任東明

（淄博市技師學(xué)院，山東 淄博 255000）

制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)中用以產(chǎn)生阻礙車輛運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)制動(dòng)力的部件。汽車制動(dòng)器除各種緩速裝置以外，幾乎都是利用固定元件與旋轉(zhuǎn)元件工作表面的摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩的摩擦制動(dòng)器。目前，各類汽車廣泛采用的摩擦制動(dòng)器根據(jù)旋轉(zhuǎn)元件的不同可分為鼓式和盤式兩大類。它們之間的區(qū)別在于:鼓式制動(dòng)器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件為制動(dòng)鼓，以其圓柱面為工作表面;盤式制動(dòng)器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件為圓盤狀的制動(dòng)盤，以其端面為工作表面。

制動(dòng)盤即指的是汽車的剎車盤，它是一個(gè)用合金鋼制造的金屬圓盤，制動(dòng)盤一般固定在車輪上，隨著車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)車輛在行駛的過(guò)程中，駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)候，制動(dòng)盤上的制動(dòng)卡鉗將會(huì)緊緊夾住制動(dòng)盤，這樣就起到使汽車減速或者使汽車停止的作用。一般來(lái)說(shuō)，汽車的制動(dòng)盤上有圓孔，圓孔的作用是減輕制動(dòng)盤的重量和增加摩擦力。制動(dòng)盤有很多種，其最主要的特點(diǎn)就是壁薄，其整個(gè)盤片及盤片的中心處是由砂芯構(gòu)成的。一般，不同種類的制動(dòng)盤，制動(dòng)盤的直徑、制動(dòng)盤片的厚度及兩個(gè)盤片間隙尺寸上是存在差異的，通常情況下，盤轂的厚度以及高度也是各不相同的。制動(dòng)盤是盤式制動(dòng)器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件，其形狀是以兩端面工作的金屬圓盤，如圖1 所示

剎車盤片是用來(lái)制動(dòng)的，主要是由制動(dòng)鉗提供制動(dòng)力。通常來(lái)說(shuō)，制動(dòng)盤內(nèi)裝有制動(dòng)輪缸活塞，它外側(cè)的制動(dòng)塊是附著按裝在嵌體上的。當(dāng)駕駛員踩下汽車的制動(dòng)踏板，使汽車產(chǎn)生制動(dòng)時(shí)，來(lái)自制動(dòng)主缸的制動(dòng)油液經(jīng)進(jìn)油口進(jìn)入嵌體中兩個(gè)相通的液壓腔中，推動(dòng)活塞及其上的制動(dòng)塊移動(dòng)，使其油壓升高，推動(dòng)輪缸活塞將其上的制動(dòng)塊壓靠到制動(dòng)盤上，從而產(chǎn)生制動(dòng)。

制動(dòng)盤的優(yōu)點(diǎn)：

1、一般無(wú)摩擦助勢(shì)作用，因而制動(dòng)器效能受摩擦因數(shù)的影響較小，即效能較穩(wěn)定。

2、進(jìn)水后效能降低較少，而且只需經(jīng)一兩次制動(dòng)即可恢復(fù)正常。

3、在輸出制動(dòng)力矩相同的情況下，尺寸和質(zhì)量比鼓式制動(dòng)器小。

4、制動(dòng)盤沿厚度方向的熱膨脹量極小，不會(huì)像制動(dòng)鼓那樣使制動(dòng)器間隙明顯增加而導(dǎo)致制動(dòng)踏板行程過(guò)大。

5、較容易實(shí)現(xiàn)間隙自動(dòng)調(diào)整，其他保養(yǎng)修理作業(yè)也比較簡(jiǎn)單。

制動(dòng)盤是浮動(dòng)鉗盤式制動(dòng)器上最大的零件，通常通過(guò)螺栓安裝在輪輞上，隨著車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)盤在剎車過(guò)程中由于剎車片和制動(dòng)盤的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，生成的熱會(huì)對(duì)剎車片的材料性能和剎車性能產(chǎn)生很大的影響，本文對(duì)制動(dòng)盤剎車過(guò)程中的熱應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，意在為制動(dòng)盤的改進(jìn)設(shè)計(jì)以及事故預(yù)防提供依據(jù)。同時(shí)制動(dòng)盤的固有頻率和振動(dòng)形式對(duì)制動(dòng)器的振動(dòng)和噪聲有很大的影響，所以也需要對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行模態(tài)分析，觀察其固有頻率圖像和對(duì)應(yīng)的主振型圖像，為進(jìn)一步進(jìn)行的制動(dòng)盤模態(tài)試驗(yàn)提供參考數(shù)據(jù)和試驗(yàn)依據(jù)，本文將會(huì)進(jìn)一步分析制動(dòng)盤的虛擬自由模態(tài)。因?yàn)樽杂赡B(tài)分析時(shí)不用給模型施加任何約束，因此模型具有六個(gè)方向的自由度，故一到六階的自由模態(tài)頻率為零，只需分析七到十二階的頻率和對(duì)應(yīng)的振型。

總體的分析流程圖為：CATIA 建?！鷮?dǎo)入到ansys 中得到相應(yīng)的模型→模型處理（選材、定義和劃分網(wǎng)格）→得到有限元模型→求解→得到結(jié)果以及相應(yīng)的后處理。

