李志強(qiáng)，倪健健，王文龍，吳帥，姜申野

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

基于有限元和試驗(yàn)的汽車打孔制動(dòng)盤研究

李志強(qiáng)1,2，倪健健1,2，王文龍1,2，吳帥1,2，姜申野1,2

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

為了實(shí)現(xiàn)某型車的輕量化，提出一種新型打孔制動(dòng)盤。使用HyperMesh建立打孔制動(dòng)盤有限元模型；借助于ABAQUS軟件模擬特定工況下的制動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行熱仿真分析；并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的可行性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)一些潛在危險(xiǎn)，為后續(xù)打孔制動(dòng)盤的開發(fā)與研究提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

打孔制動(dòng)盤；輕量化；虛擬仿真；試驗(yàn)

0 引言

根據(jù)各研究機(jī)構(gòu)調(diào)查:汽車質(zhì)量每降低1%，油耗可降低0.6%～0.8%[1]。在節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的大背景下，汽車輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的一種潮流，汽車的輕量化不僅能增強(qiáng)整車的動(dòng)力特性，而且能提高汽車操控穩(wěn)定性。

制動(dòng)系統(tǒng)是直接影響汽車行駛安全的系統(tǒng)。汽車制動(dòng)是通過(guò)將自身動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)減速的，而這些熱能主要被制動(dòng)器所吸收。制動(dòng)器的制動(dòng)特性和制動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)隨著制動(dòng)盤溫度的升高出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，嚴(yán)重影響車輛的制動(dòng)安全性。為了提高汽車制動(dòng)安全特性，汽車制動(dòng)盤的體積和質(zhì)量往往被設(shè)計(jì)得較大，以保證制動(dòng)盤有足夠大的熱容量來(lái)吸收來(lái)自剎車的熱量，而不至于溫度過(guò)高，影響汽車制動(dòng)安全性。

作者基于公司某車型提出一種新型打孔制動(dòng)盤。在原有制動(dòng)盤基礎(chǔ)上進(jìn)行打孔處理，每組7個(gè)孔，共4組沿圓周均布。首先使用HyperMesh建立打孔制動(dòng)盤有限元模型，通過(guò)ABAQUS模擬特定工況下的制動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行熱仿真分析，最后

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，并提出可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，為打孔制動(dòng)盤的研究和開發(fā)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 制動(dòng)盤輕量化研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于制動(dòng)盤輕量化的研究主要集中在打孔制動(dòng)盤、鋁合金制動(dòng)盤和碳纖維陶瓷制動(dòng)盤。碳纖維陶瓷制動(dòng)盤性能比較突出，但是材料和生產(chǎn)成本非常高，不適合批量使用在普通乘用車上。鋁合金制動(dòng)盤的研究主要還停留在理論研究階段，由于鋁基比較軟，在臺(tái)架試驗(yàn)階段很容易產(chǎn)生熱變形，危險(xiǎn)性較大，還沒(méi)有找到更好的解決辦法。而打孔制動(dòng)盤不僅可以實(shí)現(xiàn)輕量化，而且成本較低，加工技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于制動(dòng)盤的分析主要采用熱機(jī)耦合的仿真方法[3]，但是因?yàn)闊釞C(jī)耦合仿真模型復(fù)雜，邊界載荷不容易確定，仿真精度很不容易得到保證，并沒(méi)有得到普遍應(yīng)用。趙靜海等[4]提出一種基于有限元模型的熱仿真分析方法，對(duì)制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和熱容量進(jìn)行有效的仿真分析。

2 有限元模型搭建

2.1 制動(dòng)盤有限元模型建立

該車型所用制動(dòng)盤材料為HT250，密度7 200 kg/m3，外徑151.5 mm、內(nèi)徑102 mm，實(shí)心盤，厚度為12 mm。為簡(jiǎn)化仿真計(jì)算，對(duì)打孔制動(dòng)盤模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，提取制動(dòng)盤1～3個(gè)單元扇形進(jìn)行仿真分析。然后將CAD模型導(dǎo)入HyperMesh，采用1.5～3 mm大小的六面體對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立打孔制動(dòng)盤的有限元模型，如圖1所示。

2.2 邊界載荷定義

制動(dòng)盤的邊界載荷為熱流密度q，施加區(qū)域?yàn)橹苿?dòng)盤兩側(cè)參與摩擦的區(qū)域。熱流密度計(jì)算公式為：

(1)

式中：q為制動(dòng)盤表面熱流密度，單位W/m2；λ為制動(dòng)能量分配系數(shù)；m為軸荷，單位kg；a為制動(dòng)減速度，單位m/s2；v0為制動(dòng)初速度，單位m/s；n為制動(dòng)盤參與摩擦的面的數(shù)量；A為制動(dòng)盤單側(cè)參與摩擦的面積。

