基于Abaqus的商用车气压盘式制动器钳体的轻量化研究

张中国 肖光春 郭 宁 石 彬 杨芝金

（1.山东越成制动系统股份有限公司，枣庄 277400；2.齐鲁工业大学 机械工程学院，济南 250353）

目前，全球汽车已超过10亿辆，导致汽车成为能源消耗和污染排放的主要来源。汽车轻量化技术是节能减排的最有效措施之一[1]。采用轻质金属材料如铝合金进行车辆组装，是当前汽车轻量化的重要途径[2]。通过铸造、锻造和冲压工艺可以将铝合金制造成各种汽车零部件[3]。铸造铝合金是目前汽车金属材料中密度较低的轻金属材料，是汽车轻量化、提高能源效率和环境保护的首选[4-5]。汽车制动器是汽车制动系统的重要组成部分，对汽车的安全行驶起着重要作用。它的性能直接影响汽车的整体安全性能。汽车气压制动器主要分为盘式制动器和鼓式制动器。由于散热好、响应灵敏以及制动力线性等优点，盘式制动器逐渐受到国内外汽车制造商的青睐，并广泛应用于汽车制动系统[6]。可见，汽车盘式制动器的轻量化设计意义重大。

目前，盘式制动器的研究主要涉及制动器的设计、加工以及制动性能的分析与提高等方面[7]。在有限元仿真方面，HOHMANN等建立了盘式制动器的有限元模型，研究了制动过程中接触压力的分布情况[8]。LIU等利用Abaqus软件通过复特征值法研究了盘式制动器制动过程中的尖叫现象[9]。BELHOCINE等利用ANSYS软件对不同型号和不同材料的制动盘在制动过程中的热现象进行了仿真分析[10]。在制动过程中，制动器的钳体是主要的承力机构之一[11-13]。因此，有限元分析制动器的钳体，掌握其制动工况下应力和温度的分布规律，判断刚度和强度等力学性能是否满足使用要求，对于提高制动器安全性十分必要[14]。

本文以商用车中盘式制动器钳体为研究对象，建立灰铸铁和铸造铝合金盘式制动器钳体的有限元模型，基于Abaqus软件进行制动工况下灰铸铁和铸造铝合金嵌体的应力和温度场有限元分析，并基于塑性加工技术对其进行尺寸优化设计，实现汽车盘式制动器轻量化的目的。

1 常温拉伸实验及分析

制动钳由灰铸铁或轻合金制造，有较高的强度和刚度，且形状不一。例如，用铝合金压铸成型，可做成整体状或由螺栓连接的两半状，外缘留有凹凸槽，方便查看或更换制动块。制动钳可安置在车轴的前桥或后桥。位于车轴前桥时，它可有效防止轮胎旋转甩出的泥、水进入制动钳，避免因制动钳卡滞而影响制动效果。位于车轴后桥时，它可减小制动时轮毂轴承的合成载荷[15-16]。

为了比较不同材料嵌体的力学性能，对灰铸铁和铸造铝合金的棒材进行常温拉伸试验。棒材的基本尺寸如图1（a）所示，单轴拉伸试验通过如图1（b）所示的万能拉伸试验机进行，拉伸速率为2 mm·min-1，拉伸载荷为10 kN。在拉伸过程中，采用激光引伸计实时捕捉试样的位移变化。拉断后的试样对比，如图1（c）所示。

通过常温拉伸试验得出的灰铸铁和铸造铝合金的工程应力-应变曲线如图2所示。分析可知，灰铸铁和铸造铝合金的屈服强度分别为434 MPa和376 MPa，抗拉强度分别为787 MPa和447 MPa。可以看出，两种材料的屈服强度比较接近，故在实际工作中抵抗塑性变形的能力也相近，因而可以考虑在实际应用中铸造铝合金替代灰铸铁来制造汽车的钳体。

2 制动器钳体的有限元建模

2.1 划分网格

在汽车制动过程中，钳体是主要的受力机构，对其进行应力、应变分析具有十分重要的意义。由于钳体的结构复杂、圆角多，为缩短软件计算时间，在UG4.0软件中将三维模型中不必要的小孔和圆角删除后，将简化后的模型保存为.stp格式文件[17]，如图3所示。通过软件集成技术导入Hypermesh中划分网格并建立有限元模型。

为了能准确反映各零件的应力、应变及位移规律，采用10节点四面体单元作为划分网格类型。它的有限元网格模型，如图4所示。完成网格粗划分后，在钳体边缘处细化和改善网格。

