某汽车制动器支架扭转刚度有限元分析

薛亮++杜小芳

摘 要：为了验证某汽车制动钳支架扭转刚度是否满足设计要求，运用有限元方法对其进行了研究。用HyperMesh软件建立了制动钳支架有限元模型，用ABAQUS软件模拟计算其扭转刚度。对比有限元计算结果与目标值，结果表明，仿真值高于目标值。这说明，汽车制动钳支架的扭转刚度足够。此分析为日后车辆制动器设计提供了理论依据。

关键词：制动钳；扭转刚度；有限元；汽车制动器

中图分类号：TH16；U463.51 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.078

汽车制动性能是影响汽车行驶安全的重要指标。制动钳支架是轿车盘式制动器的一部分，它是汽车制动时制动力的承载者，但却是一个容易被人忽略的部件。制动钳支架的扭转刚度是盘式制动器的重要力学性能指标，扭转刚度过低，容易导致汽车制动时支架出现较大变形，制动力矩分配不均，制动噪声过大，进而影响行车安全。在汽车设计中，试验法是研究刚度的传统方法，但是，随着计算机辅助设计技术的成熟，越来越多的国内外专家在汽车设计中运用计算机仿真方来代替试验法，从而降低成本，缩短设计时间，节省大量的资金。因此，本文对某汽车的制动钳支架进行了有限元仿真模拟。

1 某汽车制动钳支架介绍

浮动钳盘式制动器的制动钳和支架是滑动接触的，制动钳附着在支架上滑动，而制动摩擦片与制动钳固定在一起。制动时，在液压的作用下，活塞将摩擦片推至滑出，制动盘与摩擦片形成摩擦副，摩擦片对活塞的反作用力使制动钳发生轴向滑动，最终使制动盘两边的压力达到动态平衡。制动钳支架的几何模型如图1所示。

2 扭转刚度理论基础

汽车在某些工况下制动时，制动钳支架会受到绕安装孔轴线转矩的影响，使支架发生扭转变形，受力情况如图2所示。在此，可以用扭转刚度评价结构抵抗这种变形的能力，具体计算方法是：假设卡钳支架是一个直杆，并且具有均匀的扭转刚度，然后根据材料力学教材中的公式计算扭转刚度。卡钳支架的扭转刚度K（Nm/rad）计算公式为：

|K=Mt/α|. （1）

式（1）中：K为支架扭转刚度，定义为扭矩与扭转角度之比，Nm/rad；Mt为扭矩，Nm；α为扭转角度，rad。

3 支架扭转刚度有限元仿真

用有限元软件HyperMesh为支架的几何模型划分网格，然后用ABAQUS软件为模型添加约束和载荷，最后求解扭转刚度。支架扭转刚度的目标值为8 000 Nm/rad。

3.1 建立有限元模型

制动钳支架的结构相对比较简单，在CATIA中将几何模型文件另存为HyperMesh可识别的中间数据格式，这里采用STEP格式，然后导入到HyperMesh软件中对零件进行简化处理。因为导向销孔部分的结构对扭转刚度的影响很小，所以，可切除导向销孔部分的实体。然后对支架进行几何清理，以方便划分网格。因为制动钳支架是铸造件，形状不规则，所以，可以采用四面体单元划分，单元类型为C3D10M。制动器支架有限元模型包含节点数53 373个，单元数244 323个。支架有限元模型如图3所示。

3.2 制动器支架材料

制动器支架的材料是HT500，在ABAQUS软件中赋予线弹性材料特性。其中，杨氏模量E=1.75e+05 Mpa，材料泊松比λ=0.27，密度ρ=7.8e-09 T/mm3。

3.3 边界条件

分别将安装孔A，B上的单元通过“Coupling”命令耦合到A，B孔的中心位置，约束A安装孔中心的全部自由度，对B安装孔中心施加一个沿AB轴向、大小为1 000 Nm的扭矩。具体的边界条件如图4所示。

3.4 结果分析

用ABAQUS软件提交相关计算求解，并在Visualization模块中分析结果。将B安装孔中心的扭矩作为Y轴，角位移作为X轴绘制扭矩—角位移曲线，曲线的斜率即为扭转刚度，具体如图5所示。

利用式（1）计算得支架的扭转刚度K=9 523 Nm/rad，高于目标值，符合设计要求。支架应力云图如图6所示。