基于UG的電動汽車盤式制動器結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化研究

陳正科

摘要： 伴隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，新能源汽車在越來越深受廣大消費(fèi)者的青睞，純電動汽車在各方面技術(shù)上也日益更新。本文以某純電動汽車的制動器為研究對象，在保證制動器設(shè)計(jì)原有的基礎(chǔ)上，根據(jù)純電動汽車的設(shè)計(jì)特點(diǎn)對于制動器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，這里面包含了制動器的一系列參數(shù)的調(diào)整，并且使用軟件技術(shù)來對其包含的零部件進(jìn)行調(diào)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.

關(guān)鍵詞： 電動汽車;制動器;優(yōu)化設(shè)計(jì)

Key words： electric vehicle;brake;optimized design

中圖分類號：U471.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0014-03

0? 引言

時(shí)代的逐漸進(jìn)步，人們向往更好的生活，在挑選汽車上非常看重汽車的性能指標(biāo)。為此，新能源汽車成為當(dāng)今發(fā)展的熱門，尤其純電動汽車的發(fā)展非常迅速，例如國內(nèi)電動汽車中蔚來汽車、小鵬汽車、比亞迪新能源汽車等等，在外觀這一方面，給人們一個(gè)不一樣的體驗(yàn)，技術(shù)方面，也越來越成熟、越來越人性化。

1? 制動器類型選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 制動器類型選擇

本次主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)滿足某純電動汽車所需要求的制動器。下面是某純電動汽車的一些參數(shù)數(shù)據(jù)。該車的性能參數(shù)以及指標(biāo)如表1所示。

在選擇制動器的時(shí)候，需要根據(jù)某純電動汽車的實(shí)際情況，所選的制動器需要在滿足能及時(shí)、高效、且準(zhǔn)確的傳遞制動力的同時(shí)，還要盡量減小其體積以及質(zhì)量。對比鼓式的制動器結(jié)構(gòu)來制動的性能和散熱的效果都沒那么如意，而這一款新能源的純電動汽車為一款新型的SUV，倘若使用鼓式制動器，那么效果并不理想。這樣這一款新能源電動汽車采用的制動系統(tǒng)便為盤式制動系統(tǒng)。所以這一款新能源的純電動汽車前面的車輪一般采用的是通風(fēng)盤式的制動器結(jié)構(gòu)，而車輛后面的車輪多采用的是盤式的制動器結(jié)構(gòu)，以及采用電動助力制動的形式，需要使用到液壓系統(tǒng)等，所以制動系統(tǒng)的體積較大。

在把多個(gè)不同的制動器進(jìn)行比較以后，比較中意的制動器類型是電子機(jī)械式的制動器結(jié)構(gòu)，而這個(gè)制動器的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是鉗盤式的制動器結(jié)構(gòu)，相比較這款新能源的純電動汽車原配制動器來說，便可以大大節(jié)省汽車制動系統(tǒng)所占的車輛布置空間了，對于新能源的電動汽車的底盤結(jié)構(gòu)布置來說是有利的。不過需要注意以下幾個(gè)比較重要的問題：結(jié)構(gòu)和尺寸問題，需要注意制動器的結(jié)構(gòu)大小是否合理，因?yàn)樽罱K制動器需要安裝在輪轂中，所以需要考慮制動器的整體尺寸。

1.2 最大制動力與制動力分配系數(shù)計(jì)算

比對這一款新能源的純電動汽車參數(shù)指標(biāo)，可以進(jìn)行一系列的計(jì)算規(guī)劃。相比較新能源的電動汽車制動，我們要正確的了解到該車輛的制動力最大有多大以及該車輛的制動力分配是怎么樣分配的。汽車的最高制動力指的就是該汽車把制動踏板完全踩下去所產(chǎn)生的制動能力，要想體現(xiàn)該汽車好的制動效能，就要對該汽車的制動力進(jìn)行合理的分配。

