基于ANSYS汽车鼓式制动器的有限元分析

《装备制造技术￣２０１６年第１　１期　基于ＡＮＳＹＳ汽车鼓式制动器的有限元分析　佟廷友　（江苏安全技术职业学院，江苏徐州２２１０００）　摘要：制动器是制动系统中最重要的组成部分之一，它是产生制动力矩的部件，建立某汽车鼓式制动器三维实体模型，　基于ＡＮＳＹＳ对制动器进行考虑摩擦因素的接触分析。分析紧急制动工况下鼓式制动器的接触应力和变形，并进行结构　参数优化。　关键词：鼓式制动器；ＡＮＳＹＳ；接触分析　中图分类号：Ｕ４６３．５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１６）１１—０２３７—０３　鼓式制动器是利用制动蹄片挤压制动鼓而获得　制动力的，可分为内张式和外束式两种内张鼓式制　动器是以制动鼓的内圆柱面为ｌＴ作表面，在现代汽　车上广泛使用，它的制动蹄块位于制动轮内侧，在刹　车的时候位于制动鼓内的制动蹄块在一端受到促动　力时，可绕其另一端的支点向外转动，压靠在制动鼓　内网而上，产生摩擦力矩，达到刹车的目的。　的简化：忽略实体模型中的凸台、ｚＪ，￣Ｌ、倒角、安装孔　以及间隙检测孔这些元素，部分１＝艺倒圆以倒角代　替，以满足映射网格划分条件。在ＡＮＳＹＳ中创建实　体建模，因为ＡＮＳＹＳ／Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ分析时对象是装配　体，因而需要把各个零件组装成一个完整的装配体Ｉ　，　如图１所示。　鼓式制动器一般包含以下几个装置：促动凸轮、　制动蹄、摩擦片和制动鼓，这种制动器结构紧凑，密　封容易，可用于安装空间受限制的场合。鼓式制动器　按制动蹄的受力情况不同，可分为领从蹄式、双领蹄　式、双从蹄式、自增力式等类型，领从蹄式制动器制　动效能比较稳定，结构简单可靠，便于安装，广泛用　作货车的前、后轮制动器和轿车的后轮制动器。　鼓式制动器的制动力稳定性差，在不同路面上　■■●■■■－——■■●■■■●『—一　制动力变化很大，不易于掌控。制动块和轮鼓在高温　影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰　５０（Ｋ）　ｌ５０（Ｍ）　图１　ＡＮＳＹＳ／Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的制动器模型　退和振抖现象，引起制动效率下降Ｉ　１。汽车高速行驶，　汽车制动系统是最重要的安全装置，很多交通事故　产生的主要原　都和制动系统有关。因此对制动制　动器进行深入研究具有十分重要的意义．本文以某　１．２定义材料属性　鼓式制动器是Ｆ｝１制动鼓、制动蹄以及摩擦片组　成，需要定义的各部分材料物理参数如表ｌ所示。　表１制动器各零件材料的属性定义　汽车鼓式制动器进行了接触分析并进行结构参数优　化得到了良好的接触形态。　１有限元模型的建立　１．１建立几何模型　１．３创建约束与接触设置　摩擦片是通过多个铆钉铆接在制动蹄上面的，　因而定义制动蹄与摩擦片内表面的接触类型为粘　结，即不允许面之间有相对滑动或分离。对于摩擦片　为缩短建模以及结果求解的时问，突出主要的　问题，在建立制动器的几何模型时，对模型进行适当　外表面与制动鼓内表面，定义其接触类型为有摩擦，　收稿日期：２０１６－０８一ｌ８　作者简介：佟迂友（１９８０一），男，江苏徐州人，在职研究生．讲师，研究方向：车辆Ｔ程。　２３７　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．１　１，２０　１　６　在这种情况下，在发生相对滑动之前，两接触面可以　通过接触区域传递一定数量的剪应力，取两个面之　，制动蹄如图３，制动蹄在第一载荷步中的位移　其变形区域也集中在两蹄靠近凸轮的上半部分，制　动蹄的下半部分几乎没有位移形变，最大形变出现　在制动蹄的顶端部位。　Ａ：Ｓｔａｔｉｃ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ（ＡＮＳＹＳ）　间的摩擦因子为０－３．并根据定义目标面和接触面的　基本原则ｌ３Ｉ，综合考虑选取制动鼓内表面为目标面，　摩擦片摩擦面为接触面　Ｔｏｔａｌ　Ｄｅｌｂｒｍａｔｉｏｎ　ｚｈｉｄｏｎｇｔｉ　Ｔｙｐｃ：Ｔｏｔａｌ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｕｎｉｔ：ａｍ　ｒＴｉｍｅ：ｌ　２ｎｌ５／３１５　Ｉ＾　ｌ　在模拟制动器Ｔ作时，选取制动蹄销孑Ｌ内圆面　为约束目标，只定义一个绕轴线转动的自由度，其他　转动与位移自由度都为零；同时选取制动鼓的内网　面为约束目标，定义一个绕轴线转动的自由度，其他　转动与位移自南度也都为零。　１．