CN109271716A - 基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，包括如下步骤：使用AMEsim搭建卡钳机械系统仿真模型，并对模型中的部件进行物理属性设置；使用AMEsim建立卡钳主缸可变容腔子仿真模型、压力面子仿真模型、内、外摩擦块与制动盘的盘面间隙子仿真模型、钳体拉伸的子仿真模型和内、外摩擦块压缩变形的子仿真模型、液压油的子仿真模型和矩形密封槽外倒角空间子仿真模型，并进行相应参数设置；使用建立的各个子仿真模型，结合卡钳机械系统仿真模型，建立卡钳需液量系统仿真数学模型，运行仿真获得在不同制动油压条件下的卡钳需液量数据。本发明的有益效果是解决了产品设计阶段不能准确可靠的进行卡钳需液量仿真计算的技术难题。

Description

基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法

技术领域

本发明涉及基于AMEsim的仿真计算领域，具体涉及一种浮动式卡钳需液量的仿真计算方法。

背景技术

刹车卡钳是具有使运动的车轮减速、停止或保持停止状态等功能的钳类装置，一般用于盘式刹车系统。汽车上的盘式刹车是由刹车油泵，一个与车轮相连的刹车圆盘和圆盘上的刹车卡钳组成。刹车时，高压刹车油推动卡钳内的活塞，将制动蹄片压向刹车盘从而产生制动效果。

卡钳需液量是指为保持钳体内一定制动液压所需要注入的制动液体积。卡钳需液量是影响卡钳制动性能的一个关键参数，注液量过多容易引起刹车软，制动滞后现象；而过少则会影响汽车的舒适型，制动时脚杆轻，甚至会引起制动器因活塞回位量过小，制动盘与摩擦片不能彻底分离，产生拖磨现象。因此卡钳需液量的大小是卡钳设计的一个关键性能指标。

传统的卡钳需液量的计算主要通过实验测试的方法获得。即在设计阶段，设计师根据个人经验大致估算卡钳需液量的大小，等产品出模后通过试验测试获得卡钳的需液量。但如果测试结果不理想，则面临着重新开发的风险。因此在卡钳设计阶段提供一种可靠的卡钳需液量的仿真计算方法成为卡钳设计领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于基于浮动式卡钳需液量的产生机理，建立浮动式卡钳需液量的仿真计算模型，从而实现在设计阶段对卡钳需液量的可靠仿真计算。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，包括如下步骤：

S1、使用AMEsim中的质量块、弹簧和接触原件，搭建卡钳机械系统仿真模型，并对模型中的部件进行物理属性设置；

S2、使用AMEsim中的容腔元件、压力面元件建立卡钳主缸可变容腔子仿真模型和压力面子仿真模型，并进行相应参数设置；

S3、使用AMEsim中的元件搭建内摩擦块与制动盘的盘面间隙子仿真模块一和外摩擦块与制动盘的盘面间隙子仿真模块二，并设置其间隙值；

S4、在AMEsim中使用质量模块+弹簧模块+质量模块的方式建立钳体拉伸的子仿真模型和内、外摩擦块压缩变形的子仿真模型，进行物理属性设置，并导入弹性变形数据；

S5、在AMEsim中建立液压油的子仿真模型，并设置液压油的体积模量和空气含量；

S6、在AMEsim中使用可变容腔模块、单向阀模块、逻辑函数模块建立矩形密封槽外倒角空间子仿真模型，并进行倒角参数设置；

S7、使用S2-S6中建立的各个子仿真模型，结合S1中建立的卡钳机械系统仿真模型，建立卡钳需液量系统仿真数学模型，运行仿真获得在不同制动油压条件下的卡钳需液量数据。

进一步的，S1具体包括：

S11、使用AMEsim中的质量块、弹簧和接触原件，依次建立钳体子仿真模型，活塞子仿真模型，矩形密封圈子仿真模型，内摩擦块子仿真模型，外摩擦块子仿真模型，以及制动盘子仿真模型；

S12、根据各部件的装配关系，建立内摩擦块与制动盘的接触子仿真模型一，以及外摩擦块与制动盘的接触子仿真模型二；

S13、将上述子仿真模型进行装配，获得卡钳机械系统仿真模型，并在各个子仿真模型的质量块上设置部件的质量、运动方向、行程、摩擦物理属性，在弹簧块上设置部件的刚度、预紧力物理属性，以及在接触模块上设置部件之间的间隙和接触刚度属性。

