盤式制動器制動鉗的創成式設計*

□ 鄒仁平 □ 李 強 □ 王世江

煙臺汽車工程職業學院 電子工程系 山東煙臺 265500

1 設計背景

汽車制動器在車輛安全中發揮著重要的作用。汽車常用的制動器按結構可以分為鼓式制動器和盤式制動器。盤式制動器相比鼓式制動器散熱性更好,能夠減小摩擦熱導致的制動衰減,雨天行駛時也具有更穩定的制動力。因此,制動效果更好的盤式制動器越來越廣泛地應用于轎車上[1-2]。在盤式制動器中,應用最廣泛的是浮動鉗盤式制動器。隨著汽車輕量化設計技術的進一步發展,對盤式制動器的輕量化設計也提出了新的要求。馬玲[3]應用Abaqus軟件對某車型盤式制動器制動鉗進行了強度分析和結構優化分析研究。華逢志等[4]建立了鋁合金制動鉗拓撲優化的數學模型,并對制動鉗進行了拓撲優化。劉順楚等[5]應用ANSYS Workbench軟件建立了純電動車盤式制動器的有限元模型,對制動盤和制動鉗進行了力學分析和拓撲優化。在盤式制動器中,除剎車盤之外,最重要的承力部件是制動鉗和制動鉗支架。由于制動鉗支架承載了摩擦片傳遞的絕大部分制動力矩,強度和剛度要求很高,因此對制動鉗支架進行減重優化設計會帶來很大的風險。另外,由于制動鉗支架的設計空間受到其它部件的限制,改動余地較小,因此制動鉗支架一般不作為輕量化設計的研究對象。筆者選取浮動鉗盤式制動器的制動鉗作為優化設計對象。傳統的拓撲優化方法是設計師根據剎車系統的技術要求確定設計參數,再根據設計參數和傳統設計經驗設計好剎車鉗的三維模型,然后導入有限元分析軟件中進行拓撲結構優化。這樣的優化設計過程局限于剎車鉗的初始設計方案,優化結果并不一定是最優方案,而且生成的拓撲優化模型可能無法適應多種加工條件,比如機械加工、鑄造或者三維打印,后期還需要重新對優化后的結構建模以投入生產。由此可見,傳統的拓撲優化方法存在效率低、受零件設計者水平局限、對設計師水平要求高、不適應多種條件生產等缺點。

筆者以某乘用車盤式制動器的制動鉗為例,運用Creo軟件的創成式設計方法,分析受力情況,合理設置約束條件,對制動鉗進行創成式設計。

2 浮動鉗盤式制動器工作原理

浮動鉗盤式制動器的制動鉗是浮動的,浮動方式有兩種,一種是制動鉗可作平行滑動,另一種是制動鉗可繞支撐銷擺動。兩種方式制動油缸都是單側的,其中與油缸同側的制動塊總成是活動的,另一側的制動總成則固定在制動鉗上。制動時,在制動油液壓力作用下,活塞推動活動的制動塊總成壓靠到制動盤上,反作用力則推動制動鉗連同固定的制動塊總成壓向制動盤的另一側,直到兩側的制動塊總成的受力達到均等為止[6]。浮動鉗盤式制動器只在制動盤的一側裝有油缸,結構簡單,造價低廉,易于布置,結構尺寸緊湊,可使制動器近一步移近輪轂,同一組制動塊可兼用于行車制動和駐車制動。浮動鉗盤式制動器的制動鉗沒有跨越制動盤的油道或油管,減少了油液受熱機會,單側油缸又位于制動盤的內側,受車輪遮蔽較小,冷卻條件較好。另外,單側油缸的活塞比兩側油缸的活塞要長,增大了油缸的散熱面積,因此制動油液溫度比固定鉗式的低30～50 K,氣化的可能性較小[7]。相比于固定鉗盤式制動器,浮動鉗盤式制動器可將油缸和活塞等精密件減去一半,造價大為降低。浮動鉗盤式制動器的結構如圖1所示。

