基于ANSYS Workbench的盘式制动器主要零件静力分析

侯天琦

摘 要：盘式制动器的主要零件的强度和刚度直接决定了制动系统是否有足够的可靠性，是满足汽车安全的最重要指标。本文利用ANSYS Workbench，对盘式制动器主要零件进行结构静力学分析，对强度和刚度进行验证。

关键词：有限元；静力分析；刚度；强度

1.静力学方程

结构静力学分析通常用来分析在给定静力载荷作用下的响应。通常情况下，一般研究的是结构的位移、约束反力、应力以及应变等参数。

忽略阻尼和惯性对系统的影响，假设结构的加载和响应随时间变化不大，利用ANSYS Workbench中自带的Mechanical模块设置结构静力分析选项，然后运用ANSYS求解器进行求解计算。

一般的，静力学分析方程为：

[K]{u}={F}

其中，[K]是刚度矩阵，{u}是位移矢量，{F}是静载荷。在分析中，不考虑动载荷对系统的影响，忽略阻尼和惯性。假设材料为弹性材料，结构总体变形可忽略不计，那么[K]即为常量。

在对结构静力学进行分析时，通常采取的步骤为：建立分析系统、定义材料基本参数和属性、建立几何模型、明确连接关系、进行网格划分、施加载荷和约束、进行求解和后处理。

2.初始参数和有限元模型的建立

在建立有限元模型之前，要先定义各部分之间的接触关系，这些关系包括：制动钳体与油缸、制动钳体与支架、油缸与摩擦片、制动卡钳与摩擦片、制动盘两侧与两个摩擦片。

经由计算可得，油缸底面的载荷为1.7MPa，制动盘体表面施加压力为25MPa。给制动器端面和中心孔施加全约束。

盘式制动器主要零件参数见上表。利用Pro/E软件进行建模，再导入ANSYS Workbench中。

3.主要零件静力学分析结果

（1）油缸。在ANSYS Workbench平台建立静力学分析模块，然后导入油虹的有限元静力学模型，并对其进行网格划分。材料属性为结构钢，弹性模量为2. 1E11，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。对油缸开口端面施加X方向的约束，载荷大小为1.7E6Pa；对缸体外壁施加Z方向约束，载荷大小为1MPa。

经加载后，变形最大的部分为油缸底部中心处，为0.011061mm，实际制动工作中可以忽略不计。应力最大的部分为油缸底部边缘倒角处，底面中心变形较大，最大应力值为30.825MPa，缸体材料的最大屈服强度242MPa，满足工作要求。[1]

（2）制动盘。在ANSYS Workbench

平台建立静力学分析模块，然后导入油虹的有限元静力学模型，并对其进行网格划分。材料属性为结构钢，弹性模量为1.75E11，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。对盘体外端面施加X方向的约束，对轮毂面施加Y方向和Z方向的约束，载荷大小均为25MPa。

经加载后，变形最大部分为制动盘边缘处，为0.019207mm，越靠近安装中心孔变形越小。应力最大的部分在制动盘摩擦面边缘，最大应力值为262.83MPa，制动盘材料的最大屈服强度345MPa，满足工作要求。[2]

（3）摩擦片。在ANSYS Workbench

平台建立静力学分析模块，然后导入油虹的有限元静力学模型，并对其进行网格划分。材料属性为结构钢，弹性模量为3.4E8，泊松比为0.25，密度为2600kg/m3。对摩擦片缘施加X方向和Y方向的约束，载荷大小均为25MPa。

变形最大部分在摩擦片与制动盘接触侧边缘处，最大值为0.0015938mm，越靠近中心变形越小。应力最大处摩擦片在摩擦一侧边缘，最大应力值为43.187MPa。对于汽车制动摩擦片我国的标准为60—90 MPa，所以本摩擦片满足工作要求。

本文利用ANSYS Workbench，对盘式制动器主要零件进行了结构静力学分析，包括制动盘、支架、钳体、摩擦片，用Pro/E软件进行三维建模，对油缸、制动盘和摩擦片进行了有限元分析，对其进行强度和刚度验证，分析结果完全满足设计要求。

参考文献：

[1]施瑞康，张德林.汽车制动器制动效能因数计算及结果分析[J].汽车技术，2005（06）.

[2]徐荣滨.多盘摩擦式液压制动器的设计计算[J].液压气动与密封，2009（03）.

（作者单位：大连大学机械工程学院）