４网格的划分　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　寸以得到较精确的分析结果　最终，　确定网格的』　寸为３　ｌｌｌｍ，这样划ｍ的网格较为规　整、细密　、　图３第一载荷步制动蹄位移　如图４，为第一载荷步下制动蹄应力图．高应　力　ｍ现在两制动蹄靠近凸轮端环面。应力最大值　为１２５．５４　ＭＰａ，小于制动蹄材料的屈服强度。　Ａ：８１ａｔｉ￣Ｓｔｒｕｔｔ［ＬＩｒ￣ｌＩ（ＡＮＳＹＳｌ　Ｉ＇ｔ￣ｌａｌ　Ｉ）Ｐｆｏｒｔｎａｔｉｏｎ　ｚｈｉｄｏｎｇｔｉ　１　：Ｅ　ｌ“…　ｎｌ　…Ｍ　－Ｈ】Ｓｉｒ＊。ｓ　Ｉ　ｎｉｔ：ＭＰａ　；５　３　８　５　３　２等作用力仿真结果的分析　口＿ｒ，『１＿ｒ　●］　—一　２．１创建载荷分析步　鼓式制动器在Ｔ作时，制动鼓是转动的，制动ｓ　７　潞　”　ｍ　～　ＲＩ＇ｉｍｒｌ　２ｆ１１　Ｓ，　ｌ＾：４１１　凸轮的Ｔ作带动制动蹄，摩擦片压迫制动鼓。为了能　够更好的模拟制动过程，求解过程共分两个载荷求　解步：第一载荷步，定义制动鼓同定，对制动蹄施加　凸轮促动力，模拟ｍ制动鼓在不转动时各个零件的　网　日　嚣２５．５４９　　‘　日．日　９７　３；　曰：：１．　８　２ｊ　…目　５３６．９　２；　ＯＩ７　．位移、应力等情况。第二载荷步，定义对制动鼓施加　小的转角位移，模拟摩擦制动时的情况，求解｝　此时　＿　＿８。．　１　Ｉ　Ｏ　２０６２２　Ｍ　０００　ｌ００Ｏｏ（ｍｉｌｌ　各零ｆ＇ｔ：￣ｔ９位移、应力等情况。　２－２等作用力下第一载荷步结果　图４第一载荷步制动蹄应力　按照实际作用力的方向对两制动蹄分别施加１２　ＫＮ的作用力，模拟制动蹄在凸轮作用下的张开过　程。如图２，为载荷施加效果。　＾：Ｉｈ￣ａｒｉｎｇ　Ｉ　ＩＨＩｌ：１２０００Ｎ　ｌ｛：Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｌｏａｄ　２：Ｉ２｛｝００Ｎ　‘　（３）接触压力　图５为第一载荷步后，接触压力分布情况，Ｆ｝１于　两制动蹄受到的作用力相等，方向相反，所以可以知　道两边摩擦片上的压力分布相似，接触压力主要发生　在衬片靠近凸轮端，腰部衬片基本上未参与接触。最　大压力发生在靠近凸轮端的顶部，大小为５６．５３　ＭＰａ．　＾：Ｓｔｍ¨Ｓｔｎｌ￣ＩＩＩｍｌ　ＩＡＮＳ　Ｓｌ　Ｔ，，ｔａＩ　Ｉ｝ｅｆ，ｍｎａｔＩ　４｜１　ｚｈ１．１ｔ，ｎ　ｉ　ｌＩ、Ｉ｜　Ｅｑｕｉｖａｈｔｌ１　ｆｖ・＇ｌｊ—Ｍｉｓ　ｌ　ｓｔｎ　Ｌ　ｎｉｔ：ＭＰａ　Ｉ’ｌｌｌｔ　】　图２作用力作用在制动蹄　巨　。　ｌ＿＿　对制动蹄施加等作用力的仿真结果如下：　２３８　‘’　。　５０　Ｏ０　”　图５第一载荷步接触压力分布　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．１　１，２０１６　参考文献：　［４张４］杰，孙继华．ＣＤＩＯ教育模式在高校创业人才培养中的　［１】李平等．从行业特色大学宜向创业型大学转型［Ｎ】．黑龙江日　应用［Ｊ］．文教资料，２０１３，（１８）：９６—９７．　报，２０１０—４—１２（０１２）．　【５】吕华芹．基于Ｅ—ＣＤＩＯ的工程类大学生新型创业教育模式　［２】李美莲．基于ＣＤＩＯ工程教育理念的电子信息工程专业人　研究［Ｊ１．中国大学生就业，２０１４，（０６）．　才培养［Ｊ］．佳木斯教育学院学报，２０１４，（５）：１３５—１３９．　［６】孙雷．电子设计竞赛深化电子信息实验教学改革的探索　［３王天宝，３］程卫东．基于ＣＤＩＯ的创新型工程人才培养模式研　究与实践［Ｊ］．高等工程教育究，２０１０，（１）：２５—３１．　［Ｊ］．科技信息，２０１３，２３２（４）：１９．　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　Ｅｎｔｒｅｐｒｅｎｅｕｒｓｈｉｐ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＤＩＯ　ＳＵＮ　Ｌｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｈａｉ－ｒｏｎｇ　（Ｈａｉｋｏｕ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｈａｉｋｏｕ　Ｈａｉｎａｎ　５７　１　１　２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｔｒｅｐｒｅｎｅｕｒｉａｌ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ＣＤＩＯ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｓｃｈｅｍｅ．