某輕卡輕量化制動器性能優化仿真與試驗研究

宋 昕 ， 涂永梅 ， 陳金林 ， 袁 東

（1.江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010；2.江蘇恒力制動器制造有限公司，江蘇 靖江 214500）

0 引言

輕卡承擔極大部分的城鄉運輸工作[1-4]，降低輕卡燃油消耗，是綠色發展的必然要求。輕卡輕量化，即減輕整備質量，可以很好地實現節能降耗。

制動器是制動系統中用以產生阻礙車輛運動或趨勢的力的部件，一般制動器是通過其中的固定元件對旋轉元件施加制動力矩，以使旋轉元件的角速度減小，依靠車輪與路面的附著力，產生路面對車輪的制動力，以使輕卡減速。當前輕卡所使用的摩擦制動器主要包括鼓式和盤式兩大類[4-10]，由于鼓式制動器成本相對較低，其市場占有率穩步攀升。本文所研究的輕卡鼓式制動器，其制動鼓以內圓柱面為工作表面，其固定元件采用帶摩擦片的制動蹄。制動器的性能對整車制動和安全性能有著非常關鍵的影響。輕量化，作為輕卡節能降耗的解決路徑，本研究通過對氣剎制動器進行結構優化，實現制動器的輕量化。

從制動器的力學結構特征對比、摩擦片材料性能試驗、疲勞性能試驗以及制動器總成制動試驗等方面入手，優化了氣剎制動器底板的結構，取消了傳統輕卡制動器的開檔結構，由蹄鐵設計開檔結構來代替底座功能，并進行了基礎方案與輕量化方案的CAE結構強度對比分析，同時開展相關性能對比試驗。試驗結果表明，該輕量化氣剎制動器結構緊湊，減重效果明顯，滿足性能目標要求。

1 制動器輕量化結構設計

氣壓鼓式制動器結構是由制動氣室提供動力，通過調整臂驅動S型凸輪軸，使凸輪軸旋轉，凸輪軸的漸開線面推動滾輪與制動蹄帶摩擦片總成一起繞蹄片軸旋轉，摩擦片對制動鼓產生一個正向壓力，從而產生摩擦力矩，阻止制動鼓旋轉，達到制動的效果。氣制動底板需固定，蹄鐵采用開檔結構并開蹄銷孔，氣制動底板置入蹄鐵開檔，通過蹄片軸將氣制動底板與蹄鐵連接，蹄片軸兩端采用軸用擋圈進行軸向固定在蹄鐵上。本研究輕量化方案優化了氣制動底板的結構，取消了傳統輕卡制動器的開檔結構，由蹄鐵設計開檔結構代替底座功能，結構對比圖如圖1所示，該結構緊湊，單車可實現減重4.4 kg，降本增效。

圖1 制動器輕量化結構示意圖

2 輕量化制動器CAE分析

2.1 CAE建模及邊界條件

CAE有限元分析是以數值分析理論為基礎的計算機工程輔助設計，可快速有效進行結構強度及剛度疲勞等分析工作，節約大量的物理試驗費用。本研究采用ABAQUS軟件，分別對氣剎制動器基礎方案、輕量化方案的制動底板及制動蹄進行了有限元模型搭建，網格尺寸為3 mm，單元類型為六面體及四面體Solid實體單元，模型節點數量為39 000，網格單元數量為150 000，網格模型建立后，進行了網格質量檢查，確保仿真計算精度。其中，氣剎制動器基礎方案重量為7.7 kg，制動材料牌號為QT550，其彈性模量E為172 GPa，抗拉強度為550 MPa，延伸率為5%。

制動底板CAE分析邊界條件：底板通過端面上的圓柱孔與車橋相連，固定其全部自由度，同時限制圓柱內孔X、Z的平動自由度以及X、Y、Z的轉動自由度，在與底板相接觸的面上約束Y軸平動自由度，如圖2（a）所示；載荷則是通過制動氣室反作用在氣室支架上的作用力8 000 N，氣室重量在加速度的作用下，對制動支架的沖擊力為300 N，CAE強度分析判斷標準為結構的最大應力小于抗拉強度。

