基于ANSYS Workbench软件的汽车盘式制动器轻量化设计及实践

许锐，哈菲，史楠

1.西安华雷船舶实业有限公司 陕西西安 710000

2.西安汽车职业大学 陕西西安 710605

随着汽车工业的发展，人们对汽车的安全性和性能表现要求越来越高。制动系统作为汽车安全性能的重要组成部分，其性能直接关系到汽车的制动效果和行车安全。

鼓式制动器是汽车上常见的制动器类型，但由于其结构的限制，存在一些问题，如制动效果稳定性差、散热能力不足及质量大等。盘式制动器相比于鼓式制动器具有更好的制动性能、散热能力和轻量化特性，因此在现代汽车上得到了广泛应用。

本文旨在将汽车鼓式制动器改为更轻量化的盘式制动器，以提升制动系统的性能和轻量化设计。首先对鼓式制动器的工作原理和结构进行了分析，找出存在的问题和不足之处。然后，基于盘式制动器的原理和结构特点，对鼓式制动器进行改进和优化设计。在设计过程中，充分考虑了制动力、散热能力和轻量化等因素，并利用ANSYS Workbench软件进行了仿真分析。通过仿真分析，优化了盘式制动器的结构参数，在理论上证明了设计方案的可行性。最后，通过实践验证，对轻量化盘式制动器的性能进行了实际测试，并与鼓式制动器进行了对比评估。

ANSYS Workbench软件的分析流程

ANSYS Workbench的分析流程包括以下几个步骤：首先是初步确定，即根据需要确定所要进行的分析类型和需要考虑的影响因素；其次进行前处理，包括几何建模、网格划分和载荷条件的设置等；第三是求解，使用适当的数值方法进行计算，得出结果；最后是后处理，对计算结果进行可视化和分析，以获取所需的工程信息，如图1所示。

图1 ANSYS Workbench软件分析流程

原鼓式制动器存在的问题以及盘式制动器设计的原因

在汽车制动系统中，鼓式制动器和盘式制动器是两种常见的制动器类型。鼓式制动器由一个大的圆筒形鼓和内置的制动鼓组成，而盘式制动器由一个旋转的制动盘和卡钳组成。

随着汽车技术的不断发展，越来越多的汽车开始采用盘式制动器，原因在于鼓式制动器存在以下问题：

1）散热性能不佳。鼓式制动器由于结构的限制，散热性能较差。制动时产生的热量无法有效地散发，容易导致制动系统过热，从而影响制动效果[1]。

2）制动效果不稳定。鼓式制动器由于结构的特点，制动鼓和制动蹄之间会出现一定的间隙，这种间隙会导致制动效果不稳定。同时，鼓式制动器容易受到水、灰尘等外部因素的影响，从而降低制动效果。

3）质量较大。鼓式制动器由于内部结构较为复杂，所以相对来说质量较大。在汽车轻量化的需求下，质量较大的鼓式制动器不符合现代汽车轻量化的发展趋势。

4）维修难度较大。鼓式制动器由于结构的复杂性，维修和更换零部件的难度相对较大。需要拆装鼓、更换制动蹄等操作，相对来说更为麻烦。

从以上问题可以看出，鼓式制动器在散热性能、制动效果、质量以及维修等方面都存在一定的不足。

盘式制动器则能够较好地解决这些问题：

1）散热性能优异。盘式制动器的制动盘外露，可以通过风力进行散热，制动盘和制动片之间无间隙，散热效果更好。在高温条件下，盘式制动器的制动效果更加稳定可靠。

2）制动效果稳定。盘式制动器结构简单，制动片和制动盘之间摩擦面积大，制动效果稳定。同时，盘式制动器受水、灰尘等外部因素的影响较小，制动效果不容易受到干扰。

3）轻量化设计。盘式制动器相对于鼓式制动器在结构上更简化，减少了不必要的零部件，因此质量更小。在汽车轻量化的发展需求下，盘式制动器更符合现代汽车的要求。

4）维修便捷。盘式制动器结构简单，维修和更换零部件相对较为简单。只需拆卸卡钳，更换制动盘或制动片即可。相对于鼓式制动器，维修难度较小。

盘式制动器设计的考虑因素

1.制动器盘片和刹车片的材料

盘片和刹车片的材料是盘式制动器设计中最重要的考虑因素之一。盘片和刹车片的材料应具备高温稳定性、良好的耐磨性和优秀的制动性能。目前常用的盘片材料有铸铁、钢、复合材料和碳陶瓷等。