ｔａｋｅ”ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｂａｓｅ＋ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ＋ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ”ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｓｃｈｏｏｌ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｔｒａｉｎｉｎｇ，ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｔｒｅｐｒｅｎｅｕｒｓｈｉｐ　ｔｒａｉｎｉｎｇ，ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｇｏｏｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＤＩＯ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｔｒｅｐｒｅｎｅｕｒｓｈｉｐ　（上接第２３９页）　４制动器的参数优化　件ＡＮＳＹＳ／Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，进行制动器的接触分析。通过　对模型预加载的方法，仿真分析得出真实制动效能　改变摩擦片的其实摩擦角度，分别仿真ｉ９１４试制　因数，通过计算算出制动过程中的实际促动力，并仿　动鼓与摩擦片之间接触压力的分布情况。　真得到位移与应力分布特征，表明制动器的结构强　从表２可以看出，利用有限元软件计算出来的　度符合要求。基于仿真与理论的误差，对制动结构参　最大接触压力值会随着摩擦起始角的改变而不断变　数优化设计，优化后的结果明显更接近理论值。　化。当起始摩擦角０取４０。，即将摩擦片几何对称分　布时得到的最大接触压力最小。　参考文献：　表２不同摩擦片起始角对应的最大接触压力　［１］张莉莉，姜继文．汽车底盘构造与维修［Ｍ】．北京邮电大学出　摩擦起始角，（。）　最大接触压力，ＭＰａ　版社，２０１４，５．　３２．５。　７３．０６ｌ　『２刘２１伟，高维成，于广滨．ＡＮＳＹＳ　１２．０宝典【Ｍ】．北京：电子工　３５．０。　６３．１９５　３７．５。　６１．７６８　业出版，２０１０，０７．　４０．０ｏ　４６．４１２　［３】杨国俊，李伟平．接触分析在鼓式制动器设计中的应用［Ｊ］．　４２．５。　６２＿３０２　机械设计，２００９（３）．　【４１叶先磊，史亚杰．ＡＮＳＹＳ工程分析软件应用实例【Ｍ】．北京：　５结束语　清华大学出社，２００３．　［５】张洪欣．汽车设计（第２版）［Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９８９：　建立制动器的有限元模型，采用有限元分析软　１３５．　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄｒｕｍ　Ｂｒａｋｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ　Ｂｕｓ　ＴＯＮＧ　Ｔｉｎｇ－ｙｏｕ　（Ｊｉａｎｇｓｕ　ｓａｆｅｔｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃａｒｅｅｒ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｒａｋｅ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａ　ｄｒｕｍ　ｂｒａｋｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｅ　ＡＮＳＹＳ　３Ｄ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｉｒｃｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｂａｓｅｄ　０ｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｈｅ　ｄｒｕｍ　ｂｒａｋｅ　ｕｎｄｅｒ　ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｒｕｍ　ｂｒａｋｅ；ＡＮＳＹＳ；ｃｏｎｔａｃｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