李國鵬 李興 郝君起 張丹

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

汽車通風(fēng)盤式制動器在制動過程中因摩擦生熱使制動盤溫度升高，制動盤通過通風(fēng)槽散熱，制動盤的散熱性是制動盤最重要的性能，它直接影響制動盤DTV及制動過程中熱變形及熱應(yīng)力等情況[1]。試驗設(shè)計方法（DOE）是優(yōu)化多因子相關(guān)的復(fù)雜設(shè)計的科學(xué)方法。文章采用田口DOE 法，在理論認(rèn)識和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用規(guī)格化的正交表，科學(xué)地挑選試驗條件，合理地安排試驗，從很多試驗調(diào)階中選出代表性強(qiáng)的少數(shù)次條件以及對次試驗條件的分析，最終找出最后或較優(yōu)的試驗方案[2]。

1 制動盤熱機(jī)耦合模型的建立

將通風(fēng)盤式制動器簡化為只含制動盤和摩擦片2 個關(guān)鍵部件的仿真模型，為提高單元質(zhì)量和求解速度，對模型進(jìn)行必要幾何處理，去除制動盤微小倒角倒圓。設(shè)置單元類型為溫度-位移耦合單元，尺寸為4 mm；網(wǎng)格質(zhì)量控制在：翹曲值＜5，雅克比＞0.6 等。制動盤和摩擦片有限元網(wǎng)格模型，如圖1 所示，由17 887 個C3D8T 單元和2 002 個C3D6T 單元組成。

2 制動盤熱機(jī)耦合仿真分析

制動盤熱機(jī)耦合仿真以整車從70 km/h 應(yīng)急制動至停車過程中前制動盤的溫度變化過程，車輪半徑0.32 m，制動管路壓強(qiáng)10 MPa，摩擦片壓強(qiáng)4.9 MPa 為依據(jù)進(jìn)行。在Abaqus 軟件中，約束摩擦片X，Z 方向的位移自由度，允許其沿著Y 軸方向自由移動；約束制動盤旋轉(zhuǎn)中心繞Y 軸旋轉(zhuǎn)以外的所有自由度；在制動盤旋轉(zhuǎn)中心施加初始角速度60 rad/s，旋轉(zhuǎn)中心參考點與制動盤的螺栓孔之間建立剛性連接；摩擦片遠(yuǎn)離制動盤的表面外側(cè)施加均勻分布的4.9 MPa 制動壓力。整個模型系統(tǒng)初始溫度與環(huán)境溫度相同，設(shè)為20 ℃。對整個系統(tǒng)加入隨時間變化的散熱系數(shù)，表現(xiàn)制動盤散熱隨轉(zhuǎn)速的降低而減慢的作用[3]。

3 試驗方法在制動盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的應(yīng)用

制動盤散熱性主要與制動盤盤厚及制動盤通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)有關(guān)，現(xiàn)以制動盤的這2 個主要因素設(shè)定制動盤DOE 因子。

3.1 因子水平選取

文章選取加強(qiáng)筋數(shù)量、加強(qiáng)筋寬度及制動盤單側(cè)厚度3 個因子，每個因子選取3 個水平，因子水平，如表1 所示。

表1 制動盤散熱性試驗因子水平表

3.2 試驗分析計算

根據(jù)因子水平數(shù)在正交表中選擇標(biāo)準(zhǔn)正交表L9（34），由正交表得到9 個仿真方案。根據(jù)這9 個不同水平組合下的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行制動盤熱機(jī)耦合仿真，得到每個仿真方案制動盤的最高溫度，并通過制動盤Catia數(shù)模測量制動盤質(zhì)量。匯總結(jié)果，如表2 所示。（試驗5為當(dāng)前制動盤狀態(tài)）

