基于有限元的汽車制動盤結構優(yōu)化

張敬凱

【摘 要】通過對汽車制動盤進行有限元分析，運用ANSYS命令流對制動盤進行前處理、加載及后處理。對模型進行分析后，得出了車輪抱死后制動盤的變形量和應力值及分布情況，通過分析數(shù)據(jù)，找到了制動盤出現(xiàn)損傷的原因，并結合實例進行了驗證。最后針對制動盤現(xiàn)存缺陷對其結構進行了優(yōu)化，并對優(yōu)化后的結構再進行有限元分析，驗證本設計結構優(yōu)化的可行性。

【關鍵詞】有限元；制動盤；輕量化；結構優(yōu)化

前言

汽車制動器可分為鼓式和盤式兩大類。鼓式制動器摩擦副中的旋轉元件為制動鼓，其工作表面為圓柱面；盤式制動器的旋轉元件則為旋轉的制動盤，以端面為工作表面。盤式制動器已廣泛應用于轎車，現(xiàn)在大部分轎車用于全部車輪，少數(shù)轎車只用作前輪制動器，與后輪的鼓式制動器配合，以使汽車有較高的制動時的方向穩(wěn)定性。在商用車中，目前盤式制動器在新車型及高端車型中逐漸被采用。在汽車進行緊急制動時，盤式制動器中的制動盤會被剎車片抱緊，由于汽車均安裝有防抱死系統(tǒng)，制動盤不會被瞬間抱死，而是間歇性進行減速，此時無論是對于汽車還是制動盤來說都比較安全。但防抱死系統(tǒng)失效事件也時有發(fā)生，出現(xiàn)的案例不在少數(shù)，當緊急制動的情況下出現(xiàn)防抱死系統(tǒng)失效問題，制動盤將會被抱死，即邊緣被抱死固定，內(nèi)部圓面受扭矩，這時推測剎車盤面容易出現(xiàn)撕裂損傷，若情況更惡劣則與輪轂固定部分可能會發(fā)生斷裂。經(jīng)查閱文獻可知在每次緊急制動后制動盤面會出現(xiàn)一道擴展裂紋，若此擴展裂紋再次受到應力集中則擴展裂紋可能會轉變成大裂紋，影響整個制動盤的安全性能。在抱死狀態(tài)下若與輪轂相連部位長時間受到扭矩作用，則與輪轂連接部位則有斷裂風險，會直接危害到行駛安全。本文通過運用ANSYS軟件對制動盤緊急制動工況下環(huán)境進行模擬，觀察應力集中位置和最大應力值，從而對制動盤進行結構上的優(yōu)化。

1數(shù)據(jù)采集及計算

整車選用大眾旗下帕薩特這款車型進行數(shù)據(jù)計算，制動盤數(shù)據(jù)來自帕薩特原廠默認車輛配件數(shù)據(jù)。制動盤具體尺寸數(shù)據(jù)為：最外圈圓直徑：320mm，最內(nèi)圈圓直徑：70mm剎車盤內(nèi)圓螺栓孔所圍圓直徑 。工況狀態(tài)模擬為汽車在正常瀝青路面上水平行駛，在前車輪抱死后，汽車前輪胎和地面出現(xiàn)滑動摩擦，滑動摩擦系數(shù)μ取0.6，整車重量M=1700kg，剎車盤內(nèi)圓螺栓孔所圍圓直徑 ，輪胎直徑 ，重力加速度g取9.8m/s^2。

公式為： 。其中F1為單個車輪受到的摩擦力，T為剎車盤內(nèi)圓承受的扭矩，計算得得T=112.55n·m，F(xiàn)2為剎車盤內(nèi)圓處扭矩等效的力，F(xiàn)2=9371.25n。

