基于ANSYSWorkbench鼓式制动器冲焊蹄的有限元分析

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Finite Element Analysis of Drum Brake Stamping-welding ShoesBased on ANSYS W orkbenchLiu Kun，Peng Mei-ehun，Lin Yi-qing，Wang Hai-long(School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)Abstract：The finite-element analysis of the brake stamping-welding shoes was conducted。based on soft-ware of ANSYS Workbench.Firstly，the sinusoidal distribution rule of positive pressure and friction forcealong the cambered surface of the brake shoe was analyzed.Then，the discrete loading method of positivepressure and friction force and the boundary conditions was established in a 3-D mode1.Finaly，the sizeof deformation，stress，strain and the distribution of brake shoes were calculated.The results indicatethat deformation，stress distribution of the brake shoes are even，the maximum deformation and the maxi-mum stress occur in tg，but they are not beyond the scope of design require-m ents。

Key words：stamping-welding shoes；finite element；discrete loading method；ANSYS Workbench；stress& deformation analysis传统的汽车鼓式制动器采用铸造式制动蹄，是目前国内普遍采用的形式.铸造式制动蹄存在质量大、热容量高、生产周期长、制造成本高、容易污染环境和耗能等缺陷 j.冲焊式制动蹄利用冲压和焊接技术制造，能够减少质量、降低成本、减少污染，很好地克服了铸造蹄所存在的这些缺点，符合现代低碳经济的发展趋势，目前在国外的-些商用车上得到应用，我国-些制动器产品生产厂家也开始涉足.汽车制动器作为汽车最重要的安全部件，其制动效能和稳定性非常重要.冲焊式制动蹄的材质性能及制造工艺与铸造蹄存在较大差异，因此产品结构也与铸造蹄有较大不同.对冲焊式制动蹄进行有限元分析是产品结构优化的技术保证.本文运用 ANSYSWorkbench软件对鼓式制动器冲焊蹄进行有限元分析 J，先计算制动蹄的受力情况，再根据受力情况在三维模型中进行加载，施加边界条件，计算得出制动蹄的变形、应力、应变的大邪分布情况，其结果为冲焊蹄的结构优化提供支持。

收稿 日期 ：2012-02-27基金项目：佛山市顺德区科技计划项目(20100201083)作者简介：刘 昆(1986-)，男，硕士研究生，主要研究方向为多体动力学仿真第 1期 刘 昆，等 ：基于 ANSYS Workbench鼓式制动器冲焊蹄的有限元分析1 制动蹄力学模型1.1 制动蹄受力的理论分析制动蹄领蹄的受力简图如图 1所示。

图 1 制动蹄领蹄 受力简图Fig.1 Primary brake shoe force diagram在汽车制动过程中，鼓式制动器的制动蹄片在凸轮的作用下，对制动蹄施加促动力 P，使其压向制动鼓，制动鼓的旋转方向如图 1所示，由于摩擦衬片与制动鼓接触挤压而对制动蹄产生正压力 Ⅳ和摩擦力 因此在制动过程中，制动蹄片受到来 自制动鼓的正压力和摩擦力，以及凸轮对对蹄片-端的促动力.蹄片的另-端受到支撑销 A 的约束，让其只能绕支承销A 转动，其轴向和径向均被限制。

1.2 制动蹄力学模型的简化制动蹄的制动过程中，摩擦衬片径向变形规律 4 如图2所示。

图2 摩擦衬片径向变形图Fig.2 Friction piece of radial deformation figure在图2中，制动鼓的转动方向如箭头所示，蹄片在促动力的作用下 ，绕支撑销A 转动 d 角，摩擦衬片表面任意点 沿蹄片转动的切线方向的变形就是 B B ，其径向变形的分量是这个线段在半径 OB延长线上的投影，即线段 B C .由于 d 很小，可认为厶4 。B 90。，摩擦衬片 的径向变形 6 如式(1)：61：BlC1BlB sinT1A1BldrsinT1. (1)令 OA OB ：R，在等腰三角形 A OB1中，A /sincR/siny1，得出61：drRsinct. (2)由于压力与摩擦衬片的径向变形成正比 J，故得出P1P sint， (3)P 为蹄面上任意-条沿宽度方向线的压力，假设沿宽度方向压力分布均匀；P 为蹄面上沿宽度方向线的最大压力。