2.2 材料参数

分析灰铸铁和铸造铝合金两种材料的强度、刚度，对比钳体差异，研究不同材料用于实现钳体轻量化的可行性。两种材料的基本参数对照如表1所示。

表1 灰铸铁和铸造铝合金的材料参数

通过表1中材料的属性对比可以明显看出，相较于灰铸铁，铸造铝合金的热传导系数更低，说明其耐高温性能更优越，在较高的热摩擦环境下可以延长使用寿命。同时，铸造铝合金的密度更低，更符合汽车轻量化的要求。

2.3 约束和加载

当盘式制动器制动时，钳体内部液压缸中的液体压力推动活塞运动，使与活塞连接的制动块与制动盘接触。它的反作用力推动钳体运动并将压力传递到另一侧的制动块，使其与制动盘接触，实现对汽车的制动。

在有限元模型中确定制动盘圆心的位置，在此处建立参考点RP-1，并将钳体耦合于该参考点。通过参考点RP-1，使钳体沿其轴线方向转动。整个过程中，通过边界条件保证钳体只能转动，其他方向不产生移动。具体约束条件如图5所示。

通过对制动器施加一个力矩，使其能够达到接近工作时的运动过程。力矩M通过式（1）确定：

式中：K为制动器效能因数；P为制动器输入力，取两个制动器张开力的平均值；R为制动器的作用半径。

制动器的输入力P通过式（2）确定：

式中：F为气室推杆推力，由配置的气室确定；i为凸轮传动比，i=L/e（L为调整臂臂长，e为凸轮力臂，即凸轮基圆半径）。

由于在钳体工作的过程中涉及摩擦会产生摩擦热，故而将热能的变化也考虑在内。通过边界和载荷条件对其热量的传递过程进行设置，如图6所示。

3 应力场和温度场的有限元分析

3.1 应力场分析

基于Abaqus软件对经过前处理的有限元模型进行仿真计算和模型后处理，得到灰铸铁和铝合金钳体的应力云图，分别如图7（a）和图7（b）所示。其中，颜色越深的部分，说明在整个运动过程中所受的应力越大，越易产生损坏。

由图7（a）可知：制动器钳体在工作过程中应力集中的部分主要在壳体的边缘部位；而与图7（a）相比，铝合金材质钳体的应力集中数值明显减小，且应力集中区域的面积也相对减少，说明铸造铝合金材质的钳体在同等工作环境下的塑性要优于灰铸铁材质的钳体。同时，图7中铸造铝合金材质的钳体的最大应力值为276.1 MPa，小于该材料的屈服极限376.0 MPa，满足强度要求。

3.2 温度场分析

在实际工作过程中，钳体不可避免地与制动器接触产生摩擦，达到制动的目的。运动过程中，钳体与制动器之间由于摩擦产生的热量不可忽视。模拟两种不同材质钳体在运动过程中产生的温度场云图，分布如图8所示。

可以看出，热量较高的部位主要集中在钳体与制动盘接触的部位，进而由此处将热量传递到其他部位。与灰铸铁材质的钳体相比，铝合金材质钳体在与制动器接触部位达到的最高温度明显降低，且高温集中范围相对较小，这是由于铝合金的耐高温特性所致。

4 基于单向压缩的零件尺寸优化

铝合金钳体通过铸造生成，难免会在零件的内部夹杂气孔，导致零件内部致密性不足。因此，需要在后续过程中通过单向压缩手段去除其内部缺陷，优化铸造铝合金钳体的坯料尺寸。具体操作为，在铸造钳体的一侧预留0.2 mm的加工余量，并通过压板对该侧施加一定的载荷，将该部位的材料沿一定方向压缩0.2 mm，以增加零件内部结构的致密性。基于单向压缩模拟的有限元建模，如图9所示。

对单向压缩过程进行应力场有限元模拟，得出的应力分布情况如图10所示。

可以看出，虽然单向压缩过程中局部区域产生了应力集中，但是数值相对较小，可以在后续过程中对零件进行去应力退火将其消除。

5 结论

以商用车中常见的盘式制动器钳体为研究对象，基于Abaqus软件进行应力和温度场的有限元分析及轻量化研究，主要结论如下。

（1）对灰铸铁和铸造铝合金两种不同材质的棒材进行常温拉伸试验。试验表明，灰铸铁和铸造铝合金的屈服强度比较接近，抵抗塑性变形的能力相近，铸造铝合金可替代灰铸铁来制造汽车的钳体。

（2）铸造铝合金钳体在相同制动工况下产生的应力分布更均匀，应力集中部分较少；铸造铝合金钳体的温度分布相较于灰铸铁的范围要小。

（3）铸造铝合金在铸造过程中产生的内部缺陷，可采取单向压缩的工艺去除；而单向压缩产生的应力集中相对较小，可以在后续过程中对零件进行去应力退火将其消除。