独立式EPB结构设计与仿真分析

卞荣花　陈新　宋高翔　宋新强

摘 要：本文通过计算汽车在不同坡度上驻车时所需要驻车力的大小，设计独立式EPB结构，并通过对独立式EPB结构中主要部件螺栓和卡钳嵌体的受力仿真分析，验证整个结构最大应力位置及所选用的材料满足设计要求，总结出独立式EPB卡钳钳体可以进行轻量化设计，适应现今汽车轻量化的发展趋势。

关键词：独立式EPB 卡钳强度 仿真分析

Independent EPB Structure Design and Simulation Analysis

Bian Ronghua Chen Xin Song Gaoxiang Song Xinqiang

Abstract：In this paper， the independent EPB structure is designed by calculating the parking force required when the car is parked on different slopes， and the force simulation analysis of the main components of the independent EPB structure and the caliper inlay are verified to verify the maximum stress position of the structure and the selected materials meeting the design requirements. It is concluded that the independent EPB caliper body can be lightweight design to adapt to the current development trend of automobile lightweight.

Key words：independent EPB， caliper strength simulation analysis

1 引言

随着汽车技术的发展和人民对于汽车要求的提升，传统手刹逐渐被电子驻车制动系统（Electrical Park Bake 简称EPB）所取代，EPB分为三种，分别是拉索式EPB、集成式EPB和独立式EPB。拉索式EPB就是传统手刹的简单替代，手柄改成电子开关，电机代替人施加作用力，已经逐渐淘汰。常见的EPB为集成式EPB系统，是指将行车过程中的临时制动和停车后的长时间制动功能融合在一起。EPB这类由电子控制方式实现手刹制动的技术，其工作原理与机械式手刹相同， 均是通过刹车盘与卡钳式手刹之间的摩擦力达到控制手刹制动，只不过控制方式从原先的机械式手刹拉杆变成了电子按钮，使力装置从原来的人力改成电机力，而且功能也新增自动驻车，主动释放，集成了防盗系统，实现可靠的数字芯片防盗功能。

随着车辆向高端化的发展，制动器采用固定式卡钳越来越多，为此独立式EPB系统也随之应用越来越广。

2 独立式EPB结构受力计算

（1）整车参数

（2）驻车受力分析

车辆静止在坡道上，根据车辆的参数和驻车制动器的参数，以及路面和轮胎的摩擦系数，对其进行极限驻车能力计算。车轮上坡受力分析，如图1。

图1中，车辆上坡时质心距离为Lf、Lr，原水平時的的距离为Lf、Lr，质心高度为H，车轮半径r，h=H-r是水平时车辆轴上质心高度，由图可以看出，水平路面和坡道路面两种状态下质心距离变化的几何关系，红色粗线表示质心的水平投影位移。

Lf=Lf×cosθ+h×sinθ

Lr=Lr×cosθ-h×sinθ

根据上述公式，推导出上坡时的驻车公式如下：

tanα=

上坡时驻坡的极限角度：α=tan-1

代入车辆参数得：

空载：α=0.751411

满载：α=0.750105

后轮附着力：

Fr=μ×m×g×（Lf×cosθ+h×sinθ）

空载：Fr=6051.172N

满载：Fr=6641.296N

同理计算出下坡时后轮附着力分别为：

空载：Fr=4050.702N

满载：Fr=4389.554N

（3）EPB电机力与卡钳夹紧力计算

取上坡及下坡，满载空载的不同状态下的后轮附着力的最大值作为EPB所需产生的最小附着力，计算EPB电机的输出力为：

Fepb=

Fepb=10869.23N

卡钳的夹紧力：

Fcaliper=Fepb=10869.23N

接下来以卡钳的夹紧力作为支架的输入力进行EPB卡钳钳体受力分析。

3 独立式EPB卡钳钳体分析

先借助于CATIA的强大功能设计本次独立式EPB制动器总成，然后导入至Abaqus软件进行分析优化，得出符合强度要求的独立式EPB制动器。

（1）独立式EPB制动器总成设计

借助于CATIA软件进行本次独立式EPB制动器总成的尺寸结构设计。在本次设计的独立式EPB制动器总成中卡钳钳体进行了轻量化及通用化设计，而卡钳钳体为独立式EPB支架中左右侧夹紧力的传递部件，因此作为设计重点进行分析。独立式EPB制动器总成除掉电机部分，机械部分的静强度分析对象即卡钳钳体如图2所示：

接下来需要将图2的模型导入至Abaqus软件进行卡钳钳体受力分析。

（2）独立式EPB卡钳钳体受力分析

本文采用Abaqus软件进行卡钳钳体受力分析，Abaqus是功能强大的有限元分析软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大的模型，处理高度非线性问题。Abaqus不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析和研究。

本次分析主要采用了Abaqus静态应力/位移分析模块分析功能。

设置螺栓和卡钳材料属性，其中螺栓为锻钢材料，弹性模量为193MPa，泊松比为0.3;卡钳为铸铝材料，弹性模量为80MPa，泊松比为0.33。

在卡钳和螺栓之间定义接触，摩擦系数设置为0.48（鋁和低碳钢的滑动摩擦系数），在螺栓末端和卡钳座的螺纹处建立绑定约束。

设置卡钳最大加载力。根据上述计算结果，取合理公差最大值作为卡钳支架强度分析的输入力，其中1.1的系数是在摩擦片允许合理的公差范围内最大值，即F=10869.23×1.1=11956N。

参数设置完毕，进行仿真分析后，发现最大应力点在螺栓与卡钳钳体的夹紧处，此处S Mises平均应力为1.214MPa，小于所选用的螺栓的屈服极限193MPa。卡钳钳体上最大应力为0.45MPa，小于铝合金的屈服极限70MPa，从剖视图4上看出，支架的承载力矩主要由螺栓来承受，因而铝合金卡钳钳体仍可以减轻较多重量。

如图5可以看出，卡钳最大变形量发生在卡钳底部为2.8e-01mm即0.28mm，符合最大变形量为0.3mm的设计要求。

4 结论

通过研究仿真运行的结果，发现整个独立式EPB卡钳钳体的最大应力发生在螺栓与卡钳钳体的夹紧处，螺栓的屈服极限远大于最大应力;钳体采用的铝合金最大屈服极限也是远大于卡钳钳体的最大应力;同时，卡钳的最大变形量也是小于设计要求，综上三个方面都是完全符合设计要求的。独立式EPB机构的承载力矩主要由螺栓来承担，所以独立式EPB卡钳钳体还可以更轻量化，满足现在汽车轻量化设计的要求。

基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（202013114006Y）

参考文献：

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