制動蹄的CAE分析邊界條件：制動蹄右端圓柱孔通過銷子與制動底板連接，繞著銷子旋轉，故約束右端圓柱孔的自由度，即X、Y、Z的平動自由度和X、Y的轉動自由度；制動蹄背面用于安裝摩擦塊，當制動結束時，摩擦塊與制動鼓接觸，故約束制動蹄背面的X、Y的平動自由度。按最大0.8 MPa氣壓，根據蹄的受力情況，制動蹄外圓弧受到的最大壓力F1=40 304 N，如圖2（b）所示。

圖2 制動器CAE分析邊界條件

2.2 CAE強度對比分析

本研究按照上述工況，對氣剎制動器基礎方案和輕量化方案進行了CAE強度對比分析，得到如圖3所示的制動蹄分析結果。分析結果顯示，基礎方案制動蹄應力最大值出現在制動蹄左端凸起處，應力最大值為180 MPa，制動蹄所用材料為QT450-10，屬于鑄鐵類，故選用第一強度理論校核，即最大拉應力理論，QT450-10的最大抗拉強度為450 MPa，因此滿足強度要求。而輕量化制動蹄應力最大值出現在制動蹄左端凸起處，應力最大值為76 MPa，應力下降效果明顯，結構既實現減重，又優化了強度，滿足目標要求。

圖3 輕量化制動蹄CAE強度分析結果

本研究對氣剎制動器基礎方案和輕量化方案底座進行了CAE強度對比分析，得到如圖4的分析結果。基礎方案底座應力最大值出現在氣室支架的加強筋處，應力最大值為323 MPa，制動蹄所用材料為QT450-10，屬于鑄鐵類，故選用第一強度理論校核，即最大拉應力理論，QT450-10的最大抗拉強度為450 MPa，因此滿足強度要求。而輕量化制動器的底座的應力最大值為321 MPa，較基礎方案，應力下降了2 MPa，優化結構滿足強度要求，輕量化效果顯著。

圖4 制動器底座CAE強度對比分析結果

3 輕量化制動器振動試驗分析

完成上述制動器輕量化結構設計及CAE強度對比分析后，開展了輕量化制動器振動試驗，以校核該輕量化制動器振動耐久疲勞強度性能。試驗條件為在不同頻率及不同加速度條件下，振動一定次數，檢查輕量化制動器是否存在裂紋及螺栓松動等失效問題。試驗條件：15 Hz頻率下，振動加速度為10 g，振動次數為1 125 000次；22 Hz頻率下，振動加速度為15 g，振動次數為120 000次；25 Hz頻率下，振動加速度為20 g，振動次數為195 000次；35 Hz頻率下，振動加速度為25 g，振動次數為57 500次。本試驗在室溫環境下，利用電磁激振器及振動控制儀，采用單點控制進行試驗控制，工裝條件如圖5所示。

圖5 輕量化制動器振動試驗

按照上述試驗工裝條件，對輕量化制動器進行振動試驗，得到如圖6所示的測試結果，靜置清理后，經詳細檢查，試樣未出現裂紋及螺栓 松動問題，滿足設計目標。

圖6 輕量化制動振動試驗結果圖

4 結語

綜上所述，本研究基于有限元仿真理論，采用ABAQUS軟件，優化了氣制動底板結構，取消了傳統輕卡制動器的開檔結構，由蹄鐵設計開檔結構代替底座功能。基于輕卡制動器實際的安裝固定條件，開展了制動器基礎方案和輕量化方案的制動蹄及底座的CAE強度對比分析，分析結果顯示，輕量化制動器系統中的制動蹄及底座的最大應力較基礎方案都得到優化下降，滿足設計強度目標要求。此外，還同步開展了輕量化制動器振動疲勞試驗，在不同頻率及不同加速度工況下，按照設計目標振動次數進行激勵振動加載，試驗后，詳細檢查，未發現裂紋及螺栓松動問題。因此，綜合CAE分析及試驗驗證，輕量化制動器滿足零部件設計目標要求，可實現減重4.4 kg，效果顯著。