基于有限元的汽車制動盤結構優化

張敬凱

【摘 要】通過對汽車制動盤進行有限元分析，運用ANSYS命令流對制動盤進行前處理、加載及后處理。對模型進行分析后，得出了車輪抱死后制動盤的變形量和應力值及分布情況，通過分析數據，找到了制動盤出現損傷的原因，并結合實例進行了驗證。最后針對制動盤現存缺陷對其結構進行了優化，并對優化后的結構再進行有限元分析，驗證本設計結構優化的可行性。

【關鍵詞】有限元；制動盤；輕量化；結構優化

前言

汽車制動器可分為鼓式和盤式兩大類。鼓式制動器摩擦副中的旋轉元件為制動鼓，其工作表面為圓柱面；盤式制動器的旋轉元件則為旋轉的制動盤，以端面為工作表面。盤式制動器已廣泛應用于轎車，現在大部分轎車用于全部車輪，少數轎車只用作前輪制動器，與后輪的鼓式制動器配合，以使汽車有較高的制動時的方向穩定性。在商用車中，目前盤式制動器在新車型及高端車型中逐漸被采用。在汽車進行緊急制動時，盤式制動器中的制動盤會被剎車片抱緊，由于汽車均安裝有防抱死系統，制動盤不會被瞬間抱死，而是間歇性進行減速，此時無論是對于汽車還是制動盤來說都比較安全。但防抱死系統失效事件也時有發生，出現的案例不在少數，當緊急制動的情況下出現防抱死系統失效問題，制動盤將會被抱死，即邊緣被抱死固定，內部圓面受扭矩，這時推測剎車盤面容易出現撕裂損傷，若情況更惡劣則與輪轂固定部分可能會發生斷裂。經查閱文獻可知在每次緊急制動后制動盤面會出現一道擴展裂紋，若此擴展裂紋再次受到應力集中則擴展裂紋可能會轉變成大裂紋，影響整個制動盤的安全性能。在抱死狀態下若與輪轂相連部位長時間受到扭矩作用，則與輪轂連接部位則有斷裂風險，會直接危害到行駛安全。本文通過運用ANSYS軟件對制動盤緊急制動工況下環境進行模擬，觀察應力集中位置和最大應力值，從而對制動盤進行結構上的優化。

1數據采集及計算

整車選用大眾旗下帕薩特這款車型進行數據計算，制動盤數據來自帕薩特原廠默認車輛配件數據。制動盤具體尺寸數據為：最外圈圓直徑：320mm，最內圈圓直徑：70mm剎車盤內圓螺栓孔所圍圓直徑 。工況狀態模擬為汽車在正常瀝青路面上水平行駛，在前車輪抱死后，汽車前輪胎和地面出現滑動摩擦，滑動摩擦系數μ取0.6，整車重量M=1700kg，剎車盤內圓螺栓孔所圍圓直徑 ，輪胎直徑 ，重力加速度g取9.8m/s^2。

公式為： 。其中F1為單個車輪受到的摩擦力，T為剎車盤內圓承受的扭矩，計算得得T=112.55n·m，F2為剎車盤內圓處扭矩等效的力，F2=9371.25n。

2實體建模過程及求解分析

將模型等效簡化后利用命令流進行自下而上建模，即點-線-面-體的建模過程，運用K命令和L命令建關鍵點并將其連成線，由線連成面，再通過局部旋轉和搭接，最后旋轉整體得到最終實體模型。在劃分網格時考慮采用六面體網格（六面體單元在智能劃分時在復雜截面處容易退化成四面體單元，影響計算精度），因此為提高網格劃分質量，這里先用VSBW命令進行體分割，隨后用VSWEEP命令體掃掠，從而旋轉得出整個劃分網格后的模型，不同部位網格尺寸不同。所得模型單元數為7W左右，網格質量較高，且六面體單元無退化現象。這里的模型是被簡化過的，將與輪轂連接的帶有螺栓孔的部位拆除掉，只留下內圓部分，在制動盤被抱死后相當于將與剎車片接觸的兩面固定，而內圓處受到扭矩作用。首先用DA命令約束面的全部自由度（相當于固定面上的每一個節點），隨后將整體坐標系轉變到柱坐標下，輸入需要施加扭矩的半徑值后選中一系列節點，將選中的節點旋轉，將扭矩轉化成力后把對應的力加到相應的節點上，完成施加扭矩的整個過程。加載完成后用solve命令求解。

得到分析結果后發現在剎車片夾住剎車盤的兩端部位有比較明顯的應力集中，最大值為528MPa，推測應力集中點連線處可能會出現裂紋，因制動盤材料為灰鑄鐵，為脆硬性材料，主要考慮其抗拉強度，超過其抗拉強度極限時，表面出現裂紋，材料無法恢復，經查閱資料，每次緊急制動后制動盤面會出現一道擴展裂紋，若此擴展裂紋再次受到應力集中則擴展裂紋可能會轉變成大裂紋，影響制動安全性。而最大位移量則發生在遠離剎車片的制動盤一側，最大值為0.488mm，對于灰鑄鐵這類脆硬性材料來說位移量相對較大，存在斷裂風險。

3結構優化及分析

出現上述兩種傷情況的主要原因是灰鑄鐵為脆硬形材料，沒有屈服階段，因此在極限狀態下一旦產生形變將是破壞性的，因此會有斷裂和裂紋兩種情況出現。因制動盤需要較高的耐磨性能，所以脆硬性材料是最佳選擇，因此從材料這個角度優化不容易實現。

從結構上進行優化則考慮從其與輪轂連接部分入手，制動盤仍采用脆硬形材料，但制動盤與輪轂連接部分增加卡扣結構，卡扣結構可以代替制動盤形變，卡扣材料采用塑性材料，可以起到極大的緩沖作用，從而保證制動盤的安全，增加制動盤工作時的安全性和穩定性。

依照上述步驟對該模型重新進行網格劃分并施加載荷，為了驗證卡扣的安全性并找到其應力極限值，將所有載荷全部加在卡扣上，載荷施加在卡扣的逆時針所對應的每一側面上，在四個面均施加壓力載荷后，其等效于在卡扣圓周方向施加扭矩。劃分網格和施加載荷后進行再次分析。增加卡扣后的制動盤結構圖和對應分析結果如圖1所示。

由位移云圖可以看出，最大位移發生在卡扣處，且變形量不大，在許用范圍之內。因卡扣采用塑性材料，允許發生的位移量比灰鑄鐵的要大的多，在緊急制動時，由卡扣代替制動盤形變，制動盤仍具有高耐磨性能，因此從各個方面均增加了該制動盤的穩定性和安全性。

4結論

結合實際工況對汽車制動盤進行數據分析，通過運用ANSYS建立有限元模型，得出了車輪抱死后制動盤的變形量和應力值，通過分析數據，找到了制動盤出現斷裂和裂紋現象的原因。依據損傷原因對制動盤進行了結構改進，在制動盤與輪轂連接部位設置卡扣，解決了緊急制動情況下汽車制動盤產生的損傷問題，提高了制動盤的整體安全性能。

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（作者單位：山東建筑大學 機電工程學院）