▲圖1 浮動鉗盤式制動器結構

3 制動鉗載荷工況

汽車制動時,單個輪胎所需要的制動力矩T為:

T=Gμ0R0/4

(1)

式中:G為車重;μ0為車輪摩擦因數;R0為車輪半徑。

假設制動片的摩擦表面全部與制動盤接觸,且各處單位壓力分布均勻,制動器的制動力矩Mμ為:

Mμ=2μFR=T

(2)

式中:μ為制動片摩擦因數,一般取0.35;F為單側制動塊對制動盤的壓緊力;R為壓緊力作用半徑。

單側制動塊對制動盤的壓緊力F為:

F=πd2P/4

(3)

式中:d為活塞直徑,為56 mm;P為制動油壓。

對于常見的具有扇形摩擦表面的制動片,如果徑向寬度不是很大,可取R為平均半徑Rm或有效半徑Re,這樣已經足夠精確。

平均半徑Rm為:

Rm=(R1+R2)/2

(4)

式中:R1、R2分別為摩擦制動片扇形表面的內半徑和外半徑。

有效半徑Re為:

(5)

有效半徑為扇形摩擦表面的面積中心至制動盤中心的距離。式(5)也可寫為:

(6)

m=R1/R2

(7)

輪胎制動力矩與制動油壓的關系為:

T=2SReημP

(8)

式中:S為缸孔端面積;η為油壓傳遞效率,一般可取0.95。

由式(1)～式(8)可計算出制動時需施加15.5 MPa的制動油壓在活塞底部和殼體底部。由于制動鉗支架承載了大部分制動器自身產生的制動力矩,所以不考慮制動力矩對制動鉗的影響[8],可計算出制動鉗左側壁板承受的剎車盤支反力為43.825 N。

4 制動鉗邊界條件

車輛進行制動時,若制動器處在受力平衡狀態,此時對制動鉗所受力進行分析[9]。

制動盤的反作用力通過內側摩擦片、活塞及制動油作用在制動鉗的油缸側壁上,產生一個均布力P1。

油缸側壁通過外側摩擦片對制動盤產生一個力,該力對制動鉗側壁產生一個支反力P2,這一支反力均勻分布在制動片與制動盤接觸面上,為:

P2=0.25πd2P1/A

(9)

式中:A為外摩擦塊與鉗指的接觸面積,通過Creo軟件測量為1 299.04 mm2。

將相關參數代入式(9)進行計算,可以得到P2為33.736 MPa。

與支架相連接螺栓孔處受到支架對制動鉗的作用力。由于制動處于平衡狀態,此時鉗體沒有位移,因此約束制動鉗與支架連接的兩個螺栓孔內表面的六個自由度。

5 創成式設計方法

創成式設計能夠根據用戶的約束和要求創建經過優化的產品設計,用戶只要在Creo軟件中輸入產品設計要求,軟件即可自動生成一個或多個設計方案,軟件可代替設計師自主完成設計。設計過程完全在Creo設計環境中進行,快速探索創新的設計選項,減少開發時間和開發環節。人工智能驅動的創成式設計可以為用戶提供更高質量的產品設計,以更低的成本實現產品的計算機輔助設計、工程、制造。

創成式設計具體功能包括六部分。第一,將創成式設計過程集成到Creo Parametric設計環境中的 UI 功能區和上下文相關菜單,具有簡化的工作流程。第二,創成式設計過程與產品的計算機輔助設計建模過程無縫對接,只需選擇產品三維模型的設計空間,添加載荷和約束,定義優化目標、材料和制造方法。第三,基于強大的人工智能驅動的優化引擎,快速生成產品結構的創新設計。第四,創成式設計產生的模型支持從傳統制造到增材制造的常見制造要求。第五,創成式設計結束后,用戶能夠預覽和查詢優化設計及仿真結果。第六,交互過程的結果通過對幾何圖形和設置的編輯而動態更新。

