基于ANSYS 的剎車盤的有限元分析

任東明

（淄博市技師學院，山東 淄博 255000）

制動器是制動系統中用以產生阻礙車輛運動或運動趨勢制動力的部件。汽車制動器除各種緩速裝置以外，幾乎都是利用固定元件與旋轉元件工作表面的摩擦產生制動力矩的摩擦制動器。目前，各類汽車廣泛采用的摩擦制動器根據旋轉元件的不同可分為鼓式和盤式兩大類。它們之間的區別在于:鼓式制動器摩擦副中的旋轉元件為制動鼓，以其圓柱面為工作表面;盤式制動器摩擦副中的旋轉元件為圓盤狀的制動盤，以其端面為工作表面。

制動盤即指的是汽車的剎車盤，它是一個用合金鋼制造的金屬圓盤，制動盤一般固定在車輪上，隨著車輪的轉動而發生轉動。當車輛在行駛的過程中，駕駛員踩下制動踏板時候，制動盤上的制動卡鉗將會緊緊夾住制動盤，這樣就起到使汽車減速或者使汽車停止的作用。一般來說，汽車的制動盤上有圓孔，圓孔的作用是減輕制動盤的重量和增加摩擦力。制動盤有很多種，其最主要的特點就是壁薄，其整個盤片及盤片的中心處是由砂芯構成的。一般，不同種類的制動盤，制動盤的直徑、制動盤片的厚度及兩個盤片間隙尺寸上是存在差異的，通常情況下，盤轂的厚度以及高度也是各不相同的。制動盤是盤式制動器摩擦副中的旋轉元件，其形狀是以兩端面工作的金屬圓盤，如圖1 所示

剎車盤片是用來制動的，主要是由制動鉗提供制動力。通常來說，制動盤內裝有制動輪缸活塞，它外側的制動塊是附著按裝在嵌體上的。當駕駛員踩下汽車的制動踏板，使汽車產生制動時，來自制動主缸的制動油液經進油口進入嵌體中兩個相通的液壓腔中，推動活塞及其上的制動塊移動，使其油壓升高，推動輪缸活塞將其上的制動塊壓靠到制動盤上，從而產生制動。

制動盤的優點：

1、一般無摩擦助勢作用，因而制動器效能受摩擦因數的影響較小，即效能較穩定。

2、進水后效能降低較少，而且只需經一兩次制動即可恢復正常。

3、在輸出制動力矩相同的情況下，尺寸和質量比鼓式制動器小。

4、制動盤沿厚度方向的熱膨脹量極小，不會像制動鼓那樣使制動器間隙明顯增加而導致制動踏板行程過大。

5、較容易實現間隙自動調整，其他保養修理作業也比較簡單。

制動盤是浮動鉗盤式制動器上最大的零件，通常通過螺栓安裝在輪輞上，隨著車輪的轉動而轉動。制動盤在剎車過程中由于剎車片和制動盤的摩擦會產生大量的熱，生成的熱會對剎車片的材料性能和剎車性能產生很大的影響，本文對制動盤剎車過程中的熱應力進行有限元分析，意在為制動盤的改進設計以及事故預防提供依據。同時制動盤的固有頻率和振動形式對制動器的振動和噪聲有很大的影響，所以也需要對制動盤進行模態分析，觀察其固有頻率圖像和對應的主振型圖像，為進一步進行的制動盤模態試驗提供參考數據和試驗依據，本文將會進一步分析制動盤的虛擬自由模態。因為自由模態分析時不用給模型施加任何約束，因此模型具有六個方向的自由度，故一到六階的自由模態頻率為零，只需分析七到十二階的頻率和對應的振型。

總體的分析流程圖為：CATIA 建模→導入到ansys 中得到相應的模型→模型處理（選材、定義和劃分網格）→得到有限元模型→求解→得到結果以及相應的后處理。

1、建立制動盤虛擬模型

取制動盤的直徑數據時應該盡可能取的大一點，這樣的話，制動盤的有效半徑數據就能夠得到增加，可以非常有效的降低制動鉗的夾緊力度，從而使得襯塊的單位壓力和工作溫度都隨之減小。由于汽車車輪輪輞的直徑大小的限制，在進行設計時，制動盤的外圓直徑數據通常取車輪輪輞直徑的70%～79%，對于汽車總質量大于2t 的汽車應取其上限數值。

制動盤的厚度數據的大小會影響制動盤的質量和其在工作時的溫度的升高。為了使其質量小一點，制動盤厚度不宜取得很大；為了讓其溫度降低，制動盤厚度數值又不能取得太小。另外，制動盤也可以做成實心的，或者在制動盤的中間鑄出通風孔道來滿足散熱、通風的需要。一般來說，實心的制動盤的厚度可取的數值為10～20mm，通風式制動盤的厚度數值可取為20～50mm，現在汽車的制動盤厚度采用較多的是20～30mm。根據表1 列出的尺寸和要求在CATIA 中得到制動盤的基本模型，如圖1 圖2 所示。

表1 制動盤的尺寸參數

2、制動盤有限元分析

（1）模型的導入

制動盤的結構主要包括：上下底環、中環和頂環等部分。主要采用六面體劃分，網格控制單元尺寸大小為三到六毫米。

凸緣聯軸器是實體模型，在CATIA 中根據具體尺寸要求建立好模型后，將模型以CATproduct 的格式導出，然后打開ANSYS 軟件，導入CATIA V5 格式的模型，即可得到可見的實體模型。如圖1 所示。

（2）模型有限元結構的建立

三維模型建立后，將制動盤模型導入ANSYS 中，選中制動盤的材料為HT250，其材料參數如表2 所示。

表2 制動盤材料的選取

由于本文的制動盤模型建立并不是在ANSYS 中完成的，所以定義單元類型時選擇了20 節點SOLID186 單元進行分析。SOLID186 單元對于不同CAD/CAM 系統建立的模型能夠模擬更為精確。網格劃分采用ANSYS 自帶的生成四面體單元的自動網格劃分，得到56818 個節點和33163 個單元。模態分析方法選用BlockLanczos 法。

（3）計算結果和分析處理

剎車盤制動過程中，摩擦片對制動盤有法向壓力，摩擦會形成摩擦切向的應力，用ansys 對剎車盤進行應力分析時，只還原在某個時刻剎車盤上的應力分布情況即可。選用S0lid42 單元對網格進行自由網格劃分，并對制動盤主要受力部位進行網格加密，根據力矩平衡方程求解出制動器的制動力距，繼而求出單片摩擦片上分布的壓力。對制動器的模型進行模態求解后。考慮到汽車發動機的常用轉速為3000～5000r/min，所以發動機作為振動源，其常輸出的激勵的頻率范圍為50～84Hz。所以對該制動盤的7～12 階模態進行提取。

經分析，該制動盤的七到十二階的頻率如表3 所示。

表3 制動盤7～12 階固有頻率（Hz）和對應振型描述

3、總結

本文在分析了制動器的相關數據后，得出以下結論：（1）除了帽盤安裝孔外側機械應力較大，其他位背應力均比較小，初步設計能夠滿足結構穩定性。（2）對于盤周可以彈性分配摩擦表面和風道的厚度，適當增加風道厚度，使其在功能上更偏向滿足散熱性的要求，這樣也可以減少剎車盤重量。利用軟件建立了某盤式制動器制動盤的有限元模型，計算了其在自由狀態下的模態參數，得到其固有頻率和振型。借助于有限元模態分析，可以通過改變結構的剛度以及質量分布，使制動盤的模態避開噪聲頻率，為盤式制動器振動和噪聲的控制奠定了基礎。