基于变异系数的盘式摩擦片结构优化设计.pdf

基于变异系数的盘式摩擦片结构优化设计*周俊波1刘佐民1袁智军2蔡萼华2（1武汉理工大学机电学院，武汉430070）（2上汽通用五菱汽车股份公司技术中心，柳州545007）BrakepadsstructureoptimizationbasedoncoefficientofvariationZHOUJun-bo1，LIUZuo-min1，YUANZhi-jun2，CAIE-hua2（1SchoolofMechanicalandElectronicEngineering，WUT，Wuhan430070，China）（2SAICGMWulingAutomobileCo.Ltd，Liuzhou545007，China）文章编号：1001-3997（2009）10-0044-02【摘要】变异系数受摩擦片径向长度、轴向宽度、厚度和制动背板厚度的影响明显；在此基础上，当采用变异系数对摩擦片进行结构优化设计时，可大幅度地降低其接触压力的不均匀性。实例表明，变异系数从39.32%降低到20.91%时，制动片的制动不均匀性降幅达46.82%。同时平均接触压力和接触面积都有所增加，提高了制动片的制动效能。关键词：变异系数；摩擦片；结构优化；控制变量法【Abstract】Itshowthatthevariationcoefficientisgreatlyinfluencedbythefollowingparameters：thelength，thethickness，axisandradiuslengthsofthebrakepad.Byoptimization，theinhomogeneousdegreeofdistributionincontactpressureofthebrakepadisdreamilydecreased.Forexample，whenthevariationcoefficientreducesfrom39.32%to20.91%，theinhomogeneousdegreeofdistributionincontactpressuredecreasesby46.82%，meanwhile，theaveragecontactpressureandcontactareaalsoincrease，Itisevidentthatbrakeefficiencyofthebrakepadcanbeimproved.Keywords：Coefficientofvariation；Brakepad；Structureoptimum；Controlofvariables中图分类号：TH12，U270.2文献标识码：A来稿日期：2008-12-10基金项目：上汽通用五菱（SGMW）资助项目（N2000）制动器接触副间的接触压力的不均匀性是导致制动器不均匀磨损以及产生制动震动和噪声的重要原因之一1。而制动片结构合理与否直接影响接触压力的不均匀程度。因此，对盘式制动器的制动片进行结构优化设计，可有效地降低其接触压力的不均匀性，从而提高其制动性能和延长其使用寿命。首次将数学领域的变异系数方法引入制动器的优化设计中，采用变异系数来量化接触压力不均匀程度，并通过控制变量来探讨变异系数随摩擦片结构参数的变化规律，实现对摩擦片的结构进行优化设计，以达到使接触压力分布均匀和延长使用寿命的目的。1变异系数的理论基础为了更精确地描述接触压力不均匀的程度，引入变异系数来量化接触压力不均匀的程度。变异系数是标准差与平均数x軃的比值，记为C.V。C.V=x軃100（1）其中，x軃=1NNi=1xi（2）=Ni=1（xi-x軃）2N姨（3）2数学模型的建立制动片结构合理与否直接影响接触压力的不均匀程度。接触压力的变异系数值与摩擦片的结构参数之间的关系为：Y=f（X）（4）式中：Y变异系数值；X摩擦片结构参数。为了确定X，现选取摩擦片的几个重要结构参数作为研究对象，如图1所示。摩擦片外径x1、摩擦片内径x2、摩擦片倒角x3、摩擦片厚度x4、制动背板厚度x5、摩擦片径向长度x6、摩擦p片轴向宽度x7、摩擦片的偏角x8，从而得摩擦片结构参数X：X=x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8T（5）为了简化表达式（5），式（5）中各结构参数用xi来代替（i从1到8），如当i=1时，xi就是x1，依次类推。在研究变异系数随摩擦片结构参数的变化规律时，采用了控制变量法，即在每次研究过程中，只改变某一个参数而保持其他的参数不变，只讨论其中一个变量的变化对变异系数的影响。由于式5中有八个变量，故采用控制变量法后，将产生8个函数关系式，即变异系数分别随X中某一个参数的变化趋势。