基于MSC.NASTRAN的制动器结构优化有限元分析

周宏阳，张圣，夏明伟

（杭州前进齿轮箱集团股份有限公司技术中心，杭州 311203）

0 引言

随着工程机械产品的不断发展，对产品零部件的要求也日益提高，在满足综合性能指标的前提下，需要零件不断轻量化，既符合国家对节能减排的倡导，又能降低成本，提升产品竞争力。

目前，对于产品轻量化、零件减重方面，主要是从两方面考虑：一是各种轻量化材料的广泛应用，主要是低密度、高强度材料的使用，有色合金材料的使用，以及塑料、陶瓷和其他复合材料的广泛使用；二是结构优化，主要分为3个层次，尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化即调整零件尺寸，如壁厚等；形状优化则是基于选取更有利于承载的几何形状；拓扑优化则是优化材料在空间的最佳分布，以期整体结构以较小的体积和质量，达到所需要的使用要求[1]。

本文即是根据客户减重的要求，基于对制动器制动原理的理解，运用了尺寸优化减小壁厚，同时使用了形状优化，改善了壳体止动部位的形状，并且运用数值计算方法，用有限元分析的方法进行对比分析验证[2]。

1 制动器结构原理和技术参数

拖拉机制动器结构如图1所示，由壳体、壳盖、制动盘、摩擦片和止动片组成，制动力通过制动盘传递进来，经由摩擦片的摩擦力将其传递到止动片，止动片与壳体固定连接，最终将转矩传递到壳体，由壳体的形变产生的反作用力与其达到平衡，达到制动的目的[3-4]。

图1 制动器结构爆炸图

拖拉机质量为4539 kg，驱动轮动力半径rdq为0.77 mm，同时工作的制动器数目n=2，制动距离S =2.347 m，拖拉机行驶速度V=20 km/h，传动比i=4.67。

拖拉机设计工况中，其极限载荷出现在紧急停车制动时加速度a为

在制动时，双后轮平均分担制动力，每个后轮有左右制动器，且同时工作的制动器数目为2，其有效制动力为8倍单个制动器的制动力，因此单个制动器的制动力为

极限工况：20 km/h速度下，在2.347 m距离内减速到0，所需的紧急刹车制动力矩为

本文有限元分析中所采用的极限载荷，即为此紧急制动力矩T=2872.5 N·m。

2 原始设计和改进结构后设计的对照

原始设计中,止动片的止动部位采用6个矩形齿式结构,与壳体相应部位进行连接传扭制动，如图2所示。该结构为传统结构，但是在壳体的矩形槽处，恰好承受了止动片所传递过来的转矩，在槽根部存在较大的应力集中。

图2 原止动片与壳体连接细节

改进结构后采用两个端面连接制动，如图3所示。改进后的壳体承担转矩部位在左端与止动片断面配合处的较大平面，有效降低了应力集中，所以从整体上又将壳体减薄了2 mm ，在开模具之前，为缩短设计周期，预先采用有限元分析方法[5-6]进行强度验证，以确定方案的可行性。

图3 新止动片与壳体连接细节

3 有限元对比分析

3.1 三维实体模型和材料

该三维装配体模型基于SolidWorks2014版软件绘制[7]，包括制动器箱体箱盖、摩擦片、对偶钢片及止动片等，在建立装配体的有限元分析模型时，对分析结果影响较小的结构进行了适当的简化，比如小的圆角、倒角和孔等，并将简化后的实体模型导入MSC.Nastran软件[8-9]。

箱体箱盖零件材料性能参数如表1所示。

表1 箱体箱盖材料力学性能表

3.2 网格划分

新旧制动器的有限元模型网格图如图4所示。箱体的结构比较复杂，因此采用四面体单元的网格，并对应力集中处（止动片与箱体连接处）等局部部位进行网格加密，共510 316个节点，304 303个单元[10-11]。新旧壳体整体网格数量接近。

图4 新旧制动器的有限元模型网格图

3.3 载荷与位移约束

载荷和边界条件：根据紧急制动力矩T=2872.5 N·m，将其施加在摩擦片内孔花键处，该处与轴上的花键连接，传递转矩。在制动器壳体的安装螺孔位置施加固定约束。原制动器和改进后的制动器都按该载荷进行计算校核。

3.4 分析结果云图对比

原制动器壳体应力分布云图与变形分布云图分别如图5和图6所示。改进后制动器壳体应力分布云图与变形分布云图分别如图7和图8所示。

图5 原制动器壳体应力分布云图

图6 原制动器壳体变形分布云图

图7 改进后制动器壳体应力分布云图

图8 改进后制动器壳体变形分布云图

从原始设计箱体分析结果（图5、图6）可以看出：应力分布云图中应力最大值出现在止动片与壳体连接处附近，正好是止动片与壳体连接传扭处，应力值为163 MPa,安全系数为1.72。

改进设计以后，应力值在整个壳体的分布更加均匀，应力最大值明显下降，峰值为76.5 MPa，这是由于承载的端面位置处凸台平面面积较大，将制动转矩有效进行了分散，因此最大应力值下降了53%，在箱体减薄2 mm的情况下，强度安全系数反而提高，为3.66。同时整体变形量比原来更小，刚度更好。

可见原来壳体过于厚重，通过对结构细节的优化，改善了产品性能，箱体壁厚减少2 mm，单个箱体减重14.5%，这对于批量产品来说，也具有相当的经济效益。

4 结论

1）本文采用尺寸优化与形状优化相结合的方法，对制动器结构进行优化。根据结构传扭特征，对传统结构进行设计上的优化，并将优化前后的三维模型分别进行有限元分析，根据分析结果调整设计方案，最终确定可行的方案，大大缩短了设计进程[12]。

2）制动器壳体的抗扭性能与转矩施加的部位及安装时约束的部位有很大关系，通过尺寸和形状优化，可以有效减重，交付客户正常使用3 a多，达到良好的实际效果。