全盘式机械制动器导向槽结构改进与分析

（内蒙古第一机械集团有限公司，包头 014000）

0 引言

全盘式机械制动器通过随轴旋转的动盘与固定于车辆框架上的定盘之间的摩擦产生制动力矩，如图1所示。动盘与定盘之间的接合与分离需要通过定盘的轴向移动完成，这就要求定盘有受控的轴向自由度和固定的周向旋转自由度。本研究涉及一种重型车用全盘式机械制动器，由两对动盘与定盘分别构成两对摩擦副，动盘为两个轴向位置相对固定的制动盘，定盘分别为与车辆框架固定的联接盘和与联接盘通过导向槽连接的移动盘。制动器工作时，移动盘受外力推动远离联接盘，在两个制动盘内侧胀紧、挤压两对摩擦片，产生制动力矩。此时，联接盘上承受的摩擦力矩通过连接螺栓直接传递到车辆框架；移动盘上承受的力矩则通过导向槽传递到联接盘。传统的导向槽采用了与矩形花键类似的结构，为轴向均布的八对矩形齿与槽，二者在侧面形成间隙配合。实验发现，该导向结构工作较为可靠度，但也有磨损、生热严重的问题。

图1 全盘式机械制动器原理

重型车辆长期在恶劣工况下工作，不合理的接触形式可能造成大颗粒卡滞，阻碍结合与分离动作；联接盘和移动盘工作时处于相对滑动摩擦状态，不合理的受力状态、接触形式可能引起局部过热、磨损加剧甚至烧结。为了进一步提高产品的可靠度与工作品质，本研究使用有限元方法对导向槽的受力工况做了模拟；对导向槽结构进行了改进，与原始导向槽进行了对比分析，论证了新结构的优越性。

1 矩形导向结构应力分析

联接盘与移动盘通过八个周向均布的矩形导向槽连接，由于八个导向槽的受力情况相同，故分割1/8部分作为仿真模型，如图2所示。

图2 联接盘与移动盘（左图为整体，右图为1/8部分）

原始设计中，矩形导向槽处为间隙配合，间隙值范围为：0.55mm～0.68mm（槽宽齿宽）。对间隙值间隔取值建模，间隙值分别为0.55mm、0.615mm、0.68mm。

矩形导向槽在间隙存在的情况下工作必然导致线（棱边）与面（槽侧面）的接触，从而产生局部高应力，如图3所示。齿与槽侧面接触夹角α与槽宽b、间隙值d的关系可以用式(1)描述。

图3 间隙值与接触夹角的关系

夹角存在时，在绝对刚体的假设前提下，实际接触副是“线-面”接触，随着棱边磨钝，接触长度（a）增大，接触区域面积增大，对接触应力产生缓解作用。表面接触应力均值σave与接触区域长度的关系如式(2)所示，0.5mm～50mm的接触宽度范围内的接触应力如图4所示。

F为正压力，按照15000N·m的制动力矩换算，取11160N；l为齿宽。

图4 接触长度与接触应力的关系

由图4可知：

1）越小的接触长度将导致越大的接触应力，在0.5mm的接触长度下已经逼近1GPa；

2）在较小的接触长度（5mm以内）下，由齿、槽间隙决定的“线-面”接触将导致接近1GPa的表面接触应力值；

3）在棱边磨钝初期，接触应力值随接触长度变化幅度较大，接触应力对磨损状态敏感，极易造成各槽、齿表面不均等磨损甚至压溃。

2 矩形、扇形导向结构对比分析

鉴于矩形导向槽的间隙敏感性，考虑以扇形导向槽代替。扇形导向槽（带间隙）在发生偏转时，理论上仍保持面与面的接触，在相同的外部载荷作用下可以减小局部应力。扇形导向槽横截面如图5所示。

图5 扇形导向槽（左）与矩形导向槽（右）横截面对比

2.1 仿真前处理

从几何接触形式上看，扇形导向结构中槽、齿接触为面接触，理论上将有效缓解接触应力，为了量化地掌握扇形导向槽的接触应力缓解能力，使用ANSYS软件进行了稳态结构分析。关键计算环境设置项如下：

1）材料选择：选择结构钢设置两零件。

2）网格划分：对接触面进行网格细化，其余按照默认的精网格密度划分，如图6所示。

图6 网格划分

3）接触设置：为了得到无透穿的高精度计算结果，将接触行为设置为对称行为（Symmetric），选择增广Lagrange（Augemented Lagrange）算法。

4）边界条件：如图7所示。按照联接盘在车辆框架上的固定位置设置固定约束（Fixed）；在移动盘的内圆柱表面设置圆柱副（Cylindrical support），并释放切向自由度；在移动盘的断面处施加9868N的推力（Force），大小按照制动力矩（15000N·m）与结构尺寸换算。

图7 边界条件

5）进行0.1s的稳态结构分析（Static Structural），迭代步数20～100子步。

2.2 仿真结果

仿真结果主要关注两个项目：

1）导向槽侧面的接触应力（Pressure）。接触应力直接反应了相同外力作用下，接触表面的受力情况，过大的接触应力易导致局部磨损、压溃。

2）联接盘、移动盘的结构应力（Equivalent Stress）。表面接触形式的差异决定了齿、槽间相互作用力的作用点、分布状态不同，最终导致结构应力状态的差异。

为了讨论齿侧间隙值对上述分析结果的影响，和发现一般性规律，上述两个项目均在0.68mm、0.615mm、0.55mm三个间隙状态下进行。

矩形、扇形导向槽接触压力对照结果如表1所示。

1）横向对比矩形、扇形导向槽侧面接触压力可以看出：在各种间隙状态下，扇形导向槽都获得了较均匀的压力分布，且多数区域的峰值压力都低于矩形导向槽；

2）纵向对比不同间隙状态下槽侧面接触压力可以看出：表面接触压力不因间隙值变化呈明显规律性，矩形导向槽的压力峰值波动幅度较扇形导向槽更大。

表1 矩形、扇形导向槽接触压力对比

矩形、扇形导向槽结构应力对照结果如表2所示。

1）横向对比矩形、扇形导向槽结构应力可以看出：矩形导向槽上应力自接触棱边向周边扩散，扇形导向槽则较均匀地分布在接触面上。在各种间隙状态下，扇形导向槽都较好地缓解了应力集中，结构峰值应力甚至在矩形导向槽的0.5倍以下；

表2 矩形、扇形导向槽结构应力对比

2）纵向对比不同间隙状态下导向槽结构应力可以看出：结构应力不因间隙值变化呈明显规律性，矩形导向槽的应力峰值波动幅度较扇形导向槽更大。

3 结语

改进后的扇形导向结构将矩形导向结构的“线、面接触”改变为“面、面”接触，有效地改善了接触压力分布的均匀性；同时，由于避免了从面到线的降维接触，齿、槽间相互作用力的分布状态得以均匀化调整，结构的应力集中现象也得到了很好的缓解。