铸铁是传统的盘片材料，具有较高的热传导性和良好的刹车性能。然而，铸铁盘片的密度较大，会增加车辆的整体质量。因此，在轻量化设计中，可以选择使用钢制盘片。钢制盘片具有较高的强度和刚性，并且可以通过合理的结构设计来实现轻量化。

另外，复合材料和碳陶瓷盘片由于具有较低的密度和出色的高温性能，被广泛应用于高性能汽车上。复合材料盘片由纤维增强材料和树脂基体组成，具有较高的强度和刚度，同时具备良好的耐磨性和热稳定性。碳陶瓷盘片由碳纤维和陶瓷基体组成，具有出色的刹车性能、低疲劳性和抗腐蚀性。

在材料选择时，需要考虑盘片和刹车片的制造成本、制造工艺和可靠性等因素，以满足车辆性能要求和经济性[2]。

2.盘式制动器的尺寸设计和结构设计

盘式制动器的尺寸设计和结构设计是决定其性能和质量的关键因素之一。

1）尺寸设计方面，需要考虑盘片和刹车片的直径、厚度和散热表面积等参数。盘片的直径和厚度会影响刹车的力矩和刹车效果，而散热表面积则会影响制动器的散热性能。通常情况下，较大直径的盘片可以提供更大的制动力矩，但同时也会增加制动器的质量。因此，在尺寸设计时需要在性能和质量之间做出合理的平衡。

2）结构设计方面，需考虑盘片和刹车片的固定方式、散热器的设计和盘片的形状等因素。盘片和刹车片的固定方式可以采用螺栓、焊接或夹紧等方式，以确保其在制动过程中能够保持稳定。散热器的设计可以采用内部通风片、外部散热片和散热孔等方式，以提高盘式制动器的散热性能。此外，盘片的形状也会对制动器的性能产生影响，如波纹盘片和钻孔盘片等结构形式都能提高盘片的刚度和散热性能。

3.盘式制动器连接部件的设计

盘式制动器的连接部件主要包括刹车卡钳、刹车盘和轮毂等。在设计选择时，需要考虑连接部件的强度、刚度和质量等因素。

刹车卡钳是盘式制动器的关键组成部分，其主要作用是施加刹车力矩并使刹车片与盘片之间产生摩擦。刹车卡钳的设计应考虑刹车片与盘片的间隙、刹车片的位置和刹车片与盘片的接触情况等因素，以确保刹车力矩的传递效果和制动性能的稳定性。

刹车盘是盘式制动器的核心部件之一，其连接部件的设计应考虑盘片的散热性能、轴向刚度和连接方式等因素。常见的刹车盘连接方式有螺栓联接、焊接连接和夹紧连接等，选择合适的连接方式可以提高盘片的刚度，同时也要考虑连接工艺的可行性和连接部件的质量。

轮毂是盘式制动器的另一个重要部件，其设计应考虑轮毂的强度、质量大小和与刹车盘的连接方式。轮毂一般采用螺栓联接方式，以确保刹车盘和轮胎能够稳定地连接在一起，同时也要考虑轮毂与刹车盘的接触情况，以减小刹车时产生的磨损。

在连接部件的设计选择中，需要综合考虑盘式制动器的性能、质量、制造成本和可靠性等因素，以满足车辆的安全性和经济性要求。

汽车盘式制动器轻量化设计的实例分析

1.鼓式改盘式制动器设计和仿真分析

（1）设计 首先需要对原有鼓式制动器进行拆卸，并进行必要的测量和检查。确定盘式制动器的安装位置和尺寸要求，并选择合适的盘式制动器件和配件。

根据汽车的尺寸和制动性能要求，选择适当直径和厚度的制动盘。制动盘的材料通常选择高强度的碳素钢或复合材料[3]。同时，选用适当的制动卡钳，确保夹紧制动盘时的力度和稳定性。

