新能源輕卡盤式制動器設(shè)計及分析

摘要：盤式制動器在輕卡等車型上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。針對開發(fā)中的某新能源輕卡，設(shè)計了一款盤式制動器，具有駐車穩(wěn)定、可靠、壽命長等優(yōu)點。同時，針對關(guān)鍵部件制動盤，進(jìn)行了強度、溫度分布及熱變形的仿真分析。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的前后制動盤強度滿足設(shè)計要求，溫度分布合理，熱變形滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;制動器;設(shè)計;制動盤;仿真分析

中圖分類號：U463.51 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0001-02

0 ?引言

汽車用制動器分鼓式制動器和盤式制動器兩大類。與鼓式制動器相比，盤式制動器工作表面為平面且兩面?zhèn)鳠幔瑘A盤旋轉(zhuǎn)容易冷卻，不易發(fā)生較大變形，制動效能較為穩(wěn)定，長時間使用后制動盤因高溫膨脹使制動作用增強;而鼓式制動器單面?zhèn)鳠?，?nèi)外兩面溫差較大，導(dǎo)致制動鼓容易變形，同時長時間制動后，制動鼓因高溫而膨脹，制動效能減弱。另外，盤式制動器結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，易實現(xiàn)制動間隙自動調(diào)整。

大量試驗發(fā)現(xiàn)，盤式制動器與鼓式制動器相比，在重型卡車和掛車上盤式制動器的制動距離比鼓式制動器縮短30%左右[1]。盤式制動器不僅可以提高車輛的靈敏性和安全性，還可以有效避免車輛連續(xù)長下坡過程中的制動失靈隱患。近年來，盤式制動器以其良好的制動穩(wěn)定性和良好的抗熱衰退性，在輕卡等車型上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

在制動盤的研究方面，溫度相關(guān)問題得到了較多研究[1-3]。文獻(xiàn)1通過分析重型車制動盤熱疲勞現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因，從材料和結(jié)構(gòu)兩方面對常態(tài)制動盤進(jìn)行了改進(jìn)，使制動盤的熱疲勞性能大幅提升，滿足了重型車的使用要求。文獻(xiàn)2針對汽車制動盤在整車熱容量工況下溫度變化的問題，對4種不同結(jié)構(gòu)制動盤的溫度場進(jìn)行計算對比分析，得出結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案。文獻(xiàn)3通過對制動盤建立散熱模型，分析了制動盤的熱平衡溫度，并提出了降溫措施。

本文針對某新能源輕卡，設(shè)計了制動盤，并開展了前后制動盤的強度、溫度分布及熱變形仿真分析。

1 ?盤式制動器設(shè)計

1.1 整車參數(shù)

某客戶開發(fā)中的新能源輕卡參數(shù)如表1所示。

1.2 制動器設(shè)計

根據(jù)表1所示整車參數(shù)，結(jié)合其它要求，設(shè)計了一款盤式制動器，外形如圖1所示。

該制動器包括制動鉗、制動盤和摩擦塊等主要零部件，各部分結(jié)構(gòu)及功能如下：制動鉗上設(shè)有活塞總成、驅(qū)動活塞總成動作推動摩擦塊壓緊制動盤的液壓系統(tǒng)和傳動總成，傳動總成穿出制動鉗連接有制動臂，活塞總成包括活塞和調(diào)整螺套，傳動總成包括與調(diào)整螺套螺紋連接的調(diào)整螺桿，活塞上設(shè)有連接調(diào)整螺桿的活塞腔，活塞腔上設(shè)有對應(yīng)調(diào)整螺套的臺階，通過限位擋圈將調(diào)整螺套限位在臺階中，調(diào)整螺套和限位擋圈之間設(shè)有可擠壓變形的脹緊組件。

制動盤和摩擦塊因磨損產(chǎn)生間隙后，通過液壓系統(tǒng)加壓，驅(qū)動活塞朝摩擦塊動作，此時調(diào)整螺桿是固定的，調(diào)整螺套的橫向移動受到牽制，調(diào)整螺套和限位擋圈擠壓脹緊組件產(chǎn)生間隙后，調(diào)整螺套可沿調(diào)整螺桿傳動，朝向摩擦塊移動一定距離以補償產(chǎn)生的間隙，保證駐車穩(wěn)定、可靠，延長盤式制動器的使用壽命。

2 ?仿真分析

制動盤是制動器的核心部件之一，是盤式制動器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件，工作表面為其端面，摩擦元件從兩側(cè)加緊制動盤而產(chǎn)生制動力。

