;对鼓施加微小周向位移,模拟鼓的旋转。处理求解结果,通过建立单元表格提取各接触单元的单元摩擦应力(ANSYS单元表格中单元摩擦应力为单元平均应力及单元面积吼,则载荷下领蹄制动力矩为:肌=r荟以札(5从蹄产生的制动力矩为:坞2rI羞p(6式中:露一第k个接触单元。k=1,2,3,|时为领蹄上各接触单元。k=m+1。m+2。,n时为从蹄上各接触单元。将求得的肘。,鸩代入公式(1,计

5、算出在等促进力作用下两蹄的效能因素Ki=1.97,畅=0.49,代人式(3,可求得实际作用在两蹄的促进力Pl=7967N,P2=32033N。再以实际载荷Pi对两蹄重新加载,在工程许可的情况下圆整数据,对领蹄施以促进力8000N,从蹄施以促进力32000N。对鼓施以微小周向位移后进行求解。4结果分析ANSYS后处理中提供显示平均的节点应力及不平均的单元应力结果,前者通过对该节点周围单元结果平均后得到节点应力,而后者不对节点结果平均。相对而言,节点解对结果估计不足而单元解更为保守【7J。该计算结果采用节点解进行分析。图6所示为原结构(起始角a=35。两蹄在等促进力作用下张开而鼓未转动时衬片的接触

6、压力分布状况。将制动蹄看成一弯曲梁,支撑销的约束为梁的铰接点。制动蹄加载促进力时由于杠杆效应,最大压应力将出现在远离铰接点处。因此,该模型高压力区出现在两蹄靠近凸轮衬片末端。从蹄促进力垂向分量P花(如图3所示向上,造成该衬片末端与鼓的挤压较领蹄更为显著。鼓受挤压后也产生变形,导致靠近支撑销端衬片与鼓发生接触,村片其余部分基本无接触。图7所示为原结构在实际促进力P。和P2作用下,鼓转动后两蹄接触压力的分布状况。鼓转动时对衬片的摩擦分力使领蹄向鼓靠紧产生增势效应,从而使领蹄与鼓接触较为充分,领蹄最大接触压力位置由鼓未转动时的靠近凸轮衬片末端向下偏移,出现在离凸轮端约1/3衬片长度处,其值为3.44

7、 MPa。可以看到,领蹄衬片接触压力分布较为均匀。从蹄衬片所受摩擦分力五使其产生离开制动鼓的减势效应,而促进力垂 向分量P幢使从蹄呈张开趋势,致使最大压力出现在衬片靠近万方数据2009年3月杨国俊,等:接触分析在鼓式制动器设计中的应用7l 凸轮端部,其值为8.13MPa。领、从蹄靠近支撑销端衬片几乎未参与接触。以上压力分布规律与文献8】结果基本一致。再次通过提取单元表格数据,计算领、从蹄在实际促进力下的制动力,分别为15463N和15722N,两者基本相等,这表明以上仿真符合该制动器实际特性。田6等促进力下接触压力分布圈7实际促进力下接触压力分布图8所示为改进结构(起始角a=31。在实际促进力

8、下鼓转动后的接触压力分布状况。可以发现,n减小、摩擦衬片离支撑销距离增大后,一方面两蹄杠杆效应会增强,另一方面摩擦衬片布置位置的变化使鼓受到更大的向上挤压而产生相应的变形.这都使得靠近支撑销端衬片接触压力水平提高。即靠近支撑销端衬片会在使用过程中磨损加剧。此外,衬片呈现两端接触状态【9J,这有助于在制动过程中维持蹄与鼓的接触,从而缓解因接触状态不稳定、制动力矩波动产生的制动跑偏及制动抖动、噪音现象。图中最大压力为10.856MPa,出现在从蹄衬片靠近凸轮端。由于a减小后此处衬片与鼓的挤压增强。造成局部压力有一定增大,这可能会导致制动器局部过载、温度过高的情况。鉴于目前国内长途作业货车基本都装有

9、制动鼓水冷却系统,可极大缓解制动温升过高产生的热衰退现象,因此,减小初始角n对制动产生的负面影响在一定程度上可以忽略。通过抽取单元表格各接触单元的单元摩擦应力及单元面积。求得两蹄效能因素K。=2.30,墨=0.56,相对原结构领蹄效能提高17%,从蹄提高14%。这表明当初始角n在一定范围内变化时,随着其减小,从蹄和领蹄的效能因数都会有效增大,这对提高制动器制动效能有积极作用。田8改进结构在实际促进力下接麓压力分布5结论采用ANSYS对不同衬片初始角的两鼓式制动器进行了有限元计算,分析了初始角变化对制动器接触状态及制动性能的影响,根据分析结果,对该类制动器得出如下结论:(1在一定范围内减小摩擦衬