在Creo軟件中進行產品創成式設計的流程如下:① 定義設計空間、材料、力學性能、載荷、約束、設計目標、制造工藝,設置優化單元尺寸; ② 啟動優化設計; ③ 進行力學性能分析,查詢受力和位移云圖,根據分析結果調整設計目標; ④ 生成可制造設計結果,導出能夠用于加工的三維模型。

6 制動鉗創成式設計

6.1 幾何模型

在項目初期,整車廠確定整車參數,應用制動系統計算軟件進行盤式制動器整體參數計算,并根據內部標準進行公差計算。使用Creo軟件建立制動鉗最大設計空間的三維模型,確認制動鉗設計空間及最大輪廓。其中,液壓缸體的尺寸需要根據實際尺寸來設計,不需要對其進行結構優化,兩固定孔之間的距離要與制動鉗支架上的固定孔之間距離相等,便于安裝固定。根據制動盤尺寸、制動片尺寸、制動片背板尺寸,確定制動鉗側壁和液壓缸之間的尺寸空間,制動鉗的上部做弧形處理。

建立的制動鉗初始幾何模型如圖2所示。

▲圖2 制動鉗初始幾何模型

在初始幾何模型的內部建立不需要創成式設計區域的模型,其中制動鉗側壁需要保留的模型尺寸依據摩擦片的尺寸確定,固定孔上要保留的尺寸根據固定螺栓的連接頭最大尺寸確定。液壓缸模型整體需要作為保留模型,并對液壓缸內的密封環槽做避空處理。制動鉗模型處理如圖3所示。

▲圖3 制動鉗模型處理

6.2 載荷和邊界條件

在Creo軟件的創成式設計模塊中,為模型指定起始幾何、保留幾何,添加載荷和約束。其中,指定透明部分為起始幾何,指定藍色部分為保留幾何。由于制動鉗在制動平衡時是靜止的,因此為兩個固定孔內壁添加固定約束,為保留幾何添加33.736 MPa的均勻壓力,為油缸底部內壁添加15.5 MPa的均勻壓力。約束和載荷如圖4所示。

▲圖4 約束和載荷

6.3 創成式設計結果

以最大化剛度作為設計目標,約束條件為鉗體軸向位移不超過2 mm。體積分數上限30%,即去除材料不超過選定設計區域的30%[10-11]。幾何約束為優化后的模型為具有2°拔模角的鑄造件,且以中間基準面對稱。制動鉗材料為鑄鋼,材料的泊松比為0.28,楊氏模量為170 GPa,密度為7.8 g/cm3,拉伸屈服應力為349 MPa。優化最小尺寸單元為3.154 mm,共劃分為10 650個單元,經過256次迭代。創成式設計結果如圖5所示。

▲圖5 創成式設計結果

創成式設計后的應力云圖如圖6所示,軸向位移云圖如圖7所示。

▲圖6 創成式設計后應力云圖▲圖7 創成式設計后軸向位移云圖

創成式設計后最大應力為335 MPa,沒有超過材料的拉伸屈服應力。創成式設計后軸向最大位移產生在側壁末端,為1.7 mm。鉗體兩側最大位移均未超過2 mm,表明制動鉗強度符合要求。原制動鉗的質量為3.349 kg,創成式設計后制動鉗的質量為2.512 kg,質量減小25%。

7 結束語

通過Creo軟件建立了盤式制動器制動鉗的創成式設計模型,確定了保留幾何、初始幾何,施加了載荷和約束條件,進行了創成式設計。

對創成式設計后的模型進行了靜力學分析,得到制動鉗的應力云圖和軸向位移云圖。分析結果表明,創成式設計后滿足工況需要。

制動鉗創成式設計大大降低了制動鉗結構設計的難度,提高了設計效率,使制動鉗設計效率提高50%,得到的產品模型更能適應不同加工方法的要求。