新能源轻卡盘式制动器设计及分析

摘要：盘式制动器在轻卡等车型上得到了越来越广泛的应用。针对开发中的某新能源轻卡，设计了一款盘式制动器，具有驻车稳定、可靠、寿命长等优点。同时，针对关键部件制动盘，进行了强度、温度分布及热变形的仿真分析。仿真结果表明，所设计的前后制动盘强度满足设计要求，温度分布合理，热变形满足设计要求。

关键词：新能源汽车;制动器;设计;制动盘;仿真分析

中图分类号：U463.51                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0001-02

0  引言

汽车用制动器分鼓式制动器和盘式制动器两大类。与鼓式制动器相比，盘式制动器工作表面为平面且两面传热，圆盘旋转容易冷却，不易发生较大变形，制动效能较为稳定，长时间使用后制动盘因高温膨胀使制动作用增强;而鼓式制动器单面傳热，内外两面温差较大，导致制动鼓容易变形，同时长时间制动后，制动鼓因高温而膨胀，制动效能减弱。另外，盘式制动器结构简单，维修方便，易实现制动间隙自动调整。

大量试验发现，盘式制动器与鼓式制动器相比，在重型卡车和挂车上盘式制动器的制动距离比鼓式制动器缩短30%左右[1]。盘式制动器不仅可以提高车辆的灵敏性和安全性，还可以有效避免车辆连续长下坡过程中的制动失灵隐患。近年来，盘式制动器以其良好的制动稳定性和良好的抗热衰退性，在轻卡等车型上得到了越来越广泛的应用。

在制动盘的研究方面，温度相关问题得到了较多研究[1-3]。文献1通过分析重型车制动盘热疲劳现象产生的主要原因，从材料和结构两方面对常态制动盘进行了改进，使制动盘的热疲劳性能大幅提升，满足了重型车的使用要求。文献2针对汽车制动盘在整车热容量工况下温度变化的问题，对4种不同结构制动盘的温度场进行计算对比分析，得出结构最优方案。文献3通过对制动盘建立散热模型，分析了制动盘的热平衡温度，并提出了降温措施。

本文针对某新能源轻卡，设计了制动盘，并开展了前后制动盘的强度、温度分布及热变形仿真分析。

1  盘式制动器设计

1.1 整车参数

某客户开发中的新能源轻卡参数如表1所示。

1.2 制动器设计

根据表1所示整车参数，结合其它要求，设计了一款盘式制动器，外形如图1所示。

该制动器包括制动钳、制动盘和摩擦块等主要零部件，各部分结构及功能如下：制动钳上设有活塞总成、驱动活塞总成动作推动摩擦块压紧制动盘的液压系统和传动总成，传动总成穿出制动钳连接有制动臂，活塞总成包括活塞和调整螺套，传动总成包括与调整螺套螺纹连接的调整螺杆，活塞上设有连接调整螺杆的活塞腔，活塞腔上设有对应调整螺套的台阶，通过限位挡圈将调整螺套限位在台阶中，调整螺套和限位挡圈之间设有可挤压变形的胀紧组件。

制动盘和摩擦块因磨损产生间隙后，通过液压系统加压，驱动活塞朝摩擦块动作，此时调整螺杆是固定的，调整螺套的横向移动受到牵制，调整螺套和限位挡圈挤压胀紧组件产生间隙后，调整螺套可沿调整螺杆传动，朝向摩擦块移动一定距离以补偿产生的间隙，保证驻车稳定、可靠，延长盘式制动器的使用寿命。

2  仿真分析

制动盘是制动器的核心部件之一，是盘式制动器摩擦副中的旋转元件，工作表面为其端面，摩擦元件从两侧加紧制动盘而产生制动力。

制动盘要求具有较好的散热能力和热稳定性。针对所设计的制动盘，设定分析工况，并开展强度分析、温度场及热变形分析。

2.1 分析工况

工况的设定对分析结果具有重要影响，根据整车的实际使用情况及数据经验积累，设定分析工况如下：车辆初始速度60km/h，以0.5g的减速度制动至停车，制动时间为3.4s，间隔时间30s，以33.4s为一个制动循环。总共进行10次制动循环，共计时间334s。