公式如下：Yi（ai）=f（Xi）（6）式（6）中：i从1到8，表示有8个表达式。Yi表示变异系数Y随摩擦片的结构参数xi的变化情况。ai表示摩擦片的结构参数xi的偏离值。表示式（5）中X仅结构参数xi加上偏离值ai而其他结构参数不变后的摩擦片结构参数。当i=1时，xi即为摩擦片外径x1，ai表示结构参数x1的偏离值a1，Xi表示式（5）中X仅结构参数x1加上偏离值a1而其他结构参数不变后的摩擦片结构参数Xi。即Xi=x1+a1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8T，式（6）表示变异系数Y随摩擦片的结构参数x1的变化情MachineryDesignManufacture机械设计与制造第10期2009年10月44况。其他依次类推。3有限元分析模型的建立3.1有限元模型建立制动器的有限元模型，如图2所示。在建模过程中，作了如下假设：（1）忽略消音片作用，活塞的压力直接作用在制动背板上。（2）主要研究摩擦片与制动盘在静态下的接触压力，故忽略考虑切向摩擦力的影响。（3）摩擦片与制动背板粘接部分取同一尺寸。（4）刚性面来代替制动钢盘以简化计算。图1制动器尺寸结构简图图2制动器有限元模型其中材料参数为制动背板采用合金钢，弹性模量：E=200GPa，泊松比：v=0.3，密度=7800kg/m3；摩擦片采用复合材料：弹性模量：E=0.37GPa，泊松比：v=0.3，密度=3600kg/m3。3.2边界条件（1）制动轮缸的液体压强通过活塞作用在制动背板上，在本文所选用的制动器中，空心油缸活塞外径50mm，内径42.5mm。制动液压强为P=10MPa，制动液所产生的法向压力为：FP*S=10*pi*50*50/4=19635（N）（7）其中，pi=3.1415926加载在活塞表面与制动背板的接触区域上，方向垂直背板指向摩擦片，如图2所示的箭头区间。（2）制动背板在支撑架的导向槽作用下只能沿Z轴方向平动，因此约束耳销处的X和Y方向的平动。（3）制动盘与摩擦片进行刚柔接触。并约束制动盘静止不动。4计算结果分析4.1变异系数随摩擦片结构参数的影响取摩擦片结构参数X取基准值，如表1中第一行所示。通过ansys分析后提取出接触单元的接触压力，由表达式（1）求出接触压力的变异系数值。然后分别对结构参数xi的偏离值ai进行修改，计算出新的摩擦片结构参数。以新的摩擦片结构参数为参数建立模型，求出此时的接触压力的变异系数值。由此得出变异系数Yi随摩擦片的结构参数xi的偏离值ai的变化情况。共有8个这样的变化趋势。表1制动器尺寸参数（单位：mm）4.2基于变异系数的摩擦片结构优化设计在上述的基础上，考虑到摩擦片参数间的相互制约关系，以及制动器的其他零件对摩擦片参数影响。分别取各参数的偏离值如表1第2行所示，算出改进后的摩擦片结构参数X如表1第3行所示。改进前后的计算结果，如表2所示。表2优化前后的对照由表2可以看出，改进后变异系数由39.32%下降到20.91%，降幅46.82%，这表明改进后明显地改善了接触压力不均匀性，有利于摩擦片磨损趋于均匀，从而延长摩擦片的使用寿命；同时平均接触压力由6.95MPa提高到7.52MPa，接触面积略有上升，这表明改进后，提高了摩擦片的制动效能。从改进前后的接触压力分布图，如图3所示。可以看出：改进前，接触压力整个分布区间范围大，从2MPa到11MPa的每个接触压力区间的频率都超过6%，很不均匀；改进后，接触压力分布区间范围缩小，集中在5MPa到10MPa之间，占到90.0%，较为均匀。这表明用变异系数来量化接触压力均匀性是合理的。图3改进前后的接触压力分布图5结论（1）引入变异系数后，可定量地分析制动片接触压力均匀性，研究表明：变异系数随制动片倒角、内径、偏角参数的改变而改变，但变化不明显；但变异系数随摩擦片径向长度、轴向宽度、厚度、制动背板厚度的变化影响比较明显。（2）当应用变异系数对摩擦片进行优化设计时，可有效地改善制动片的接触应力均匀性，文中实例表明，在同等条件下，优化设计后，变异系数由39.32%下降到20.91%，制动片的制动不均匀性降幅达46.82%，有利于摩擦片磨损趋于均匀。同时平均接触压力和接触面积都有所上升，提高了摩擦片的制动效能。参考文献1黄健萌，高诚辉，林谢昭，唐旭晟.盘式制动器摩擦界面接触压力分布研究.固体力学学报，2007（9）：2973022MikaelEriksson，FilipBergman，StaffanJacobson.OnthenatureoftribologicalcontactinautomotivebrakesJ.Wear，2002，252：26363马保吉，朱均.盘式制动器接触界面压力分布研究J.汽车技术，1998（11）：574