CN113051802A - 基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，包括以下步骤：根据制动器的几何参数和各部件的材料参数建立有限元模型，对建立的有限元模型进行静力求解，获取摩擦片与制动盘之间的接触压力数据；根据制动器中摩擦片与制动盘之间的接触压力数据，计算摩擦片各个单元接触压力的标准差，当摩擦片各个单元接触压力的标准差大于预设目标值时，调整制动器中摩擦片的材料参数，直至摩擦片各个单元接触压力的标准差小于或等于预设目标值。本发明以单元接触压力标准差作为评价接触压力均匀程度指标，使制动盘及摩擦片间接触压力尽可能均匀分布，避免制动盘及摩擦片非正常磨损，以及非正常磨损带来的制动抖动及制动噪音问题。
Description
技术领域
本发明属于制动技术领域，尤其涉及机动车的摩擦片优化设计，具体是基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法。
背景技术
汽车制动器是汽车结构中非常重要的部件，其性能对行车安全有着重要的影响。制动盘与摩擦片间的摩擦对制动器性能及使用寿命有着重要的影响。制动盘的非正常磨损直接影响汽车的安全行驶,并且导致制动盘厚薄不均匀，导致制动器制动性能降低。制动盘厚薄差是盘式制动器产生制动抖动的主要影响因素。制动抖动带来的制动振动及噪声问题，会引起严重的质量问题，并带来用户投诉。
为了避免上述问题，通常会采用双活塞或多活塞的制动器结构设计，或者增大活塞半径等方式实现摩擦片及制动盘间的接触压力更均匀地分布，避免非正常磨损。但多活塞的设计以及更大的活塞支直径，意味着成本的升高，不利于产品在竞争激烈的汽车市场赢得优势。
现有技术存在摩擦片和制动盘之间的压力不均匀，存在非正常磨损，且制动时有噪音。
中国专利“一种优化摩擦片减少不均匀磨损的方法”，CN201810052315.9，公开了一种优化摩擦片减少不均匀磨损的方法，包括：建立制动盘和摩擦片模型；对制动盘和摩擦片进行网格划分；通过有限元软件进行热机耦合分析；根据温度场和接触压力场，得出摩擦副离散点的应力值；通过PB实验设计确定影响因子最大的参数，得出离散点的一阶拟合曲线；通过响应面设计方法得出最优解。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种避免摩擦片及制动盘非正常磨损，避免制动抖动及制动噪音的产生的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法。
为达到上述目的，本发明设计的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于，包括以下步骤：根据制动器的几何参数和各部件的材料参数建立有限元模型，对建立的有限元模型进行静力求解，获取摩擦片与制动盘之间的接触压力数据；根据制动器中摩擦片与制动盘之间的接触压力数据，计算摩擦片各个单元接触压力的标准差，当摩擦片各个单元接触压力的标准差大于预设目标值时，调整制动器中摩擦片的材料参数，直至摩擦片各个单元接触压力的标准差小于或等于预设目标值。
优选的，摩擦片与制动盘之间的接触压力获取方法如下：
获取待建模的制动器总成各部件，对制动器总成各部件进行有限元网格划分；
设置仅包含摩擦片部件中与制动盘接触的单元的单元集合；
根据各材料参数创建制动器总成各部件的材料属性；
创建各部件之间的连接关系；
设置制动器的边界条件：边界条件包括制动器的约束及荷载，在保持架与转向节螺栓连接处施加位移约束，活塞处根据活塞制动油压施加压力载荷；
设置制动器静力分析步，创建仿真分析任务，并返回的仿真分析结果，从而得到制动盘与摩擦片接触压力分析结果。
进一步优选的，根据制动器各部件的结构形式选择合适的单元类型进行网格划分。
再进一步优选的，制动盘和摩擦片采用六面体单元建模；卡钳体、卡钳支架、导销及活塞采用四面体单元建模。
进一步优选的，材料属性包括密度、杨氏模量、泊松比、比热容、热传导率及热膨胀系数。
进一步优选的，摩擦衬片、背板及垫片采用TIE约束形成摩擦片结构；
进一步优选的，在摩擦片与制动盘、卡钳、活塞的接触位置创建接触对。
进一步优选的，在制动卡钳及保持架导销处创建接触对。
优选的，提取所有仅包含摩擦片部件中与制动盘接触的单元的接触压力值，并计算各个各单元接触压力的标准差；将接触压力标准差与接触压力均匀程度目标值σo比较，若σ≤σo，则接触压力足够均匀，满足设计要求，若σ>σo，则调整制动器中摩擦片的材料参数。