当ot90。时，变形是最大的，也就是说此时的压力也是最大，而最大压力作用在与OA 连线呈 90。

由此可知蹄片压力沿摩擦衬片长度的分布符合正弦曲线规律.摩擦力 F uplS PSsina，S为摩擦衬片的面积，故摩擦力在衬片上也是按正弦规律变化。

2 制动蹄有限元分析方法因领从蹄鼓式制动器的固有特性，在制动过程中，领蹄在制动鼓的带动下具有增力作用，而从蹄没有增力作用，故领蹄的受力变形必大于从蹄，所以关键是保证领蹄满足性能要求.因此选择领蹄进行有限元分析。

2.1 制动蹄三维建模和网格划分运用 Workbench对冲焊式制动蹄进行有限元分析。

首先运用三维建模软件 UG建好制动蹄的实体模型，再以 x-T格式输出，导入 ANSYS Workbench中，在 Engineering Data中输入制动蹄的属性，材料为 Q235A，弹性模量 210 GPa，泊松比0.3。

对制动蹄进行网格划分，先采用 自动网格划分进行划分，再对-些重要的表面进行处理，网格划分得越衅算结果越精确，要求更高配置的计算机，并且计算时间加长，所以要根据经验划分适当的网格6 ，得出网格划分如图3所示。

广 东 工 业 大 学 学 报 第 30卷0.00 50.O0 1OO，O0nm)-二]-口 25.O0 75.OO图3 冲焊蹄网格划分图Fig.3 Stamping/welding hoof grid partition figure2.2 施加约束和载荷1)约束的施加根据制动蹄领蹄的受力简图 I对制动蹄进行约束和施加载荷，对制动蹄的支撑端(图3所示左端)施加圆柱面约束，限制径向位移和轴向位移，圆周方向可以自由转动，与凸轮轴相接触的-端(图3所示右端)施加只可压缩的约束 ]。

2)蹄面正压力加载正压力通过摩擦衬片传到蹄片上，沿圆周呈正弦分布，假设沿蹄片宽度方向均匀分布.在蹄面圆周方向等间隔角度选 取 7条线，如 图 2所 示，取01OB 分 别 是 3O。、50。、70。、90。、110。、130。、150。，将整个蹄片承受的正压力分成 7个分力，分布在这7条线上，令 01sin30。、02sinS0。、、Ⅱ7sinl50。，7条线上的正压力分力 P 计算如下：b。： ，∑aj6 MP。 ，i：1，2，3， ，7。

(4)(5)M为制动力矩，取 11 000 N·m；/z为摩擦系数，采用石棉材料，取 0.4；R为半径；S为蹄面的面积，已知蹄的尺寸，计算得出为0.089 666 m 。

为了便于在 ANSYS Workbench中压力的加载，在如图3所示，建立局部柱坐标系，将上述的分压力分布坐标转化到局部坐标系中，得到压力在蹄面上的分布如图4所示，为近似的正弦曲线，局部坐标系轴方向与整体坐标 轴方向相同，z轴与沿蹄面宽度线平行，l，轴代表沿蹄面宽度方向的线与 z轴所组成的平面与 轴的夹角。

矗室R出恒龌角度r/( )图4 蹄面压力加载曲线Fig.4 Load curve of hoof surface pressure3)蹄面摩擦力加载制动时，制动鼓对摩擦衬片产生摩擦力矩，摩擦衬片上的摩擦力矩通过铆钉传给制动蹄.为便于加载摩擦力，需要将摩擦力矩在蹄片上离散化.如图3所示，蹄面上从左到右均匀对称地分布了36个铆钉孔，从左至右沿宽度方向相近的6个孔分为 1组，共有 6组，每组孔沿宽度方向的中心线的角度分别为40。、60。、80。、100。、120。、140。，即 0jOB1的角度，日 为摩擦片上6条中心线上的点.将总摩擦力矩按正弦规律分布到 6组铆钉孔上(假设每组孔中每个孔受力均匀)，故铆钉孔上所产生的力矩之和等于摩擦衬片上摩擦力所产生的总力矩。

令 Clsin40。，C2sin60。，c3sin80。，C4sinl00。，c5sinl20。，c6sinl40。.每组孑L的分摩擦力矩计算如式(7)所示，每组孔的受力计算如式(8)所示。

3 计算结果与分析通过有限元计算得出冲焊蹄片的应力、应变及变形等分布，下面对计算结果进行分析。

3.1 制动蹄的变形分布通过有限元分析，得出制动蹄的变形分布如图r L， rL 6 8 5 3 0 8 4 2 2 2 2 1 O O O O O O 广 东 工 业 大 学 学 报 第 30卷[2]浦 广益.ANSYS Workbench 12基刺程与实例详解[M].北京：中国水利电出版社，2010。

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