基于UG的电动汽车盘式制动器结构分析与优化研究

陈正科

摘要： 伴随着新能源汽车的飞速发展，新能源汽车在越来越深受广大消费者的青睐，纯电动汽车在各方面技术上也日益更新。本文以某纯电动汽车的制动器为研究对象，在保证制动器设计原有的基础上，根据纯电动汽车的设计特点对于制动器进行设计和优化，这里面包含了制动器的一系列参数的调整，并且使用软件技术来对其包含的零部件进行调整和完善。

Abstract： With the rapid development of new energy vehicles， new energy vehicles are becoming more and more popular among consumers， and pure electric vehicles are also increasingly updated in all aspects of technology. This article takes the brake of a pure electric vehicle as the research object. On the basis of ensuring the original design of the brake， the brake is designed and optimized according to the design characteristics of the pure electric vehicle. This includes the adjustment of a series of parameters of the brake and use software technology to adjust and improve the components it contains.

关键词： 电动汽车;制动器;优化设计

Key words： electric vehicle;brake;optimized design

中图分类号：U471.23                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）17-0014-03

0  引言

时代的逐渐进步，人们向往更好的生活，在挑选汽车上非常看重汽车的性能指标。为此，新能源汽车成为当今发展的热门，尤其纯电动汽车的发展非常迅速，例如国内电动汽车中蔚来汽车、小鹏汽车、比亚迪新能源汽车等等，在外观这一方面，给人们一个不一样的体验，技术方面，也越来越成熟、越来越人性化。

1  制动器类型选择与参数设计

1.1 制动器类型选择

本次主要目的是设计一个满足某纯电动汽车所需要求的制动器。下面是某纯电动汽车的一些参数数据。该车的性能参数以及指标如表1所示。

在选择制动器的时候，需要根据某纯电动汽车的实际情况，所选的制动器需要在满足能及时、高效、且准确的传递制动力的同时，还要尽量减小其体积以及质量。对比鼓式的制动器结构来制动的性能和散热的效果都没那么如意，而这一款新能源的纯电动汽车为一款新型的SUV，倘若使用鼓式制动器，那么效果并不理想。这样这一款新能源电动汽车采用的制动系统便为盘式制动系统。所以这一款新能源的纯电动汽车前面的车轮一般采用的是通风盘式的制动器结构，而车辆后面的车轮多采用的是盘式的制动器结构，以及采用电动助力制动的形式，需要使用到液压系统等，所以制动系统的体积较大。

在把多个不同的制动器进行比较以后，比较中意的制动器类型是电子机械式的制动器结构，而这个制动器的执行结构是钳盘式的制动器结构，相比较这款新能源的纯电动汽车原配制动器来说，便可以大大节省汽车制动系统所占的车辆布置空间了，对于新能源的电动汽车的底盘结构布置来说是有利的。不过需要注意以下几个比较重要的问题：结构和尺寸问题，需要注意制动器的结构大小是否合理，因为最终制动器需要安装在轮毂中，所以需要考虑制动器的整体尺寸。

1.2 最大制动力与制动力分配系数计算

比对这一款新能源的纯电动汽车参数指标，可以进行一系列的计算规划。相比较新能源的电动汽车制动，我们要正确的了解到该车辆的制动力最大有多大以及该车辆的制动力分配是怎么样分配的。汽车的最高制动力指的就是该汽车把制动踏板完全踩下去所产生的制动能力，要想体现该汽车好的制动效能，就要对该汽车的制动力进行合理的分配。

该汽车在道路上正常行驶时对其进行受力分析，然后对汽车的前轮以及后轮接触地面的力矩进行分析，可以得到下面几个公式

该汽车在装满东西时在道路上正常行驶，进行制动刹车，使汽车的前轮和后轮都进行一个抱死状态，此时地面对前车轮以及后车轮的产生的反作用力便为

其中，G代表是汽车所承受的重力大小，L代表的汽车各个轴之间的距离，a、b代表的是汽车在质心分离前后轴之间的距离，hg代表的是汽车的质心高度，φ表示的车辆的附着系数。

汽车的制动力的分配能力用前轮的制动器的制动能力比上汽车总的制动能力，上面式子中的制动能力的分配系数β算出来为0.72。

1.3 同步附着系数计算

从上述材料当中的公式可以清楚的计算出汽车前轮以及后轮制动器所产生的制动力如I曲线所表示的一样。如果是用作图法得到I曲线，就需要代入不同的φ值，某一φ值会对应两条直线，而把这一些φ值之间交的那一个点进行互相连接，那么就会出现I曲线这样的曲线图。而把前轮以及后轮制动器产生的制动力之间整合成为一个式子，这样就会得到一条会过原点的一条直线，这一条直线产生的斜率便为（1-β）/β。而这个线代表的便是制动力之间力的分配，我们称之为β线。这一条直线和I曲线之间相结合那个点产生的附着系数我们把它叫做同步附着系数。