該汽車在道路上正常行駛時(shí)對其進(jìn)行受力分析，然后對汽車的前輪以及后輪接觸地面的力矩進(jìn)行分析，可以得到下面幾個(gè)公式

該汽車在裝滿東西時(shí)在道路上正常行駛，進(jìn)行制動剎車，使汽車的前輪和后輪都進(jìn)行一個(gè)抱死狀態(tài)，此時(shí)地面對前車輪以及后車輪的產(chǎn)生的反作用力便為

其中，G代表是汽車所承受的重力大小，L代表的汽車各個(gè)軸之間的距離，a、b代表的是汽車在質(zhì)心分離前后軸之間的距離，hg代表的是汽車的質(zhì)心高度，φ表示的車輛的附著系數(shù)。

汽車的制動力的分配能力用前輪的制動器的制動能力比上汽車總的制動能力，上面式子中的制動能力的分配系數(shù)β算出來為0.72。

1.3 同步附著系數(shù)計(jì)算

從上述材料當(dāng)中的公式可以清楚的計(jì)算出汽車前輪以及后輪制動器所產(chǎn)生的制動力如I曲線所表示的一樣。如果是用作圖法得到I曲線，就需要代入不同的φ值，某一φ值會對應(yīng)兩條直線，而把這一些φ值之間交的那一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行互相連接，那么就會出現(xiàn)I曲線這樣的曲線圖。而把前輪以及后輪制動器產(chǎn)生的制動力之間整合成為一個(gè)式子，這樣就會得到一條會過原點(diǎn)的一條直線，這一條直線產(chǎn)生的斜率便為（1-β）/β。而這個(gè)線代表的便是制動力之間力的分配，我們稱之為β線。這一條直線和I曲線之間相結(jié)合那個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的附著系數(shù)我們把它叫做同步附著系數(shù)。

同步附著系數(shù)有好多方法可以求得，如下面的公式便可以求出來，對下面的公式進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算推導(dǎo)得到下面的式子：

推導(dǎo)之后的公式為：

公式里面b代表的是汽車質(zhì)心的距離與后軸之間的中心線的距離，而β則代表是汽車前輪以及后輪真正的動力分配參數(shù)。

把知道的數(shù)據(jù)放進(jìn)上面的公式里便可以知道同步附著系數(shù)φ0為計(jì)算結(jié)果的0.59。

1.4 前后制動器最大制動力矩計(jì)算

倘若要對制動器完善的設(shè)計(jì)，那么便需要計(jì)算出一個(gè)的前后制動器在制動過程當(dāng)中產(chǎn)生的最大制動的力矩。

公式如下：

上面公式里的Mμ1 Mμ2代表的分別是前輪制動器以及后輪制動器所產(chǎn)生的制動力矩，計(jì)算前輪所能產(chǎn)生最大制動力矩便可以通過下列公式得到

代入數(shù)據(jù)計(jì)算，得前輪Mμ1=11780.53N·m。

代入公式得Mμ2=16361.85N·m。

在我們的理想狀況下，計(jì)算出來的汽車最大制動力矩有兩個(gè)比較可靠的數(shù)據(jù)，它們分別為11780.53N·m以及16361.85N·m這兩個(gè)。

2? 制動器的優(yōu)化

2.1 制動塊優(yōu)化

在制動過程當(dāng)中制動塊起著重要作用，對制動有著絕對意義。就拿制動系統(tǒng)的制動塊來說，如果對其進(jìn)行優(yōu)化，主要就是對于制動塊的材料以及相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。某純電動汽車的制動塊材料主要使用的是灰鑄鐵，本次設(shè)計(jì)中制動塊使用的材料是Q345，密度是1550kg/m3，材料的泊松比是0.25，彈性模量是3.7E8Pa，相對于灰鑄鐵，部分性能更適合于制動塊。把設(shè)計(jì)的制動塊的模型放進(jìn)ANSYS系統(tǒng)中，對其進(jìn)行網(wǎng)格的規(guī)劃，通過對其的分析發(fā)現(xiàn)，制動塊所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)為15196個(gè)，而所包含的單元數(shù)為76916個(gè)，設(shè)計(jì)的制動塊模型展示如圖1所示。

