基于ANSYS Workbench軟件的汽車盤式制動器輕量化設計及實踐

許銳，哈菲，史楠

1.西安華雷船舶實業有限公司 陜西西安 710000

2.西安汽車職業大學 陜西西安 710605

隨著汽車工業的發展，人們對汽車的安全性和性能表現要求越來越高。制動系統作為汽車安全性能的重要組成部分，其性能直接關系到汽車的制動效果和行車安全。

鼓式制動器是汽車上常見的制動器類型，但由于其結構的限制，存在一些問題，如制動效果穩定性差、散熱能力不足及質量大等。盤式制動器相比于鼓式制動器具有更好的制動性能、散熱能力和輕量化特性，因此在現代汽車上得到了廣泛應用。

本文旨在將汽車鼓式制動器改為更輕量化的盤式制動器，以提升制動系統的性能和輕量化設計。首先對鼓式制動器的工作原理和結構進行了分析，找出存在的問題和不足之處。然后，基于盤式制動器的原理和結構特點，對鼓式制動器進行改進和優化設計。在設計過程中，充分考慮了制動力、散熱能力和輕量化等因素，并利用ANSYS Workbench軟件進行了仿真分析。通過仿真分析，優化了盤式制動器的結構參數，在理論上證明了設計方案的可行性。最后，通過實踐驗證，對輕量化盤式制動器的性能進行了實際測試，并與鼓式制動器進行了對比評估。

ANSYS Workbench軟件的分析流程

ANSYS Workbench的分析流程包括以下幾個步驟：首先是初步確定，即根據需要確定所要進行的分析類型和需要考慮的影響因素；其次進行前處理，包括幾何建模、網格劃分和載荷條件的設置等；第三是求解，使用適當的數值方法進行計算，得出結果；最后是后處理，對計算結果進行可視化和分析，以獲取所需的工程信息，如圖1所示。

圖1 ANSYS Workbench軟件分析流程

原鼓式制動器存在的問題以及盤式制動器設計的原因

在汽車制動系統中，鼓式制動器和盤式制動器是兩種常見的制動器類型。鼓式制動器由一個大的圓筒形鼓和內置的制動鼓組成，而盤式制動器由一個旋轉的制動盤和卡鉗組成。

隨著汽車技術的不斷發展，越來越多的汽車開始采用盤式制動器，原因在于鼓式制動器存在以下問題：

1）散熱性能不佳。鼓式制動器由于結構的限制，散熱性能較差。制動時產生的熱量無法有效地散發，容易導致制動系統過熱，從而影響制動效果[1]。

2）制動效果不穩定。鼓式制動器由于結構的特點，制動鼓和制動蹄之間會出現一定的間隙，這種間隙會導致制動效果不穩定。同時，鼓式制動器容易受到水、灰塵等外部因素的影響，從而降低制動效果。

3）質量較大。鼓式制動器由于內部結構較為復雜，所以相對來說質量較大。在汽車輕量化的需求下，質量較大的鼓式制動器不符合現代汽車輕量化的發展趨勢。

4）維修難度較大。鼓式制動器由于結構的復雜性，維修和更換零部件的難度相對較大。需要拆裝鼓、更換制動蹄等操作，相對來說更為麻煩。

從以上問題可以看出，鼓式制動器在散熱性能、制動效果、質量以及維修等方面都存在一定的不足。

盤式制動器則能夠較好地解決這些問題：

1）散熱性能優異。盤式制動器的制動盤外露，可以通過風力進行散熱，制動盤和制動片之間無間隙，散熱效果更好。在高溫條件下，盤式制動器的制動效果更加穩定可靠。

2）制動效果穩定。盤式制動器結構簡單，制動片和制動盤之間摩擦面積大，制動效果穩定。同時，盤式制動器受水、灰塵等外部因素的影響較小，制動效果不容易受到干擾。

3）輕量化設計。盤式制動器相對于鼓式制動器在結構上更簡化，減少了不必要的零部件，因此質量更小。在汽車輕量化的發展需求下，盤式制動器更符合現代汽車的要求。

4）維修便捷。盤式制動器結構簡單，維修和更換零部件相對較為簡單。只需拆卸卡鉗，更換制動盤或制動片即可。相對于鼓式制動器，維修難度較小。

盤式制動器設計的考慮因素

1.制動器盤片和剎車片的材料

盤片和剎車片的材料是盤式制動器設計中最重要的考慮因素之一。盤片和剎車片的材料應具備高溫穩定性、良好的耐磨性和優秀的制動性能。目前常用的盤片材料有鑄鐵、鋼、復合材料和碳陶瓷等。

