新能源輕卡盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)及分析

摘要：盤式制動(dòng)器在輕卡等車型上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。針對(duì)開發(fā)中的某新能源輕卡，設(shè)計(jì)了一款盤式制動(dòng)器，具有駐車穩(wěn)定、可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)關(guān)鍵部件制動(dòng)盤，進(jìn)行了強(qiáng)度、溫度分布及熱變形的仿真分析。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的前后制動(dòng)盤強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，溫度分布合理，熱變形滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;制動(dòng)器;設(shè)計(jì);制動(dòng)盤;仿真分析

中圖分類號(hào)：U463.51 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0001-02

0 ?引言

汽車用制動(dòng)器分鼓式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器兩大類。與鼓式制動(dòng)器相比，盤式制動(dòng)器工作表面為平面且兩面?zhèn)鳠幔瑘A盤旋轉(zhuǎn)容易冷卻，不易發(fā)生較大變形，制動(dòng)效能較為穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間使用后制動(dòng)盤因高溫膨脹使制動(dòng)作用增強(qiáng);而鼓式制動(dòng)器單面?zhèn)鳠幔瑑?nèi)外兩面溫差較大，導(dǎo)致制動(dòng)鼓容易變形，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)后，制動(dòng)鼓因高溫而膨脹，制動(dòng)效能減弱。另外，盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，易實(shí)現(xiàn)制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整。

大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盤式制動(dòng)器與鼓式制動(dòng)器相比，在重型卡車和掛車上盤式制動(dòng)器的制動(dòng)距離比鼓式制動(dòng)器縮短30%左右[1]。盤式制動(dòng)器不僅可以提高車輛的靈敏性和安全性，還可以有效避免車輛連續(xù)長(zhǎng)下坡過(guò)程中的制動(dòng)失靈隱患。近年來(lái)，盤式制動(dòng)器以其良好的制動(dòng)穩(wěn)定性和良好的抗熱衰退性，在輕卡等車型上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

在制動(dòng)盤的研究方面，溫度相關(guān)問(wèn)題得到了較多研究[1-3]。文獻(xiàn)1通過(guò)分析重型車制動(dòng)盤熱疲勞現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因，從材料和結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)常態(tài)制動(dòng)盤進(jìn)行了改進(jìn)，使制動(dòng)盤的熱疲勞性能大幅提升，滿足了重型車的使用要求。文獻(xiàn)2針對(duì)汽車制動(dòng)盤在整車熱容量工況下溫度變化的問(wèn)題，對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，得出結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案。文獻(xiàn)3通過(guò)對(duì)制動(dòng)盤建立散熱模型，分析了制動(dòng)盤的熱平衡溫度，并提出了降溫措施。

本文針對(duì)某新能源輕卡，設(shè)計(jì)了制動(dòng)盤，并開展了前后制動(dòng)盤的強(qiáng)度、溫度分布及熱變形仿真分析。

1 ?盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1 整車參數(shù)

某客戶開發(fā)中的新能源輕卡參數(shù)如表1所示。

1.2 制動(dòng)器設(shè)計(jì)

根據(jù)表1所示整車參數(shù)，結(jié)合其它要求，設(shè)計(jì)了一款盤式制動(dòng)器，外形如圖1所示。

該制動(dòng)器包括制動(dòng)鉗、制動(dòng)盤和摩擦塊等主要零部件，各部分結(jié)構(gòu)及功能如下：制動(dòng)鉗上設(shè)有活塞總成、驅(qū)動(dòng)活塞總成動(dòng)作推動(dòng)摩擦塊壓緊制動(dòng)盤的液壓系統(tǒng)和傳動(dòng)總成，傳動(dòng)總成穿出制動(dòng)鉗連接有制動(dòng)臂，活塞總成包括活塞和調(diào)整螺套，傳動(dòng)總成包括與調(diào)整螺套螺紋連接的調(diào)整螺桿，活塞上設(shè)有連接調(diào)整螺桿的活塞腔，活塞腔上設(shè)有對(duì)應(yīng)調(diào)整螺套的臺(tái)階，通過(guò)限位擋圈將調(diào)整螺套限位在臺(tái)階中，調(diào)整螺套和限位擋圈之間設(shè)有可擠壓變形的脹緊組件。

制動(dòng)盤和摩擦塊因磨損產(chǎn)生間隙后，通過(guò)液壓系統(tǒng)加壓，驅(qū)動(dòng)活塞朝摩擦塊動(dòng)作，此時(shí)調(diào)整螺桿是固定的，調(diào)整螺套的橫向移動(dòng)受到牽制，調(diào)整螺套和限位擋圈擠壓脹緊組件產(chǎn)生間隙后，調(diào)整螺套可沿調(diào)整螺桿傳動(dòng)，朝向摩擦塊移動(dòng)一定距離以補(bǔ)償產(chǎn)生的間隙，保證駐車穩(wěn)定、可靠，延長(zhǎng)盤式制動(dòng)器的使用壽命。

2 ?仿真分析

制動(dòng)盤是制動(dòng)器的核心部件之一，是盤式制動(dòng)器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件，工作表面為其端面，摩擦元件從兩側(cè)加緊制動(dòng)盤而產(chǎn)生制動(dòng)力。