3 仿真結(jié)果與分析

利用制動(dòng)盤流場(chǎng)分析結(jié)果，對(duì)制動(dòng)盤添加對(duì)流換熱條件后，以15次重復(fù)制動(dòng)工況進(jìn)行熱仿真分析，得到熱容量和溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果，如圖2(a)、2(b)所示。對(duì)原有非打孔制動(dòng)盤進(jìn)行相同的熱仿真分析，對(duì)比打孔制動(dòng)盤熱性能，仿真結(jié)果如圖3(a)、3(b)所示。

由于系統(tǒng)的熱容量和系統(tǒng)物質(zhì)的質(zhì)量成正比，因此制動(dòng)盤在打孔以后，熱容量變小。但是從兩組制動(dòng)盤熱仿真分析結(jié)果來(lái)看，仿真過(guò)程中打孔制動(dòng)盤最高溫度為609.6 ℃，原非打孔制動(dòng)盤最高溫度為627.9 ℃，打孔制動(dòng)盤的最高溫度反而小于原盤的最高溫度。最主要是因?yàn)橹苿?dòng)盤表面打孔以后，表面的散熱條件得到改善，因此最高溫度降低，且最高溫度符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 非打孔制動(dòng)盤溫度分析結(jié)果

4 臺(tái)架試驗(yàn)

由熱仿真分析得出，打孔制動(dòng)盤的熱容量符合設(shè)計(jì)要求。但是制動(dòng)盤表面打孔后，其內(nèi)部受力情況出現(xiàn)不明確的變化。尤其是在反復(fù)制動(dòng)過(guò)程中，受連續(xù)變化的熱應(yīng)力影響，其熱疲勞性能需要進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)于制動(dòng)盤熱應(yīng)力的研究主要還是使用虛擬仿真軟件，進(jìn)行熱機(jī)耦合仿真分析，由于復(fù)雜的載荷條件，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性不容易得到保障。作者采用傳統(tǒng)的制動(dòng)器慣性試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)打孔制動(dòng)盤的熱疲勞性能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)所需參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)器慣性臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)表

搭建完試驗(yàn)臺(tái)架后，依據(jù)制動(dòng)盤熱疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)打孔制動(dòng)盤進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。通過(guò)反復(fù)制動(dòng)使制動(dòng)盤溫度升高，然后快速冷卻，測(cè)試打孔制動(dòng)盤的熱疲勞特性。試驗(yàn)完成后，使用染色探傷法對(duì)制動(dòng)盤試驗(yàn)后的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，盤面打孔處有較小的裂紋，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 打孔制動(dòng)盤熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果

臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)一些異常情況，在為制動(dòng)盤匹配摩擦片時(shí)需要引起注意：(1)打孔制動(dòng)盤在制動(dòng)過(guò)程中，摩擦片的磨損量較大；(2)打孔制動(dòng)盤的孔存在堵塞現(xiàn)象。

5 結(jié)論

熱疲勞試驗(yàn)完成后，按照熱仿真工況進(jìn)行打孔制動(dòng)盤最高溫度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為610.6 ℃，驗(yàn)證了熱仿真的有效性。經(jīng)過(guò)制動(dòng)盤熱疲勞試驗(yàn)，盤面打孔處有較小的裂紋，主要是由于打孔處的熱應(yīng)力引起的。但這些小裂紋不足以引起失效，且能夠減小應(yīng)力集中問(wèn)題，驗(yàn)證了打孔制動(dòng)盤方案的可行性。

【1】詹國(guó)棟.JT公司汽車底盤輕量化零部件國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目規(guī)劃研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

【2】趙凱輝.汽車制動(dòng)器熱衰退性能及相關(guān)制動(dòng)安全檢測(cè)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2010.

【3】楊智勇,韓建民,李衛(wèi)京,等.制動(dòng)盤制動(dòng)過(guò)程的熱-機(jī)耦合仿真[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010(1)：88-92. YANG Z Y,HAN J M,LI W J, et al.Thermo-mechanical Coupling Simulation of Braking Process of Brake Disc[J].Journal of Mechanical Engineering,2010(1)：88-92.

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Research on Brake Disc with Hole Based on Finite Element Analysis and Testing

LI Zhiqiang1,2, NI Jianjian1,2,WANG Wenlong1,2, WU Shuai1,2,JIANG Shengye1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Co., Ltd., Baoding Hebei 071000,China; 2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

In order to achieve lightweight of automobile, a novel perforated brake disk was put forward based on a certain model. HyperMesh was used to establish perforated brake disc finite element model. Then thermal simulation analysis was done by simulating specific conditions of the braking process by ABAQUS software.Some experiments were done on the bench to verify whether it was feasibility. At the same time，some potential risks that might exist were proposed.The research provides theoretical and experimental basis for perforated brake discs research and development.

Perforated brake discs; Lightweight; Virtual simulation; Test

2016-09-01

李志強(qiáng)(1979—)，男，學(xué)士，從事汽車底盤產(chǎn)品開發(fā)和過(guò)程開發(fā)工作。E-mail：txjx0001@163.com。

倪健健，E-mail：18531243251@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.012

U463.4

A

1674-1986(2016)12-051-03