盘式制动器的全性能优化设计

盘式制动器的全性能优化设计

盘式制动器的全性能优化设计 摘要:基于广义优化理论,通过对盘式制动器的深入分析,以制动减速度、热衰退率、热恢复率差、材料成本、加工成本为优化目标,全面考虑技术性、经济性和社会性,建立了盘式制动器设计方案全性能优化模型。以实际制动器的设计参数作为初始方案,采用改进的差分进化算法进行优化设计,在保持热衰退率和热恢复率性能不劣化的情况下,制动器的制动性能和经济性能得到显著提高。

关键词:液压盘式制动器;广义优化;全性能建模;差分进化算法 引言

在汽车、摩托车零部件设计中,广泛使用优化设计技术[1 ,2 ] 。在以往的制动器优化设计中,一般只考虑制动器的某些技术性能指标,如制动时 间、制动盘表面温升等[2 ] ,缺乏对热恢复性能、热衰退性能以及经济性能等指标的综合考虑。本文以广义优化设计理论[3 ] 为指导,对摩托车盘式制动器设计方案进行全性能优化设计研究和实践,设计成功高性能、低成本的液压盘式制动器。

1 盘式制动器的制动原理

摩托车液压盘式制动器的一般结构如图1 所示。制动时,手柄在驾驶员手握力的作用下,绕转轴2 转动,推动制动泵活塞3 在制动泵4 内沿直线运动,使制动泵内的制动液压力升高,制动液7经过制动软管6 被压入制动钳8 内,对于浮钳式制动器,制动钳活塞9 和制动钳8 被推动,摩擦片10 和摩擦片11 向制动盘12 靠拢,当摩擦片和制动盘之间的间隙被消除后,摩擦片与制动盘之间就会产生摩擦力,进而产生制动力矩。通过对制动器结构的分析可知,制动力矩的大小主要取决于手柄杠杆比、液压系统放大比和制动盘等效半径等因素。由于在制动过程中产生的大量摩擦热能会对制动性能产生很大影响,因此在制动器设计时还必须同时考虑制动器的抗热衰退性能和热恢复性能。上述性能的影响因素主要包括液压系统压力、摩擦片和制动盘之间的摩擦性质,相关的零部件包括手柄、制动泵、制动泵活塞、制动软管、制动钳、制动钳活塞、摩擦片和制动盘等。在建立液压盘式制动器的优化模型时需要综合考虑它们之间的交互影响。

盘式制动器的全性能优化设计

1. 制动手柄 2. 转轴 3. 制动泵活塞 4. 制动泵 5. 回位弹 簧 6. 制动软管 7. 制动液 8. 制动钳 9. 制动钳活塞

10. 摩擦片 11. 摩擦片 12. 制动盘

2 优化建模

2. 1 建模基础

为便于分析,在不影响模型精度的情况下,建模时作了以下假设和近似①假设作用于摩擦片的正压力均匀分布; ②假设制动盘和摩擦片材料各向同性并且成分不变,则摩擦副摩擦系数的变化只与温度有关,而且制动盘吸收的热量在整个制动盘中均匀分布; ③忽略制动盘在制动过程中的轴向受压变形,由于在制动盘和摩擦片组成的摩擦副中,制动盘的硬度要比摩擦片的硬度大得多,因此可认为制动盘为刚性,不考虑它在制动过程中的变形; ④忽略制动液的可压缩性,由于摩托车液压盘式制动器采用的管路为橡胶软管,在制动过程中管路变形远大于制动液的压缩变形。

2. 2 优化目标及权重分配

制动器是保证行车安全的重要部件,因此制动性能的优劣和制动性能的稳定性是衡量制动器的重要指标;另外在保证制动性能的前提下,应尽 量降低制动器的材料成本和制造成本,提高制动器的经济性。因此液压盘式制动器的优化问题是个多目标优化问题。

2. 2. 1 优化目标

(1) 制动减速度最大

f 1 =

Fz / ( m1β) 前轴

Fz / [ m1 (1 - β) ] 后轴

(1)

式中, Fz 为作用在制动盘上的制动力; m1 为摩托车总质量;β为制动力分配系数。

(2) 热衰退率最小

f 2 =

<(minM( i) – Mp)÷Mp>·ns (2)