2.2 强度分析

汽车制动时，主要依靠制动盘与摩擦块之间的摩擦建立制动力，由于制动盘具有转动自由度，该制动力通过制动力矩的形式传递到轮胎。

分析可知，制动盘主要受到摩擦块的挤压力和摩擦力。因此制动盘的强度校核时，重点考虑制动盘与摩擦块之间相互作用关系。

采用hypermesh软件，进行制动盘和摩擦块的网格划分。考虑到制动盘的结构较为复杂，采用四面体网格进行重构。前处理模型如图2所示。将前处理网格导入非线性软件abaqus，设置制动盘的材料属性，输入其塑形数据，引入材料非线性的影响。对制动盘的安装孔耦合到轮心点，约束其六个方向的自由度。同时约束摩擦块的自由度，仅保留轴向自由度。

在摩擦块与制动盘的接触面上建立检出关系，接触类型为Hard Contact（硬接触）。给制动盘的耦合点施加一定量的角位移，进行分析计算。通过分析获得制动盘工作的应力分析云图，如图3所示。

分析结果表明，制动盘最大第一主应力小于材料抗拉强度，结构强度满足要求。

2.3 温度场及热变形分析

制动盘与摩擦片摩擦产生大量的热，这些热量一部分通过热传递散发，一部分集聚在制动盘上使制动盘的温度急剧上升，两部分又相互影响，温度越高，传热越快。对制动盘而言，当输入的热量一定时，制动盘温度升高到一定程度，散发的热量与输入的热量相等时，此时产生热平衡，温度不再上升，此时的温度为当前工作状态的最高温度[3]。

制动盘在制动过程是一个复杂的热场与结构场耦合的过程，本文采用间接法计算盘的热变形。即先进行制动盘的热分析，将制动盘温度场结果作为载荷施加到制动盘的结构场中进行分析。

制动盘的温度场是一个生热与散热共同作用的过程。制动盘与摩擦块之间的摩擦生热，这里采用能量折算法。

制动过程中，前制动器的制动生热功率为：

Wf=Mf*W                           （1）

其中，Wf为制动生热功率，Mf为制动力矩，W为车轮角速度。

制动过程中，制动盘发生对流换热行为，其对流换热系数为：

（2）

其中，h为制动盘表面的对流换热系数，Re为制动盘表面的气流的雷诺数，da为制动盘外径，λa为制动盘的传热系数。

根据设定的工作工况，对制动盘进行温度场和热变型分析，结果如图4所示。

分析结果表明，摩擦面中心点最高温度、翘曲量满足设计要求。

3  结论

盘式制动器以其稳定的制动效能以及结构简单，维修方便，易实现制动间隙自动调整等优点，在轻卡等车型上得到了越来越广泛的应用。针对开发中的某新能源轻卡，设计了一款盘式制动器，具有驻车稳定、可靠、寿命长等优点。同时，针对关键部件制动盘，进行了强度、温度分布及热变形的仿真分析，给出了分析过程及分析结果。仿真结果表明，所设计的前后制动盘强度满足设计要求，温度分布合理，热变形满足设计要求。

参考文献：

[1]崔慧萍，林玮静，杜换军.重型车新型制动盘的应用提升[J].重型汽车，2011（5）：14-16.

[2]朱晴，陈群，史亨波.汽车制动盘温度场瞬态分析方法的研究[J].汽车技术，2016（6）：1-4，10.

[3]赵刚，王俊伟，周福庚.6x4牵引车制动盘温度分析[J].汽车实用技术，2017（12）：91-92，102.

作者简介：陈锋（1978-），男，浙江绍兴人，高级经济师，工商管理硕士，研究方向为汽车零部件研发。