基于Abaqus的商用車氣壓盤式制動器鉗體的輕量化研究

張中國 肖光春 郭 寧 石 彬 楊芝金

（1.山東越成制動系統股份有限公司，棗莊 277400；2.齊魯工業大學 機械工程學院，濟南 250353）

目前，全球汽車已超過10億輛，導致汽車成為能源消耗和污染排放的主要來源。汽車輕量化技術是節能減排的最有效措施之一[1]。采用輕質金屬材料如鋁合金進行車輛組裝，是當前汽車輕量化的重要途徑[2]。通過鑄造、鍛造和沖壓工藝可以將鋁合金制造成各種汽車零部件[3]。鑄造鋁合金是目前汽車金屬材料中密度較低的輕金屬材料，是汽車輕量化、提高能源效率和環境保護的首選[4-5]。汽車制動器是汽車制動系統的重要組成部分，對汽車的安全行駛起著重要作用。它的性能直接影響汽車的整體安全性能。汽車氣壓制動器主要分為盤式制動器和鼓式制動器。由于散熱好、響應靈敏以及制動力線性等優點，盤式制動器逐漸受到國內外汽車制造商的青睞，并廣泛應用于汽車制動系統[6]。可見，汽車盤式制動器的輕量化設計意義重大。

目前，盤式制動器的研究主要涉及制動器的設計、加工以及制動性能的分析與提高等方面[7]。在有限元仿真方面，HOHMANN等建立了盤式制動器的有限元模型，研究了制動過程中接觸壓力的分布情況[8]。LIU等利用Abaqus軟件通過復特征值法研究了盤式制動器制動過程中的尖叫現象[9]。BELHOCINE等利用ANSYS軟件對不同型號和不同材料的制動盤在制動過程中的熱現象進行了仿真分析[10]。在制動過程中，制動器的鉗體是主要的承力機構之一[11-13]。因此，有限元分析制動器的鉗體，掌握其制動工況下應力和溫度的分布規律，判斷剛度和強度等力學性能是否滿足使用要求，對于提高制動器安全性十分必要[14]。

本文以商用車中盤式制動器鉗體為研究對象，建立灰鑄鐵和鑄造鋁合金盤式制動器鉗體的有限元模型，基于Abaqus軟件進行制動工況下灰鑄鐵和鑄造鋁合金嵌體的應力和溫度場有限元分析，并基于塑性加工技術對其進行尺寸優化設計，實現汽車盤式制動器輕量化的目的。

1 常溫拉伸實驗及分析

制動鉗由灰鑄鐵或輕合金制造，有較高的強度和剛度，且形狀不一。例如，用鋁合金壓鑄成型，可做成整體狀或由螺栓連接的兩半狀，外緣留有凹凸槽，方便查看或更換制動塊。制動鉗可安置在車軸的前橋或后橋。位于車軸前橋時，它可有效防止輪胎旋轉甩出的泥、水進入制動鉗，避免因制動鉗卡滯而影響制動效果。位于車軸后橋時，它可減小制動時輪轂軸承的合成載荷[15-16]。

為了比較不同材料嵌體的力學性能，對灰鑄鐵和鑄造鋁合金的棒材進行常溫拉伸試驗。棒材的基本尺寸如圖1（a）所示，單軸拉伸試驗通過如圖1（b）所示的萬能拉伸試驗機進行，拉伸速率為2 mm·min-1，拉伸載荷為10 kN。在拉伸過程中，采用激光引伸計實時捕捉試樣的位移變化。拉斷后的試樣對比，如圖1（c）所示。

通過常溫拉伸試驗得出的灰鑄鐵和鑄造鋁合金的工程應力-應變曲線如圖2所示。分析可知，灰鑄鐵和鑄造鋁合金的屈服強度分別為434 MPa和376 MPa，抗拉強度分別為787 MPa和447 MPa?？梢钥闯?，兩種材料的屈服強度比較接近，故在實際工作中抵抗塑性變形的能力也相近，因而可以考慮在實際應用中鑄造鋁合金替代灰鑄鐵來制造汽車的鉗體。

2 制動器鉗體的有限元建模

2.1 劃分網格

在汽車制動過程中，鉗體是主要的受力機構，對其進行應力、應變分析具有十分重要的意義。由于鉗體的結構復雜、圓角多，為縮短軟件計算時間，在UG4.0軟件中將三維模型中不必要的小孔和圓角刪除后，將簡化后的模型保存為.stp格式文件[17]，如圖3所示。通過軟件集成技術導入Hypermesh中劃分網格并建立有限元模型。

為了能準確反映各零件的應力、應變及位移規律，采用10節點四面體單元作為劃分網格類型。它的有限元網格模型，如圖4所示。完成網格粗劃分后，在鉗體邊緣處細化和改善網格。

