某汽車制動器支架扭轉剛度有限元分析

薛亮++杜小芳

摘 要：為了驗證某汽車制動鉗支架扭轉剛度是否滿足設計要求，運用有限元方法對其進行了研究。用HyperMesh軟件建立了制動鉗支架有限元模型，用ABAQUS軟件模擬計算其扭轉剛度。對比有限元計算結果與目標值，結果表明，仿真值高于目標值。這說明，汽車制動鉗支架的扭轉剛度足夠。此分析為日后車輛制動器設計提供了理論依據。

關鍵詞：制動鉗；扭轉剛度；有限元；汽車制動器

中圖分類號：TH16；U463.51 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.078

汽車制動性能是影響汽車行駛安全的重要指標。制動鉗支架是轎車盤式制動器的一部分，它是汽車制動時制動力的承載者，但卻是一個容易被人忽略的部件。制動鉗支架的扭轉剛度是盤式制動器的重要力學性能指標，扭轉剛度過低，容易導致汽車制動時支架出現較大變形，制動力矩分配不均，制動噪聲過大，進而影響行車安全。在汽車設計中，試驗法是研究剛度的傳統方法，但是，隨著計算機輔助設計技術的成熟，越來越多的國內外專家在汽車設計中運用計算機仿真方來代替試驗法，從而降低成本，縮短設計時間，節省大量的資金。因此，本文對某汽車的制動鉗支架進行了有限元仿真模擬。

1 某汽車制動鉗支架介紹

浮動鉗盤式制動器的制動鉗和支架是滑動接觸的，制動鉗附著在支架上滑動，而制動摩擦片與制動鉗固定在一起。制動時，在液壓的作用下，活塞將摩擦片推至滑出，制動盤與摩擦片形成摩擦副，摩擦片對活塞的反作用力使制動鉗發生軸向滑動，最終使制動盤兩邊的壓力達到動態平衡。制動鉗支架的幾何模型如圖1所示。

2 扭轉剛度理論基礎

汽車在某些工況下制動時，制動鉗支架會受到繞安裝孔軸線轉矩的影響，使支架發生扭轉變形，受力情況如圖2所示。在此，可以用扭轉剛度評價結構抵抗這種變形的能力，具體計算方法是：假設卡鉗支架是一個直桿，并且具有均勻的扭轉剛度，然后根據材料力學教材中的公式計算扭轉剛度。卡鉗支架的扭轉剛度K（Nm/rad）計算公式為：

|K=Mt/α|. （1）

式（1）中：K為支架扭轉剛度，定義為扭矩與扭轉角度之比，Nm/rad；Mt為扭矩，Nm；α為扭轉角度，rad。

3 支架扭轉剛度有限元仿真

用有限元軟件HyperMesh為支架的幾何模型劃分網格，然后用ABAQUS軟件為模型添加約束和載荷，最后求解扭轉剛度。支架扭轉剛度的目標值為8 000 Nm/rad。

3.1 建立有限元模型

制動鉗支架的結構相對比較簡單，在CATIA中將幾何模型文件另存為HyperMesh可識別的中間數據格式，這里采用STEP格式，然后導入到HyperMesh軟件中對零件進行簡化處理。因為導向銷孔部分的結構對扭轉剛度的影響很小，所以，可切除導向銷孔部分的實體。然后對支架進行幾何清理，以方便劃分網格。因為制動鉗支架是鑄造件，形狀不規則，所以，可以采用四面體單元劃分，單元類型為C3D10M。制動器支架有限元模型包含節點數53 373個，單元數244 323個。支架有限元模型如圖3所示。

3.2 制動器支架材料

制動器支架的材料是HT500，在ABAQUS軟件中賦予線彈性材料特性。其中，楊氏模量E=1.75e+05 Mpa，材料泊松比λ=0.27，密度ρ=7.8e-09 T/mm3。

3.3 邊界條件

分別將安裝孔A，B上的單元通過“Coupling”命令耦合到A，B孔的中心位置，約束A安裝孔中心的全部自由度，對B安裝孔中心施加一個沿AB軸向、大小為1 000 Nm的扭矩。具體的邊界條件如圖4所示。

3.4 結果分析

用ABAQUS軟件提交相關計算求解，并在Visualization模塊中分析結果。將B安裝孔中心的扭矩作為Y軸，角位移作為X軸繪制扭矩—角位移曲線，曲線的斜率即為扭轉剛度，具體如圖5所示。

利用式（1）計算得支架的扭轉剛度K=9 523 Nm/rad，高于目標值，符合設計要求。支架應力云圖如圖6所示。