表2 制動盤散熱性試驗因子仿真分析結(jié)果計算表

3.3 方差分析

采用Minitab 軟件對制動盤散熱性能試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析。

3.3.1 溫度的方差分析

在制動盤散熱性能試驗中，溫度的方差分析，在檢驗中使用調(diào)整的方差，各因素的均方差，如表3 所示。

由表3 可以看出，在制動盤散熱方面因子影響主次排布如下：單側(cè)盤厚、加強(qiáng)筋數(shù)量與加強(qiáng)筋寬度交互作用、加強(qiáng)筋數(shù)量、加強(qiáng)筋寬度。

制動盤散熱性能的溫度主效應(yīng)圖，如圖2 所示。

3.3.2 質(zhì)量的方差分析

在制動盤散熱性能試驗中，對質(zhì)量的方差分析，在檢驗中使用調(diào)整的方差，各因素的均方差，如表4 所示。

表4 影響質(zhì)量的各因素均方差表

由表4 可以看出，在制動盤經(jīng)濟(jì)性方面因子影響主次排布如下：單側(cè)盤厚、加強(qiáng)筋寬度、加強(qiáng)筋數(shù)量、加強(qiáng)筋數(shù)量與加強(qiáng)筋寬度交互作用。

制動盤散熱性能的質(zhì)量主效應(yīng)圖，如圖3 所示。

3.4 結(jié)果分析

通過方差分析結(jié)果及主效應(yīng)圖可以得到各因素與制動盤溫度和質(zhì)量的相關(guān)作用，如表5 所示。

表5 各因素與制動盤溫度和質(zhì)量的相關(guān)作用表

由表5 可以看出，筋外側(cè)寬度的減小，既能夠降低制動盤最高溫度，也能夠減少制動盤質(zhì)量，但是要注意筋數(shù)目與筋外側(cè)寬度的交互作用。

下面通過加強(qiáng)筋數(shù)量與加強(qiáng)筋寬度交互作用與制動盤最高溫度的等值線圖（如圖4 所示）來確定這一交互作用對制動盤最高溫度的相關(guān)性。

由圖4 可以看出，在制動盤加強(qiáng)筋寬度為7.5 mm，加強(qiáng)筋數(shù)量在48，49，50，51 個時制動盤溫度處于最低水平。由此可以看出，制動盤加強(qiáng)筋寬度由8.5 mm 降低至7.5 mm，既能降低制動盤的最高溫度也能減輕制動盤的質(zhì)量。

4 優(yōu)化方案確定與驗證

由于制動盤單側(cè)厚度對制動盤最高溫度及質(zhì)量都較敏感，故不做變動，根據(jù)制動盤最高溫度與加強(qiáng)筋數(shù)量加強(qiáng)筋寬度等值線圖，選定加強(qiáng)筋外側(cè)寬度為7.5 mm，筋數(shù)目取其中最低值48 個，通過仿真得到制動盤最高溫度為182.5 ℃，相對于目前制動盤的最高溫度187.3 ℃有所降低，同時質(zhì)量6.545 kg 比目前制動盤6.662 kg 降低0.117 kg。達(dá)到了散熱性與經(jīng)濟(jì)性同時提升的效果。

由于仿真分析目標(biāo)為制動盤最高溫度，不能體現(xiàn)整個制動過程中溫度是否都降低，采用制動盤最高溫度區(qū)域的節(jié)點溫度繪制優(yōu)化前后制動過程溫度曲線圖，如圖5 所示。由圖5 可以看出，整個制動過程溫度都低于原制動盤方案。

5 結(jié)論

通過CAE 軟件Hypermesh 建立制動盤熱機(jī)耦合有限元網(wǎng)格模型，利用Abaqus 軟件進(jìn)行制動盤熱機(jī)耦合仿真，得到制動盤制動過程中溫度情況，采用DOE方法進(jìn)行制動盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化，控制目標(biāo)為制動盤溫度及質(zhì)量，用溫度表現(xiàn)制動盤散熱性、質(zhì)量表現(xiàn)制動盤經(jīng)濟(jì)性，最終方案實現(xiàn)了制動盤散熱性及經(jīng)濟(jì)性的同時優(yōu)化。這為優(yōu)化制動盤散熱性的設(shè)計提供了較好的借鑒和依據(jù)，有效地節(jié)省了試驗所花費的時間和成本。