商用车楔式制动器总成建模及有限元分析

宫丽男， 庞在祥， 马 辉， 张曦予， 刘 冰

(1.长春职业技术学院 工程技术分院， 吉林 长春 130033;2.长春工业大学 工程训练中心， 吉林 长春 130012;3.长春工业大学 科学研究处， 吉林 长春 130012;4.长春工业大学 国际教育学院， 吉林 长春 130012;5.长春工业大学 后勤管理处， 吉林 长春 130012)

0 引 言

随着我国公路交通事业的发展，汽车已成为人们日常生活中不可或缺的交通和运输工具[1-2]。汽车制动系统作为汽车安全行驶的必要、关键部件，其制动性能的优劣和制动效率的高低直接关系到汽车行驶过程中的安全性和运输效率。商用车作为重要的运输工具，其行驶路面较为复杂，尤其是在山区道路中行驶，而现有商用车的制动器类型多以S凸轮鼓式制动器和盘式制动器为主，鼓式制动器在结构上较简单、成本低，但通风散热条件较差且质量重，长时间高速行驶时，制动器内部热量不容易散发，会产生热能的衰退，造成摩擦系数下降，制动力减弱，制动效能无法保证，对行车安全影响较大[3-4]。盘式制动器质量较轻，制动性能好，但存在价格昂贵，企业及用户很难承担等现象。楔式制动器结构紧凑、重量轻、成本低、制动力矩大、制动效率高、制造简单、可独立自动调整刹车间隙，能规避制动器发热、抱死等不良现象的发生，有效弥补鼓式制动器和盘式制动器的不足。通过分析现有商用车制动器优缺点，运用一种带有楔块的领从蹄式制动器结构，并基于三维造型软件CATIA对楔式制动器总成进行统一建模，然后利用ANSYS有限元分析软件对制动器关键零部件进行分析，验证了设计的合理性。

1 楔式制动器工作原理

楔式制动器就是一种特殊的鼓式制动器，为了增加制动器的制动性能和良好的热学特性，在结构上做出了改进，将楔块与气室的连接轴模块代替鼓式制动器中自动调整臂+凸轮支架+凸轮轴模块。利用楔形张开装置来驱动汽车制动，比传统的鼓式制动器在结构上更加紧凑、重量轻，两制动蹄可独立自动调整刹车间隙，有效避免制动发热、抱死等不良现象发生，并采用全封闭的自调整机构，保证制动器的高寿命使用。

楔式制动器按结构形式可划分为领从蹄式、双向双领蹄式、双向自增力式[5]。文中通过分析对比三种制动器结构形式及工作状态，考虑到双向领蹄式制动器结构需两个楔形的促动装置，这样导致结构相对较大，从而影响商用车底盘其它器件的布置，增力式楔式制动器虽然在制动效果方面更好，但价格偏高。在综合考虑各类楔式制动器结构及其经济效益后，以领从蹄式楔式制动器为研究对象，对制动器的结构进行设计。该结构制动器在制动效能以及制动稳定性等方面具有一定优势，在行车过程中，前进和倒车制动效能保持恒定，且结构简单、成本低，易于设计组成驻车制动机构。

楔式制动器制动时，楔形张开装置由于受到气室中产生的推力而张开，这时在制动蹄与张开装置两端接触的部分产生了两个相反的推力，反向推力会推动两制动蹄绕着支撑轴向外进行扩张，与旋转的制动鼓进行接触，制动蹄与制动鼓之间就会产生制动力矩，从而对车轮产生制动作用[6]。制动解除时，由于气室产生的制动推力消失，使制动器的张开装置恢复到原位，两个制动蹄在回位弹簧的拉力作用下离开制动鼓的内表面，导致摩擦力消失，制动力矩变为零，从而汽车可以正常行驶。

2 楔式制动器实体建模

在建模过程中，所建立的几何模型的优劣直接决定着有限元分析模型的好坏，以及分析结果的正确性。同时在保证所建立模型正确的前提下，建模效率的提高也是一个重要因素。建模时，首先要综合设计计算尺寸和实际尺寸绘制各零部件的零件图，然后将各个零件图依次导入三维造型软件的装配模块中，最后在各零部件之间添加相应的配合关系及约束关系，最终完成制动器的实体虚拟装配模型。