进一步优选的，优化制动器中摩擦片的材料参数方法如下：创建摩擦片材料的泊松比及杨氏模量的优化变量，并对优化变量设置相应的上限及下限；以优化变量为初始值，计算并提取所有仅包含摩擦片部件中与制动盘接触的单元的接触压力值；计算接触压力标准差，设置该标准差为优化过程中的输出变量；以接触压力标准差小于或等于预设目标值为优化目标，前次参数为输入变量，基于输入变量和输出变量，进行迭代更新输入变量，直至接触压力标准差小于或等于预设目标值；最后一次的输入变量为制动器中摩擦片的材料参数。
再进一步优选的，杨氏模量取值区间为5Gpa～30Gpa，泊松比取值区间为0.1～0.4。
本发明的有益效果是：基于制动器摩擦片及制动盘之间的接触压力结果，优化摩擦片材料参数，使两者之间接触压力更加均匀，避免摩擦片及制动盘非正常磨损，避免制动抖动及制动噪音的产生。建立了摩擦片材料参数优化方法流程，使摩擦片与制动盘之间的接触压力趋于均匀，避免摩擦片及制动盘非均匀磨损，在一定程度上能避免制动抖动及制动噪音的产生。摩擦片的使用寿命及制动性能也能得到一定程度的提高。
本发明提出的制动盘及摩擦片接触压力均匀程度评价方法，以单元接触压力标准差作为评价接触压力均匀程度指标。建立了制动盘及摩擦片接触压力优化方法，以接触压力标准差作为目标值，使制动盘及摩擦片间接触压力尽可能均匀分布，避免制动盘及摩擦片非正常磨损，以及非正常磨损带来的制动抖动及制动噪音问题。
附图说明
图1是本发明的流程图
具体实施方式
下面通过图1以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明设计的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，包括以下步骤：
1.制动器数模及各部件材料参数输入准备。具体包括：
1.1)制动器总成模型准备，为制动器有限元模型提供几何输入：制动器总成模型应包括制动盘、制动钳、摩擦衬片、制动背板、保持架和导向销。
1.2)制动器各部件材料参数准备，为制动盘有限元仿真建模提供材料参数：包含各部材料牌号，以及对应材料的杨氏模量、泊松比和密度。
2.建立完整的制动器有限元分析模型，模型包含制动钳、保持架、活塞、摩擦片及制动盘等部件。具体包括：
2.1)获取待建模的制动器总成各部件，对制动器总成各部件进行有限元网格划分：根据制动器各部件的结构形式选择合适的单元类型进行网格划分，比如，制动盘和摩擦片采用六面体单元，卡钳体、卡钳支架、导销及活塞采用四面体单元建模。
2.2)设置名为Ele_contact的单元集合，集合包含且仅包含摩擦片部件中与制动盘接触的单元。
2.3)在完成对制动器总成各部件进行有限元网格划分之后，创建制动器总成各部件的材料属性：根据各材料参数创建制动器总成各部件的材料属性，材料属性包括密度、杨氏模量、泊松比、比热容、热传导率及热膨胀系数。
2.4)在完成制动器总成各部件的材料属性创建后，创建各部件之间的连接关系：比如，摩擦衬片、背板及垫片采用TIE约束形成摩擦片结构，在摩擦片与制动盘、卡钳、活塞的接触位置创建接触对，在制动卡钳及保持架导销处创建接触对。
2.5)在制动器各部件连接关系设置完成后，设置制动器的边界条件：边界条件包括制动器的约束及荷载，在保持架与转向节螺栓连接处施加位移约束，活塞处根据活塞制动油压施加压力载荷。
2.6)在制动器的边界条件设置完成后，设置制动器静力分析步，创建仿真分析任务，得到仿真计算文件，并提交仿真分析任务。
2.7)接收基于仿真分析任务返回的仿真分析结果，仿真分析结果为制动盘与摩擦片接触压力分析结果。
3.接触压力均匀程度结果评估方法，具体包括：
3.1)基于步骤2中得到的仿真分析结果文件，提取步骤2.2中名为Ele_contact的单元集合中的所有单元的接触压力值。
3.2)采用标准差定义公式计算步骤3.1中各单元接触压力的标准差。公式n为单元总数，ci为各单元接触压力值，
为各单元接触压力平均值。
3.3)将接触压力标准差σ与接触压力均匀程度目标值σo比较，若σ≤σo，则认为接触压力足够均匀，满足设计要求。
4.摩擦片参数优化设置。具体包括：
4.1)计算文件参数化：将步骤2中的计算文件作为优化模型，并将计算文件中的摩擦片材料的泊松比及杨氏模量创建优化变量，对优化变量设置相应的上限及下限。例如杨氏模量取值区间为5Gpa～30Gpa，泊松比取值区间为0.1～0.4。优化参数不限于摩擦片的杨氏模量与泊松比，可以包含摩擦片或活塞尺寸等参数。
4.2)初次计算：优化变量为初始值，将步骤3.1中的计算文件调用有限元求解器求解计算，得到有限元计算结果。
4.3)接触压力结果提取：采用基于有限元后处理开发的相应脚本程序，按步骤2.2中描述的方法，完成单元接触压力值提取。
4.4)接触压力标准差计算：采用3.2中计算方法，计算接触压力标准差，设置该标准差为优化过程中的输出变量。
