1 研究背景

目前,国内外大力提倡节约能源和保护环境的生活、生产方式,汽车轻量化技术是汽车行业发展的一个主流方向。研究结果表明,如果使一辆轿车的质量减轻10%,那么它的经济性将提高3%～4%,与此同时,汽车的废气排放量会相应降低,从而减轻对环境的污染[1]。汽车制动器是汽车制动系统的重要组成部分,在汽车的安全行驶过程中扮演重要角色,其性能优劣直接影响汽车的整体安全性能。汽车制动器主要分为盘式制动器和鼓式制动器。盘式制动器由于具有散热性佳、反应灵敏、制动力线性等优点,逐渐受到国内外汽车制造商的青睐,被广泛应用于汽车制动系统中。可见,对汽车盘式制动器进行轻量化设计,具有十分重要的意义。

汽车轻量化的关键在于底盘零部件的铝合金化。铝合金材料是目前车用金属材料中密度较低的轻金属材料,约为钢铁的1/3。铝合金材料来源广泛,因而成为汽车轻量化、提高节能性和环保性的首选材料。以铝代钢是当前汽车轻量化的重要途径[2]。铝具有良好的导电、导热性能,通过铸造、锻造和冲压工艺,可以将铝合金制造成各种汽车零部件[3]。采用全铝车身的福特新车型,车身质量相比金牛座减轻了52.7%，并提高了燃油经济性[4]。本田Insight的底盘燃料油箱、前悬臂、前制动钳、后轮鼓式制动器等大部分零部件都采用了铝合金[5]。

笔者以小型轿车前轮盘式制动器为研究对象,根据尺寸参数应用CATIA软件建立制动器主要零部件的三维模型,并在ANSYS Workbench软件中建立制动器钳体和支架的有限元模型,进行静力结构分析,得到应力云图和位移云图。分析结果表明,所建立的模型满足刚度和强度要求,并且存在优化的空间。将钳体材料更换为低密度、高强度的铸造铝合金,再次进行静力结构分析,结果表明最大应力和最大位移没有超过允许值,并且钳体质量减轻为原来的37%,达到了轻量化的目的。对钳体和支架进行模态分析[6-7],结果表明优化后钳体的模态频率有很大提高,降低了制动系统共振的可能性。

2 盘式制动器工作原理

根据不同的结构形式,汽车制动器分为鼓式和盘式两种类型。盘式制动器具有水稳性好、反应灵敏、散热性好、结构紧凑等诸多优点,越来越受到人们的青睐[8-10]。目前,国内80%乘用车制动系统安装盘式制动器。在国外,各级轿车、客车、货车等已广泛采用盘式制动器作为主要的制动装置[11]。

汽车制动过程中,驾驶员向制动踏板施加一个力。这个力经真空助力泵放大后,在主缸内形成油压,使制动管道内的油液压力升高。在盘式制动器钳体油缸内,油液压力P1推动活塞做轴向运动,同时带动内侧制动块逐渐压紧制动盘。与此同时,油液压力向钳体施加一个反向作用力P2。在P2的作用下,钳体沿与支架相连接的导向销运动,同时带动外侧制动块压向摩擦盘,直至两侧摩擦片受力达到平衡[12],从而实现车轮制动。当不需要制动时,驾驶员松开制动踏板,油液压力逐渐消失,安装在钳体油缸和活塞密封槽内部的密封圈需要回位。在回位力的作用下,活塞和摩擦片回至原来位置,使制动解除。盘式制动器工作原理如图1所示。

▲图1 盘式制动器工作原理

3 分析流程

ANSYS Worbench是ANSYS公司在2009年推出的一款计算机辅助力学分析软件,通过项目流程图的方式将各种数值模拟方法集成至同一个平台,从而实现不同软件之间的无缝连接。在软件中，每一个分析模块的界面相互独立,可以通过互联的方式实现数据共享[13]。ANSYS Workbench软件分析的基本流程为初步确定、前处理、求解、后处理,如图2所示。

▲图2 ANSYS Workbench软件分析流程

4 有限元建模

4.1 网格划分

在汽车制动过程中,钳体和支架是主要的受力机构,对两者进行应力、应变分析具有十分重要的意义。由于钳体和支架结构复杂、圆角多,为缩短软件计算时间,在三维模型中删除不必要的小孔和圆角,将简化后的模型保存为.stp格式文件,载入ANSYS Workbench软件进行网格划分。对钳体和支架模型采用自动网格划分方法[14],网格相关度取100,相关度中心取fine,网格尺寸取2 mm。网格检查准则选择网格倾斜度,其值位于0～1之间,代表网格质量高低。盘式制动器钳体和支架有限元模型的网格参数见表1,钳体和支架有限元模型的网格倾斜度均值为0.2左右,说明网格质量比较好。钳体和支架的有限元模型分别如图3、图4所示。

表1 有限元模型网格参数名称单元类型尺寸/mm单元数节点数网格倾斜度均值钳体四面体、六面体2167 7520.214 5支架四面体、六面体297 0390.196 3