10、片起始角,领、从蹄效能因数都有效增大,这对提高制动效能有积极作用。(2起始角减小后,衬片接触状态发生变化,靠近支撑销端衬片会更充分地参与接触,这有助于维持制动状态的稳定,减少制动力矩波动,从而提高制动稳定性,减少由此产生的制动噪音。(3起始角减小后,从蹄靠近凸轮端衬片与鼓的挤压效应增强,最大接触压力增大,这有可能会导致制动器温升过高产生热衰退现象,而制动鼓水冷却系统可有效缓解这一不利影响。(4基于有限元技术的接触分析为提高制动器效能因数,改善制动性能提供了依据。9】参考文献冯文涛.鼓式制动器效能因数计算模型的研究J.农业与技术,2005,25(2:189191.吕振华,韩文明.鼓式制动器摩擦副

11、压强不均匀性分析与评价J.汽车工程,2004,26(1:90-93.龚微寒.汽车现代设计与制造M.北京:人民交通出版社,l鲫15.王涛,朱文坚.摩擦制动器M.广州:华南理工大学出版社,19912.陈家瑞.汽车构造M】.北京:人民交通出版社,1997.吕振华。亓昌.蹄一鼓式制动器热弹性耦合有限元分析J.机械强度。2003。25(4:401407.祝效华,余志祥.ANSYS高级工程有限元分析M.北京:电子工业出版社。2004.Holunann C,Schiffner K,Oertcr K,et a1.Contact analysis for drumbrakes and disk brakes u

12、8iI蟾ADINACJ.Computers and Structures,1999。72:185198.张黎骅.鼓式制动器对制动跑偏的影响分析J.农机化研究,2005(4:254256.AppHcation of contact analysis in the design ofdrum typed brakeYANG Guo-junl.U Weipin92(1.Department of Automotive Engineering,C.uangxi Institute of Technology,Liuzhou545006,China;2.College ofMechanical and

13、Automotive Engineering,Hunan Univ.,Chnngsha410082, chinaAbstract:By adopting the finite element analyticalsoftware ANSYS a finite element simulation of contact8n脚between friction-al facing of drum typed brake and braking drum has been carried out.-11他loading insnner of actual promotional force has b

14、een adopt-ed while simulating the process of brakeshoe compresses the brake drum。and useful information of contact.sUes8field and efficiency 1J1J1J1J1J1J1J1Jn心口M口 哺万方数据 万方数据 接触分析在鼓式制动器设计中的应用作者:杨国俊, 李伟平, YANG Guo-jun, LI Wei-ping作者单位:杨国俊,YANG Guo-jun(广西工学院,汽车工程系,广西,柳州,545006, 李伟平,LI Wei-ping(湖南大学,机械与

15、汽车工程学院,湖南,长沙,410082刊名: 机械设计英文刊名:JOURNAL OF MACHINE DESIGN年,卷(期:2009,26(3被引用次数:0次参考文献(9条1.冯文涛鼓式制动器效能因数计算模型的研究期刊论文-农业与技术 2005(022.吕振华.韩文明鼓式制动器摩擦副压强不均匀性分析与评价期刊论文-汽车工程 2004(013.龚微寒汽车现代设计与制造 19954.王涛.朱文坚摩擦制动器 19925.陈家瑞汽车构造 19976.吕振华.亓昌蹄-鼓式制动器热弹性耦合有限元分析期刊论文-机械强度 2003(047.祝效华.余志祥ANSYS高级工程有限元分析 20048.Hohman

16、n C.Schiffner K.Oerter K Contact analysis for drum brakes and disk brakes using ADINA 19999.张黎骅鼓式制动器对制动跑偏的影响分析期刊论文-农机化研究 2005(04相似文献(10条1.期刊论文万长东.WAN Chang-dong基于有限元的鼓式制动器强度分析-苏州市职业大学学报2009,20(4应用有限元法与结构力学理论,建立了汽车制动器有限元模型,并进行受力分析和制动工作过程的模拟.结果表明,该制动器在强度设计上满足要求.2.学位论文毛智东鼓式制动器的三维有限元模拟及分析2002该课题在传统的经验设计

17、的基础上,运用有限元工程分析软件ANSYS5.7对鼓式制动器进行模拟仿真,发展了一套从鼓式制动器三维实体造型、有限元网格自动划分到有限元分析计算、改进设计等全部过程的应用方法.以重型越野车的鼓式制动器作为研究对象,在建立了相应的结构模型后,根据载荷划分的三个载荷步进行了有限元计算分析.随即,就制动时的受力与传热进行了三维有限元计算研究,模拟出鼓式制动器三维温度场、三维应用力场及基础压力分布的数据,得出相应的分布规律.同时,通过与传统的分析假设进行对比,弥补了理论设计的不足,获得了良好的效果.最终归纳出重型越野车鼓式制动器的精确制动状态.3.期刊论文蔡旭东.蒋伟康鼓式制动器噪声机理及对策研究-汽

