基于ISIGHT的商用车鼓式制动器的结构分析与优化

袁飞泉，金志扬，李 美

（海南大学机电工程学院，海南 海口 570228）

商用车运输是我国交通运输行业主要的运输方式之一，随着近年来网上购物的增加带来的快递物流业飞速发展，使得商用车无论是数量还是使用时间都急剧增加［1］.相较于家用乘用车，由于商业车平均行驶里程长，故制动次数多，因此提高商用车的制动器寿命更加重要.

盘式制动器和鼓式制动器是目前两种广泛使用的制动器类型，也是汽车制动系统的关键零部件.盘式制动器由于其制动盘工作面积大，所以其稳定性及散热性比较好，但其成本较高，因此广泛应用于中高端汽车［2］.目前商用车广泛使用的制动器一般是鼓式制动器，鼓式制动器利用制动蹄将摩擦衬片压在制动鼓内侧，从而提供制动力，进行减速停车.鼓式制动器的优点在于结构相对简单，制动效能高，但由于其制动过程制动蹄不断受力，因此鼓式制动器容易发生失效［3-4］.

鼓式制动器主要有两种失效，分别是制动蹄的变形以及制动器热衰退［5］.因此在设计鼓式制动器时，校验其强度是非常关键且必要的一步［6］.许多专家学者研究出新型结构的鼓式制动器用于延长制动器使用寿命，但未对制动蹄进行优化设计［7］.鼓式制动器在工作时，制动蹄受到来自凸轮的张力，通过摩擦衬片与制动鼓接触，产生制动力.因此，制动制动蹄上的最大应力与制动器的使用寿命紧密相关，当制动蹄上的最大主应力过大时，制动器的寿命将会明显下降［8］，因此，降低制动蹄在使用过程中的最大主应力，不仅可以保证汽车行驶过程中的安全性，还能提升制动器的使用寿命.

目前研究主要集中在改进制动器的材料来提高制动器寿命的方法上［9-11］，然而，该方法需要对不同种类的合金及新型材料进行设计与验证，成本高且工作量大，同时结果往往也不如人意.随着软件仿真技术的进步，有限元分析在制动器结构优化中起到重要的作用［12-14］.因此本文通过Isight软件集成Catia和Abaqus对领从蹄式制动器结构进行设计，首先通过Catia软件对商用车制动器进行建模，使用Abaqus分析制动蹄的工作时最大主应力，通过试验设计对制动蹄结构参数进行优化，得到制动时制动蹄上应力较小的结构参数，提高制动器使用寿命.

1 鼓式制动器建模与有限元分析

1.1 制动器三维建模本文所研究的商用车鼓式制动器属于传统的领从蹄式制动器.在建立鼓式制动器三维模型前对其进行适当简化，保留制动蹄（领蹄和从蹄）、制动鼓和摩擦衬片三个主要部分，在CATIA三维建模软件中建立的鼓式制动器三维模型如图1所示.制动器各部件结构参数如表1所示.

表1 鼓式制动器主要参数

图1 鼓式制动器三维图

1.2 网格划分及主要参数在catia中建立制动鼓、制动蹄以及摩擦衬片的三维模型并进行装配，装配后导入至hypermesh中进行网格划分，由于制动蹄结构较为复杂且本文主要研究对象为制动蹄，因此，在保证仿真速度的前提下，制动蹄网格划分相比制动鼓与摩擦衬片更为精细，制动蹄网格尺寸为1 mm，摩擦衬片网格尺寸为2 mm，制动鼓网格尺寸为5 mm.以提高仿真结果准确性.鼓式制动器局部网格模型如图2所示.制动蹄有节点260 637个、单元262 413个；制动鼓有节点17 191个、单元17 354个；摩擦衬片有节点34 424个、单元34 428个.制动鼓三维有限元模型共有节点312 252个、单元314 195个，单元类型为8节点六面体单元C3D8.

图2 鼓式制动器局部三维网格

将鼓式制动器的三维网格模型导入abaqus之后，需要设置鼓式制动器材料属性参数.其中制动蹄的材料为碳钢，制动鼓的材料为灰铸铁，摩擦衬片的材料是非金属材料.鼓式制动器各部件材料不同，各部件材料主要参数如表2所示.

表2 制动器各部件参数

1.3 约束与加载制动器的摩擦衬片外表面和制动鼓内表面之间建立表面与表面接触，接触属性通过摩擦系数定义，摩擦系数通过摩擦衬片的性能定义为0.4；制动蹄和摩擦衬片使用（tie）命令建立绑定约束，约束制动鼓所有自由度.制动鼓内表面以及制动蹄固定端表面耦合到制动鼓中心轴线参考点（如图3）.

图3 鼓式制动器约束情况

领从蹄式制动器在工作时，领蹄和从蹄同时受到张力，使摩擦衬片与制动鼓充分接触，发生摩擦从而减速，仿真时对制动蹄施加张力，如图4所示.领蹄和从蹄的张力分别为34.5 kN和89.6 kN［15］，制动蹄固定端除孔转动以外的自由度.

图4 制动蹄加载情况

1.4 仿真结果分析由于从蹄的张力远大于领蹄的张力，因此领从蹄式制动器最大主应力出现在从蹄上，其大小和分布情况如图5所示.由图5可知，从蹄上最大主应力出现在制动蹄孔处、腹板和翼缘接触的位置与翼缘与制动蹄固定端接触位置.最大主应力为0.248 GPa，该制动蹄所用材料为灰铸铁，其许用应力极限为0.294 GPa，虽然大于制动蹄上最大主应力，但最大主应力是许用极限的84.4%，二者较为接近，因此在长时间制动以及有磨损之后，制动蹄发生损坏的可能性较大.所以需要针对制动蹄上主应力大的部位进行优化，降低其最大主应力，因此对制动蹄腹板的宽度、翼缘的宽度及厚度、制动蹄孔直径和制动蹄蹄面厚度进行优化设计，以降低制动蹄上最大主应力，不仅可以保证汽车行驶安全性，还可以延长使用寿命.