进一步的，S2中，参数设置包括在可变容腔子仿真模型上设置主缸的初始容腔体积大小，以及在压力面子仿真模型上设置卡钳主缸缸径、活塞与主缸的初始相对位置。

进一步的，S4中，物理属性设置包括在所述质量模块上设置元件的质量属性，在弹簧模块中设置元件的弹性变形属性。

进一步的，S6中，倒角参数设置包括设置倒角的尺寸和倒角角度。

进一步的，S11中，建立矩形密封圈子仿真模型基于如下数学模型：

F＝K×X

式中K为矩形密封圈的刚度，X为活塞与钳体之间的相对位移，F为矩形密封圈的变形力，同时也是活塞与钳体之间产生相对位移所需要克服的作用力。

进一步的，S3中，建立盘面间隙子仿真模块一和盘面间隙子仿真模块二基于如下数学模型：

式中，V_a为盘面间隙产生的卡钳需液量，D为制动卡钳缸径，ε_i为内、外摩擦块与制动盘之间的盘面间隙。

进一步的，S4中，建立钳体拉伸的子仿真模型和内、外摩擦块压缩变形的子仿真模型基于如下数学模型：

式中，V_b为钳体和内外摩擦块弹性变形产生的卡钳需液量，D为制动卡钳缸径，γ_i为摩擦块压缩变形量，γ_j为卡钳钳体拉伸变形量；其中，对于钳体的拉伸变形量、摩擦块压缩变形量使用有限元软件进行有限元建模计算获得。

进一步的，S5中，建立液压油的子仿真模型基于如下数学模型：

式中，V_c代表在一定体积V下，液压增大δ_p所产生的液体压缩量；B为液压油的体积模量。

进一步的，S6中，建立矩形密封槽外倒角空间子仿真模型基于如下数学模型：

式中，V_d代表制动过程中矩形密封槽结构被密封圈填充引起的卡钳需液量，h代表矩形密封槽外倒角尺寸，θ代表矩形密封槽外倒角角度，D代表卡钳缸径。

本发明的有益效果：

通过对卡钳制动过程的研究分析，探究出卡钳需液量产生的机理，推导其中的数学原理，建立起数学模型，然后使用AMEsim工具软件搭建卡钳制动系统的瞬态物理仿真模型。从而在产品设计阶段，根据卡钳结构设计参数即可对卡钳需液量进行仿真计算，同时也可对关键结构参数进行敏感性分析，为结构优化指引方向。

与现有技术相比，本发明解决了产品设计阶段不能准确可靠的进行卡钳需液量仿真计算的技术难题，帮助设计工程师在产品设计阶段获得所设计的卡钳需液量的数据，从而指导结构设计。

附图说明

图1为常规浮动式卡钳机械结构图。图中：100-钳体，200-活塞，300-矩形密封圈，400-内摩擦块，500-外摩擦块，600-制动盘。

图2a、2b为本发明基于AMEsim的浮动式卡钳需液量的仿真计算方法实施例的模型组成图。图中：1-钳体子仿真模型，2-活塞子仿真模型，3-矩形橡胶密封圈子仿真模型，4-内摩擦块子仿真模型，5-外摩擦块子仿真模型，6-制动盘子仿真模型，7-制动盘与内摩擦块盘面间隙子仿真模型，8-制动盘与外摩擦块盘面间隙子仿真模型，9-液压油源子仿真模型，10-主缸容腔子仿真模型，11-活塞与钳体之间的压力面子仿真模型，12-矩形密封槽外倒角空间子仿真模型，13-液压油属性子仿真模型。

图3为本发明基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法实施例的仿真结果曲线与实测曲线对比图。

图4为本发明基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真方法实施例对卡钳缸径的敏感性分析结果曲线。

图5为本发明基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真方法实施例对卡钳密封槽外倒角尺寸的敏感性分析结果曲线。

图6为本发明基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真方法实施例对卡钳钳体刚度的敏感性分析结果曲线。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

如图1所示，常规浮动式卡钳结构系统主要包括：制动钳体100，活塞200，内摩擦块400，外摩擦块500，制动盘600，矩形密封圈300。钳体100与活塞200之间有相对滑动构成滑动副。在卡钳主缸内加载制动油压后，活塞200前顶内摩擦块400挤压制动盘600，形成内侧制动力；同时钳体100勾头带动外摩擦块500挤压制动盘600，形成制动盘外侧制动力。

