基于DOE的通風式制動盤散熱性結構優化

李國鵬 李興 郝君起 張丹

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

汽車通風盤式制動器在制動過程中因摩擦生熱使制動盤溫度升高，制動盤通過通風槽散熱，制動盤的散熱性是制動盤最重要的性能，它直接影響制動盤DTV及制動過程中熱變形及熱應力等情況[1]。試驗設計方法（DOE）是優化多因子相關的復雜設計的科學方法。文章采用田口DOE 法，在理論認識和實踐經驗的基礎上，利用規格化的正交表，科學地挑選試驗條件，合理地安排試驗，從很多試驗調階中選出代表性強的少數次條件以及對次試驗條件的分析，最終找出最后或較優的試驗方案[2]。

1 制動盤熱機耦合模型的建立

將通風盤式制動器簡化為只含制動盤和摩擦片2 個關鍵部件的仿真模型，為提高單元質量和求解速度，對模型進行必要幾何處理，去除制動盤微小倒角倒圓。設置單元類型為溫度-位移耦合單元，尺寸為4 mm；網格質量控制在：翹曲值＜5，雅克比＞0.6 等。制動盤和摩擦片有限元網格模型，如圖1 所示，由17 887 個C3D8T 單元和2 002 個C3D6T 單元組成。

2 制動盤熱機耦合仿真分析

制動盤熱機耦合仿真以整車從70 km/h 應急制動至停車過程中前制動盤的溫度變化過程，車輪半徑0.32 m，制動管路壓強10 MPa，摩擦片壓強4.9 MPa 為依據進行。在Abaqus 軟件中，約束摩擦片X，Z 方向的位移自由度，允許其沿著Y 軸方向自由移動；約束制動盤旋轉中心繞Y 軸旋轉以外的所有自由度；在制動盤旋轉中心施加初始角速度60 rad/s，旋轉中心參考點與制動盤的螺栓孔之間建立剛性連接；摩擦片遠離制動盤的表面外側施加均勻分布的4.9 MPa 制動壓力。整個模型系統初始溫度與環境溫度相同，設為20 ℃。對整個系統加入隨時間變化的散熱系數，表現制動盤散熱隨轉速的降低而減慢的作用[3]。

3 試驗方法在制動盤結構優化方面的應用

制動盤散熱性主要與制動盤盤厚及制動盤通風槽結構有關，現以制動盤的這2 個主要因素設定制動盤DOE 因子。

3.1 因子水平選取

文章選取加強筋數量、加強筋寬度及制動盤單側厚度3 個因子，每個因子選取3 個水平，因子水平，如表1 所示。

表1 制動盤散熱性試驗因子水平表

3.2 試驗分析計算

根據因子水平數在正交表中選擇標準正交表L9（34），由正交表得到9 個仿真方案。根據這9 個不同水平組合下的設計參數，進行制動盤熱機耦合仿真，得到每個仿真方案制動盤的最高溫度，并通過制動盤Catia數模測量制動盤質量。匯總結果，如表2 所示。（試驗5為當前制動盤狀態）

表2 制動盤散熱性試驗因子仿真分析結果計算表

3.3 方差分析

采用Minitab 軟件對制動盤散熱性能試驗結果進行方差分析。

3.3.1 溫度的方差分析

在制動盤散熱性能試驗中，溫度的方差分析，在檢驗中使用調整的方差，各因素的均方差，如表3 所示。

由表3 可以看出，在制動盤散熱方面因子影響主次排布如下：單側盤厚、加強筋數量與加強筋寬度交互作用、加強筋數量、加強筋寬度。

制動盤散熱性能的溫度主效應圖，如圖2 所示。

3.3.2 質量的方差分析

在制動盤散熱性能試驗中，對質量的方差分析，在檢驗中使用調整的方差，各因素的均方差，如表4 所示。

表4 影響質量的各因素均方差表

由表4 可以看出，在制動盤經濟性方面因子影響主次排布如下：單側盤厚、加強筋寬度、加強筋數量、加強筋數量與加強筋寬度交互作用。

制動盤散熱性能的質量主效應圖，如圖3 所示。

3.4 結果分析

通過方差分析結果及主效應圖可以得到各因素與制動盤溫度和質量的相關作用，如表5 所示。

表5 各因素與制動盤溫度和質量的相關作用表

由表5 可以看出，筋外側寬度的減小，既能夠降低制動盤最高溫度，也能夠減少制動盤質量，但是要注意筋數目與筋外側寬度的交互作用。

下面通過加強筋數量與加強筋寬度交互作用與制動盤最高溫度的等值線圖（如圖4 所示）來確定這一交互作用對制動盤最高溫度的相關性。

由圖4 可以看出，在制動盤加強筋寬度為7.5 mm，加強筋數量在48，49，50，51 個時制動盤溫度處于最低水平。由此可以看出，制動盤加強筋寬度由8.5 mm 降低至7.5 mm，既能降低制動盤的最高溫度也能減輕制動盤的質量。

4 優化方案確定與驗證

由于制動盤單側厚度對制動盤最高溫度及質量都較敏感，故不做變動，根據制動盤最高溫度與加強筋數量加強筋寬度等值線圖，選定加強筋外側寬度為7.5 mm，筋數目取其中最低值48 個，通過仿真得到制動盤最高溫度為182.5 ℃，相對于目前制動盤的最高溫度187.3 ℃有所降低，同時質量6.545 kg 比目前制動盤6.662 kg 降低0.117 kg。達到了散熱性與經濟性同時提升的效果。

由于仿真分析目標為制動盤最高溫度，不能體現整個制動過程中溫度是否都降低，采用制動盤最高溫度區域的節點溫度繪制優化前后制動過程溫度曲線圖，如圖5 所示。由圖5 可以看出，整個制動過程溫度都低于原制動盤方案。

5 結論

通過CAE 軟件Hypermesh 建立制動盤熱機耦合有限元網格模型，利用Abaqus 軟件進行制動盤熱機耦合仿真，得到制動盤制動過程中溫度情況，采用DOE方法進行制動盤結構優化，控制目標為制動盤溫度及質量，用溫度表現制動盤散熱性、質量表現制動盤經濟性，最終方案實現了制動盤散熱性及經濟性的同時優化。這為優化制動盤散熱性的設計提供了較好的借鑒和依據，有效地節省了試驗所花費的時間和成本。