制動(dòng)盤要求具有較好的散熱能力和熱穩(wěn)定性。針對(duì)所設(shè)計(jì)的制動(dòng)盤，設(shè)定分析工況，并開展強(qiáng)度分析、溫度場(chǎng)及熱變形分析。

2.1 分析工況

工況的設(shè)定對(duì)分析結(jié)果具有重要影響，根據(jù)整車的實(shí)際使用情況及數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累，設(shè)定分析工況如下：車輛初始速度60km/h，以0.5g的減速度制動(dòng)至停車，制動(dòng)時(shí)間為3.4s，間隔時(shí)間30s，以33.4s為一個(gè)制動(dòng)循環(huán)。總共進(jìn)行10次制動(dòng)循環(huán)，共計(jì)時(shí)間334s。

2.2 強(qiáng)度分析

汽車制動(dòng)時(shí)，主要依靠制動(dòng)盤與摩擦塊之間的摩擦建立制動(dòng)力，由于制動(dòng)盤具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，該制動(dòng)力通過(guò)制動(dòng)力矩的形式傳遞到輪胎。

分析可知，制動(dòng)盤主要受到摩擦塊的擠壓力和摩擦力。因此制動(dòng)盤的強(qiáng)度校核時(shí)，重點(diǎn)考慮制動(dòng)盤與摩擦塊之間相互作用關(guān)系。

采用hypermesh軟件，進(jìn)行制動(dòng)盤和摩擦塊的網(wǎng)格劃分。考慮到制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行重構(gòu)。前處理模型如圖2所示。將前處理網(wǎng)格導(dǎo)入非線性軟件abaqus，設(shè)置制動(dòng)盤的材料屬性，輸入其塑形數(shù)據(jù)，引入材料非線性的影響。對(duì)制動(dòng)盤的安裝孔耦合到輪心點(diǎn)，約束其六個(gè)方向的自由度。同時(shí)約束摩擦塊的自由度，僅保留軸向自由度。

在摩擦塊與制動(dòng)盤的接觸面上建立檢出關(guān)系，接觸類型為Hard Contact（硬接觸）。給制動(dòng)盤的耦合點(diǎn)施加一定量的角位移，進(jìn)行分析計(jì)算。通過(guò)分析獲得制動(dòng)盤工作的應(yīng)力分析云圖，如圖3所示。

分析結(jié)果表明，制動(dòng)盤最大第一主應(yīng)力小于材料抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

2.3 溫度場(chǎng)及熱變形分析

制動(dòng)盤與摩擦片摩擦產(chǎn)生大量的熱，這些熱量一部分通過(guò)熱傳遞散發(fā)，一部分集聚在制動(dòng)盤上使制動(dòng)盤的溫度急劇上升，兩部分又相互影響，溫度越高，傳熱越快。對(duì)制動(dòng)盤而言，當(dāng)輸入的熱量一定時(shí)，制動(dòng)盤溫度升高到一定程度，散發(fā)的熱量與輸入的熱量相等時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生熱平衡，溫度不再上升，此時(shí)的溫度為當(dāng)前工作狀態(tài)的最高溫度[3]。

制動(dòng)盤在制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的熱場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合的過(guò)程，本文采用間接法計(jì)算盤的熱變形。即先進(jìn)行制動(dòng)盤的熱分析，將制動(dòng)盤溫度場(chǎng)結(jié)果作為載荷施加到制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)場(chǎng)中進(jìn)行分析。

制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)是一個(gè)生熱與散熱共同作用的過(guò)程。制動(dòng)盤與摩擦塊之間的摩擦生熱，這里采用能量折算法。

制動(dòng)過(guò)程中，前制動(dòng)器的制動(dòng)生熱功率為：

Wf=Mf*W ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，Wf為制動(dòng)生熱功率，Mf為制動(dòng)力矩，W為車輪角速度。

制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤發(fā)生對(duì)流換熱行為，其對(duì)流換熱系數(shù)為：

（2）

其中，h為制動(dòng)盤表面的對(duì)流換熱系數(shù)，Re為制動(dòng)盤表面的氣流的雷諾數(shù)，da為制動(dòng)盤外徑，λa為制動(dòng)盤的傳熱系數(shù)。

根據(jù)設(shè)定的工作工況，對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行溫度場(chǎng)和熱變型分析，結(jié)果如圖4所示。

分析結(jié)果表明，摩擦面中心點(diǎn)最高溫度、翹曲量滿足設(shè)計(jì)要求。

3 ?結(jié)論

盤式制動(dòng)器以其穩(wěn)定的制動(dòng)效能以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，易實(shí)現(xiàn)制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，在輕卡等車型上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。針對(duì)開發(fā)中的某新能源輕卡，設(shè)計(jì)了一款盤式制動(dòng)器，具有駐車穩(wěn)定、可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)關(guān)鍵部件制動(dòng)盤，進(jìn)行了強(qiáng)度、溫度分布及熱變形的仿真分析，給出了分析過(guò)程及分析結(jié)果。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的前后制動(dòng)盤強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，溫度分布合理，熱變形滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔慧萍，林瑋靜，杜換軍.重型車新型制動(dòng)盤的應(yīng)用提升[J].重型汽車，2011（5）：14-16.

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作者簡(jiǎn)介：陳鋒（1978-），男，浙江紹興人，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，工商管理碩士，研究方向?yàn)槠嚵悴考邪l(fā)。