接下來需要對制動塊模型進(jìn)行相關(guān)分析，制動塊與制動鉗之間沒有相對滑動，只有正壓力，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。使用遠(yuǎn)端位移約束。把汽車工作的正壓力加與制動塊之上，當(dāng)采用垂直與制動塊工作面的正壓力是，制動塊的連接點(diǎn)承受了制動塊所受的力，而所受的最大的力為37.282MPa，比材料的承受能力230MPa還要小很多很多。所以不會出現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)破壞的問題。對制動塊的工作面施加正壓力時(shí)，制動塊的總形變量最大為0.38354mm。

2.2 制動盤優(yōu)化

通過查閱相關(guān)資料進(jìn)行總結(jié)得，制動盤的相關(guān)優(yōu)化，主要集中于相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，與材料方向的優(yōu)化。該款新能源純電動汽車車輛的前輪制動一般選用的是通盤式的制動器結(jié)構(gòu)，為了讓制動效能更加優(yōu)秀，提高在運(yùn)動時(shí)消除熱量的能力，本文采用在其制動盤的盤面上進(jìn)行打孔的方式來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，部分研究者是對于通風(fēng)盤的通風(fēng)板筋進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，把通風(fēng)的線性由直線慢慢變?yōu)榍€，從而讓制動盤的散熱性能得到一個(gè)很好的完善。與傳統(tǒng)的制動結(jié)構(gòu)相比，在制動盤盤面上進(jìn)行打孔可以使得加工更容易、還有降低其帶來的誤差。在對制動盤的盤孔的進(jìn)行鉆打時(shí)，應(yīng)該注意通風(fēng)板筋，不需要打孔處理。

以制動盤的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的探討，從而對制動盤的參數(shù)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行較好的改善，同時(shí)調(diào)整制動盤所能承受的最大溫度范圍。參量為制動盤盤面的打孔直徑的大小，限定其變化范圍在3～5mm。同時(shí)因?yàn)楸容^單調(diào)，工作時(shí)工作面也不是立體的，從優(yōu)化完善的角度進(jìn)行分析和探討，可以得到一個(gè)最適合的參量4mm。因?yàn)閮?yōu)化制動盤相關(guān)結(jié)構(gòu)后，必然會對制動盤的制動產(chǎn)生影響，所以需要對優(yōu)化后的制動盤進(jìn)行仿真，把經(jīng)過完善以后制動盤可以承受的溫度進(jìn)行一系列的相關(guān)分析和探討，便繪制出了下面這個(gè)分布圖。而進(jìn)行一定結(jié)構(gòu)完善的制動盤模型呈現(xiàn)如圖2所示。

由于制動盤優(yōu)化后其表面擁有大量的孔，所以在孔的周圍采用較密集的網(wǎng)格劃分。進(jìn)行改良以后的網(wǎng)格劃分含單元82495個(gè)，其中包含節(jié)點(diǎn)142841個(gè)。針對優(yōu)化后的模型進(jìn)行制動仿真，得到制動時(shí)不同制動時(shí)刻制動盤截面溫度，對制動盤的溫度散布可以了解到，當(dāng)汽車制動時(shí)間的變長，經(jīng)過改良以后的制動盤在制動時(shí)產(chǎn)生的熱量會慢慢的跑到制動盤的里面。

3? 結(jié)束語

本文主要對純電動汽車電子機(jī)械式制動器的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行介紹，通過參考大量文獻(xiàn)，對現(xiàn)有的純電動汽車各類制動器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，還對電子機(jī)械式的制動器進(jìn)行了一定量的研究，同時(shí)參考了現(xiàn)在存在的純電動汽車的EMB，把純電動汽車的制動器以及制動能力進(jìn)行了一定的改良。

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