基于熱固耦合的制動盤熱變形仿真及影響分析

蔡睿 陳先兵 蔡運考 咼波 周歡齊 趙煥陽

摘 要：為了控制制動盤的溫升和熱變形，進一步提升汽車的安全性，舒適性和經濟性，需要系統性的分析關鍵設計參數對性能的影響，并針對性的進行優化。汽車制動盤的熱變形，是制動系統開發中的關鍵指標，通過控制關鍵設計因素，從而降低制動盤熱變形，對提升制動系統性能具有重要意義。通過對制動盤熱變形的影響因素進行了總結分析，以某車型通風制動盤為研究對象，基于熱固耦合方法，對熱變形的影響因素進行研究。結果表明，摩擦環設計、盤帽/摩擦環連接處設計、以及盤帽設計對制動盤的熱變形有重要影響。

關鍵詞：制動盤熱變形;熱固耦合;仿真;制動盤熱容量

中圖分類號：TQ050.4;TP391.9

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0145-04

Thermal deformation simulation and impact analysis of brake discs based on thermo mechanical coupling

CAI Rui，CHEN Xianbing，CAI Yunkao，GUO Bo，ZHOU Huanqi，ZHAO Huanyang

（Zhejiang Libang Hexin Intelligent Brake System Co.，Ltd.，Wenzhou 325088，Zhejiang China）

Abstract：In order to control the temperature rise and thermal deformation of brake discs，further improve the safety，comfort，and economy of cars，it is necessary to systematically analyze the impact of key design parameters on performance and optimize them accordingly.The thermal deformation of automotive brake discs is a key indicator in the development of braking systems.By controlling key design factors，it is of great significance to reduce the thermal deformation of brake discs and improve the performance of braking systems.By summarizing and analyzing the influencing factors of thermal deformation of brake discs，a ventilated brake disc of a certain vehicle model was taken as the research object.Based on the thermal solid coupling method，the influencing factors of thermal deformation were studied.The results indicated that the design of the friction ring，the design of the disc cap/friction ring connection，and the design of the disc cap had a significant impact on the thermal deformation of the brake disc.

Key words：brake disc thermal deformation;thermal solid coupling;simulation;brake disc thermal capacity

制動盤的材料主要有鑄鐵、鋁鎂合金、鋁基碳化硅和碳纖維陶瓷等［1-6］。鋁鎂合金、鋁基碳化硅和碳纖維陶瓷，擁有各自的技術優勢，但是工藝復雜，價格昂貴，性能不夠穩定，目前還無法在乘用車制動盤上廣泛使用［7-10］。鑄鐵由于強度高，耐磨性好，工藝簡單，成本低，是乘用車制動盤最常見的材料［11-15］。目前，汽車工程師主要通過優化制動盤的設計參數來提升其熱性能［16-17］。

研究以某量產A00級轎車的通風式前制動盤作為研究對象，使用CAE熱固耦合仿真方法，計算制動盤在連續多次制動工況下的溫升和熱變形情況；在原版制動盤設計的基礎上，通過調整關鍵設計參數，并通過仿真方法計算新方案的溫升和熱變形的變化，以此分析關鍵參數對制動盤熱性能的影響。

1 熱變形仿真方法

1.1 研究對象及仿真工況

研究以某量產A00級轎車的通風式前制動盤作為研究對象，整車及制動器相關參數：整車滿載質量1 260 kg，前制動器活塞缸徑48 mm，前輪制動半徑93 mm，摩擦片名義摩擦系數0.38。為提升計算效率并且便于對比分析，在CAE仿真分析前，對設計模型進行簡化，去除圓角、倒角和其他細微幾何特征，僅保留制動盤最基本的幾何外形。相關簡化對制動盤熱性能的影響可以忽略。