实施例1

1)搭建卡钳结构系统的物理结构模型。

如图2a、2b所示，基于以上工作原理分析，使用AMEsim软件中的质量块、弹簧、接触原件，建立钳体子仿真模型1，活塞子仿真模型2，矩形密封圈子仿真模型3，内摩擦块子仿真模型4，外摩擦子仿真模型5，制动盘子仿真模型6等模型。然后根据各部件的装配关系，建立内摩擦块与制动盘的接触子仿真模型7，外摩擦块与制动盘的接触子仿真模型8，然后装配获得卡钳机械系统仿真模型。在各子仿真模型的质量块上设置部件的质量、运动方向、行程、摩擦等物理属性；弹簧块上设置部件的刚度、预紧力等物理属性；接触模块上设置部件之间的间隙和接触刚度等属性。

2)搭建卡钳基本液压系统。

参阅图1，活塞200与钳体100之间构成卡钳主缸。制动过程中，随着制动油压的增大，活塞500与钳体600产生相离运动导致主缸体积变大，制动液流入，产生了需液量的变化。

如图2a、2b所示，基于上述工作原理分析，使用AMEsim软件中的容腔元件、压力面元件建立卡钳主缸容腔子仿真模型10，11。在压力面子仿真模型11设置卡钳主缸缸径、活塞与主缸的初始相对位置。在可变容腔子仿真模块10上，设置主缸的初始容腔体积大小。

3)搭建盘面间隙数学仿真模型。

参阅图1，基于车轮正常运转的需要，制动盘600与内摩擦块400、外摩擦块500之间有一定的装配间隙，称之为盘面间隙。汽车制动时，在制动油压作用下活塞200与钳体100会产生相对运动推动内外摩擦块靠近制动盘，抵消这一部分间隙产生制动效果。这一过程中，活塞与钳体需克服矩形橡胶密封圈300的弹性变形力产生相互位移。建立矩形橡胶密封圈变形的数学模型如下:

F＝K×X

式中K为矩形密封圈的刚度，X为活塞与钳体之间的相对位移，F为矩形密封圈的变形力，同时也是活塞与钳体之间产生相对位移所需要克服的作用力。

如图2a、2b所示，基于以上原理在AMEsim中使用弹簧模块建立密封圈刚度仿真子模型3，设置矩形密封圈的刚度等属性。

随着钳体100与活塞200的相对运动持续产生，卡钳主缸容腔体积变大，制动液填充主缸增加的空间，需液量增加。因此盘面间隙值对需液量影响的数学模型如下:

式中，V_a为盘面间隙产生的卡钳需液量，D为制动卡钳缸径；ε_i为内、外摩擦块与制动盘之间的盘面间隙。

如图2a、2b所示，根据以上数学模型在AMEsim模型中分别搭建内摩擦块与制动盘的片面间隙子仿真模块7和外摩擦块与制动盘的盘面间隙子仿真模块8，并设置其间隙值。

4)搭建弹性元件变形的数学模型。

参阅图1，卡钳制动时，制动液在卡钳内部建压。主缸内的油压使钳体100发生轴向拉伸变形，引起卡钳主缸容腔体积变大，需液量增加。与此同时内摩擦块400，外摩擦块500均受到制动压力作用，由于摩擦块一般使用一种偏软的半陶瓷材料制作而成，受压时会产生较大的弹性压缩变形，使钳体和活塞的相对位移继续增大，进而引起主缸容腔体积的变大，需液量增加。基于以上工作原理，建立弹性元件对卡钳需液量影响的数学模型如下：

式中，V_b为钳体和内外摩擦块弹性变形产生的卡钳需液量，D为制动卡钳缸径，γ_i为摩擦块压缩变形量，γ_j为卡钳钳体拉伸变形量。对于钳体的拉伸变形量，摩擦块压缩变形量可以使用有限元软件ABAQUS有限元建模计算获得。

如图2a、2b所示，在AMEsim软件中，使用“质量模块+弹簧模块+质量模块”的方式建立钳体拉伸的子仿真模型1，内、外摩擦块压缩变形的子仿真模型4，5。在其中的质量模块上设置元件的质量属性，在弹簧模块中设置元件的弹性变形属性，并将有限元计算获得弹性变形数据导入。

