SGA3723礦用自卸車盤式制動器多目標優化設計

成林，隋美麗，王茂美，王谷娜

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

引言

制動器是汽車制動系統的重要組成部分，對汽車的制動性能有至關重要的影響。車輛高速狀況下進行緊急制動的狀況日益增多，這對制動器提出了新的要求，即在高速狀況下緊急制動時，摩擦副升溫不能過高，以免發生熱衰退現象，降低制動效能[1～2]。當今車輛制動系統的設計中，盤式制動器因其自身的許多優點被越來越多的使用，目前許多自卸車也開始采用盤式制動器。

本設計針對首鋼重型汽車制造廠 SGA3723自卸車盤式制動器，如圖1所示，以制動減速度、熱衰退率、熱恢復率差、材料成本、加工成本為優化目標進行多目標優化設計。

圖1 SGA3723盤式制動器三維模型

1 多目標優化設計數學模型

文獻[3]提到，在機械零部件和系統的優化設計中，經常要求不止一項指標達到最優，而是要求多項指標（如經濟性、使用性能、強度、剛度等指標）都同時達到最優。像這種在優化設計中同時要求幾項指標達到最優值的問題稱為多目標優化設計問題。

如果根據設計準則可以建立t個分目標函數，則構成多目標優化設計的數學模型一般表達式為：

2 盤式制動器優化目標與權重分配

2.1 優化目標

（1）制動減速度最大

式中 FZ——作用在制動盤上的制動力；

m1——汽車總質量；

β——制動力分配系數。

（2）熱衰退率最小

式中 Mp——不考慮溫度影響的基準制動力矩；

min M(i)——考慮溫度影響的多次制動過程中制動力矩的最小值；

Rzp——制動盤有效半徑；

μ0、μ(T)——分別為摩擦因數的均值和在溫度T時的摩擦因數，μ(T)通過對摩擦材料試驗樣本進行插值求取；

N——作用于摩擦副表面的正壓力；ns——計算安全系數。

（3）熱恢復率差最小

式中 max M(i)——考慮溫度影響的多次制動過程中制動力矩的最大值；

nh——計算安全系數。

（4）材料成本最低

下標b、q、mp、zp——分別表示制動泵、制動鉗、摩擦片、制動盤；

下標i、o——分別表示內外；

V——毛坯體積；

D——直徑；

R——半徑；

L——液壓缸長度；

ρ、c——材料密度和價格；

h、b——分別為厚度和寬度。

（5）加工成本最低

cmb、cmq——分別為制動泵、制動鉗單位體積加工成本。

這里采用單位體積加工成本而不采用工時費率是因為不同系列制動器泵體、鉗體加工工藝變化不大，所以工時費率在加工設備工作參數不變時也可以轉換為單位體積加工成本[4]。

2.2 子目標權重分配

表1為制動器優化設計權重分配。權重值的設置主要依據各子目標重要度的不同，如制動減速度的要求比較嚴格，所以權重相對來說就比熱衰退率和熱恢復率大一些；由于制動器結構參數變化幅度較小，材料成本、加工成本相對波動比較小，所以權重亦較小[5]。

表1 子目標權重分配

3 設計變量

文獻[6]提到，液壓盤式制動器的優化設計變量主要選擇影響上述優化目標的主要零部件的主要尺寸參數，涉及制動泵、制動鉗、摩擦片和制動盤等，總計9個。

（1）制動泵結構參數

Lb——制動泵活塞長度；

Db——制動泵缸直徑。

（2）制動鉗結構參數

Lq——制動鉗活塞缸深度；

Dq——制動鉗活塞直徑。

（3）制動盤結構參數

Dzpo——制動盤外徑；

hzp——制動盤厚度。

（4）摩擦片結構參數

bmp——摩擦片寬度；

Rmpi——摩擦片內徑；

Rmpo——摩擦片外徑。

4 約束條件

（1）技術性能約束

1）制動減速度大于等于[a]（[a]為標準規定的最小許用減速度）；

2）熱衰退率一般為[0,25%]；

3）熱恢復率差一般為[0,20%]；

8）制動泵、制動鉗液壓缸尺寸要保證液壓缸正常工作，應滿足

9）零件強度約束，包括制動泵、制動鉗、手柄等零件的強度約束；

（2）經濟性能約束

影響制動器磨損的約束，這個約束條件主要反映制動器的使用經濟性能。作用于摩擦片上的正壓力應該滿足正壓力與滑移速度的乘積應滿足（[N]為許用正壓力，[Nv]為許用值）。

（3）社會性能約束

5 優化結果

以首鋼 SGA3723盤式制動器和制動泵為例進行優化計算，其結構如圖2和圖3所示。在制動初速度v0=30km/h、管路壓力p=10Mpa時，通過isight優化軟件尋求優化結果。優化前后設計變量結果對照見表 2，基于工程上的考慮，設計變量值已經過圓整，且經過計算沒有發生約束違反，表 3為最終優化設計結果。

圖2 SGA3723盤式制動器

圖3 SGA3723制動泵

表2 設計變量對照（單位：mm）

表3 優化目標對照表

對優化結果采用滿意度法進行評價，即對目標求極大值：目標價值為（目標值-目標下限）/（目標上限-目標下限）；對目標函數求極小值：目標價值為（目標值-目標上限）/（目標下限-目標上限）。

優化前：

優化后：

6 結論

（1）本文介紹了多目標優化的數學模型，將多目標優化方法應用到盤式制動器優化設計中，通過對盤式制動器的深入分析，以制動減速度、熱衰退率、熱恢復率差、材料成本、加工成本為優化目標，全面考慮技術性、經濟性和社會性，建立了盤式制動器設計方案多目標優化模型。以實際制動器的設計參數作為初始方案，借助 isight優化軟件尋求優化結果，在保持熱衰退率和熱恢復率性能不劣化的情況下，制動器的制動性能和經濟性能得到顯著提高。

（2）建立的模型具有較大的柔性，只要修改制動減速度約束、制動初速度、制動壓力和車輛參數，就能進行適用不同的標準要求、不同型號車輛的制動器優化設計。

[1] 王哲.盤式制動器熱應力場仿真分析[J].機械研究與應用,2013(6):21-23.

[2] 劉瑩,胡育勇,任奇鋒,曹霜霜,宋濤.基于 ANSYS汽車盤式制動器溫度場和熱應力數值模擬[J].南昌大學學報(工科版),2013, 35(3):276-280,290.

[3] 楊曉明,邱清盈,馮培恩,潘雙夏.盤式制動器的全性能優化設計[J].中國機械工程,2005,16(7):630-633.

[4] 胡兆國,郝劍平.基于遺傳算法的盤式制動器優化設計研究[J].機械傳動,2012,36(6):51-54.

[5] 李志華,張選龍,郭林超.汽車盤式制動器優化設計[J].機械設計與研究,2009,25(2).

[6] 吳軍,李為吉.基于改進粒子群算法的盤式制動器優化設計[J].機械設計與制造,2007(4):18-20.