基于摩擦接触关系的蹄式制动器制动性能优化

基于摩擦接触关系的蹄式制动器制动性能优化

评估车辆锁的主要指标是锁的效率及其连续性，以及锁的方向稳定性。单自由度蹄式制动器摩擦片压力分布不均匀性问题突出,严重影响了车辆的制动性能,甚至影响了摩擦片的使用寿命。目前,关于单自由度蹄式制动器摩擦片压力分布的研究,多为针对某一具体的蹄式制动器进行有限元分析,发现摩擦片接触压力分布规律并不完全符合余弦分布规律,尚缺乏对摩擦片压力分布规律的影响因素以及如何改善不均匀性等问题的探讨。因此,对单自由度制动器的摩擦片接触压力分布规律及其优化进行研究有一定的必要性和理论意义。本文利用ANSYS/Workbench软件对某一具体双领蹄制动器的制动过程进行模拟,分析制动鼓与摩擦片之间的压力分布,并与理论余弦分布规律进行对比分析。通过优化制动器的结构参数,获得良好的制动性能。1制动鼓与摩擦片间的接触压力依据制动时各部件之间的相互约束关系和主要力学特性,建立蹄式制动器有限元模型时,需要建立制动鼓、制动蹄和摩擦片3部分模型。本文测试制动鼓与摩擦片之间的接触压力,未测试制动器的应力、形变,所以去除结构尖角和圆角不会对接触压力的仿真结果产生较大影响。模型的简化既能确保一定的分析精度,又可以提高网格划分和计算的速度。本文利用UGSNX5.0建立蹄式制动器的三维实体模型,然后通过通用接口以*.x_t的格式导入ANSYS/Workbench软件中。1.1网格尺寸划分利用ANSYS/Workbench软件自动划分网格功能,根据零件几何形状自动匹配合适的网格类型,反复修改网格尺寸以得到较精确的分析结果。制动鼓和制动蹄网格自动利用高精度10节点四面体Solid186进行划分,网格尺寸为6mm。摩擦片网格自动利用高精度20节点六面体Solid187进行划分,网格尺寸为3mm。共划分30310个节点,80626个单元,如图1所示。定义制动鼓、制动蹄和摩擦片的材料属性,见表1。1.2制动鼓内表面为目标面模型中共有4对接触对,通过接触单元Targe170和Conta173进行模拟。根据定义目标面和接触面的基本原则,综合考虑选取制动鼓内表面为目标面,摩擦片的摩擦面为接触面,接触类型为摩擦接触,摩擦因数为0.3;摩擦片的非摩擦面为目标面,制动蹄外表面为接触面,制动蹄与摩擦衬片之间采用绑定连接,以保持二者在材料不同的基础上连接面结点重合。模拟制动器工作时的边界条件:选取制动鼓的底面为约束目标,将其固定;选取制动蹄上的销孔内圆面为约束目标,放开X方向的转动自由度,其他方向的移动和转动自由度为0。1.3制动鼓间间隙的消除制动器为双领蹄液压驱动,两制动蹄所受轮缸活塞推力大小相等,方向相反。模型中摩擦片与制动鼓之间存在0.4mm间隙,过大的间隙易导致求解时发生刚体位移,影响计算的精确度。因此采用两步载荷进行加载,如下:第1载荷步:给制动蹄加一小转角,使摩擦片与制动鼓接触,以消除间隙。第2载荷步:在制动蹄的受力端施加7000N的促动力,模拟制动蹄压紧制动鼓的过程。2摩擦片压力分布特性本文研究的制动器摩擦片起始角为44.50°,摩擦片包角为106.00°,如图2所示,制动鼓与摩擦片之间的最大压力为57.344MPa。最大压力在靠近摩擦片受力的一端,其两端的压力较小,摩擦片的压力分布并不连续。单自由度的领蹄摩擦衬片径向压力理论公式为:式中:p1为任一点的压力;pmax为最大压力;α表示铰接点与最大压力点之间的角度。利用理论公式画出理论曲线图,pmax取57.344MPa。基于ANSYS/Workbench软件的分析结果,沿摩擦片圆周方向每隔12°测试横向压力并取平均值,将压力平均值对应摩擦片上的角度位置做成曲线,并将二者进行对比,如图3所示。通过对比可以看出,利用有限元软件分析得到的摩擦片压力分布规律不完全符合余弦分布规律,摩擦片上的接触压力峰值过大且较集中。为减小因个别单位面积上压力过大而造成摩擦片的磨损,有必要对制动器结构参数进行优化。3动鼓与摩擦片接触压力分布蹄式制动器的结构参数相互关系如图4所示,β为摩擦片起始角,α为摩擦片包角。影响摩擦片接触压力分布的因素主要有:摩擦片起始角β、摩擦片包角α、铰接点位置和摩擦片宽度等。为了尽可能少变动设计参数而又达到明显的优化效果,针对摩擦片起始角进行优化。原始模型的摩擦片起始角为44.50°,摩擦片包角为106.00°,根据制动器结构参数相互关系可知,摩擦片非几何对称分布。当摩擦片几何对称分布时,摩擦片起始角为37.00°。现对摩擦片起始角角度做以下几种改变,分别测试制动鼓与摩擦片之间的接触压力分布情况。以37.00°和44.50°为起始角等差数列的第2和第4个数,以3.75°为公差,得到起始角等差数列33.25°、37.00°、40.75°、44.50°和48.25°。对不同摩擦片起始角的制动器进行有限元分析,得到最大接触压力值,见表2。从表2可以看出,利用有限元软件测试的摩擦片接触压力峰值随着摩擦片起始角的不同而有所改变。当起始角为37.00°时,即摩擦片几何对称布置时,测试出接触压力峰值相比于其他非对称布置时的压力峰值明显降低,且接触压力的最大值相对于起始角为44.50°的初始模型减小了约30%。基于摩擦片压力分析结果,沿圆周方向每隔12°测试压力并取平均值,将压力平均值对应摩擦片上的角度位置做成曲线,得到5组不同起始角位置的压力分布对比曲线,如图5所示。从图5可以看出,摩擦片非几何对称布置时,接触压力峰值过大且较集中,压力分布情况不完全符合余弦分布规律。当摩擦片起始角为37.00°时,即摩擦片几何对称布置,接触压力峰值明显降低,制动鼓与摩擦片之间的接触压力分布曲线较为平滑。利用有限元分析软件测试37.00°起始角位置时摩擦片接触压力分布情况,如图6所示。基于ANSYS/Workbench软件的分析结果,沿摩擦片圆周方向每隔12°测试横向压力并取平均值,将压力平均值对应摩擦片上角度位置做成曲线。利用理论公式做出理论曲线图,取pmax=38.645MPa进行对比,如图7所示。从图7可以看出,起始角为37.00°时,即摩擦片几何对称布置,利用有限元分析软件得到的接触压力分布规律基本符合理论公式得到的余弦分布规律。4压力分布规律利用有限元软件对单自由度蹄式制动器摩擦片接触压力进行了理论分析,得出如下结论:(1)利用ANSYS/Workbench软件建立了单自由度蹄式制动器模型,测试摩擦片起始角为44.50°时制动鼓与摩擦片之间的接触压力,压力分布规律并不完全符合理论余弦分布规律,接触压力峰值过大且