盤式制動器的熱力學耦合分析

摘要：制動器是汽車的重要組成部分，對盤式制動器來講，制動盤散熱性能的好壞直接影響著制動器的安全性。通過設計一款制動盤的參數并建立其三維模型，在ANSYS的基礎上，使用耦合場瞬態分析模塊對建立的三維模型進行熱耦合分析，得到剎車后制動盤溫度隨時間的變化云圖。熱耦合分析結果表明，剎車后該設計制動盤的溫度變化及分布規律是合理的，研究結論為制動盤的進一步優化設計提供參考意義。

關鍵詞：制動盤；設計建模；ANSYS；熱耦合

中圖分類號：U463" 收稿日期：2022-11-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.015

1 前言

隨著高速公路網絡的不斷拓展、駕駛員的非職業化、車輛流量密集化和行駛高速化，汽車制動裝置的工作可靠性越來越重要[1]。汽車制動裝置的工作可靠性極大地影響了汽車的行駛安全和駕駛員的生命安全。盤式制動器工作效率在很大程度上取決于其使用的制動盤，因此，制動盤的重要性顯然不可忽視。設計出良好性能的制動盤，能有效提升制動系的工作效率，并能在一定程度上減少交通事故的發生，保護駕駛人員的生命財產安全[2]。

在本研究中，通過ANSYS對制動盤進行熱耦合分析，得出制動盤的溫度變化及分布規律，驗證制動盤設計的合理性，并為下一步制動盤的優化設計提供參考。

2 制動盤的參數設計

制動器的設計要求，首先需要滿足汽車所需的制動效能。其次，制動盤應要能夠穩定工作，熱穩定性好，使用壽命長。除此之外，制動盤安裝和結構不能夠太過于復雜，操作也應簡便化，同時考慮到環境因素，制動盤在制動時所產生的噪聲盡可能小，也應盡量不使用對環境、人體有害的材料，如石棉纖維等物質，減少公害。

2.1 制動盤的要求與選擇

本設計基于某型商務車，汽車主要參數如表1所示。

本次設計選擇浮動鉗盤式制動器，其內部只有一個液壓缸，軸向尺寸小。因此，液壓缸冷卻性能好，制動液蒸發的可能性低，對環境、可持續性更加友好。

本設計選用中環設有徑向通風槽的通風制動盤。在制動過程中，通風盤更容易產生空氣對流，提升散熱效果。

材質上，本設計使用的是HT250型的灰鑄鐵。

2.2 制動襯塊的要求與選擇

本設計的制動襯塊是由襯片和底片構成的，用壓嵌法將其緊密結合。襯片形狀選擇為矩形，使制動活塞能更多地和襯片接觸，降低噪音。

襯片材料也應具有較高的摩擦性能，且摩擦穩定。材料的耐磨性和抗壓、抗拉性能也十分重要。考慮到環境因素，這種材料制動時盡可能不產生噪聲或是有害氣體，應采用無公害的材料制成。綜上考慮，本設計采用半金屬材料，其中襯塊厚度為10 mm，摩擦因數為0.4。

2.3 盤式制動器主要參數的計算

a.輪胎有效半徑[re]。

所選擇的輪胎型號為225/60R16。因此輪胎有效半徑re為輪輞半徑+名義斷面寬度×高寬比=203.2+225×60% mm=338.2 mm。

b.制動盤直徑D。

制動盤的直徑通常選擇為70[%]～79[%Dr][3]，這里取D=79%Dr=79%×406.4 mm=321.056 mm。

c.制動盤厚度h。

本設計采用中環設有徑向通風槽的通風盤，擁有更好的散熱效果，但同時導致盤體厚度比實心盤更厚[3]，這里取厚度h=25 mm。

d.摩擦襯塊內直徑[D1]與外直徑[D2]。

一般來說，推薦摩擦襯塊內外直徑D2/D1≤1.5。倘若比值過大，制動時襯塊內外速度差較大，襯塊磨損不勻，接觸面積減小，最終將導致制動力矩變化變大[3]。該值與摩擦因數和摩擦面積有關。通過類比與經驗推算，取D1=220 mm，D2=308 mm。

e.摩擦襯塊工作面積A。

摩擦襯塊單位面積通常占據車輛的質量1.6 kg/cm2～3.5 kg/cm2[3]。考慮到本次設計中所使用的半金屬材料性能優于傳統的石棉材質，工作面積A可以取大一些，最終取摩擦襯塊工作面積為76 cm2。

2.4 制動器的制動力矩

前軸制動器的制動力矩，與車輪受到的力有關，即

[Tf1=Ff1re]" " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，[Ff1]為前軸制動器的制動力，[Ff1=Z1φ]；[re]為車輪有效半徑；[Z1]為作用于前軸車輪上的地面法向反力。