2實體建模過程及求解分析

將模型等效簡化后利用命令流進行自下而上建模，即點-線-面-體的建模過程，運用K命令和L命令建關鍵點并將其連成線，由線連成面，再通過局部旋轉和搭接，最后旋轉整體得到最終實體模型。在劃分網(wǎng)格時考慮采用六面體網(wǎng)格（六面體單元在智能劃分時在復雜截面處容易退化成四面體單元，影響計算精度），因此為提高網(wǎng)格劃分質量，這里先用VSBW命令進行體分割，隨后用VSWEEP命令體掃掠，從而旋轉得出整個劃分網(wǎng)格后的模型，不同部位網(wǎng)格尺寸不同。所得模型單元數(shù)為7W左右，網(wǎng)格質量較高，且六面體單元無退化現(xiàn)象。這里的模型是被簡化過的，將與輪轂連接的帶有螺栓孔的部位拆除掉，只留下內(nèi)圓部分，在制動盤被抱死后相當于將與剎車片接觸的兩面固定，而內(nèi)圓處受到扭矩作用。首先用DA命令約束面的全部自由度（相當于固定面上的每一個節(jié)點），隨后將整體坐標系轉變到柱坐標下，輸入需要施加扭矩的半徑值后選中一系列節(jié)點，將選中的節(jié)點旋轉，將扭矩轉化成力后把對應的力加到相應的節(jié)點上，完成施加扭矩的整個過程。加載完成后用solve命令求解。

得到分析結果后發(fā)現(xiàn)在剎車片夾住剎車盤的兩端部位有比較明顯的應力集中，最大值為528MPa，推測應力集中點連線處可能會出現(xiàn)裂紋，因制動盤材料為灰鑄鐵，為脆硬性材料，主要考慮其抗拉強度，超過其抗拉強度極限時，表面出現(xiàn)裂紋，材料無法恢復，經(jīng)查閱資料，每次緊急制動后制動盤面會出現(xiàn)一道擴展裂紋，若此擴展裂紋再次受到應力集中則擴展裂紋可能會轉變成大裂紋，影響制動安全性。而最大位移量則發(fā)生在遠離剎車片的制動盤一側，最大值為0.488mm，對于灰鑄鐵這類脆硬性材料來說位移量相對較大，存在斷裂風險。

3結構優(yōu)化及分析

出現(xiàn)上述兩種傷情況的主要原因是灰鑄鐵為脆硬形材料，沒有屈服階段，因此在極限狀態(tài)下一旦產(chǎn)生形變將是破壞性的，因此會有斷裂和裂紋兩種情況出現(xiàn)。因制動盤需要較高的耐磨性能，所以脆硬性材料是最佳選擇，因此從材料這個角度優(yōu)化不容易實現(xiàn)。

從結構上進行優(yōu)化則考慮從其與輪轂連接部分入手，制動盤仍采用脆硬形材料，但制動盤與輪轂連接部分增加卡扣結構，卡扣結構可以代替制動盤形變，卡扣材料采用塑性材料，可以起到極大的緩沖作用，從而保證制動盤的安全，增加制動盤工作時的安全性和穩(wěn)定性。

依照上述步驟對該模型重新進行網(wǎng)格劃分并施加載荷，為了驗證卡扣的安全性并找到其應力極限值，將所有載荷全部加在卡扣上，載荷施加在卡扣的逆時針所對應的每一側面上，在四個面均施加壓力載荷后，其等效于在卡扣圓周方向施加扭矩。劃分網(wǎng)格和施加載荷后進行再次分析。增加卡扣后的制動盤結構圖和對應分析結果如圖1所示。

由位移云圖可以看出，最大位移發(fā)生在卡扣處，且變形量不大，在許用范圍之內(nèi)。因卡扣采用塑性材料，允許發(fā)生的位移量比灰鑄鐵的要大的多，在緊急制動時，由卡扣代替制動盤形變，制動盤仍具有高耐磨性能，因此從各個方面均增加了該制動盤的穩(wěn)定性和安全性。

4結論

結合實際工況對汽車制動盤進行數(shù)據(jù)分析，通過運用ANSYS建立有限元模型，得出了車輪抱死后制動盤的變形量和應力值，通過分析數(shù)據(jù)，找到了制動盤出現(xiàn)斷裂和裂紋現(xiàn)象的原因。依據(jù)損傷原因對制動盤進行了結構改進，在制動盤與輪轂連接部位設置卡扣，解決了緊急制動情況下汽車制動盤產(chǎn)生的損傷問題，提高了制動盤的整體安全性能。

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（作者單位：山東建筑大學 機電工程學院）