基于ANSYS Workbench的盤式制動器主要零件靜力分析

侯天琦

摘 要：盤式制動器的主要零件的強度和剛度直接決定了制動系統是否有足夠的可靠性，是滿足汽車安全的最重要指標。本文利用ANSYS Workbench，對盤式制動器主要零件進行結構靜力學分析，對強度和剛度進行驗證。

關鍵詞：有限元；靜力分析；剛度；強度

1.靜力學方程

結構靜力學分析通常用來分析在給定靜力載荷作用下的響應。通常情況下，一般研究的是結構的位移、約束反力、應力以及應變等參數。

忽略阻尼和慣性對系統的影響，假設結構的加載和響應隨時間變化不大，利用ANSYS Workbench中自帶的Mechanical模塊設置結構靜力分析選項，然后運用ANSYS求解器進行求解計算。

一般的，靜力學分析方程為：

[K]{u}={F}

其中，[K]是剛度矩陣，{u}是位移矢量，{F}是靜載荷。在分析中，不考慮動載荷對系統的影響，忽略阻尼和慣性。假設材料為彈性材料，結構總體變形可忽略不計，那么[K]即為常量。

在對結構靜力學進行分析時，通常采取的步驟為：建立分析系統、定義材料基本參數和屬性、建立幾何模型、明確連接關系、進行網格劃分、施加載荷和約束、進行求解和后處理。

2.初始參數和有限元模型的建立

在建立有限元模型之前，要先定義各部分之間的接觸關系，這些關系包括：制動鉗體與油缸、制動鉗體與支架、油缸與摩擦片、制動卡鉗與摩擦片、制動盤兩側與兩個摩擦片。

經由計算可得，油缸底面的載荷為1.7MPa，制動盤體表面施加壓力為25MPa。給制動器端面和中心孔施加全約束。

盤式制動器主要零件參數見上表。利用Pro/E軟件進行建模，再導入ANSYS Workbench中。

3.主要零件靜力學分析結果

（1）油缸。在ANSYS Workbench平臺建立靜力學分析模塊，然后導入油虹的有限元靜力學模型，并對其進行網格劃分。材料屬性為結構鋼，彈性模量為2. 1E11，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。對油缸開口端面施加X方向的約束，載荷大小為1.7E6Pa；對缸體外壁施加Z方向約束，載荷大小為1MPa。

經加載后，變形最大的部分為油缸底部中心處，為0.011061mm，實際制動工作中可以忽略不計。應力最大的部分為油缸底部邊緣倒角處，底面中心變形較大，最大應力值為30.825MPa，缸體材料的最大屈服強度242MPa，滿足工作要求。[1]

（2）制動盤。在ANSYS Workbench

平臺建立靜力學分析模塊，然后導入油虹的有限元靜力學模型，并對其進行網格劃分。材料屬性為結構鋼，彈性模量為1.75E11，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。對盤體外端面施加X方向的約束，對輪轂面施加Y方向和Z方向的約束，載荷大小均為25MPa。

經加載后，變形最大部分為制動盤邊緣處，為0.019207mm，越靠近安裝中心孔變形越小。應力最大的部分在制動盤摩擦面邊緣，最大應力值為262.83MPa，制動盤材料的最大屈服強度345MPa，滿足工作要求。[2]

（3）摩擦片。在ANSYS Workbench

平臺建立靜力學分析模塊，然后導入油虹的有限元靜力學模型，并對其進行網格劃分。材料屬性為結構鋼，彈性模量為3.4E8，泊松比為0.25，密度為2600kg/m3。對摩擦片緣施加X方向和Y方向的約束，載荷大小均為25MPa。

變形最大部分在摩擦片與制動盤接觸側邊緣處，最大值為0.0015938mm，越靠近中心變形越小。應力最大處摩擦片在摩擦一側邊緣，最大應力值為43.187MPa。對于汽車制動摩擦片我國的標準為60—90 MPa，所以本摩擦片滿足工作要求。

本文利用ANSYS Workbench，對盤式制動器主要零件進行了結構靜力學分析，包括制動盤、支架、鉗體、摩擦片，用Pro/E軟件進行三維建模，對油缸、制動盤和摩擦片進行了有限元分析，對其進行強度和剛度驗證，分析結果完全滿足設計要求。

參考文獻：

[1]施瑞康，張德林.汽車制動器制動效能因數計算及結果分析[J].汽車技術，2005（06）.

[2]徐榮濱.多盤摩擦式液壓制動器的設計計算[J].液壓氣動與密封，2009（03）.

（作者單位：大連大學機械工程學院）