Mp = 2μ0 NRzp M( i) = 2μ( T) NRzp

式中, Mp 为不考虑温度影响的基准制动力矩;minM( i) 为考虑温度影响的多次制动过程中制动力矩的最小值; Rzp为制动盘有效半径;μ0 、μ( T) 分别为摩擦系数的均值和在温度T 时的摩擦系数,μ( T) 通过对摩擦材料试验样本进行插值求取; N 为作用于摩擦副表面的正压力; ns 为计算安全系数。

(3) 热恢复率差最小

f 3 =

<(maxM( i) – Mp)÷Mp>·nh (3)

式中,maxM( i) 为考虑温度影响的多次制动过程中制动力矩的最大值; nh 为计算安全系数。

(4) 材料成本最低

f 4 = 41c[i]=(vb-

4

i =1

盘式制动器的全性能优化设计

C[ i ] = (V b -πD2/4) ·ρb cb + (Vq -

πDq/4Lq )ρq cq +bmp ( Rmpo - Rmpi )ρmp cmp + hzp (πD2zpo/4-πD2zpi/4)ρzp czp (4)

式中, C[ i ] ( i = 1 ,2 ,3 ,4) 分别表示制动泵、制动钳、摩擦片、制动盘材料成本; 下标b、q、mp 、zp 分别表示制动泵、制动钳、摩擦片、制动盘;下标i 、o 分别表示内外;V 为毛坯体积; D 为直径; R 为半径; L 为液压缸长度;ρ、c 为材料密度和价格; h、b 分别为厚度和宽度。

(5) 加工成本最低

f 5 = 2i=1m[l]= (πD2b/4Lb ) / cmb + (πD2b/4Lb )cmq (5)

式中, M[ l ] ( l = 1 ,2) 分别表示制动泵、制动钳加工成本;cmb 、cmq 分别为制动泵、制动钳单位体积加工成本。这里采用单位体积加工成本而不采用工时费率是因为不同系列制动器泵体、钳体加工工艺变化不大,所以工时费率在加工设备工作参数不变时也可以转换为单位体积加工成本。

2. 2. 2 子目标权重分配

图2 为制动器优化设计权重分配。权重值的设置主要依据各子目标重要度的不同, 如制动减速度的要求比较严格, 所以权重相对来说就比热 衰退率和热恢复率大一些; 由于制动器结构参数变化幅度较小,材料成本、加工成本相对波动比较小,所以权重亦较小.

图2 优化目标权重分配

2. 3 设计变量

液压盘式制动器的优化设计变量主要选择影响上述优化目标的主要零部件的主要尺寸参数,涉及手柄、制动泵、制动钳、摩擦片和制动盘等,总 计11 个: ①手柄结构参数C、K(这两个参数值决定了手柄杠杆比的大小) , 见图3 ; ②制动泵结构参数Lb 、Db ,见图3 ; ③制动钳结构参数Lq 、Dq ,见图4 ; ④制动盘结构参数Dzpo 、hzp ,见图4 ; ⑤摩擦片结构参数bmp 、Rmpi 、Rmpo ,见图4 。

盘式制动器的全性能优化设计

图3 与手柄和制动泵相关设计变量

图4 与制动钳、制动盘和摩擦片相关的设计变量

2. 4 约束条件

2. 4. 1 技术性能约束

g1 : 制动减速度大于等于[ a] ( [ a] 为标准规定的最小许用减速度) ; g2 :热衰退率一般为[0 ,25 %] ; g3 : 热恢复率差一般为[0 ,20 %] ; g4 、 g5 :摩擦片和制动盘间的空间约束满足0 ≤Dzpo / 2 - Dmpo ≤Δ1 (Δ1 为制动盘与摩擦片之间的最大空间间隙) ; g6 :制动盘温升ΔT ≤[ΔT ] , 根据实际使用经验一般取[ΔT ] = 250 ℃; g7 :摩擦片内外径, 根据实际设计经验一般取0. 5 ≤Rmpi ≤Rmpo ≤0. 8 ; g8 :制动液压力p ≤[ p ] ( [ p ]为制动系统压力限值, 应根据实际使用工况取值) ; g9 :制动泵活塞行程约束,为保证在手柄的转动角度内活塞不同制动泵发生碰撞, 同时考虑回位弹簧的安装空间,应使sb ≤ 3/4Lb ; g10 :制泵、 制动钳液压缸尺寸要保证液压缸正常工作, 应满足Lb / Db ≤20 , Lq / Dq ≤20 ; g11 :零件强度约束,包括制动泵、制动钳、手柄等零件的强度约束;g12 :摩擦片承压面积Ss ≤πD2q p/4[ q]( [ q]

为摩擦片的单

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