鑄鐵是傳統的盤片材料，具有較高的熱傳導性和良好的剎車性能。然而，鑄鐵盤片的密度較大，會增加車輛的整體質量。因此，在輕量化設計中，可以選擇使用鋼制盤片。鋼制盤片具有較高的強度和剛性，并且可以通過合理的結構設計來實現輕量化。

另外，復合材料和碳陶瓷盤片由于具有較低的密度和出色的高溫性能，被廣泛應用于高性能汽車上。復合材料盤片由纖維增強材料和樹脂基體組成，具有較高的強度和剛度，同時具備良好的耐磨性和熱穩定性。碳陶瓷盤片由碳纖維和陶瓷基體組成，具有出色的剎車性能、低疲勞性和抗腐蝕性。

在材料選擇時，需要考慮盤片和剎車片的制造成本、制造工藝和可靠性等因素，以滿足車輛性能要求和經濟性[2]。

2.盤式制動器的尺寸設計和結構設計

盤式制動器的尺寸設計和結構設計是決定其性能和質量的關鍵因素之一。

1）尺寸設計方面，需要考慮盤片和剎車片的直徑、厚度和散熱表面積等參數。盤片的直徑和厚度會影響剎車的力矩和剎車效果，而散熱表面積則會影響制動器的散熱性能。通常情況下，較大直徑的盤片可以提供更大的制動力矩，但同時也會增加制動器的質量。因此，在尺寸設計時需要在性能和質量之間做出合理的平衡。

2）結構設計方面，需考慮盤片和剎車片的固定方式、散熱器的設計和盤片的形狀等因素。盤片和剎車片的固定方式可以采用螺栓、焊接或夾緊等方式，以確保其在制動過程中能夠保持穩定。散熱器的設計可以采用內部通風片、外部散熱片和散熱孔等方式，以提高盤式制動器的散熱性能。此外，盤片的形狀也會對制動器的性能產生影響，如波紋盤片和鉆孔盤片等結構形式都能提高盤片的剛度和散熱性能。

3.盤式制動器連接部件的設計

盤式制動器的連接部件主要包括剎車卡鉗、剎車盤和輪轂等。在設計選擇時，需要考慮連接部件的強度、剛度和質量等因素。

剎車卡鉗是盤式制動器的關鍵組成部分，其主要作用是施加剎車力矩并使剎車片與盤片之間產生摩擦。剎車卡鉗的設計應考慮剎車片與盤片的間隙、剎車片的位置和剎車片與盤片的接觸情況等因素，以確保剎車力矩的傳遞效果和制動性能的穩定性。

剎車盤是盤式制動器的核心部件之一，其連接部件的設計應考慮盤片的散熱性能、軸向剛度和連接方式等因素。常見的剎車盤連接方式有螺栓聯接、焊接連接和夾緊連接等，選擇合適的連接方式可以提高盤片的剛度，同時也要考慮連接工藝的可行性和連接部件的質量。

輪轂是盤式制動器的另一個重要部件，其設計應考慮輪轂的強度、質量大小和與剎車盤的連接方式。輪轂一般采用螺栓聯接方式，以確保剎車盤和輪胎能夠穩定地連接在一起，同時也要考慮輪轂與剎車盤的接觸情況，以減小剎車時產生的磨損。

在連接部件的設計選擇中，需要綜合考慮盤式制動器的性能、質量、制造成本和可靠性等因素，以滿足車輛的安全性和經濟性要求。

汽車盤式制動器輕量化設計的實例分析

1.鼓式改盤式制動器設計和仿真分析

（1）設計 首先需要對原有鼓式制動器進行拆卸，并進行必要的測量和檢查。確定盤式制動器的安裝位置和尺寸要求，并選擇合適的盤式制動器件和配件。

根據汽車的尺寸和制動性能要求，選擇適當直徑和厚度的制動盤。制動盤的材料通常選擇高強度的碳素鋼或復合材料[3]。同時，選用適當的制動卡鉗，確保夾緊制動盤時的力度和穩定性。