5)搭建制动液的可压缩性数学模型。

自然界里物质一般都具有可压缩性，制动液在对卡钳，活塞产生制动液压时，不可避免对其自身也有一定的压缩作用。这部分压力使液体分子间距减小，体积相应也减小。从而引起制动液的增加。建立制动液的压缩属性数学模型如下：

式中，V_c代表在一定体积V下，液压增大δ_p，所产生的液体压缩量；B为制动液的体积模量。

如图2a、2b所示，在AMEsim软件中，建立液压油的子仿真模型13，设置液压油的体积模量和空气含量。

6)搭建矩形密封槽对卡钳需液量影响的数学模型。

参阅图1，矩形密封槽内填充橡胶密封圈300，且密封圈与活塞、钳体之间存在着过盈接触。制动过程中在摩擦力的作用下，密封圈与活塞接触的位置会跟随活塞200向外移动；另一方面在制定油压的作用下，矩形密封圈300受压也会产生向外扩张。在这两者的作用下，矩形橡胶密封圈会填充矩形密封槽外倒角空间间隙，造成了卡钳主缸体积的相对变大。因此矩形密封槽对需液量的影响主要体现在密封槽外倒角大小上。基于以上工作原理，建立矩形密封槽结构对卡钳需液量影响的数学模型如下：

式中，V_d代表制动过程中，矩形密封槽结构被密封圈填充引起的卡钳需液量。h代表矩形密封槽外倒角尺寸，θ代表矩形密封槽外倒角角度，D代表卡钳缸径。

如图2a、2b所示，在AMEsim软件中，使用可变容腔模块、单向阀模块、逻辑函数模块建立矩形密封槽外倒角空间子仿真模型12。设置倒角的尺寸h，倒角角度θ等参数。

汇总以上各种关键因素对卡钳需液量的影响，并结合卡钳机械结构系统，建立卡钳需液量系统仿真数学模型，如图2a、2b所示。在液压源仿真模块9设置液压油加载方式：从0MPa到16MPa加载制动液。在卡钳子仿真模型1设置卡钳的质量和刚度属性；在活塞子仿真模型2设置活塞的质量，以及钳体与活塞的位置关系；在内摩擦块子仿真模型4上设置内摩擦块的质量和刚度；在外摩擦块子仿真模型5设置外摩擦块的质量和刚度；在盘面间隙子仿真模型7,8上设置制动盘与摩擦块的盘面间隙；在矩形密封槽外倒角空间子仿真模型12上设置外倒角尺寸和角度。在矩形密封圈子仿真模型3设置矩形橡胶密封圈的刚度；在液压油子仿真模型13上设置液压油的弹性模量和空气含量。设置完成后，运行仿真获得在不同制动油压条件下的卡钳需液量数据，并与试验实测对比，详情如图3所示。

不难看出本发明的仿真计算方法获得的卡钳需液量与试验实测趋势相同，数值吻合度高。说明本发明的基于AMEsim浮动式卡钳需液量的仿真计算方法可以真实的仿真浮动式卡钳的需液量特性，帮助设计师在设计阶段获得卡钳需液量的数据。

实施例2

在保持其他参数不变的条件下，分别取卡钳缸径为58mm、60mm、62mm的仿真曲线如图4所示。从图中不难看出：随着卡钳缸径的增大，卡钳需液量增大；且随着制动油压的增大，三种缸径卡钳的需液量差值变大。

实施例3

在保持其他参数不变得条件下，设置不同的矩形密封槽外倒角尺寸h为0.5mm、0.75mm、1.0mm进行仿真计算，获得相关结果如图5所示。从图中不难看出：随着矩形密封槽外倒角尺寸h的增大，卡钳需液量增大；且随着制动油压的增加，且随着制动油压的增大，三种缸径卡钳的需液量差值基本保持不变。

实施例4

在保持其他参数不变的条件下，设置不同的钳体刚度分别为0.9倍参考值，1.0倍参考值(原始刚度)，1.1倍参考值进行仿真计算，相关仿真结果如图6所示。从图中不难看出：随着卡钳钳体刚度的增大，卡钳需液量减小；同时随着制动油压的增大，三种缸径卡钳的需液量差值变大。

