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

張思超

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

關(guān)鍵詞：制動盤；熱翹曲；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U463.51+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

汽車制動是利用與車身或車架相連的制動鉗總成和與車輪或傳動軸相連的旋轉(zhuǎn)元件制動盤之間的相互摩擦，來阻止車輪的轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動的趨勢，達(dá)到降低車速和停止車輛的目的。制動過程中汽車約90%的動能由制動盤所吸收轉(zhuǎn)化為熱能，由于摩擦生熱會使制動盤表面溫度升高，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、簡化與邊界分析

在實(shí)際制動過程中其制動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)為純滾動狀態(tài)，制動器輸出壓力恒定、均勻分布；制動系統(tǒng)材料均為各向同性的彈性材料，不計磨損，不考慮熱輻射的影響； 約束制動盤各項位移，固定約束制動鉗總成輪軸軸方向位移。

2 相關(guān)參數(shù)

制動盤的材質(zhì)HT250，密度ρ=7.28g/cm3，泊松比ν=0.156，其它參數(shù)見表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至停車，時間為4s，通過有限元分析軟件，采用溫度-位移法來對制動器的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行分析如圖2、圖3所示。制動盤結(jié)構(gòu)上為軸向?qū)ΨQ，取其1/4作為分析對象，等效應(yīng)力場如圖4（a）、（b）、（c）、（d）所示。

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

從圖2與圖5所示分析，在進(jìn)入制動塊的夾持區(qū)域時，熱翹曲的制動盤“擠入”鉗指側(cè)頭部的摩擦襯片也會導(dǎo)致接觸壓力合力作用點(diǎn)的前移；而制動盤在脫離制動塊夾持區(qū)時，趨于恢復(fù)熱翹曲狀態(tài)，“擠出”鉗指側(cè)尾部的摩擦襯片則會導(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盤安裝面和工作面的連接筋結(jié)構(gòu)方式（詳見圖5），設(shè)計其筋越“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。由于制動盤重量限制，筋條尺寸不可過度增大，同時也會影響制造成本，應(yīng)綜合考慮多種因素。

4 結(jié)束語

建立三維模型，模擬汽車運(yùn)行工況，得出制動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)化制動盤結(jié)構(gòu)理論依據(jù)。由此也提供了從合理設(shè)計其尺寸大小、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)計奠定了理論基礎(chǔ)。

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