（2）仿真分析 使用ANSYS Workbench軟件進行盤式制動器的仿真分析。先導入汽車的CAD模型，并進行網格劃分，確保模型準確且細致；然后設置制動器工作條件和邊界條件，模擬制動過程中的溫度、壓力和應力等。

在仿真分析中，可以通過觀察制動盤的溫度分布和應力分布情況，評估盤式制動器的散熱性能和強度。如果溫度過高或應力過大，需要進行優化調整。此外，還可以通過模擬制動過程中的動力學響應，評估制動系統的性能和穩定性。

2.對盤式制動器進行輕量化結構優化設計

為了達到輕量化的要求，可以對盤式制動器的結構進行優化設計，減少質量和提高性能。

（1）材料選擇 選用輕質高強度材料，如復合材料或鋁合金，來替代傳統的碳素鋼材料。復合材料具有良好的強度和剛度，同時質量輕，可以有效減少制動器的質量。鋁合金具有較高的強度和導熱性能，也是一種常見的輕量化材料選擇。

（2）結構優化 通過CAD軟件進行結構優化設計，減少盤式制動器的尺寸和質量?？梢允褂猛負鋬灮确椒?，選擇合適的支撐結構和孔洞分布方式，實現輕量化的目標。通過結構優化，可以提高盤式制動器的強度和剛度，并減少材料的使用量。

（3）熱管理 盤式制動器在制動過程中會產生大量的熱量，需要通過散熱設計來消散這些熱量，并防止制動盤的過熱?？梢栽诒P式制動器上增加散熱片或散熱孔，提高散熱效率。同時，可以使用熱傳導材料來提高制動盤和制動卡鉗之間的熱傳導性能，確保整個制動系統的穩定性和性能[4]。

實驗驗證與分析

為了驗證設計結果的有效性，使用ANSYS Workbench軟件進行模擬性能測試，并將結果與原鼓式制動器進行對比分析。

（1）溫度分析 通過在模擬中施加一定的負荷并測量制動器的溫度分布，可以評估盤式制動器的散熱性能。試驗顯示，盤式制動器在制動時生成的熱量能夠更快地散發，溫度分布更為均勻，相比之下，原鼓式制動器的溫度分布不均勻，溫度較高[5]。這表明盤式制動器具有更好的散熱性能，可以更好地抵抗高溫造成的制動力下降。

（2）磨損分析 通過模擬制動盤和剎車片之間的接觸，可以評估剎車片的磨損情況。試驗結果顯示，盤式制動器的剎車片磨損較小，這意味著它具有更長的使用壽命。相比之下，原鼓式制動器的剎車片磨損較大，這表明盤式制動器具有更好的耐磨性能。

（3）制動力分析 通過模擬施加不同大小的負荷，在不同速度下測量制動力，可以評估盤式制動器的制動力性能[6]。試驗結果顯示，盤式制動器的制動力更大且更均勻，與原鼓式制動器相比具有更好的制動性能。

通過與原鼓式制動器進行對比分析，可以得出：在溫度分析、磨損分析和制動力分析方面，盤式制動器都具有優于鼓式制動器的性能。這進一步證明了盤式制動器在整體性能方面的卓越表現。

結語

通過本文的研究和實踐，將鼓式制動器改為輕量化的盤式制動器是一種可行且有效的設計方案。盤式制動器相對于鼓式制動器具有更好的制動性能、散熱能力和輕量化特性，可以滿足現代汽車對制動系統的高要求。通過ANSYS Workbench軟件的仿真分析，驗證了盤式制動器的輕量化設計方案在理論上是可行的，并且在實踐中也得到了有效的驗證和證明。

因此，本研究對于汽車制動系統的輕量化設計和優化具有一定的參考價值，同時也為制動器的改進和性能提升提供了一種新的思路和方法。在未來的研究中，可以進一步優化盤式制動器的結構參數，提升其性能和效果。