混合式制动卡钳的强度与疲劳寿命分析

第２５卷第２期　天津职业技术师范大学学报　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．２　２０１５年６月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　ＡＮＤ　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　Ｊｕｎ．２０１５　混合式制动卡钳的强度与疲劳寿命分析　李维涛，方　沂，徐征，王亲敏，王旭龙　３００２２２）　（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津摘要：对混合制动式系统中卡钳的受力情况进行了理论分析，基于ＡＢＡＱＵＳ软件建立了卡钳的有限元模型，得到　卡钳在实际工作状态下的薄弱环节，并结合卡钳的使用环境及材料特性分析了卡钳的疲劳性能，为制动卡钳的结构　设计提供理论依据。　关键词：卡钳；执行机构；静力学；有限元方法；疲劳寿命　中图分类号：Ｕ４６３．５　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５—０９２６（２ｏ１５）０２—００２７—０４　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｒａｋｅ　ｃａｌｉｐｅｒｓ　ＬＩ　Ｗｅｉ—ｔａｏ，ＦＡＮＧ　Ｙｉ，ＸＵ　Ｚｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｑｉｎ－ｍｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｘｕ—ｌｏｎｇ　（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００２２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｐｅｒ　ｂｒａｋｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｈｙｂｒｉｄ　ｆｏｒｃｅ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｃａｌｉｐｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＢＡＱＵＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｅａｋ　ｌｉｎｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｐｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｗｏｒｋ－　ｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｃａｌｉｐｅｒｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｕｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｏｒ　ｆｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｅ　ｃａｌｉｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｌｉｐｅｒ；ａｃｔｕａｔｏｒ；ｓｔａｔｉｃｓ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　汽车的制动系统按能量的传递方式可分为机械　卡钳的强度和疲劳性能进行分析。　式、液压式、气压式和电控式等，而混合式制动系统是　种全新的制动理念，其基本特点是将电子控制与其　一１静态夹紧力的力学建模和理论计算　１．１传动机构夹紧力的理论计算　他传统制动形式相结合。其中电控机械式制动是以电　能作为能量来源，由电子系统进行控制、新型机械结　构进行动力传递的一种集成化机电系统。电控机械式　执行机构主要包括电机、传动装置、间隙调节机构、制　动卡钳等，传动部分又分为运动转化机构和减速增力　机构ｌ】１。由电子控制单元发出制动信号，驱动电机转　动，通过减速增力机构使电机输出的力矩放大，再通　过运动转化机构把旋转运动转化为直线运动，使制动　卡钳夹紧制动盘［２１，同时需要完成制动间隙的自动调　节。在整个工作过程中，制动卡钳主要承受通过摩擦　传动机构物理模型如图１所示。传动机构包括带　传动、行星齿轮传动和丝杠传动。整个传动机构的动　力来源是电机，由于制动系统工作状态的特殊性，电　机主要在堵转工况下工作。　减速增力机构采用双排行星齿轮来传递动力，其　结构简图如图２所示。运动转化机构采用滑动丝杠将　旋转运动转化为直线运动。传动机构的相关参数如表　１所示。　片传递过来的轴向正压力，使卡钳产生应力和变形。　变形对制动效果产生影响，从而对整个制动系统造成　损害，直接威胁到车辆的行车安全【　。针对此问题，本文　对制动力的大小进行理论计算，并在此基础上对制动　收稿日期：２０１５—０３—０７　电机通过皮带传动的传动比为：　ｉ１＝　＝４６／１５　３．０７　行星齿轮传动机构计算如下：　（——　｝）ｎ　ｌ＋ｋ１×ｎ　ｌ一（１＋ｋ１）×ｎ∞ｌ＝０　基金项目：天津市科技计划基础研究项目（１４ＪＣＹＢＪｃ２２ｏｏ０）．　作者简介：李维涛（１９８９一），男，硕士研究生；方沂（１９６３一），男，教授，硕士生导师，研究方向为数控高速加工技术、机械ＣＡＤ／ＣＡＭ等　・３０・　天津职业技术师喜、Ｒ　范大学学报　第２５卷　的屈服应力值为３２０　ＭＰａ。因此，静力学计算出的结果　相对材料破坏值是远小于屈服值的，部件没有发生　屈服【　。　当今汽车集成化、一体化的发展趋势。本文通过对制　动力的理论计算，并结合有限元分析得出如下结论：　（１）混合式制动所提供的制动力完全能够满足驻　３．２卡钳的疲劳校核计算　根据材料Ｊｓ一Ⅳ曲线［７１，由最／．ｂｚ．乘法得出的拟合　方程为ｌｇＮ＝ｎ＋ｂ×ｌｇｏ＇＿ｌ，式中０＝２７．５１８　６，ｂ＝－９．２４４５，　所以拟合方程为ｌｇＮ＝２７．５１８　６—９．２４４　５×ｌｇｏ－＿ｌ，　车及行车的制动需求，同时也可为紧急制动提供辅助　制动力，是一种可靠的辅助制动手段。　（２）制动卡钳主要承受通过摩擦片传递的轴向正　应力，通过有限元分析，获得卡钳的应力分布云图和　ＱＴ５００—７的Ｓ一Ⅳ曲线如图７所示。　图７　ＱＴＳ００—７的Ｓ－Ⅳ曲线　由图７可以看出这种卡钳寿命约为１０　。在实际　生产中使用次数为１０　时基本可以认为此卡钳具有无　限寿命。　４结论　混合式制动系统作为一种全新的制动理念，符合　变形云图，验证了卡钳自身强度能够满足使用要求。　（３）结合卡钳的有限元分析结果，对卡钳的疲劳　寿命进行预测，从而得出在采用电控制动时，卡钳完　全能够满足使用需求。如果加人液压作用，卡钳是否　满足要求则有待后续研究。　参考文献：　［１］赵一博．电子机械制动系统执行机构的研究与开发［Ｄ］．北　京：清华大学，２０１０．　［２］傅云峰．汽车电子机械制动系统设计及其关键技术研究　［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１３．　［３］郇钲．汽车电子驻车制动（ＥＰＢ）控制系统设计与实现［Ｄ］．　南京：南京理工大学，２０１２．　［４］孙玉福．实用工程材料手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２０１４．　［５］江迎春．基于ＡＮＳＹＳ的轿车转向节疲劳寿命分析［Ｊ］．汽　车科技，２００８（３）：３２—３６．　［６］米承继，谷正气，伍文广，等．随机载荷下矿用自卸车后桥　壳疲劳寿命分析［Ｊ］＿机械工程学报，２０１２（１２）：１０３—１０９．　［７］赵少汴，王忠保．抗疲劳设计——方法与数据［Ｍ］．北京：　机械工业出版社，２０１０．