综上所述，通过本发明的基于AMEsim浮动式卡钳需液量的仿真计算方法进行仿真计算，可以在产品设计完成后即可仿真获得卡钳的需液量数据，从而解决了设计阶段无法准确计算卡钳需液量的问题。同时也可进行卡钳结构参数对需液量影响的灵敏度分析，为设计师优化卡钳结构，调整需液量指导开发方向。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、使用AMEsim中的质量块、弹簧和接触原件，搭建卡钳机械系统仿真模型，并对模型中的部件进行物理属性设置；

S2、使用AMEsim中的容腔元件、压力面元件建立卡钳主缸可变容腔子仿真模型和压力面子仿真模型，并进行相应参数设置；

S3、使用AMEsim中的元件搭建内摩擦块与制动盘的盘面间隙子仿真模块一和外摩擦块与制动盘的盘面间隙子仿真模块二，并设置其间隙值；

S4、在AMEsim中使用质量模块+弹簧模块+质量模块的方式建立钳体拉伸的子仿真模型和内、外摩擦块压缩变形的子仿真模型，进行物理属性设置，并导入弹性变形数据；

S5、在AMEsim中建立液压油的子仿真模型，并设置液压油的体积模量和空气含量；

S6、在AMEsim中使用可变容腔模块、单向阀模块、逻辑函数模块建立矩形密封槽外倒角空间子仿真模型，并进行倒角参数设置；

S7、使用S2-S6中建立的各个子仿真模型，结合S1中建立的卡钳机械系统仿真模型，建立卡钳需液量系统仿真数学模型，运行仿真获得在不同制动油压条件下的卡钳需液量数据。

2.如权利要求1所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S1具体包括：

S11、使用AMEsim中的质量块、弹簧和接触原件，依次建立钳体子仿真模型，活塞子仿真模型，矩形密封圈子仿真模型，内摩擦块子仿真模型，外摩擦块子仿真模型，以及制动盘子仿真模型；

S12、根据各部件的装配关系，建立内摩擦块与制动盘的接触子仿真模型一，以及外摩擦块与制动盘的接触子仿真模型二；

S13、将上述子仿真模型进行装配，获得卡钳机械系统仿真模型，并在各个子仿真模型的质量块上设置部件的质量、运动方向、行程、摩擦物理属性，在弹簧块上设置部件的刚度、预紧力物理属性，以及在接触模块上设置部件之间的间隙和接触刚度属性。

3.如权利要求1所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S2中，参数设置包括在可变容腔子仿真模型上设置主缸的初始容腔体积大小，以及在压力面子仿真模型上设置卡钳主缸缸径、活塞与主缸的初始相对位置。

4.如权利要求1所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S4中，物理属性设置包括在所述质量模块上设置元件的质量属性，在弹簧模块中设置元件的弹性变形属性。

5.如权利要求1所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S6中，倒角参数设置包括设置倒角的尺寸和倒角角度。

6.如权利要求2所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S11中，建立矩形密封圈子仿真模型基于如下数学模型：

F＝K×X

式中K为矩形密封圈的刚度，X为活塞与钳体之间的相对位移，F为矩形密封圈的变形力，同时也是活塞与钳体之间产生相对位移所需要克服的作用力。

7.如权利要求1所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S3中，建立盘面间隙子仿真模块一和盘面间隙子仿真模块二基于如下数学模型：

式中，V_a为盘面间隙产生的卡钳需液量，D为制动卡钳缸径，ε_i为内、外摩擦块与制动盘之间的盘面间隙。

8.如权利要求1所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S4中，建立钳体拉伸的子仿真模型和内、外摩擦块压缩变形的子仿真模型基于如下数学模型：

式中，V_b为钳体和内外摩擦块弹性变形产生的卡钳需液量，D为制动卡钳缸径，γ_i为摩擦块压缩变形量，γ_j为卡钳钳体拉伸变形量；其中，对于钳体的拉伸变形量、摩擦块压缩变形量使用有限元软件进行有限元建模计算获得。

9.如权利要求1所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S5中，建立液压油的子仿真模型基于如下数学模型：

式中，V_c代表在一定体积V下，液压增大δ_p所产生的液体压缩量；B为液压油的体积模量。

10.如权利要求1所述的基于AMEsim的浮动式卡钳需液量仿真计算方法，其特征在于，S6中，建立矩形密封槽外倒角空间子仿真模型基于如下数学模型：

式中，V_d代表制动过程中矩形密封槽结构被密封圈填充引起的卡钳需液量，h代表矩形密封槽外倒角尺寸，θ代表矩形密封槽外倒角角度，D代表卡钳缸径。