基于有限元的汽车制动盘结构优化

张敬凯

【摘 要】通过对汽车制动盘进行有限元分析，运用ANSYS命令流对制动盘进行前处理、加载及后处理。对模型进行分析后，得出了车轮抱死后制动盘的变形量和应力值及分布情况，通过分析数据，找到了制动盘出现损伤的原因，并结合实例进行了验证。最后针对制动盘现存缺陷对其结构进行了优化，并对优化后的结构再进行有限元分析，验证本设计结构优化的可行性。

【关键词】有限元；制动盘；轻量化；结构优化

前言

汽车制动器可分为鼓式和盘式两大类。鼓式制动器摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其工作表面为圆柱面；盘式制动器的旋转元件则为旋转的制动盘，以端面为工作表面。盘式制动器已广泛应用于轿车，现在大部分轿车用于全部车轮，少数轿车只用作前轮制动器，与后轮的鼓式制动器配合，以使汽车有较高的制动时的方向稳定性。在商用车中，目前盘式制动器在新车型及高端车型中逐渐被采用。在汽车进行紧急制动时，盘式制动器中的制动盘会被刹车片抱紧，由于汽车均安装有防抱死系统，制动盘不会被瞬间抱死，而是间歇性进行减速，此时无论是对于汽车还是制动盘来说都比较安全。但防抱死系统失效事件也时有发生，出现的案例不在少数，当紧急制动的情况下出现防抱死系统失效问题，制动盘将会被抱死，即边缘被抱死固定，内部圆面受扭矩，这时推测刹车盘面容易出现撕裂损伤，若情况更恶劣则与轮毂固定部分可能会发生断裂。经查阅文献可知在每次紧急制动后制动盘面会出现一道扩展裂纹，若此扩展裂纹再次受到应力集中则扩展裂纹可能会转变成大裂纹，影响整个制动盘的安全性能。在抱死状态下若与轮毂相连部位长时间受到扭矩作用，则与轮毂连接部位则有断裂风险，会直接危害到行驶安全。本文通过运用ANSYS软件对制动盘紧急制动工况下环境进行模拟，观察应力集中位置和最大应力值，从而对制动盘进行结构上的优化。

1数据采集及计算

整车选用大众旗下帕萨特这款车型进行数据计算，制动盘数据来自帕萨特原厂默认车辆配件数据。制动盘具体尺寸数据为：最外圈圆直径：320mm，最内圈圆直径：70mm刹车盘内圆螺栓孔所围圆直径 。工况状态模拟为汽车在正常沥青路面上水平行驶，在前车轮抱死后，汽车前轮胎和地面出现滑动摩擦，滑动摩擦系数μ取0.6，整车重量M=1700kg，刹车盘内圆螺栓孔所围圆直径 ，轮胎直径 ，重力加速度g取9.8m/s^2。

公式为： 。其中F1为单个车轮受到的摩擦力，T为刹车盘内圆承受的扭矩，计算得得T=112.55n·m，F2为刹车盘内圆处扭矩等效的力，F2=9371.25n。

2实体建模过程及求解分析

将模型等效简化后利用命令流进行自下而上建模，即点-线-面-体的建模过程，运用K命令和L命令建关键点并将其连成线，由线连成面，再通过局部旋转和搭接，最后旋转整体得到最终实体模型。在划分网格时考虑采用六面体网格（六面体单元在智能划分时在复杂截面处容易退化成四面体单元，影响计算精度），因此为提高网格划分质量，这里先用VSBW命令进行体分割，随后用VSWEEP命令体扫掠，从而旋转得出整个划分网格后的模型，不同部位网格尺寸不同。所得模型单元数为7W左右，网格质量较高，且六面体单元无退化现象。这里的模型是被简化过的，将与轮毂连接的带有螺栓孔的部位拆除掉，只留下内圆部分，在制动盘被抱死后相当于将与刹车片接触的两面固定，而内圆处受到扭矩作用。首先用DA命令约束面的全部自由度（相当于固定面上的每一个节点），随后将整体坐标系转变到柱坐标下，输入需要施加扭矩的半径值后选中一系列节点，将选中的节点旋转，将扭矩转化成力后把对应的力加到相应的节点上，完成施加扭矩的整个过程。加载完成后用solve命令求解。

得到分析结果后发现在刹车片夹住刹车盘的两端部位有比较明显的应力集中，最大值为528MPa，推测应力集中点连线处可能会出现裂纹，因制动盘材料为灰铸铁，为脆硬性材料，主要考虑其抗拉强度，超过其抗拉强度极限时，表面出现裂纹，材料无法恢复，经查阅资料，每次紧急制动后制动盘面会出现一道扩展裂纹，若此扩展裂纹再次受到应力集中则扩展裂纹可能会转变成大裂纹，影响制动安全性。而最大位移量则发生在远离刹车片的制动盘一侧，最大值为0.488mm，对于灰铸铁这类脆硬性材料来说位移量相对较大，存在断裂风险。

3结构优化及分析

出现上述两种伤情况的主要原因是灰铸铁为脆硬形材料，没有屈服阶段，因此在极限状态下一旦产生形变将是破坏性的，因此会有断裂和裂纹两种情况出现。因制动盘需要较高的耐磨性能，所以脆硬性材料是最佳选择，因此从材料这个角度优化不容易实现。

从结构上进行优化则考虑从其与轮毂连接部分入手，制动盘仍采用脆硬形材料，但制动盘与轮毂连接部分增加卡扣结构，卡扣结构可以代替制动盘形变，卡扣材料采用塑性材料，可以起到极大的缓冲作用，从而保证制动盘的安全，增加制动盘工作时的安全性和稳定性。

依照上述步骤对该模型重新进行网格划分并施加载荷，为了驗证卡扣的安全性并找到其应力极限值，将所有载荷全部加在卡扣上，载荷施加在卡扣的逆时针所对应的每一侧面上，在四个面均施加压力载荷后，其等效于在卡扣圆周方向施加扭矩。划分网格和施加载荷后进行再次分析。增加卡扣后的制动盘结构图和对应分析结果如图1所示。

由位移云图可以看出，最大位移发生在卡扣处，且变形量不大，在许用范围之内。因卡扣采用塑性材料，允许发生的位移量比灰铸铁的要大的多，在紧急制动时，由卡扣代替制动盘形变，制动盘仍具有高耐磨性能，因此从各个方面均增加了该制动盘的稳定性和安全性。

4结论

结合实际工况对汽车制动盘进行数据分析，通过运用ANSYS建立有限元模型，得出了车轮抱死后制动盘的变形量和应力值，通过分析数据，找到了制动盘出现断裂和裂纹现象的原因。依据损伤原因对制动盘进行了结构改进，在制动盘与轮毂连接部位设置卡扣，解决了紧急制动情况下汽车制动盘产生的损伤问题，提高了制动盘的整体安全性能。

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（作者单位：山东建筑大学 机电工程学院）