一款汽車制動(dòng)器的制動(dòng)盤熱變形分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張思超

摘 要：建立汽車制動(dòng)盤三維模型，模擬汽車以100km/h的初始速度緊急制動(dòng)下制動(dòng)器的制動(dòng)盤表面溫度升高，溫升不均產(chǎn)生熱應(yīng)力，致使熱變形，采用熱-結(jié)構(gòu)耦合法來(lái)分析熱變形變化特性，提供優(yōu)化制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)盤；熱翹曲；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.51+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0065-02

Abstract： A three-dimensional model of automobile brake disc is established to simulate the temperature rise of the brake disc surface under emergency braking at the initial speed of 100 km/h， resulting in thermal stress caused by uneven temperature rise and thermal deformation. The thermal-structural coupling method is used to analyze the characteristics of thermal deformation and provide the theoretical basis for the optimization of brake disc structure.

Keywords： brake disc； hot warping； structure optimization

汽車制動(dòng)是利用與車身或車架相連的制動(dòng)鉗總成和與車輪或傳動(dòng)軸相連的旋轉(zhuǎn)元件制動(dòng)盤之間的相互摩擦，來(lái)阻止車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，達(dá)到降低車速和停止車輛的目的。制動(dòng)過(guò)程中汽車約90%的動(dòng)能由制動(dòng)盤所吸收轉(zhuǎn)化為熱能，由于摩擦生熱會(huì)使制動(dòng)盤表面溫度升高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力變化，產(chǎn)生熱變形。

1 三維模型的建立、簡(jiǎn)化與邊界分析

在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中其制動(dòng)盤表面溫升受許多因素影響，此模型邊界為：排除車輪抱死和滑移，設(shè)為純滾動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)器輸出壓力恒定、均勻分布；制動(dòng)系統(tǒng)材料均為各向同性的彈性材料，不計(jì)磨損，不考慮熱輻射的影響； 約束制動(dòng)盤各項(xiàng)位移，固定約束制動(dòng)鉗總成輪軸軸方向位移。

2 相關(guān)參數(shù)

制動(dòng)盤的材質(zhì)HT250，密度ρ=7.28g/cm3，泊松比ν=0.156，其它參數(shù)見(jiàn)表1。

摩擦材料為銅基半金屬和鋼板，密度ρ=7.86g/cm3，泊松比ν=0.31，其它參數(shù)見(jiàn)表2。

3 模擬仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

設(shè)定以100km/h的汽車初始速度緊急制動(dòng)至停車，時(shí)間為4s，通過(guò)有限元分析軟件，采用溫度-位移法來(lái)對(duì)制動(dòng)器的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析如圖2、圖3所示。制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)上為軸向?qū)ΨQ，取其1/4作為分析對(duì)象，等效應(yīng)力場(chǎng)如圖4（a）、（b）、（c）、（d）所示。

由圖4可見(jiàn)，制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)與等效熱應(yīng)力場(chǎng)在制動(dòng)盤面的摩擦半徑附近（見(jiàn)圖4-a、b），制動(dòng)盤溫度先升后降。盤體的三向（軸向、徑向和周向）應(yīng)力中，制動(dòng)盤周向應(yīng)力最大（見(jiàn)圖4-c），其是引起盤體疲勞裂紋的主要原因。當(dāng)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)節(jié)的點(diǎn)應(yīng)力值超過(guò)材料屈服極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)不均勻的熱彈性變形，向內(nèi)側(cè)翹曲——熱翹曲（見(jiàn)圖4-d）。熱翹曲易引起制動(dòng)盤表面產(chǎn)生熱點(diǎn)，導(dǎo)致制動(dòng)盤端面跳動(dòng)，從而引起制動(dòng)力矩和制動(dòng)壓力的波動(dòng)，發(fā)生制動(dòng)熱抖動(dòng)。

從圖2與圖5所示分析，在進(jìn)入制動(dòng)塊的夾持區(qū)域時(shí)，熱翹曲的制動(dòng)盤“擠入”鉗指?jìng)?cè)頭部的摩擦襯片也會(huì)導(dǎo)致接觸壓力合力作用點(diǎn)的前移；而制動(dòng)盤在脫離制動(dòng)塊夾持區(qū)時(shí)，趨于恢復(fù)熱翹曲狀態(tài)，“擠出”鉗指?jìng)?cè)尾部的摩擦襯片則會(huì)導(dǎo)致接觸壓力合力作用點(diǎn)的后移。

由上分析，優(yōu)化此制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)、外兩側(cè)壁厚相同，中間散熱連接筋條和連接制動(dòng)盤安裝面和工作面的連接筋結(jié)構(gòu)方式（詳見(jiàn)圖5），設(shè)計(jì)其筋越“粗”，連接筋的橫截面積就越大，熱量由外到內(nèi)傳導(dǎo)速度越快，散熱就越快，熱變形恢復(fù)也越好。由于制動(dòng)盤重量限制，筋條尺寸不可過(guò)度增大，同時(shí)也會(huì)影響制造成本，應(yīng)綜合考慮多種因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

建立三維模型，模擬汽車運(yùn)行工況，得出制動(dòng)盤表面溫升及不均產(chǎn)生熱應(yīng)力，致使熱變形，采用有限元分析熱變形變化特性，提供了優(yōu)化制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)理論依據(jù)。由此也提供了從合理設(shè)計(jì)其尺寸大小、改善分布摩擦片的壓力、提高材料的導(dǎo)熱性、改善散熱條件入手，更進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

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