對于較小同步附著系數[φ0]值的汽車，為了保證在[φgt;φ0]的良好的路面上（如[φ]=0.7）能夠制動到后軸和前軸先后抱死滑移（此時制動強度[q=φ]），前軸的車輪制動器所能產生的最大制動力力矩為：

[Tf1max=Z1φre=GL（L2+φhg）φre]" " " " " " （2）

式中，[φ]為該車所能遇到的最大附著系數。

本設計中前軸的車輪制動器所能產生的最大制動力力矩為：

[Tf1max=Z1φre=GLL2+φhgφre=3 439.220 N?m]

上述計算的是兩個車輪的制動器的最大制動力矩結果，則可得其中一個前輪制動器的最大制動力矩為1 719.61 [N?m]。

2.5 制動盤壓緊力

假定襯塊與制動盤有很好的接觸，并且各個部位的壓力分布都是一致的[4]，則盤式制動器的制動力矩為：

[Tf=2fNR]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中，[f]為摩擦因數，取值0.4；N為單側制動塊對制動盤的壓緊力；R為作用半徑。

本設計所采用的是常見的扇形狀摩擦襯塊，其徑向尺寸不大，因此R的數值取或有效半徑[Re]已足夠精確[5]。平均半徑[Rm]的表達式為：

[Rm=D1+D24]" " " " " " " " " " " " " " " " （4）

由上式計算得平均半徑[Rm]=132 mm。

由式（3）計算，單側襯塊對制動盤最大的壓緊力[Nmax]=[16 161] N，因此單側襯塊對制動盤最大的壓力[Pmax]約為2 MPa。

2.6 制動盤的建模

通過三維繪圖軟件對制動盤及其相關部件進行建模、裝配，以便后續制動盤的有限元分析。制動盤的裝配如圖1所示。

3 有限元熱耦合分析

3.1 熱分析基本步驟

a.定義材料的相關屬性；b.幾何模型導入、建立；c.設置接觸方式和相關參數；d.設置分析與邊界條件；e.分析結果與后處理。

3.2 定義材料的相關屬性

a.在Workbench中創建耦合場瞬態分析模塊，將HT250相關熱力學參數導入工程數據，在模型選項中導入瞬態結構的模型。

b.在材料導航項中，定義材料。

3.3 幾何模型導入、建立

在幾何結構中導入建立的制動盤模型，對制動盤進行網格加密劃分。

3.4 設置接觸方式和相關參數

在連接導航項中，定義模型的兩個接觸面為摩擦的Frictional，摩擦因數設為0.4。并定義一個連接副-幾何體-地面-回旋，選擇制動盤內部環面為范圍[6]。

3.5 設置分析與邊界條件

a.定義約束，在瞬態結構導航項中對兩制動襯塊添加位移約束，限制其在X、Y軸上的運動。

b.在耦合場瞬態導航項中，設置環境溫度為22 [℃]；對摩擦襯塊的兩個表面施加2 MPa的載荷；設置連接副載荷，設定旋轉速度；在耦合場瞬態導航項中，添加對流。

c.在分析設置中定義時步，初始時步0.01，最小時步0.001，最大時步0.1。

d.在求解導航項中添加溫度Temperature項目。

4 仿真結果及分析

通過仿真得到制動盤溫度隨時間變化云圖，如圖2、圖3所示。

由溫度變化云圖可以看出，制動所產生的熱量主要集中于摩擦接觸面上。通過觀察模型，可以發現在制動盤摩擦接觸面的溫度遠高于內部[6]。這是因為制動生熱是在一瞬間發生的，所生成的熱沒有時間向內部散發[7]。而盤體內徑區域溫度變化較小也是因為同樣的原因。另外還可以看出，高溫度區域存在于摩擦接觸面的尾部，高溫將導致該區域的熱膨脹，引起接觸面的部分壓力增加，所以制動中的溫度最大值處于摩擦接觸面的尾部區域[8]。

5 結語

本研究中對制動盤進行了參數化設計并建立三維模型，使用ANSYS的耦合場瞬態分析模塊對模型進行熱耦合分析，得到剎車后制動盤溫度隨時間的變化云圖。熱耦合分析結果表明，制動盤的溫度變化及分布規律是合理的，文中設計的制動盤散熱性能良好，符合預期目標。本文的研究結論為以后制動盤的優化設計提供參考，也對提高汽車的主動安全性具有實際指導意義。

參考文獻：

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[8]楊曉娜，丁貝貝基于 ANSYS 的盤式制動器熱力學研究[J]汽車實用技術，2021（15）：92-96.

作者簡介：

李瑞辰，男，1999年生，本科，研究方向為汽車底盤設計。

張傳芳（通訊作者），女，1986年生，研究生，研究方向為汽車底盤設計。