（2）仿真分析 使用ANSYS Workbench软件进行盘式制动器的仿真分析。先导入汽车的CAD模型，并进行网格划分，确保模型准确且细致；然后设置制动器工作条件和边界条件，模拟制动过程中的温度、压力和应力等。

在仿真分析中，可以通过观察制动盘的温度分布和应力分布情况，评估盘式制动器的散热性能和强度。如果温度过高或应力过大，需要进行优化调整。此外，还可以通过模拟制动过程中的动力学响应，评估制动系统的性能和稳定性。

2.对盘式制动器进行轻量化结构优化设计

为了达到轻量化的要求，可以对盘式制动器的结构进行优化设计，减少质量和提高性能。

（1）材料选择 选用轻质高强度材料，如复合材料或铝合金，来替代传统的碳素钢材料。复合材料具有良好的强度和刚度，同时质量轻，可以有效减少制动器的质量。铝合金具有较高的强度和导热性能，也是一种常见的轻量化材料选择。

（2）结构优化 通过CAD软件进行结构优化设计，减少盘式制动器的尺寸和质量。可以使用拓扑优化等方法，选择合适的支撑结构和孔洞分布方式，实现轻量化的目标。通过结构优化，可以提高盘式制动器的强度和刚度，并减少材料的使用量。

（3）热管理 盘式制动器在制动过程中会产生大量的热量，需要通过散热设计来消散这些热量，并防止制动盘的过热。可以在盘式制动器上增加散热片或散热孔，提高散热效率。同时，可以使用热传导材料来提高制动盘和制动卡钳之间的热传导性能，确保整个制动系统的稳定性和性能[4]。

实验验证与分析

为了验证设计结果的有效性，使用ANSYS Workbench软件进行模拟性能测试，并将结果与原鼓式制动器进行对比分析。

（1）温度分析 通过在模拟中施加一定的负荷并测量制动器的温度分布，可以评估盘式制动器的散热性能。试验显示，盘式制动器在制动时生成的热量能够更快地散发，温度分布更为均匀，相比之下，原鼓式制动器的温度分布不均匀，温度较高[5]。这表明盘式制动器具有更好的散热性能，可以更好地抵抗高温造成的制动力下降。

（2）磨损分析 通过模拟制动盘和刹车片之间的接触，可以评估刹车片的磨损情况。试验结果显示，盘式制动器的刹车片磨损较小，这意味着它具有更长的使用寿命。相比之下，原鼓式制动器的刹车片磨损较大，这表明盘式制动器具有更好的耐磨性能。

（3）制动力分析 通过模拟施加不同大小的负荷，在不同速度下测量制动力，可以评估盘式制动器的制动力性能[6]。试验结果显示，盘式制动器的制动力更大且更均匀，与原鼓式制动器相比具有更好的制动性能。

通过与原鼓式制动器进行对比分析，可以得出：在温度分析、磨损分析和制动力分析方面，盘式制动器都具有优于鼓式制动器的性能。这进一步证明了盘式制动器在整体性能方面的卓越表现。

结语

通过本文的研究和实践，将鼓式制动器改为轻量化的盘式制动器是一种可行且有效的设计方案。盘式制动器相对于鼓式制动器具有更好的制动性能、散热能力和轻量化特性，可以满足现代汽车对制动系统的高要求。通过ANSYS Workbench软件的仿真分析，验证了盘式制动器的轻量化设计方案在理论上是可行的，并且在实践中也得到了有效的验证和证明。

因此，本研究对于汽车制动系统的轻量化设计和优化具有一定的参考价值，同时也为制动器的改进和性能提升提供了一种新的思路和方法。在未来的研究中，可以进一步优化盘式制动器的结构参数，提升其性能和效果。