2.1 托架的三维实体建模

首先，选择托架作为所有零件体及最后装配体的基准，在绘制托架之前，要先确定各个定位尺寸。确定以后进入CATIA V5零件图模块[7-8]，进入草图，绘制托架主体轮廓，退出草图编辑器，通过凸台命令对轮廓进行拉伸，得到托架主体。通过凹槽命令对主体进行裁剪，最终得到托架。托架三维实体如图1所示。

由于托架与楔形促动装置的接触平面与参考平面并不平行，所以需要对参考平面进行旋转与偏移，在所得平面新建草图，然后再进行凸台的拉伸和凹槽等命令。

2.2 制动蹄的三维实体建模

1)根据托架中外圆尺寸确定制动蹄的尺寸半径，在草图编辑器中绘制110°弧形环，拉伸出环形凸台。

2)绘制轮廓以及引导线草图，用肋命令，得到制动蹄主体的一半。

3)在环形凸台两端分别建立平面，绘制草图，通过凸台和凹槽等命令得到制动蹄与楔形促动装置、托架连接接触的实体部分。

4)利用镜像命令，得到制动蹄主体。

5)利用凹槽命令，绘制连接制动蹄与摩擦衬片的铆钉的孔，同时要记录孔的位置，以便绘制摩擦衬片。

制动蹄三维实体如图2所示。

2.3 摩擦衬片的三维实体建模

建模时首先根据制动器制动蹄的外圆尺寸确定制动器摩擦衬片的半径，并通过计算得出制动器中摩擦衬片包角为110°，单个摩擦衬片取值50°，利用三维软件中的凸台命令拉伸，得到摩擦衬片的主体，并进行裁剪。最后，根据制动蹄上铆钉孔的位置，在衬片主体上绘制出铆钉孔，得到摩擦衬片实体模型如图3所示。

2.4 楔形促动装置的三维实体建模

绘制楔形促动装置三维实体之前，首先将托架、制动蹄、摩擦衬片进行简单装配，用自顶向下的建模方法对楔形促动装置三维实体开始建模，利用凸台、凹槽、旋转体等命令分别对装置腔体、推杆、传力结构进行实体绘制，最终得到楔形促动装置三维实体，如图4所示。

2.5 楔式领从蹄式制动器整体装配

在装配设计模块中，通过孔中心的定位、接触面的距离约束、角度约束将各个零件进行装配，有利于各个零件之间的拆装。楔式领从蹄式制动器装配总图如图5所示。

3 楔式领从蹄式制动器的有限元分析

为了方便对制动器模型进行有限元分析[9]，首先对三维模型进行简化，删除各部分的倒角，将遮尘盖、托架、支撑销、螺丝等多余零件去掉，简化楔式张开装置，改用约束力来代替该装置。导入模型后，通过输入零件材料的物理性质参数，对制动器中的制动蹄和摩擦衬片进行分析，材料特性见表1。

表1 制动蹄与摩擦衬片的材料特性

通过不同维度、不同类型的若干微小单元，对一个实体的结构进行划分，将有限个小单元连成一个离散模型进行受力分析，网格划分结果如图6所示。

通过对制动器边界条件和约束进行设置，设定摩擦片与制动鼓之间的摩擦系数为0.3，约束水平推力为17 103 N，得到施加力后的约束图，如图7所示。

领蹄应力分布如图8所示。

前蹄的最大应力为64.792 MPa，其最大应力值在与楔形张开装置的接触部分，该应力远远小于钢的屈服极限。

制动蹄变形图如图9所示。

最大变形量为0.058 1 mm。应力和变形在允许范围内。

从蹄应力分布如图10所示。

前蹄的最大应力为63.05 MPa，其最大应力值也在与楔形张开装置的接触部分。

摩擦衬片应力分布及变形图分别如图11和图12所示。

摩擦衬片的最大应力为7.759 MPa，最大变形量为0.043 8 mm，应力和位移量都低于材料的刚度要求。

4 结 语

基于CATIA三维造型软件对楔式制动器进行特征建模和虚拟装配，为楔式制动器的仿真分析提供了样机模型。通过有限元分析软件对制动器中领蹄、制动蹄、从蹄、摩擦衬片等关键零部件进行有限元分析，得到了应力和变形图，从分析结果可知，所设计的楔式制动器满足设计要求，验证了前期设计的合理性。