基于ANSYS Workbench軟件的汽車盤式制動器輕量化設(shè)計(jì)及實(shí)踐

許銳，哈菲，史楠

1.西安華雷船舶實(shí)業(yè)有限公司 陜西西安 710000

2.西安汽車職業(yè)大學(xué) 陜西西安 710605

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車的安全性和性能表現(xiàn)要求越來越高。制動系統(tǒng)作為汽車安全性能的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到汽車的制動效果和行車安全。

鼓式制動器是汽車上常見的制動器類型，但由于其結(jié)構(gòu)的限制，存在一些問題，如制動效果穩(wěn)定性差、散熱能力不足及質(zhì)量大等。盤式制動器相比于鼓式制動器具有更好的制動性能、散熱能力和輕量化特性，因此在現(xiàn)代汽車上得到了廣泛應(yīng)用。

本文旨在將汽車鼓式制動器改為更輕量化的盤式制動器，以提升制動系統(tǒng)的性能和輕量化設(shè)計(jì)。首先對鼓式制動器的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，找出存在的問題和不足之處。然后，基于盤式制動器的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對鼓式制動器進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了制動力、散熱能力和輕量化等因素，并利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行了仿真分析。通過仿真分析，優(yōu)化了盤式制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在理論上證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。最后，通過實(shí)踐驗(yàn)證，對輕量化盤式制動器的性能進(jìn)行了實(shí)際測試，并與鼓式制動器進(jìn)行了對比評估。

ANSYS Workbench軟件的分析流程

ANSYS Workbench的分析流程包括以下幾個步驟：首先是初步確定，即根據(jù)需要確定所要進(jìn)行的分析類型和需要考慮的影響因素；其次進(jìn)行前處理，包括幾何建模、網(wǎng)格劃分和載荷條件的設(shè)置等；第三是求解，使用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果；最后是后處理，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化和分析，以獲取所需的工程信息，如圖1所示。

圖1 ANSYS Workbench軟件分析流程

原鼓式制動器存在的問題以及盤式制動器設(shè)計(jì)的原因

在汽車制動系統(tǒng)中，鼓式制動器和盤式制動器是兩種常見的制動器類型。鼓式制動器由一個大的圓筒形鼓和內(nèi)置的制動鼓組成，而盤式制動器由一個旋轉(zhuǎn)的制動盤和卡鉗組成。

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的汽車開始采用盤式制動器，原因在于鼓式制動器存在以下問題：

1）散熱性能不佳。鼓式制動器由于結(jié)構(gòu)的限制，散熱性能較差。制動時產(chǎn)生的熱量無法有效地散發(fā)，容易導(dǎo)致制動系統(tǒng)過熱，從而影響制動效果[1]。

2）制動效果不穩(wěn)定。鼓式制動器由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，制動鼓和制動蹄之間會出現(xiàn)一定的間隙，這種間隙會導(dǎo)致制動效果不穩(wěn)定。同時，鼓式制動器容易受到水、灰塵等外部因素的影響，從而降低制動效果。

3）質(zhì)量較大。鼓式制動器由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以相對來說質(zhì)量較大。在汽車輕量化的需求下，質(zhì)量較大的鼓式制動器不符合現(xiàn)代汽車輕量化的發(fā)展趨勢。

4）維修難度較大。鼓式制動器由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，維修和更換零部件的難度相對較大。需要拆裝鼓、更換制動蹄等操作，相對來說更為麻煩。

從以上問題可以看出，鼓式制動器在散熱性能、制動效果、質(zhì)量以及維修等方面都存在一定的不足。

盤式制動器則能夠較好地解決這些問題：

1）散熱性能優(yōu)異。盤式制動器的制動盤外露，可以通過風(fēng)力進(jìn)行散熱，制動盤和制動片之間無間隙，散熱效果更好。在高溫條件下，盤式制動器的制動效果更加穩(wěn)定可靠。

2）制動效果穩(wěn)定。盤式制動器結(jié)構(gòu)簡單，制動片和制動盤之間摩擦面積大，制動效果穩(wěn)定。同時，盤式制動器受水、灰塵等外部因素的影響較小，制動效果不容易受到干擾。

3）輕量化設(shè)計(jì)。盤式制動器相對于鼓式制動器在結(jié)構(gòu)上更簡化，減少了不必要的零部件，因此質(zhì)量更小。在汽車輕量化的發(fā)展需求下，盤式制動器更符合現(xiàn)代汽車的要求。

