鼓式制动器
“不忘初心，好好学习，天天向上。”——流感君
制动器是汽车的重要组成很重要的一部分，关系到汽车的安全保障和人身安全。现在汽车往高速、重载和安全和舒适等方面迅速发展，所以良好的制动器在汽车设计内容中就显得格外的重要。
本案例对重载货车后桥鼓式制动器进行简单的有限元分析，为了实现后桥制动器作为驻车制动器，采用领从蹄式制动器，其主要特点是：制动效能和稳定性都蛮好；前进、倒退行驶的制动效果一致；便于调整制动鼓与摩擦衬片之间的间隙；更容易实现驻车制动；但也有两蹄片上的制动压力不相等，所以两蹄衬片磨损不均匀，寿命不同的缺点，同时两蹄受同一个轮缸的作用。
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制动器参数选择
鼓式制动器的设计参数图主要有：制动鼓的内径D、摩擦衬片宽度b和包角β、摩擦衬片起始角β0、制动器中心到张开力F0作用线的距离e、蹄片支承销中心位置坐标点（a，c）、制动鼓的厚度h和摩擦系数?。制动器结构参数图如图1所示。参数选择如表1所示。
图1 制动器结构参数图
表1制动器设计参数
| 内径D（mm） | 衬片宽度b（mm） | 包角β | 起始角β0 | 偏距e（mm） |
| 160 | 100° | 40° | 168 |
| c（mm） | 厚度h（mm） | 摩擦系数? | |
| 45 | 18 | 0.4 |
根据表1设计参数利用Creo软件建模出来的鼓式制动器如图2所示。
图2 鼓式制动器三维模型
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制动器有限元分析
在有限元分析中，不是模型越精确计算精度越高，模型越精确要求软件进行更复杂的矩阵化简求解，这样模型误差虽小，但导致计算误差增大，有些细小结构会导致比较差的网格质量，因此尽可能简化模型，简化模型常用的常用做法是：去掉关键位置的小孔和槽，用圆孔代替螺纹孔，用直角代替圆角及倒角。详细内容参考周炬老师的ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）。模型简化后的对比如图3所示。
图3 模型简化对比图
1.模态分析：
进行有限元分析之前，需要对制动鼓进行材料设置，摩擦衬片材料为金属固结无石棉摩擦片，制动鼓为灰铸铁（HT250），制动蹄腹板为球墨铸铁（QT450），所选材料的参数如表2所示。
表2材料参数设置
| 名称 | 材料 | 弹性模量（GPa） | 泊松比 | 密度（kg·m3） |
| HT250 | 100 | 0.31 | 7220 |
| QT450 | 205 | 0.32 | 7800 |
| 摩擦片 | 2.2 | 0.25 | 1550 |
1）边界条件设置：
制动鼓与摩擦衬片、摩擦衬片与制动蹄腹板的接触为绑定接触，由于模态分析为线性分析，如果设置接触为非线性接触（比如摩擦接触等），软件自动设置为线性接触（非线性接触），具体的详细内容参考周炬老师的ANSYS Workbench有限元分析实例详解（动力学）。
进行模态分析时，无需对模型施加载荷，只需要设置合理的边界条件即可。边界条件如图4所示，只释放制动蹄支承销孔的转动自由度，只释放制动鼓旋转自由度（选择制动鼓螺栓孔），选择两制动蹄上端，约束制动蹄的Y方向（轴向）移动自由度。
图3 边界条件设置
2）后处理：
求解成功后，查看前6阶模态固有频率以及振型，如图4和表3所示。
图4 模态固有频率及振型
表3 固有频率及振型表
| 阶数 | 固有频率（Hz） | 振型描述 |
| 1 | 354.3 | 制动鼓在XOZ面上摆动 |
| 2 | 508.04 | 制动鼓在XOZ面上摆动 |
| 3 | 552.8 | 制动器整体沿Y轴扭转变形 |
| 4 | 600.65 | 制动器整体沿Z轴弯曲变形 |
| 5 | 785.37 | 制动器整体沿Z轴弯曲变形 |
| 6 | 925.7 | 制动器整体绕X轴弯曲变形 |
模态分析得出分析模型的固有频率和振型，但其振型位移是归一化的结果，要知道分析模型真实振幅，需要进行谐响应分析——研究结构结构在不同持续频率的周期载荷作用下的动态响应，此时的得出的振幅是真实的，详细内容请参考周炬老师的ANSYS Workbench有限元分析实例详解（动力学）。之后会有谐响应分析案例。
2.静力学分析
1）接触设置
摩擦衬片与制动鼓的接触设置为摩擦接触，摩擦系数为0.4，接触算法（Formulation）设置为Augmented Largrange——不需要很大的接触刚度就可以保证较小的穿透，计算容易收敛，接触行为（Behavior）设置为Asymmetric——摩擦衬片刚度比制动鼓低，因此摩擦衬片为接触面，制动鼓为目标面，此设置可提高计算速度。接触界面处理设置（Interface Treatment）设置为Adjust to Tough——消除模型初始穿透以及间隙。摩擦接触设置图如图5所示。
图5 摩擦接触设置
为了实现制动鼓相对于地的转动，在制动鼓外表面添加joint-Revolute（Body -Ground），只允许绕局部坐标系Z轴转动，可以用于转向节，车门铰接，铰链等连接，Joint-Revolute创建如图6所示。
图6 Joint-Revolute创建
2）分析设置：
设置两个分析步，第一个分析步为第1s：制动蹄施加轮缸压力；第二分析步为第2s：模拟制动鼓的转动。初始时间步和最小时间步设置为0.01s，最大时间步设置为0.05s，时间步设置越小，载荷施加越平缓，计算容易收敛。
3）边界条件设置：
边界条件设置图7所示，由于为了演示分析思路以及减少计算量，每个制动蹄第一分析步施加0.9MPa的压力，第一个分析步保持此压力；制动鼓第二分析步逆时针旋转3°。
施加压力
制动鼓旋转角度施加
图7 载荷施加
4）后处理：
求解完成后查看制动鼓的等效应力以及接触应力，如图8所示，制动鼓最大的等效应力为16.15MPa，由于制动鼓逆时针旋转，左蹄为领蹄，右蹄为从蹄，领蹄接触应力范围比较大，而从蹄应力范围比较小，这是为何领蹄和从蹄磨损不均匀的原因。由应力范围来看，领蹄的磨损比从蹄严重，也表明领蹄的制动效果好于从蹄。
领蹄接触应力
从蹄接触应力
图8 制动蹄接触应力
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总结
为什么领蹄和从蹄的制动效果不同呢？这涉及到制动鼓工作过程的受力问题，下个案例会有解释说明，下个案例会涉及到制动器其他分析。每个复杂的分析案例都是从简单的开始，多学习，多做总结，复杂的案例都是从简单的开始。牛逼的CAE工程师都是以扎实的理论基础作为支撑，很认同大佬们所说的4+3+1法则：40%的理论知识+30%的工程经验+10%的软件操作。不忘初心，好好学习，好好工作，天天向上！