同步附着系数有好多方法可以求得，如下面的公式便可以求出来，对下面的公式进行进一步的计算推导得到下面的式子：

推导之后的公式为：

公式里面b代表的是汽车质心的距离与后轴之间的中心线的距离，而β则代表是汽车前轮以及后轮真正的动力分配参数。

把知道的数据放进上面的公式里便可以知道同步附着系数φ0为计算结果的0.59。

1.4 前后制动器最大制动力矩计算

倘若要对制动器完善的设计，那么便需要计算出一个的前后制动器在制动过程当中产生的最大制动的力矩。

公式如下：

上面公式里的Mμ1 Mμ2代表的分别是前轮制动器以及后轮制动器所产生的制动力矩，计算前轮所能产生最大制动力矩便可以通过下列公式得到

代入数据计算，得前轮Mμ1=11780.53N·m。

代入公式得Mμ2=16361.85N·m。

在我们的理想状况下，计算出来的汽车最大制动力矩有两个比较可靠的数据，它们分别为11780.53N·m以及16361.85N·m这两个。

2  制动器的优化

2.1 制动块优化

在制动过程当中制动块起着重要作用，对制动有着绝对意义。就拿制动系统的制动块来说，如果对其进行优化，主要就是对于制动块的材料以及相关结构进行优化。某纯电动汽车的制动块材料主要使用的是灰铸铁，本次设计中制动块使用的材料是Q345，密度是1550kg/m3，材料的泊松比是0.25，弹性模量是3.7E8Pa，相对于灰铸铁，部分性能更适合于制动块。把设计的制动块的模型放进ANSYS系统中，对其进行网格的规划，通过对其的分析发现，制动块所包含的节点数为15196个，而所包含的单元数为76916个，设计的制动块模型展示如图1所示。

接下来需要对制动块模型进行相关分析，制动块与制动钳之间没有相对滑动，只有正压力，进行相关实验。使用远端位移约束。把汽车工作的正压力加与制动块之上，当采用垂直与制动块工作面的正压力是，制动块的连接点承受了制动块所受的力，而所受的最大的力为37.282MPa，比材料的承受能力230MPa还要小很多很多。所以不会出现相关结构破坏的问题。对制动块的工作面施加正压力时，制动块的总形变量最大为0.38354mm。

2.2 制动盘优化

通过查阅相关资料进行总结得，制动盘的相关优化，主要集中于相关结构的优化，与材料方向的优化。该款新能源纯电动汽车车辆的前轮制动一般选用的是通盘式的制动器结构，为了让制动效能更加优秀，提高在运动时消除热量的能力，本文采用在其制动盘的盘面上进行打孔的方式来实现优化，部分研究者是对于通风盘的通风板筋进行相关优化，把通风的线性由直线慢慢变为曲线，从而让制动盘的散热性能得到一个很好的完善。与传统的制动结构相比，在制动盘盘面上进行打孔可以使得加工更容易、还有降低其带来的误差。在对制动盘的盘孔的进行钻打时，应该注意通风板筋，不需要打孔处理。

以制动盘的参数和结构进行相关的探讨，从而对制动盘的参数与结构进行较好的改善，同时调整制动盘所能承受的最大温度范围。参量为制动盘盘面的打孔直径的大小，限定其变化范围在3～5mm。同时因为比较单调，工作时工作面也不是立体的，从优化完善的角度进行分析和探讨，可以得到一个最适合的参量4mm。因为优化制动盘相关结构后，必然会对制动盘的制动产生影响，所以需要对优化后的制动盘进行仿真，把经过完善以后制动盘可以承受的温度进行一系列的相关分析和探讨，便绘制出了下面这个分布图。而进行一定结构完善的制动盘模型呈现如图2所示。

由于制动盘优化后其表面拥有大量的孔，所以在孔的周围采用较密集的网格划分。进行改良以后的网格划分含单元82495个，其中包含节点142841个。针对优化后的模型进行制动仿真，得到制动时不同制动时刻制动盘截面温度，对制动盘的温度散布可以了解到，当汽车制动时间的变长，经过改良以后的制动盘在制动时产生的热量会慢慢的跑到制动盘的里面。

3  结束语

本文主要对纯电动汽车电子机械式制动器的设计要求进行介绍，通过参考大量文献，对现有的纯电动汽车各类制动器的结构进行深入分析，还对电子机械式的制动器进行了一定量的研究，同时参考了现在存在的纯电动汽车的EMB，把纯电动汽车的制动器以及制动能力进行了一定的改良。

参考文献：

[1]朱雪青.汽车电子机械式制动器的控制方法研究[D].合肥工业大学，2019.

[2]王教友.基于整车匹配的盘式制动器优化设计及验证[D].重庆理工大学，2019.

[3]陈朋成.电动助力制动系统及压力控制方法研究[D].吉林大学，2019.

[4]陈炯.新能源汽车电动助力制动系统关键技术研究[D].电子科技大学，2020.

[5]刘朋.汽车盘式制动器制动抖动机理分析及优化研究[D].江苏大学，2020.

[6]丁勇.盘式制动器檢测系统设计研究[D].中国矿业大学，2020.