基于有限元和試驗的汽車打孔制動盤研究

李志強，倪健健，王文龍，吳帥，姜申野

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

基于有限元和試驗的汽車打孔制動盤研究

李志強1,2，倪健健1,2，王文龍1,2，吳帥1,2，姜申野1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

為了實現(xiàn)某型車的輕量化，提出一種新型打孔制動盤。使用HyperMesh建立打孔制動盤有限元模型；借助于ABAQUS軟件模擬特定工況下的制動過程，進行熱仿真分析；并通過臺架試驗驗證該結(jié)構(gòu)的可行性，同時發(fā)現(xiàn)一些潛在危險，為后續(xù)打孔制動盤的開發(fā)與研究提供理論和試驗依據(jù)。

打孔制動盤；輕量化；虛擬仿真；試驗

0 引言

根據(jù)各研究機構(gòu)調(diào)查:汽車質(zhì)量每降低1%，油耗可降低0.6%～0.8%[1]。在節(jié)能減排和環(huán)境保護的大背景下，汽車輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的一種潮流，汽車的輕量化不僅能增強整車的動力特性，而且能提高汽車操控穩(wěn)定性。

制動系統(tǒng)是直接影響汽車行駛安全的系統(tǒng)。汽車制動是通過將自身動能轉(zhuǎn)化成熱能來實現(xiàn)減速的，而這些熱能主要被制動器所吸收。制動器的制動特性和制動穩(wěn)定性會隨著制動盤溫度的升高出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象[2]，導致摩擦因數(shù)降低，嚴重影響車輛的制動安全性。為了提高汽車制動安全特性，汽車制動盤的體積和質(zhì)量往往被設(shè)計得較大，以保證制動盤有足夠大的熱容量來吸收來自剎車的熱量，而不至于溫度過高，影響汽車制動安全性。

作者基于公司某車型提出一種新型打孔制動盤。在原有制動盤基礎(chǔ)上進行打孔處理，每組7個孔，共4組沿圓周均布。首先使用HyperMesh建立打孔制動盤有限元模型，通過ABAQUS模擬特定工況下的制動過程，進行熱仿真分析，最后

通過臺架試驗驗證其可行性，并提出可能存在的潛在風險，為打孔制動盤的研究和開發(fā)提供理論和試驗依據(jù)。

1 制動盤輕量化研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對于制動盤輕量化的研究主要集中在打孔制動盤、鋁合金制動盤和碳纖維陶瓷制動盤。碳纖維陶瓷制動盤性能比較突出，但是材料和生產(chǎn)成本非常高，不適合批量使用在普通乘用車上。鋁合金制動盤的研究主要還停留在理論研究階段，由于鋁基比較軟，在臺架試驗階段很容易產(chǎn)生熱變形，危險性較大，還沒有找到更好的解決辦法。而打孔制動盤不僅可以實現(xiàn)輕量化，而且成本較低，加工技術(shù)容易實現(xiàn)。國內(nèi)外對于制動盤的分析主要采用熱機耦合的仿真方法[3]，但是因為熱機耦合仿真模型復雜，邊界載荷不容易確定，仿真精度很不容易得到保證，并沒有得到普遍應(yīng)用。趙靜海等[4]提出一種基于有限元模型的熱仿真分析方法，對制動過程中的制動盤溫度場和熱容量進行有效的仿真分析。

2 有限元模型搭建

2.1 制動盤有限元模型建立

該車型所用制動盤材料為HT250，密度7 200 kg/m3，外徑151.5 mm、內(nèi)徑102 mm，實心盤，厚度為12 mm。為簡化仿真計算，對打孔制動盤模型進行簡化處理，提取制動盤1～3個單元扇形進行仿真分析。然后將CAD模型導入HyperMesh，采用1.5～3 mm大小的六面體對模型進行網(wǎng)格劃分，建立打孔制動盤的有限元模型，如圖1所示。

2.2 邊界載荷定義

制動盤的邊界載荷為熱流密度q，施加區(qū)域為制動盤兩側(cè)參與摩擦的區(qū)域。熱流密度計算公式為：

(1)

式中：q為制動盤表面熱流密度，單位W/m2；λ為制動能量分配系數(shù)；m為軸荷，單位kg；a為制動減速度，單位m/s2；v0為制動初速度，單位m/s；n為制動盤參與摩擦的面的數(shù)量；A為制動盤單側(cè)參與摩擦的面積。

3 仿真結(jié)果與分析

利用制動盤流場分析結(jié)果，對制動盤添加對流換熱條件后，以15次重復制動工況進行熱仿真分析，得到熱容量和溫度場的仿真結(jié)果，如圖2(a)、2(b)所示。對原有非打孔制動盤進行相同的熱仿真分析，對比打孔制動盤熱性能，仿真結(jié)果如圖3(a)、3(b)所示。