4.5)设置优化目标：接触压力标准差σ≤σo为优化目标。
5.摩擦片参数优化过程
5.1)执行求解计算：初次求解计算按照步骤4.2中方法执行，后续求解基于步骤4.3更新后的优化变量执行。
5.2)输出变量计算：执行步骤4.3和4.4，得到输出变量计算值。
5.3)优化目标是否满足判断：将5.2中得到的输出变量计算值与接触压力标准差比较，若σ≤σo，则优化完成，步骤5.1执行求解计算采用的优化变量值为最终摩擦片杨氏模量与泊松比最优值；若σ>σo，则基于输入变量和输出变量，结合优化算法迭代更新输入变量。
5.4)优化迭代：重复步骤5.1至5.3，直至5.3中σ≤σo目标完成，并记录相应的输入变量。
5.5)优化设计完成：将5.4中得到的输入变量值，分别作为摩擦片的杨氏模量及泊松比设计值，用于摩擦片设计开发工作。
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于，包括以下步骤：根据制动器的几何参数和各部件的材料参数建立有限元模型，对建立的有限元模型进行静力求解，获取摩擦片与制动盘之间的接触压力数据；根据制动器中摩擦片与制动盘之间的接触压力数据，计算摩擦片各个单元接触压力的标准差，当摩擦片各个单元接触压力的标准差大于预设目标值时，调整制动器中摩擦片的材料参数，直至摩擦片各个单元接触压力的标准差小于或等于预设目标值。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于：摩擦片与制动盘之间的接触压力获取方法如下：获取待建模的制动器总成各部件，对制动器总成各部件进行有限元网格划分；设置仅包含摩擦片部件中与制动盘接触的单元的单元集合；根据各材料参数创建制动器总成各部件的材料属性；创建各部件之间的连接关系；设置制动器的边界条件：边界条件包括制动器的约束及荷载，在保持架与转向节螺栓连接处施加位移约束，活塞处根据活塞制动油压施加压力载荷；设置制动器静力分析步，创建仿真分析任务，并返回的仿真分析结果，从而得到制动盘与摩擦片接触压力分析结果。
3.根据权利要求2所述的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于：根据制动器各部件的结构形式选择合适的单元类型进行网格划分；制动盘和摩擦片采用六面体单元建模；卡钳体、卡钳支架、导销及活塞采用四面体单元建模。
4.根据权利要求2所述的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于：材料属性包括密度、杨氏模量、泊松比、比热容、热传导率及热膨胀系数。
5.根据权利要求2所述的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于：摩擦衬片、背板及垫片采用TIE约束形成摩擦片结构；进一步优选的，在摩擦片与制动盘、卡钳、活塞的接触位置创建接触对；进一步优选的，在制动卡钳及保持架导销处创建接触对。
6.根据权利要求1或2所述的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于：提取所有仅包含摩擦片部件中与制动盘接触的单元的接触压力值，并计算各个各单元接触压力的标准差；将接触压力标准差与接触压力均匀程度目标值σo比较，若σ≤σo，则接触压力足够均匀，满足设计要求，若σ>σo，则优化制动器中摩擦片的材料参数。
7.根据权利要求6所述的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于：优化制动器中摩擦片的材料参数方法如下：创建摩擦片材料的泊松比及杨氏模量的优化变量，并对优化变量设置相应的上限及下限；以优化变量为初始值，计算并提取所有仅包含摩擦片部件中与制动盘接触的单元的接触压力值；计算接触压力标准差，设置该标准差为优化过程中的输出变量；以接触压力标准差小于或等于预设目标值为优化目标，前次参数为输入变量，基于输入变量和输出变量，进行迭代更新输入变量，直至接触压力标准差小于或等于预设目标值；最后一次的输入变量为制动器中摩擦片的材料参数。
8.根据权利要求7所述的基于摩擦片及制动盘接触压力的摩擦片优化方法，其特征在于：杨氏模量取值区间为5Gpa～30Gpa，泊松比取值区间为0.1～0.4。
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| GR01 | Patent grant | ||
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