1、建立制動(dòng)盤虛擬模型

取制動(dòng)盤的直徑數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該盡可能取的大一點(diǎn)，這樣的話，制動(dòng)盤的有效半徑數(shù)據(jù)就能夠得到增加，可以非常有效的降低制動(dòng)鉗的夾緊力度，從而使得襯塊的單位壓力和工作溫度都隨之減小。由于汽車車輪輪輞的直徑大小的限制，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，制動(dòng)盤的外圓直徑數(shù)據(jù)通常取車輪輪輞直徑的70%～79%，對(duì)于汽車總質(zhì)量大于2t 的汽車應(yīng)取其上限數(shù)值。

制動(dòng)盤的厚度數(shù)據(jù)的大小會(huì)影響制動(dòng)盤的質(zhì)量和其在工作時(shí)的溫度的升高。為了使其質(zhì)量小一點(diǎn)，制動(dòng)盤厚度不宜取得很大；為了讓其溫度降低，制動(dòng)盤厚度數(shù)值又不能取得太小。另外，制動(dòng)盤也可以做成實(shí)心的，或者在制動(dòng)盤的中間鑄出通風(fēng)孔道來(lái)滿足散熱、通風(fēng)的需要。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)心的制動(dòng)盤的厚度可取的數(shù)值為10～20mm，通風(fēng)式制動(dòng)盤的厚度數(shù)值可取為20～50mm，現(xiàn)在汽車的制動(dòng)盤厚度采用較多的是20～30mm。根據(jù)表1 列出的尺寸和要求在CATIA 中得到制動(dòng)盤的基本模型，如圖1 圖2 所示。

表1 制動(dòng)盤的尺寸參數(shù)

2、制動(dòng)盤有限元分析

（1）模型的導(dǎo)入

制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)主要包括：上下底環(huán)、中環(huán)和頂環(huán)等部分。主要采用六面體劃分，網(wǎng)格控制單元尺寸大小為三到六毫米。

凸緣聯(lián)軸器是實(shí)體模型，在CATIA 中根據(jù)具體尺寸要求建立好模型后，將模型以CATproduct 的格式導(dǎo)出，然后打開ANSYS 軟件，導(dǎo)入CATIA V5 格式的模型，即可得到可見(jiàn)的實(shí)體模型。如圖1 所示。

（2）模型有限元結(jié)構(gòu)的建立

三維模型建立后，將制動(dòng)盤模型導(dǎo)入ANSYS 中，選中制動(dòng)盤的材料為HT250，其材料參數(shù)如表2 所示。

表2 制動(dòng)盤材料的選取

由于本文的制動(dòng)盤模型建立并不是在ANSYS 中完成的，所以定義單元類型時(shí)選擇了20 節(jié)點(diǎn)SOLID186 單元進(jìn)行分析。SOLID186 單元對(duì)于不同CAD/CAM 系統(tǒng)建立的模型能夠模擬更為精確。網(wǎng)格劃分采用ANSYS 自帶的生成四面體單元的自動(dòng)網(wǎng)格劃分，得到56818 個(gè)節(jié)點(diǎn)和33163 個(gè)單元。模態(tài)分析方法選用BlockLanczos 法。

（3）計(jì)算結(jié)果和分析處理

剎車盤制動(dòng)過(guò)程中，摩擦片對(duì)制動(dòng)盤有法向壓力，摩擦?xí)纬赡Σ燎邢虻膽?yīng)力，用ansys 對(duì)剎車盤進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，只還原在某個(gè)時(shí)刻剎車盤上的應(yīng)力分布情況即可。選用S0lid42 單元對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，并對(duì)制動(dòng)盤主要受力部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，根據(jù)力矩平衡方程求解出制動(dòng)器的制動(dòng)力距，繼而求出單片摩擦片上分布的壓力。對(duì)制動(dòng)器的模型進(jìn)行模態(tài)求解后?？紤]到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速為3000～5000r/min，所以發(fā)動(dòng)機(jī)作為振動(dòng)源，其常輸出的激勵(lì)的頻率范圍為50～84Hz。所以對(duì)該制動(dòng)盤的7～12 階模態(tài)進(jìn)行提取。

經(jīng)分析，該制動(dòng)盤的七到十二階的頻率如表3 所示。

表3 制動(dòng)盤7～12 階固有頻率（Hz）和對(duì)應(yīng)振型描述

3、總結(jié)

本文在分析了制動(dòng)器的相關(guān)數(shù)據(jù)后，得出以下結(jié)論：（1）除了帽盤安裝孔外側(cè)機(jī)械應(yīng)力較大，其他位背應(yīng)力均比較小，初步設(shè)計(jì)能夠滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。（2）對(duì)于盤周可以彈性分配摩擦表面和風(fēng)道的厚度，適當(dāng)增加風(fēng)道厚度，使其在功能上更偏向滿足散熱性的要求，這樣也可以減少剎車盤重量。利用軟件建立了某盤式制動(dòng)器制動(dòng)盤的有限元模型，計(jì)算了其在自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，得到其固有頻率和振型。借助于有限元模態(tài)分析，可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的剛度以及質(zhì)量分布，使制動(dòng)盤的模態(tài)避開噪聲頻率，為盤式制動(dòng)器振動(dòng)和噪聲的控制奠定了基礎(chǔ)。