太原理工大学车辆工程系 张翠平 柴少彪 陈光
太原星羽科技有限公司 魏聚秀
采用新型铝镁合金陶瓷制动盘不仅可以保证汽车制动效果，而且在原制动盘基础上减轻50%的质量，对汽车轻量化设计具有重要的意义。
汽车制动过程中，制动主缸受制动踏板作用在制动液压管路中产生12MPa液压力之后传递给制动摩擦块，促使其向制动盘中心线方向移动，最后与制动盘工作表面接合，在摩擦力作用下实现制动。由于摩擦块左右液压相同，所以制动盘工作过程中不会出现轴向弯矩力，仅受轴向对称挤压力，制动性能稳定、可靠。
制动力和制动力矩都是评价制动器制动性能的指标。在制动过程中，制动液压力将摩擦块压靠在制动盘上，产生制动力和制动力矩。制动力矩的大小与接触表面的压力和盘式制动器的作用半径有关。
仿真模拟
试验中模拟制动盘模型为理想模型，假设a.摩擦块与制动盘直接摩擦系数不受制动温度等影响b.制动液内部压力均匀，认为摩擦块左右受力大小相同。
在Pro/e三维设计软件中采用总体坐标系方法为制动盘以及制动摩擦块进行三维建模。为缩短后续分析过程整体时间，对模型局部进行简化处理，忽略部分倒角以及螺栓孔等部分。
模拟过程中，制动盘采用铝镁合金制作，表面镀有陶瓷材料，摩擦块为耐摩擦材料。单元类型及参数选择铝镁合金陶瓷材料，以及摩擦材料如下表1：
通过三维软件Pro/e与ANSYS三维有限元分析软件接口，对制动盘与摩擦块进行有限元分析处理。首先为实体模型指定属性，制动盘实体，制动盘摩擦工作表面以及摩擦块分别采用铝镁合金，陶瓷与摩擦材料，采用Solid l63实体单元，壳单元为Shell 164网格划分都采用ANSYS中自带的生成四面体单元的自由网格划分。划分结束后制动盘得到7272个节点和6576个单元；摩擦块得到7272个节点和240个单元，网格划分结果（如图1）。
网格划分完成后，定义制动接触类型为自动（Automatic）面-面接触，同时对制动盘进行运动约束，使其自由度仅Z向旋转，为了保证车辆的正常运行，制动盘与制动块之间设置间隙（5mm）。此时摩擦块固定不动，给予制动盘不同车速下的转速模拟其在半轴的带动下旋转运动，联合ANSYS 11.0/LS-DYNA中动态约束法（kinematic constraints method）计算制动过程中摩擦块与制动盘的冲击摩擦。
由于制动系统设计的不统一性，在轿车类制动管路一般为12MPa的基础上模拟10MPa、15MPa、25MPa三种不同制动液压力作用在制动蹄片受力面，分析铝镁合金制动盘在不同制动压力下产生的应力，应变以及塑性变形。
计算总时间为0.5s，设定每5μs输出一个结果数据文件。建好模型后输出K文件并对其进行修改，之后进行求解计算，计算结果后在LS-PREPOST中查看结果，进行分析。
结果分析
设初始车速为100km/h，获得制动液压分别为10MPa，15MPa，25MPa时紧急制动工况制动盘应力图，如图2所示。
由图1得到在出现紧急制动极限工况下，制动压力值达到25MPa时，铝镁合金制动盘上达到最大应力为54.969MPa，处于铝镁合金可以承受的250MPa应力范围以内，制动过程中不会出现较大集中应力以及制动盘损害的情况。
取制动盘工作表面中间单元（轴向均布单元号A10548 B10560 C140572）查看制动过程中零件内部变形状况（Y方向应变），如图4所示。
由2可知在制动过程中摩擦块上下夹持开始时出现上下位移波动，这表明在汽车制动过程对制动盘有冲击作用，在较低压力时有－Y方向的跳跃，这与制动盘约束固定方式有关，由于约束取为制动盘顶部除Y旋转方向，－Y方向的作用力对制动工作表面的作用力，形成跳跃式的结合，之后随着制动工作上下表面制动稳定并逐渐平衡，形变位移变小，但随着制动压力的升高，达到25MPa情况下，形变会随着液压力的增加而增加，这就要求摩擦块活塞左右压力的均布设计应保证相等。
三单元y方向制动压力曲线：
由以上三单元制动压力曲线可以看出工作过程中制动盘在波动中逐渐趋于－Y 方向，制动盘受力均匀分布，随制动力的增加，－Y方向力也随之增加，表面制动盘顶部约束情况下，上摩擦块对于制动盘工作表面的压力也逐渐增大，在具体结构设计过程中需要考虑摩擦块左右管路油压的控制方式，以减小制动单侧方向有过大的应力，避免造成制动盘的破坏。
结论
综上所述，本文在Pro/e软件中建立某微型车改进表面陶瓷铝镁合金制动盘的三维模型，并利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA模块对表面陶瓷制动盘进行瞬态模拟仿真，在应力、应变及危险区域位移曲线进行仔细分析，获得了显式仿真结果，证明该产品可以满足实际使用要求，为改进关键部位的使用可靠性提供了理论依据；采用的有限元方法制动盘以及摩擦块实际工况下的仿真分析具有实用的工程价值，不仅可以低成本高效率的开发新成品，并能保障产品结构质量，缩短汽车设计开发周期。