图5 制动蹄应力分布

2 基于试验设计的优化参数确定

目前广泛使用Isight集成CAD与CAE的软件领域，其通过向所集成的软件发出指令从而实现仿真结果的自动化处理［16-17］.优化流场如图6所示.本文对制动蹄结构优化设计，基于仿真结果选择制动蹄上主应力大的部位，即制动蹄翼缘宽度与厚度、制动蹄腹板厚度制动蹄孔直径和制动蹄蹄面厚度作为优化对象，在Catia中对所研究的5个结构参数实现参数化，5个参数如图7所示，再将参数化的Catia模型导入Abaqus中完成有限元力学分析，得到不同方案下的制动蹄上最大主应力；通过对参数进行敏感性分析，确定优化参数.

图6 Isight优化流程

为了最大程度上保证了设计点的分布均衡性，因而本文选择最优拉丁超立方设计作为试验设计方法.本文选择图7所示五个参数作为优化参数，分别定义为结构参数A：翼缘宽度、B：翼缘厚度、C：腹板厚度、E：蹄面孔直径、F：蹄面厚度，以制动蹄上最大主应力为优化目标.采用最优超拉丁方试验设计方法，设计样本数为15.结构参数ABCEF的变化空间为初始值±10%，则制动蹄各结构设计参数的上下限值为：A∈[27，33]mm、B∈[6.3，7.7]mm、C∈[5.4，6.6]mm、D∈[8.1，9.9]mm、F∈[4.5，5.5]mm.最后在isight中生成的实验方案如表3所示，并计算各个方案下最大主应力.

表3 实验方案结果

图7 制动蹄优化参数

进行参数优化时，Pareto图可以更加直观地表示参数对优化目标的影响，图8为5个参数的Pareto图.其中正贡献度表示随着因子数值的增加，仿真结果也增加，反之负贡献度表示仿真结果随着因子数值的增加而减小.由图8可知，最大主应力随着翼缘宽度、厚度以及制动蹄体面厚度增加而减小，随着腹板厚度、制动蹄孔径增大而增大.5个参数贡献度由大到小分别为翼缘宽度＞腹板厚度＞翼缘厚度＞制动蹄蹄面厚度＞制动蹄孔径.且制动蹄孔径与制动蹄蹄面厚度贡献度较低，因此本文选择制动蹄宽度、厚度以及腹板宽度作为优化对象，进行优化设计.

图8 制动蹄参数敏感性分析

3 制动蹄优化设计

Kriging近似模型能够很好地反映出变量在空间中分布的随机性，而且能够对空间分布的数据求解其线性最优.为此，采用最优拉丁超立方试验设计在空间内随机取样，构造参数A、B、C与最大主应力的Kriging近似模型.图9为Kriging模型精度图，图中点为15组样本点.由图9可知，预测值与仿真值吻合情况良好，表明了近似模型拟合的精度较高，可用于后续优化分析.

图9 Kriging近似模型预测精度图

本文使用的是自适应模拟退火算法（ASA）进行优化，该算法是模拟退火算法的改良版.ASA通过将原始SA算法的内循环分成内外两层，内层控制扰动，外层控制领域变化，根据寻优进程自适应地改变温度，避免了局部寻优以确保获取目标函数的优化解.相较于SA算法，ASA算法具有更高效的全局寻优能力，可用于离散变量求解、非连续空间以及多种非线性问题的求解.为此，本文采用Isight提供的ASA优化算法，参数设置如图10所示，对最大主应力进行优化分析，共迭代1 621次获得一组最优解如图11所示.优化前后制动蹄各结构参数及最大主应力预测结果如表4所示，由表4可知，优化后的制动蹄最大主应力出现的位置依然是制动蹄翼缘以及制动蹄腹板，但其数值降低10.89%，优化后的制动蹄最大主应力仅为许用应力的75%（图12），相较于优化前的制动蹄最大主应力有明显下降，降低了制动器在连续使用时失效的可能性，也提高了制动器使用寿命.

图10 优化算法设置

图11 迭代过程

图12 优化后制动蹄应力分布

表4 优化结果对比表

为了验证优化结果，建立优化后的制动器模型，进行应力分析，结果如图7所示.实验设计结果最大主应用为0.218 65 GPa，仿真结果为0.215 8 GPa，优化后的仿真值和预测值误差为1.3%，预测值和仿真值的吻合度较好，多目标优化结果表明，通过对制动蹄三个结构参数的优化，实现了降低制动蹄上最大主应力，提高了制动器的安全性与使用寿命，产品性能将得到提升，实现了预期的目标.

4 结论

1、通过对某款商用车鼓式制动器进行三维建模以及应力应变分析，发现制动蹄最大主应力及其分布情况，最大主应力出现在从蹄的腹板和翼缘接触的位置与翼缘与制动蹄固定端接触位置，为优化制动蹄结构参数提供思路.

2、通过对制动蹄结构参数的实验设计，结合自适应模拟退火算法得出降低制动蹄最大主应力的参数设计，并通过仿真验证实验设计结果与仿真结果之间差距仅为1.3%，证明试验设计结果的准确性，优化后的制动蹄最大主应力降低10.89%，不仅提高了制动器在连续制动时的安全性，也延长了制动器的使用寿命.