對制動盤進行熱性能仿真分析時，最常用的測試工況為連續多次制動溫度提升（以下簡稱多次溫升），其工況如表1所示。

制動盤摩擦環截面圖如圖1所示。

圖1中，S1、S2、S3、S4分別代表制動盤摩擦環表面上4個參考點產生的垂直于摩擦環方向的軸向位移，這4個參考點分別位于內外側摩擦環的內徑和外徑。

該測試工況評估制動盤在連續多次制動中的溫度提升和熱變形情況。其中，溫度提升主要評估制動盤在多次制動過程中所取得最高溫度；熱變形主要評估制動盤最大軸向翹曲變形。翹曲變形的計算方法為［18-19］：

x=（S1-S2）+（S3-S4）2（1）

在汽車制動到停車的過程中，汽車行駛的動能轉化為熱能，并以熱流的形式進入4個制動盤。單個前制動盤摩擦環表面熱流密度的計算方法為［20］：

Q=M×α×β×V0×a2×s（2）

式中：Q 為單個前制動盤摩擦環表面的熱流密度；M 為汽車滿載質量；α 為汽車前軸制動力比；β 為制動盤熱流分配系數；V0 為汽車制動初速度;a 為汽車制動減速度;s 為制動盤內外側摩擦環的總面積。

1.2 基于熱固耦合模型的多次溫升仿真

制動盤多次溫升仿真模型基于熱固耦合方法，其有限元模型的網格類型為C3D4T，網格平均大小為2 mm。仿真計算中，制動盤材料參數如表2所示。對制動盤5個螺栓孔端面進行力學約束，同時在制動盤內外摩擦環上施加熱流密度。環境溫度保持20 ℃，并將制動盤所有的表面均設置一個固定的散熱系數。

1.3 制動盤仿真結果

基于以上CAE模型和測試工況進行仿真分析，制動盤多次制動后的熱變形的仿真結果如圖2所示。在制動停車過程中，伴隨著汽車行駛的動能轉化為熱能被制動盤吸收，制動盤摩擦環的溫度逐漸升高，導致摩擦環整體向外側膨脹，產生徑向位移X。該徑向位移通過鵝頸連接處的牽拉作用，引起盤帽整體錐度變形σ。由于盤帽鵝頸連接處的剛度對摩擦環的力學約束，盤帽的錐度變形引起了摩擦環外徑邊緣的軸向位移Y ，最終形成摩擦環的正向翹曲（θ>0）。由此可見，摩擦環徑向膨脹，盤帽錐度變形，以及鵝頸處的力學約束共同決定了摩擦環的整體熱變形的程度。

為了排除盤帽變形對摩擦環翹曲的影響，在鵝頸連接處直接施加固定端約束，限制其位移。通過仿真分析發現，制動盤在多次制動后，摩擦環同樣發生了翹曲。其原因是，內摩擦環由于熱膨脹發生徑向位移，但外摩擦環由于鵝頸的固定約束無法發生徑向位移，內外摩擦環的位移差異形成了正向翹曲（θ>0）。與此相對的，若將鵝頸與內摩擦環連接并施加固定端約束，則外摩擦環發生徑向位移，但內摩擦環由于約束無法位移，最終將形成反向翹曲（θ<0）。

在連續15次制動停車過程中，制動盤最高溫度為517 ℃，最大熱變形為0.416 mm，溫度和熱變形的變化如圖3所示。

由圖3可知，

值得注意的是，在初始的幾次制動過程中，制動熱能的輸入量遠大于對流散熱的輸出量，制動盤的溫度從40 ℃快速提高到500 ℃，制動盤的最大熱變形也超過0.4 mm；之后，由于溫度升高，制動盤對流散熱的輸出量逐漸提高，并且和單次制動中制動熱能的輸入量整體相當，因此每次制動間隔中，溫度都逐漸回落到當次制動前的溫度，制動盤的最高溫度和最大熱變形整體保持穩定，不再伴隨制動次數的提升而顯著增加。

2 熱變形影響因素分析

為了進一步研究設計參數對制動盤熱變形的影響，針對摩擦環，鵝頸以及盤帽的設計和材料參數進行調整，形成了共16個設計方案，見表3。

2.1 摩擦環設計

方案1保持制動盤設計不變，僅將材料熱導率提高20%。修改后的制動盤的仿真結果如表4所示。與原始方案相比，由于制動盤材料熱導率的提升，盤帽軸向內測接近摩擦環的部位（N1、N2）和軸向外側（N3和N4）的溫度均升高，說明由摩擦環傳導到盤帽的熱量增加了。相應的，摩擦環最高溫度降低了約10 ℃，制動盤熱變形也隨之減少了約4.5%。由此可見，隨著摩擦環溫度的降低，制動盤的熱變形也相應減小。值得注意的是，制動盤盤帽隨著溫度上升，同樣會引起徑向和軸向的膨脹，并最終導致摩擦環的變形；但由仿真結果可知，其對熱變形的影響，遠遠小于摩擦環溫度變化所帶來的影響。因此，增加制動盤材料的熱導率，有助于降低制動盤的溫度和熱變形，提升其熱性能。

