基于ANSYS的制动卡钳仿真分析

杨仁华



基于ANSYS的制动卡钳仿真分析

杨仁华

（西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039）

运用CAE技术对盘式制动器制动卡钳进行仿真分析，分析了制动器结构、卡钳载荷及卡钳约束条件。利用CATIA三维软件对钳体进行实体建模，并导入到ANSYS，利用ANSYS进行仿真分析，通过极限工况分析，对卡钳进行了改进，最终使卡钳达到强度与刚度要求。

制动卡钳；有限元；仿真分析；强度与刚度

汽车制动器是汽车上非常重要的一个组成部分，它可以使行驶中的汽车强制降速、在各种路况下正常驻车、下长坡时车速维持平稳。可以说，汽车制动器直接关系到汽车的安全性。盘式制动卡钳作为制动器的一个重要零件，不但是制动卡钳，也包含制动轮缸，因此其强度与刚度非常重要，然而制动卡钳是一个结构比较复杂的零件，采用传统的力学方法难以计算其强度与刚度，本文采用CAE对制动卡钳进行了仿真分析。

1 盘式制动器结构

盘式制动器作为轿车主要使用的制动器，其结构如图1所示[1-2]。

1—制动盘；2—制动卡钳；3—制动块；4—活塞；5—进油口；6—导向销；7—车桥。

2 制动卡钳载荷分析

3 有限元模型建立

3.1 制动卡钳的材料特性

对称锥齿轮式差速器壳体的材料是球墨铸铁QT500-18，其材料特性如表1所示。

3.2 有限元模型建立

利用CATIA三维软件对制动卡钳进行三维建模，然后利用CATIA软件将制动卡钳三维模型存为stp文件，通过该stp文件将壳体的三维模型导入ANSYS，进而完成三维模型的导入；制动卡钳模型导入后，根据制动卡钳结构复杂、厚度不等的结构特点，再考虑分析内容，采用智能划分和局部细化的方法对壳体进行网格划分，网格划分后的有限元模型[3]如图2所示。

4 约束条件及静力分析

4.1 约束条件及载荷施加

表1 QT400材料特性表

材料名称弹性模量/（N/m2）泊松比质量密度/（kg/m3）极限强度/（N/m2）屈服强度/（N/m2） QT500-181.61E+110.2747.01E+034.00E+083.20E+08

4.2 制动卡钳仿真结果分析

通过网格划分、加约束、加载荷，求解器运行求解，得到仿真结果如图3所示。其中图（a）为变形分析，图（b）为应力分析，图（c）为安全分析。

制动卡钳初始设计方案，其观察口的厚度为8.5 mm。从图3可以看出，制动卡钳的最大形变为1.88 mm，形变量较大；应力最大值为466.9 MP，超出了屈服强度320 MP；安全系数较低，为0.70，不符合安全要求，必须要进行改进设计。

图2 制动卡钳网格划分

（a）变形分析

（b）应力分析

（c）安全分析

在改进过程中发现制动卡钳的观察口四个角容易出现应力集中问题，严重影响了制动卡钳的强度。经过调整和分析，发现倒角和增加制动卡钳观察口的厚度能够减小应力集中发生的可能性。最后将设计的观察口厚度由8.5 mm增加

到10 mm，对观察口的四个角进行3 mm的倒角，得到了如图4所示的结果。其中图（a）为变形分析，图（b）为应力分析，图（c）为安全分析。

（a）变形分析

（b）应力分析

（c）安全分析

由上图的分析结果可以得到，在增加观察口厚度为10 mm，对四个角进行3 mm的倒角后，制动卡钳的最大变形量减小到0.45 mm，变形符合规范；最大应力减小到158.7 MP，在屈服强度320 MP内；安全系数提高到了2.0，由机械设计手册推荐，抗疲劳断裂计算选取的安全系数为=1.5～3，本次设计安全系数为2，符合安全要求。由以上数据可以看出，改进后的制动卡钳各项数据都得到了相应的提高，所以制动卡钳最后采用观察口厚度为10 mm，四个角进行3 mm的倒角。

综上所述，制动卡钳经过改进后，卡钳尺寸进行了改动，观察口的结构进行改进，由原来的直角改为圆角，改进后制动卡钳的强度与刚度达到要求。

5 结束语

对某类型轿车制动卡钳在极限工况下进行有限元分析，分析结果表明，该制动卡钳初始设计方案的结构强度和刚度均不符合要求。经过改进，将制动卡钳观察口厚度由原来的8.5 mm增加为10 mm，观察口四个角由直角改为半径为3 mm的圆角，制动卡钳的强度与刚度均达到要求。分析结果：为制动卡钳设计提供了一种适用的工程方法。

［1］陈家瑞.汽车构造（下）［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］严亮.盘式制动器的匹配设计［J］.现代制造技术与装备，2016（10）.

［3］张洪才.何波.有限元分析：ANSYS13.0从入门到实战［M］.北京：机械工业出版社，2011.

〔编辑：严丽琴〕

2095－6835（2018）19－0127－02

U463.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.127

杨仁华，长期从事汽车计算机辅助设计与汽车计算机辅助工程研究。