制动卡钳有限元分析及其应用

武静

摘 要：本文希望通过COSMOSXpress分析软件对盘式制动器前钳总成进行强度分析，建立一套前钳总成在制动过程中的有限元分析模型，并将此方法运用到实际的产品设计过程中，从而大大减低的了设计成本，加快研制周期。

关键词：有限元分析；前钳总成；强度分析

1. 概述

COSMOSXpress有限元分析功能使有限元技术贫民化，简洁直观，能够在普通的PC机上进行工程分析，普通的工程师都可以进行工程分析，迅速得到分析结果。

2. 有限元分析过程

2.1三维数模的建立

利用CATIA、Solidworks、UG等三维设计软件进行钳体和支架的三维建模。待三维数模建好后，导入COSMOSXpress的有限元分析软件中，为进行强度分析做好准备。

2.2边界条件的确定

边界条件：考虑汽车制动某一瞬时钳体和支架的受力状态为加载依据。

2.2.1钳体边界条件的确定

1）卡钳内部放置活塞，其孔四周及孔底面受到来自制动液的压力，其压力值大小与系统的最高管路压力值相等。

2）外制动块对其的推力。制动时在钳体与外制动块相接处的面上受到来自制动块的反作用力，其压力F=πPD2/4/A1…………（1-1）

式中：

P——最大制动管压；

D——钳体缸径；

A1——为接触面积（三维模型中测得）

3）与支架连接处受到来自支架的作用力。因钳体要沿着导向销方向与支架发生位移，因此钳体与支架的两个连接螺栓孔X、Y、Z三个方向上6个自由度有5个都需要被约束。

2.2.2支架边界条件的确定

1）由于支架分别用螺栓固联于钳体和转向节，固与他们连接的两个螺栓孔XYZ三个方向上的6个自由度都需要被约束。

2）制动块与制动盘之间的作用经导向架传至支架上的力。虽然摩擦块各处受到来自制动盘的摩擦力大小和方向都是不变化的，但可将所有的摩擦力看作一个水平方向的摩擦合力，作用在制动块与导向架的接触面面积上。

虽然目前大多数的制动块均不是扇形结构，但对结果基本没什么影响，可将它近似看作扇形来分析。那么根据单侧扇形制动块给于制动盘的摩擦合力fN=fq（R22-R12）θ

式中：

q——摩擦块与制动盘之间的单位面积上的压力；

f——摩擦系数；

R1——摩擦块的内半径；

R2——摩擦块的外半径；

θ——摩擦块的圆心角；

又已知 ，则有：fN=πf PD2/8

2.3网格划分

COSMOSXpress可根据零件情况自动划分网格的形状大小，也可由使用者根据需要自行调节网格大小，单元格越小，划分的就越精细，网格数就越多。一般情况下，采用系统默认的网格划分，其结果和精度就可以满足使用要求。

2.4分析结果

分别用应力分布、位移分布、变形形状和设计检查（最低安全系数）四个不同的参数变量对有限元分析结果进行评价。

3. 有限元分析在产品设计中的应用

3.1材料的选择

钳体、支架采用QT500-7材料，可以在COSMOSXpress中对其材质进行自定义设置，弹性模量，173GPa；泊松比，0.3；屈服强度，551.5MPa；抗剪模量，77GPa；密度，7.9g/cm2。

3.2分析步骤

材料的选择——约束设置——载荷设置——运行分析程序——查看分析结果，其中最关键是约束设置及载荷设置（即边界条件）。

图1 钳体边界条件 图2 支架边界条件

3.4.3网格划分

采用COSMOSXpress默认的网格划分形式，这里采用四面体单元格，单元大小为5.3502mm，公差为0.26751mm，将其划分为24474个单元格，结点数为40088。

3.4.5分析结果

1）在图3应力云图中，显示了钳体各个部位的所受的应力情况，受应力较小的部位颜色较浅，用蓝色表示；所受应力较大的部位超出屈服极限的用醒目的红色表示。云图中无红色区域，因此强度满足设计要求。缸体的最大应力为387Mpa，主要集中发生在钳体的“钳口”位置，由于拉伸和弯曲叠加的结果，因此在制动钳背部一般都会有加强筋的设计，来保证制动钳的结构强度。

图3 缸体应力分布图 图4 支架应力分布图

2）在应力分布图4中，显示了支架的最大应力为230MPa，应力主要集中在支架的弓背处和支撑销销孔处，因为此处的变形最大，容易与支撑销发生摩擦，根据这一分析说明我们将支撑销设计成带有减震套的形式，以及销与孔的配合间隙是导向销的2倍的设计理论，是符合实际需要的。而云图中无红色区域，因此强度满足设计要求。

4. 试验验证

我们前钳总成进行的总成刚性试验和所需液量试验，予以验证产品结构设计的合理性，结果表明，结构设计满足性能要求。

5. 小结

利用三维设计软件建立了参数化设计模型，为模拟装配、有限元分析奠定了基础。对于制动器产品设计人员在设计阶段就能够了解到零件每一点的应力，应变及位移，同时可以方便的对结构进行反复修改，已达到优化设计的目的。提高产品的设计、制造效率，减低制造成本。■