基于DOE的通风式制动盘散热性结构优化

李国鹏 李兴 郝君起 张丹

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

汽车通风盘式制动器在制动过程中因摩擦生热使制动盘温度升高，制动盘通过通风槽散热，制动盘的散热性是制动盘最重要的性能，它直接影响制动盘DTV及制动过程中热变形及热应力等情况[1]。试验设计方法（DOE）是优化多因子相关的复杂设计的科学方法。文章采用田口DOE 法，在理论认识和实践经验的基础上，利用规格化的正交表，科学地挑选试验条件，合理地安排试验，从很多试验调阶中选出代表性强的少数次条件以及对次试验条件的分析，最终找出最后或较优的试验方案[2]。

1 制动盘热机耦合模型的建立

将通风盘式制动器简化为只含制动盘和摩擦片2 个关键部件的仿真模型，为提高单元质量和求解速度，对模型进行必要几何处理，去除制动盘微小倒角倒圆。设置单元类型为温度-位移耦合单元，尺寸为4 mm；网格质量控制在：翘曲值＜5，雅克比＞0.6 等。制动盘和摩擦片有限元网格模型，如图1 所示，由17 887 个C3D8T 单元和2 002 个C3D6T 单元组成。

2 制动盘热机耦合仿真分析

制动盘热机耦合仿真以整车从70 km/h 应急制动至停车过程中前制动盘的温度变化过程，车轮半径0.32 m，制动管路压强10 MPa，摩擦片压强4.9 MPa 为依据进行。在Abaqus 软件中，约束摩擦片X，Z 方向的位移自由度，允许其沿着Y 轴方向自由移动；约束制动盘旋转中心绕Y 轴旋转以外的所有自由度；在制动盘旋转中心施加初始角速度60 rad/s，旋转中心参考点与制动盘的螺栓孔之间建立刚性连接；摩擦片远离制动盘的表面外侧施加均匀分布的4.9 MPa 制动压力。整个模型系统初始温度与环境温度相同，设为20 ℃。对整个系统加入随时间变化的散热系数，表现制动盘散热随转速的降低而减慢的作用[3]。

3 试验方法在制动盘结构优化方面的应用

制动盘散热性主要与制动盘盘厚及制动盘通风槽结构有关，现以制动盘的这2 个主要因素设定制动盘DOE 因子。

3.1 因子水平选取

文章选取加强筋数量、加强筋宽度及制动盘单侧厚度3 个因子，每个因子选取3 个水平，因子水平，如表1 所示。

表1 制动盘散热性试验因子水平表

3.2 试验分析计算

根据因子水平数在正交表中选择标准正交表L9（34），由正交表得到9 个仿真方案。根据这9 个不同水平组合下的设计参数，进行制动盘热机耦合仿真，得到每个仿真方案制动盘的最高温度，并通过制动盘Catia数模测量制动盘质量。汇总结果，如表2 所示。（试验5为当前制动盘状态）

表2 制动盘散热性试验因子仿真分析结果计算表

3.3 方差分析

采用Minitab 软件对制动盘散热性能试验结果进行方差分析。

3.3.1 温度的方差分析

在制动盘散热性能试验中，温度的方差分析，在检验中使用调整的方差，各因素的均方差，如表3 所示。

由表3 可以看出，在制动盘散热方面因子影响主次排布如下：单侧盘厚、加强筋数量与加强筋宽度交互作用、加强筋数量、加强筋宽度。

制动盘散热性能的温度主效应图，如图2 所示。

3.3.2 质量的方差分析

在制动盘散热性能试验中，对质量的方差分析，在检验中使用调整的方差，各因素的均方差，如表4 所示。

表4 影响质量的各因素均方差表

由表4 可以看出，在制动盘经济性方面因子影响主次排布如下：单侧盘厚、加强筋宽度、加强筋数量、加强筋数量与加强筋宽度交互作用。

制动盘散热性能的质量主效应图，如图3 所示。

3.4 结果分析

通过方差分析结果及主效应图可以得到各因素与制动盘温度和质量的相关作用，如表5 所示。

表5 各因素与制动盘温度和质量的相关作用表

由表5 可以看出，筋外侧宽度的减小，既能够降低制动盘最高温度，也能够减少制动盘质量，但是要注意筋数目与筋外侧宽度的交互作用。

下面通过加强筋数量与加强筋宽度交互作用与制动盘最高温度的等值线图（如图4 所示）来确定这一交互作用对制动盘最高温度的相关性。

由图4 可以看出，在制动盘加强筋宽度为7.5 mm，加强筋数量在48，49，50，51 个时制动盘温度处于最低水平。由此可以看出，制动盘加强筋宽度由8.5 mm 降低至7.5 mm，既能降低制动盘的最高温度也能减轻制动盘的质量。

4 优化方案确定与验证

由于制动盘单侧厚度对制动盘最高温度及质量都较敏感，故不做变动，根据制动盘最高温度与加强筋数量加强筋宽度等值线图，选定加强筋外侧宽度为7.5 mm，筋数目取其中最低值48 个，通过仿真得到制动盘最高温度为182.5 ℃，相对于目前制动盘的最高温度187.3 ℃有所降低，同时质量6.545 kg 比目前制动盘6.662 kg 降低0.117 kg。达到了散热性与经济性同时提升的效果。

由于仿真分析目标为制动盘最高温度，不能体现整个制动过程中温度是否都降低，采用制动盘最高温度区域的节点温度绘制优化前后制动过程温度曲线图，如图5 所示。由图5 可以看出，整个制动过程温度都低于原制动盘方案。

5 结论

通过CAE 软件Hypermesh 建立制动盘热机耦合有限元网格模型，利用Abaqus 软件进行制动盘热机耦合仿真，得到制动盘制动过程中温度情况，采用DOE方法进行制动盘结构优化，控制目标为制动盘温度及质量，用温度表现制动盘散热性、质量表现制动盘经济性，最终方案实现了制动盘散热性及经济性的同时优化。这为优化制动盘散热性的设计提供了较好的借鉴和依据，有效地节省了试验所花费的时间和成本。