4）維修便捷。盤式制動器結(jié)構(gòu)簡單，維修和更換零部件相對較為簡單。只需拆卸卡鉗，更換制動盤或制動片即可。相對于鼓式制動器，維修難度較小。

盤式制動器設(shè)計(jì)的考慮因素

1.制動器盤片和剎車片的材料

盤片和剎車片的材料是盤式制動器設(shè)計(jì)中最重要的考慮因素之一。盤片和剎車片的材料應(yīng)具備高溫穩(wěn)定性、良好的耐磨性和優(yōu)秀的制動性能。目前常用的盤片材料有鑄鐵、鋼、復(fù)合材料和碳陶瓷等。

鑄鐵是傳統(tǒng)的盤片材料，具有較高的熱傳導(dǎo)性和良好的剎車性能。然而，鑄鐵盤片的密度較大，會增加車輛的整體質(zhì)量。因此，在輕量化設(shè)計(jì)中，可以選擇使用鋼制盤片。鋼制盤片具有較高的強(qiáng)度和剛性，并且可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)輕量化。

另外，復(fù)合材料和碳陶瓷盤片由于具有較低的密度和出色的高溫性能，被廣泛應(yīng)用于高性能汽車上。復(fù)合材料盤片由纖維增強(qiáng)材料和樹脂基體組成，具有較高的強(qiáng)度和剛度，同時具備良好的耐磨性和熱穩(wěn)定性。碳陶瓷盤片由碳纖維和陶瓷基體組成，具有出色的剎車性能、低疲勞性和抗腐蝕性。

在材料選擇時，需要考慮盤片和剎車片的制造成本、制造工藝和可靠性等因素，以滿足車輛性能要求和經(jīng)濟(jì)性[2]。

2.盤式制動器的尺寸設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盤式制動器的尺寸設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是決定其性能和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

1）尺寸設(shè)計(jì)方面，需要考慮盤片和剎車片的直徑、厚度和散熱表面積等參數(shù)。盤片的直徑和厚度會影響剎車的力矩和剎車效果，而散熱表面積則會影響制動器的散熱性能。通常情況下，較大直徑的盤片可以提供更大的制動力矩，但同時也會增加制動器的質(zhì)量。因此，在尺寸設(shè)計(jì)時需要在性能和質(zhì)量之間做出合理的平衡。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，需考慮盤片和剎車片的固定方式、散熱器的設(shè)計(jì)和盤片的形狀等因素。盤片和剎車片的固定方式可以采用螺栓、焊接或夾緊等方式，以確保其在制動過程中能夠保持穩(wěn)定。散熱器的設(shè)計(jì)可以采用內(nèi)部通風(fēng)片、外部散熱片和散熱孔等方式，以提高盤式制動器的散熱性能。此外，盤片的形狀也會對制動器的性能產(chǎn)生影響，如波紋盤片和鉆孔盤片等結(jié)構(gòu)形式都能提高盤片的剛度和散熱性能。

3.盤式制動器連接部件的設(shè)計(jì)

盤式制動器的連接部件主要包括剎車卡鉗、剎車盤和輪轂等。在設(shè)計(jì)選擇時，需要考慮連接部件的強(qiáng)度、剛度和質(zhì)量等因素。

剎車卡鉗是盤式制動器的關(guān)鍵組成部分，其主要作用是施加剎車力矩并使剎車片與盤片之間產(chǎn)生摩擦。剎車卡鉗的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮剎車片與盤片的間隙、剎車片的位置和剎車片與盤片的接觸情況等因素，以確保剎車力矩的傳遞效果和制動性能的穩(wěn)定性。

剎車盤是盤式制動器的核心部件之一，其連接部件的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盤片的散熱性能、軸向剛度和連接方式等因素。常見的剎車盤連接方式有螺栓聯(lián)接、焊接連接和夾緊連接等，選擇合適的連接方式可以提高盤片的剛度，同時也要考慮連接工藝的可行性和連接部件的質(zhì)量。

輪轂是盤式制動器的另一個重要部件，其設(shè)計(jì)應(yīng)考慮輪轂的強(qiáng)度、質(zhì)量大小和與剎車盤的連接方式。輪轂一般采用螺栓聯(lián)接方式，以確保剎車盤和輪胎能夠穩(wěn)定地連接在一起，同時也要考慮輪轂與剎車盤的接觸情況，以減小剎車時產(chǎn)生的磨損。

在連接部件的設(shè)計(jì)選擇中，需要綜合考慮盤式制動器的性能、質(zhì)量、制造成本和可靠性等因素，以滿足車輛的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。