2.2 材料參數

分析灰鑄鐵和鑄造鋁合金兩種材料的強度、剛度，對比鉗體差異，研究不同材料用于實現鉗體輕量化的可行性。兩種材料的基本參數對照如表1所示。

表1 灰鑄鐵和鑄造鋁合金的材料參數

通過表1中材料的屬性對比可以明顯看出，相較于灰鑄鐵，鑄造鋁合金的熱傳導系數更低，說明其耐高溫性能更優越，在較高的熱摩擦環境下可以延長使用壽命。同時，鑄造鋁合金的密度更低，更符合汽車輕量化的要求。

2.3 約束和加載

當盤式制動器制動時，鉗體內部液壓缸中的液體壓力推動活塞運動，使與活塞連接的制動塊與制動盤接觸。它的反作用力推動鉗體運動并將壓力傳遞到另一側的制動塊，使其與制動盤接觸，實現對汽車的制動。

在有限元模型中確定制動盤圓心的位置，在此處建立參考點RP-1，并將鉗體耦合于該參考點。通過參考點RP-1，使鉗體沿其軸線方向轉動。整個過程中，通過邊界條件保證鉗體只能轉動，其他方向不產生移動。具體約束條件如圖5所示。

通過對制動器施加一個力矩，使其能夠達到接近工作時的運動過程。力矩M通過式（1）確定：

式中：K為制動器效能因數；P為制動器輸入力，取兩個制動器張開力的平均值；R為制動器的作用半徑。

制動器的輸入力P通過式（2）確定：

式中：F為氣室推桿推力，由配置的氣室確定；i為凸輪傳動比，i=L/e（L為調整臂臂長，e為凸輪力臂，即凸輪基圓半徑）。

由于在鉗體工作的過程中涉及摩擦會產生摩擦熱，故而將熱能的變化也考慮在內。通過邊界和載荷條件對其熱量的傳遞過程進行設置，如圖6所示。

3 應力場和溫度場的有限元分析

3.1 應力場分析

基于Abaqus軟件對經過前處理的有限元模型進行仿真計算和模型后處理，得到灰鑄鐵和鋁合金鉗體的應力云圖，分別如圖7（a）和圖7（b）所示。其中，顏色越深的部分，說明在整個運動過程中所受的應力越大，越易產生損壞。

由圖7（a）可知：制動器鉗體在工作過程中應力集中的部分主要在殼體的邊緣部位；而與圖7（a）相比，鋁合金材質鉗體的應力集中數值明顯減小，且應力集中區域的面積也相對減少，說明鑄造鋁合金材質的鉗體在同等工作環境下的塑性要優于灰鑄鐵材質的鉗體。同時，圖7中鑄造鋁合金材質的鉗體的最大應力值為276.1 MPa，小于該材料的屈服極限376.0 MPa，滿足強度要求。

3.2 溫度場分析

在實際工作過程中，鉗體不可避免地與制動器接觸產生摩擦，達到制動的目的。運動過程中，鉗體與制動器之間由于摩擦產生的熱量不可忽視。模擬兩種不同材質鉗體在運動過程中產生的溫度場云圖，分布如圖8所示。

可以看出，熱量較高的部位主要集中在鉗體與制動盤接觸的部位，進而由此處將熱量傳遞到其他部位。與灰鑄鐵材質的鉗體相比，鋁合金材質鉗體在與制動器接觸部位達到的最高溫度明顯降低，且高溫集中范圍相對較小，這是由于鋁合金的耐高溫特性所致。

4 基于單向壓縮的零件尺寸優化

鋁合金鉗體通過鑄造生成，難免會在零件的內部夾雜氣孔，導致零件內部致密性不足。因此，需要在后續過程中通過單向壓縮手段去除其內部缺陷，優化鑄造鋁合金鉗體的坯料尺寸。具體操作為，在鑄造鉗體的一側預留0.2 mm的加工余量，并通過壓板對該側施加一定的載荷，將該部位的材料沿一定方向壓縮0.2 mm，以增加零件內部結構的致密性。基于單向壓縮模擬的有限元建模，如圖9所示。

對單向壓縮過程進行應力場有限元模擬，得出的應力分布情況如圖10所示。

可以看出，雖然單向壓縮過程中局部區域產生了應力集中，但是數值相對較小，可以在后續過程中對零件進行去應力退火將其消除。

5 結論

以商用車中常見的盤式制動器鉗體為研究對象，基于Abaqus軟件進行應力和溫度場的有限元分析及輕量化研究，主要結論如下。

（1）對灰鑄鐵和鑄造鋁合金兩種不同材質的棒材進行常溫拉伸試驗。試驗表明，灰鑄鐵和鑄造鋁合金的屈服強度比較接近，抵抗塑性變形的能力相近，鑄造鋁合金可替代灰鑄鐵來制造汽車的鉗體。

（2）鑄造鋁合金鉗體在相同制動工況下產生的應力分布更均勻，應力集中部分較少；鑄造鋁合金鉗體的溫度分布相較于灰鑄鐵的范圍要小。

（3）鑄造鋁合金在鑄造過程中產生的內部缺陷，可采取單向壓縮的工藝去除；而單向壓縮產生的應力集中相對較小，可以在后續過程中對零件進行去應力退火將其消除。