2.2 鵝頸設計

當鵝頸連接點位于摩擦環中心面內側時，能夠補償盤帽整體形變所帶來的摩擦環軸向形變，進而減少翹曲的發生。為此，針對不同的鵝頸連接點軸向位置設計了3種方案，分別為鵝頸連接內摩擦環（方案7），鵝頸連接中間散熱筋（方案8）和鵝頸連接外摩擦環（方案9）。3個方案的盤帽軸向尺寸相同，以避免其對制動盤熱變形的影響。

值得注意的是，當鵝頸連接在內摩擦環（方案7）時，摩擦面由于整體徑向熱膨脹所產生的徑向力對摩擦環熱變形的補償已經超過了盤帽錐度變形所引起的熱變形，此時制動盤熱變形變成負值，即反向翹曲，如圖4所示。

由圖4可知，在制動盤設計開發過程中，通過調節優化鵝頸連接位置，能夠使制動盤在連續多次制動中的熱變形為零。

2.3 盤帽設計

針對盤帽設計參數的分析主要針對法蘭盤邊緣剛度和盤帽剛度。對盤帽法蘭盤邊緣剛度有2個設計方案，分別為降低剛度（外側倒角）和增加剛度（外側加厚度）。

仿真結果如表5所示，與原方案相比，方案13和方案14的最高溫度相似，因此溫度對熱變形的影響因素可以忽略。方案13由于法蘭盤邊緣剛度較小，使得盤帽能伴隨摩擦環的徑向變形而形成合理的錐度，防止了內外側摩擦環熱膨脹的差異而導致的制動盤相對于鵝頸的局部扭轉。同樣的，方案14由于法蘭盤邊緣剛度較大，限制了盤帽的錐度，最終加劇了摩擦環的翹曲變形。

3 結語

基于仿真計算驗證的改進方案制作制動盤樣件，并進行制動系統臺架測試，實驗結果驗證了設計方法的有效性。以某量產A00級轎車的通風式前制動盤為基礎，通過針對性的調整摩擦環，鵝頸和盤帽的設計參數，建立了共16個制動盤設計方案，并且基于熱固耦合方法建立仿真模型，計算制動盤在連續多次制動工況下的溫升和熱變形情況。提出了改善制動盤熱性能，減少熱變形的設計建議。

（1）使用熱導率較高的材料以降低摩擦環溫度；

（2）增加散熱筋數量以增加散熱面積，從而降低摩擦環溫度；

（3）控制摩擦環厚度，讓熱量均勻分布，避免局部溫度過高；

（4）鵝頸連接點設計于摩擦環中心面內側，補償盤帽錐度變形所帶來的摩擦環軸向形變；

（5）降低鵝頸剛度，減少對摩擦環的力學約束，進而減少了摩擦環徑向外邊緣的軸向位移和正向翹曲，改善了熱變形；

（6）降低盤帽整體剛度，使其能夠伴隨摩擦環的徑向變形而形成合理的錐度，降低摩擦環相對于鵝頸的局部扭轉所引起的熱變形。

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收稿日期：2023-10-15；修回日期：2024-01-17

作者簡介：蔡 睿（1985-），男，博士，高級工程師，主要從事車輛制動系統設計開發與振動噪聲控制研究；E-mail：wew121314@126.com。

基金項目：浙江省科技廳“尖兵”“領雁”研發攻關計劃項目（項目編號：2023C01253）。

引文格式：蔡 睿，陳先兵，蔡運考，等.基于熱固耦合的制動盤熱變形仿真及影響分析［J］.粘接，2024，51（3）：145-148.