由于系統(tǒng)的熱容量和系統(tǒng)物質(zhì)的質(zhì)量成正比，因此制動盤在打孔以后，熱容量變小。但是從兩組制動盤熱仿真分析結(jié)果來看，仿真過程中打孔制動盤最高溫度為609.6 ℃，原非打孔制動盤最高溫度為627.9 ℃，打孔制動盤的最高溫度反而小于原盤的最高溫度。最主要是因為制動盤表面打孔以后，表面的散熱條件得到改善，因此最高溫度降低，且最高溫度符合設(shè)計要求。

圖3 非打孔制動盤溫度分析結(jié)果

4 臺架試驗

由熱仿真分析得出，打孔制動盤的熱容量符合設(shè)計要求。但是制動盤表面打孔后，其內(nèi)部受力情況出現(xiàn)不明確的變化。尤其是在反復制動過程中，受連續(xù)變化的熱應(yīng)力影響，其熱疲勞性能需要進一步進行驗證。

對于制動盤熱應(yīng)力的研究主要還是使用虛擬仿真軟件，進行熱機耦合仿真分析，由于復雜的載荷條件，仿真結(jié)果的準確性不容易得到保障。作者采用傳統(tǒng)的制動器慣性試驗臺架對打孔制動盤的熱疲勞性能進行驗證。試驗所需參數(shù)如表1所示。

表1 制動器慣性臺架試驗參數(shù)表

搭建完試驗臺架后，依據(jù)制動盤熱疲勞試驗標準，對打孔制動盤進行臺架試驗。通過反復制動使制動盤溫度升高，然后快速冷卻，測試打孔制動盤的熱疲勞特性。試驗完成后，使用染色探傷法對制動盤試驗后的狀態(tài)進行檢測，盤面打孔處有較小的裂紋，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 打孔制動盤熱疲勞試驗結(jié)果

臺架試驗過程中出現(xiàn)一些異常情況，在為制動盤匹配摩擦片時需要引起注意：(1)打孔制動盤在制動過程中，摩擦片的磨損量較大；(2)打孔制動盤的孔存在堵塞現(xiàn)象。

5 結(jié)論

熱疲勞試驗完成后，按照熱仿真工況進行打孔制動盤最高溫度測試，測試結(jié)果為610.6 ℃，驗證了熱仿真的有效性。經(jīng)過制動盤熱疲勞試驗，盤面打孔處有較小的裂紋，主要是由于打孔處的熱應(yīng)力引起的。但這些小裂紋不足以引起失效，且能夠減小應(yīng)力集中問題，驗證了打孔制動盤方案的可行性。

【1】詹國棟.JT公司汽車底盤輕量化零部件國產(chǎn)化項目規(guī)劃研究[D].長春：吉林大學，2015.

【2】趙凱輝.汽車制動器熱衰退性能及相關(guān)制動安全檢測研究[D].西安：長安大學,2010.

【3】楊智勇,韓建民,李衛(wèi)京,等.制動盤制動過程的熱-機耦合仿真[J].機械工程學報,2010(1)：88-92. YANG Z Y,HAN J M,LI W J, et al.Thermo-mechanical Coupling Simulation of Braking Process of Brake Disc[J].Journal of Mechanical Engineering,2010(1)：88-92.

【4】趙靜海,李國鵬,王德宸.制動盤熱仿真分析方法研究[J].汽車零部件,2015(8)：77-79. ZHAO J H，LI G P，WANG D C.Study of Brake Disc Thermal Simulation Method[J].Automobile Parts,2015(8)：77-79.

Research on Brake Disc with Hole Based on Finite Element Analysis and Testing

LI Zhiqiang1,2, NI Jianjian1,2,WANG Wenlong1,2, WU Shuai1,2,JIANG Shengye1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Co., Ltd., Baoding Hebei 071000,China; 2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

In order to achieve lightweight of automobile, a novel perforated brake disk was put forward based on a certain model. HyperMesh was used to establish perforated brake disc finite element model. Then thermal simulation analysis was done by simulating specific conditions of the braking process by ABAQUS software.Some experiments were done on the bench to verify whether it was feasibility. At the same time，some potential risks that might exist were proposed.The research provides theoretical and experimental basis for perforated brake discs research and development.

Perforated brake discs; Lightweight; Virtual simulation; Test

2016-09-01

李志強(1979—)，男，學士，從事汽車底盤產(chǎn)品開發(fā)和過程開發(fā)工作。E-mail：txjx0001@163.com。

倪健健，E-mail：18531243251@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.012

U463.4

A

1674-1986(2016)12-051-03