18、车工程2002,24(5归纳了鼓式制动器噪声研究现有方法、成果及存在问题.通过台架试验分析某型鼓式制动器制动噪声频率特性以及制动噪声不同频率成分的发生概率,并用有限元模态分析及试验模态分析,研究了制动噪声与制动器零部件固有频率之间的关系.发现5001000Hz范围的制动噪声可能与制动鼓、制动蹄及制动底板的相互作用有关.提出了制动底板加质量块及阻尼垫片的降噪方案.4.学位论文蔡旭东鼓式制动器噪声机理与对策研究2002汽车制动器通常分为盘式制动器和鼓式制动器两种.鼓式制动器作为一种简单、可靠、低成本的制动器在低排量乘用车和大排量商用车中有广泛的应用.该文主要研究鼓式制动器的噪声问题,通过有限元分析

19、及振动模态试验分析,提出降低制动噪声的措施,并验证了措施的有效性.该文首先通过对国内外制动器噪声研究的综述,突出了制动器噪声研究的方法、主要成果及存在问题.其次,根据客户道路试验的结果确定了鼓式制动器噪声研究的主要频率范围.采用惯性台架对鼓式制动器进行噪声试验.根据台架试验的结果,总结了制动循环的温度分布,每次制动的最大声压级及相应的频率范围,分析了制动噪声(大于70dB的发生频次及频率分布,确认噪声研究的重点频率范围为5001000Hz.通过台架试验,建立了制动噪声发生频次的比较基准.5.期刊论文杨国俊.谷正气.李伟平.YANG Guo-jun.GU Zheng-qi.LI Wei-ping

20、有限元分析在鼓式制动器设计中的应用-机械设计与制造2007(4采用有限元分析软件ANSYS对鼓式制动器摩擦衬片与制动鼓之间的接触应力进行了有限元仿真.在模拟制动蹄压紧制动鼓过程中采用以实际促进力加载方式,较为精确地得出了接触应力场及效能因数等有用信息,为进一步改进制动器结构设计提供了依据.6.学位论文陈兴旺鼓式制动器制动温度场的研究2006论文针对公路特殊路段制动热失效的道路交通事故特点,主要研究了在长大下坡路段不同载荷、不同车速下坡行驶时制动器的温升规律,以期为装有鼓式制动器的车辆在长大下坡路段制动安全行驶预测及长大下坡路段的路面线形结构的改善提供一定理论依据。论文首先通过对陕西境内咸永一级

21、公路马家坡路段、蓝小路路段行驶车辆进行了调查分析,得到了陕西境内山区公路行驶较多的货车为EQ1208,选用EQ1208后桥鼓式制动器作为论文研究对象,从传热学出发,研究了鼓式制动器的生热、散热过程。应用有限单元法建立制动鼓温升有限元模型,借助虚拟样机技术软件ANSYS对制动鼓在多种制动工况下的温升过程进行了数值模拟,得出制动鼓制动温度场的分布状况。建立了EQ1208后桥制动器制动控制驱动系统试验装置,通过台架制动器试验验证了鼓式制动器温升模型的准确性。建立了时间-温度-功率的数学模型,通过MATLAB软件编制了在给定制动时间、制动功率下的制动鼓温升应用程序。对车辆常用制动工况下制动器的温度场进

22、行了数值仿真分析,定量分析了装载质量、车速、道路坡度的变化对制动器温升的影响,随着装载质量的增加,制动过程中,制动鼓的温升会迅速加快;随着制动初始车速的增加,不论是紧急制动、重复制动还是匀速下坡制动,在其它条件不变的情况下,制动鼓温度会迅速增加;路面坡度对制动鼓温度影响较大,在匀速下坡过程中,随着坡度的增加,制动鼓的温度会迅速升高。7.期刊论文郭应时.付锐.杨鹏飞.袁伟.GUO Ying-shi.FU Rui.YANG Peng-fei.YUAN Wei鼓式制动器瞬态温度场数值模拟计算 -长安大学学报（自然科学版）2006,26(3 依据传热学理论和鼓式制动器的结构特点,分析了鼓式制动器的生热和散热过程,并用有限元法建立了制动鼓瞬态温度场数值模拟计算模型.以 EQ1092货车后轮鼓式制动器为研究对象,运用ANSYS软件对其制动鼓在持续制动工况下的温升过程进行了数值模拟计算,得出了制动鼓的温度场的三维分布 状况,分析了瞬态温度场的变化情况.经过试验验证,计算结果与实测值误差在20%以内. 8.期刊论文 王良模.彭育辉.曾小平 双向自增力鼓式制动器有限元模型的建立与分析 -南京理工大学学报 2002,26(5 通过对双向自增力鼓式制动器的受力分析,建立了其关键受力部件后蹄板的力学模型.应用大型的