制動盤要求具有較好的散熱能力和熱穩(wěn)定性。針對所設(shè)計的制動盤，設(shè)定分析工況，并開展強度分析、溫度場及熱變形分析。

2.1 分析工況

工況的設(shè)定對分析結(jié)果具有重要影響，根據(jù)整車的實際使用情況及數(shù)據(jù)經(jīng)驗積累，設(shè)定分析工況如下：車輛初始速度60km/h，以0.5g的減速度制動至停車，制動時間為3.4s，間隔時間30s，以33.4s為一個制動循環(huán)?？偣策M(jìn)行10次制動循環(huán)，共計時間334s。

2.2 強度分析

汽車制動時，主要依靠制動盤與摩擦塊之間的摩擦建立制動力，由于制動盤具有轉(zhuǎn)動自由度，該制動力通過制動力矩的形式傳遞到輪胎。

分析可知，制動盤主要受到摩擦塊的擠壓力和摩擦力。因此制動盤的強度校核時，重點考慮制動盤與摩擦塊之間相互作用關(guān)系。

采用hypermesh軟件，進(jìn)行制動盤和摩擦塊的網(wǎng)格劃分?？紤]到制動盤的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行重構(gòu)。前處理模型如圖2所示。將前處理網(wǎng)格導(dǎo)入非線性軟件abaqus，設(shè)置制動盤的材料屬性，輸入其塑形數(shù)據(jù)，引入材料非線性的影響。對制動盤的安裝孔耦合到輪心點，約束其六個方向的自由度。同時約束摩擦塊的自由度，僅保留軸向自由度。

在摩擦塊與制動盤的接觸面上建立檢出關(guān)系，接觸類型為Hard Contact（硬接觸）。給制動盤的耦合點施加一定量的角位移，進(jìn)行分析計算。通過分析獲得制動盤工作的應(yīng)力分析云圖，如圖3所示。

分析結(jié)果表明，制動盤最大第一主應(yīng)力小于材料抗拉強度，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

2.3 溫度場及熱變形分析

制動盤與摩擦片摩擦產(chǎn)生大量的熱，這些熱量一部分通過熱傳遞散發(fā)，一部分集聚在制動盤上使制動盤的溫度急劇上升，兩部分又相互影響，溫度越高，傳熱越快。對制動盤而言，當(dāng)輸入的熱量一定時，制動盤溫度升高到一定程度，散發(fā)的熱量與輸入的熱量相等時，此時產(chǎn)生熱平衡，溫度不再上升，此時的溫度為當(dāng)前工作狀態(tài)的最高溫度[3]。

制動盤在制動過程是一個復(fù)雜的熱場與結(jié)構(gòu)場耦合的過程，本文采用間接法計算盤的熱變形。即先進(jìn)行制動盤的熱分析，將制動盤溫度場結(jié)果作為載荷施加到制動盤的結(jié)構(gòu)場中進(jìn)行分析。

制動盤的溫度場是一個生熱與散熱共同作用的過程。制動盤與摩擦塊之間的摩擦生熱，這里采用能量折算法。

制動過程中，前制動器的制動生熱功率為：

Wf=Mf*W ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，Wf為制動生熱功率，Mf為制動力矩，W為車輪角速度。

制動過程中，制動盤發(fā)生對流換熱行為，其對流換熱系數(shù)為：

（2）

其中，h為制動盤表面的對流換熱系數(shù)，Re為制動盤表面的氣流的雷諾數(shù)，da為制動盤外徑，λa為制動盤的傳熱系數(shù)。

根據(jù)設(shè)定的工作工況，對制動盤進(jìn)行溫度場和熱變型分析，結(jié)果如圖4所示。

分析結(jié)果表明，摩擦面中心點最高溫度、翹曲量滿足設(shè)計要求。

3 ?結(jié)論

盤式制動器以其穩(wěn)定的制動效能以及結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，易實現(xiàn)制動間隙自動調(diào)整等優(yōu)點，在輕卡等車型上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。針對開發(fā)中的某新能源輕卡，設(shè)計了一款盤式制動器，具有駐車穩(wěn)定、可靠、壽命長等優(yōu)點。同時，針對關(guān)鍵部件制動盤，進(jìn)行了強度、溫度分布及熱變形的仿真分析，給出了分析過程及分析結(jié)果。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的前后制動盤強度滿足設(shè)計要求，溫度分布合理，熱變形滿足設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔慧萍，林瑋靜，杜換軍.重型車新型制動盤的應(yīng)用提升[J].重型汽車，2011（5）：14-16.

[2]朱晴，陳群，史亨波.汽車制動盤溫度場瞬態(tài)分析方法的研究[J].汽車技術(shù)，2016（6）：1-4，10.

[3]趙剛，王俊偉，周福庚.6x4牽引車制動盤溫度分析[J].汽車實用技術(shù)，2017（12）：91-92，102.

作者簡介：陳鋒（1978-），男，浙江紹興人，高級經(jīng)濟(jì)師，工商管理碩士，研究方向為汽車零部件研發(fā)。