汽車盤式制動器輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)例分析

1.鼓式改盤式制動器設(shè)計(jì)和仿真分析

（1）設(shè)計(jì) 首先需要對原有鼓式制動器進(jìn)行拆卸，并進(jìn)行必要的測量和檢查。確定盤式制動器的安裝位置和尺寸要求，并選擇合適的盤式制動器件和配件。

根據(jù)汽車的尺寸和制動性能要求，選擇適當(dāng)直徑和厚度的制動盤。制動盤的材料通常選擇高強(qiáng)度的碳素鋼或復(fù)合材料[3]。同時，選用適當(dāng)?shù)闹苿涌ㄣQ，確保夾緊制動盤時的力度和穩(wěn)定性。

（2）仿真分析 使用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行盤式制動器的仿真分析。先導(dǎo)入汽車的CAD模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保模型準(zhǔn)確且細(xì)致；然后設(shè)置制動器工作條件和邊界條件，模擬制動過程中的溫度、壓力和應(yīng)力等。

在仿真分析中，可以通過觀察制動盤的溫度分布和應(yīng)力分布情況，評估盤式制動器的散熱性能和強(qiáng)度。如果溫度過高或應(yīng)力過大，需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。此外，還可以通過模擬制動過程中的動力學(xué)響應(yīng)，評估制動系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

2.對盤式制動器進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了達(dá)到輕量化的要求，可以對盤式制動器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少質(zhì)量和提高性能。

（1）材料選擇 選用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，如復(fù)合材料或鋁合金，來替代傳統(tǒng)的碳素鋼材料。復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度和剛度，同時質(zhì)量輕，可以有效減少制動器的質(zhì)量。鋁合金具有較高的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能，也是一種常見的輕量化材料選擇。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化 通過CAD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少盤式制動器的尺寸和質(zhì)量。可以使用拓?fù)鋬?yōu)化等方法，選擇合適的支撐結(jié)構(gòu)和孔洞分布方式，實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以提高盤式制動器的強(qiáng)度和剛度，并減少材料的使用量。

（3）熱管理 盤式制動器在制動過程中會產(chǎn)生大量的熱量，需要通過散熱設(shè)計(jì)來消散這些熱量，并防止制動盤的過熱。可以在盤式制動器上增加散熱片或散熱孔，提高散熱效率。同時，可以使用熱傳導(dǎo)材料來提高制動盤和制動卡鉗之間的熱傳導(dǎo)性能，確保整個制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能[4]。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性，使用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行模擬性能測試，并將結(jié)果與原鼓式制動器進(jìn)行對比分析。

（1）溫度分析 通過在模擬中施加一定的負(fù)荷并測量制動器的溫度分布，可以評估盤式制動器的散熱性能。試驗(yàn)顯示，盤式制動器在制動時生成的熱量能夠更快地散發(fā)，溫度分布更為均勻，相比之下，原鼓式制動器的溫度分布不均勻，溫度較高[5]。這表明盤式制動器具有更好的散熱性能，可以更好地抵抗高溫造成的制動力下降。

（2）磨損分析 通過模擬制動盤和剎車片之間的接觸，可以評估剎車片的磨損情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，盤式制動器的剎車片磨損較小，這意味著它具有更長的使用壽命。相比之下，原鼓式制動器的剎車片磨損較大，這表明盤式制動器具有更好的耐磨性能。

（3）制動力分析 通過模擬施加不同大小的負(fù)荷，在不同速度下測量制動力，可以評估盤式制動器的制動力性能[6]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，盤式制動器的制動力更大且更均勻，與原鼓式制動器相比具有更好的制動性能。

通過與原鼓式制動器進(jìn)行對比分析，可以得出：在溫度分析、磨損分析和制動力分析方面，盤式制動器都具有優(yōu)于鼓式制動器的性能。這進(jìn)一步證明了盤式制動器在整體性能方面的卓越表現(xiàn)。

結(jié)語

通過本文的研究和實(shí)踐，將鼓式制動器改為輕量化的盤式制動器是一種可行且有效的設(shè)計(jì)方案。盤式制動器相對于鼓式制動器具有更好的制動性能、散熱能力和輕量化特性，可以滿足現(xiàn)代汽車對制動系統(tǒng)的高要求。通過ANSYS Workbench軟件的仿真分析，驗(yàn)證了盤式制動器的輕量化設(shè)計(jì)方案在理論上是可行的，并且在實(shí)踐中也得到了有效的驗(yàn)證和證明。

因此，本研究對于汽車制動系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的參考價值，同時也為制動器的改進(jìn)和性能提升提供了一種新的思路和方法。在未來的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化盤式制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升其性能和效果。