基于ANSYS的汽车盘式制动器的结构优化设计.pdf
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1、2023年10月西安交通工程学院学术研究Oct.2023第 8 卷第 3 期Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteVol.8No.3作者简介:作者简介:陈荣荣(1988-),女,助教,硕士,机械设计制造机及其自动化。基基于于 ANSYS 的的汽汽车车盘盘式式制制动动器器的的结结构构优优化化设设计计陈荣荣(西安交通工程学 陕西西安 710300)摘摘要要:汽车在制动时,动能瞬间转换成大量热能,这些热量来不及散发,使制动盘和摩擦衬片的温度瞬间上升,材料的热衰退直接影响到制动的可靠性,所以制动器的瞬态热-固耦合分析在制动器设计过
2、程中有着举足轻重的作用。本文在 SolidWorks 软件中建立了某轿车盘式制动器的简化三维模型,并通过 ANSYS Workbench 软件对某轿车紧急制动时的制动器进行了瞬态热-固耦合仿真分析,分析了制动盘和摩擦衬片的可靠性,得到刹车后制动器、制动盘和摩擦衬片温度随时间的变化云图。热-固耦合分析结果表明,制动器的温度变化及分布规律是合理的,所以此设计的制动器散热性能良好,符合预期目标。同时本文在满足安全系数要求的情况下,对制动盘进行打孔和开槽,既增强了制动盘的散热性能,又提高了制动盘结构强度和安全系数,进一步实现了结构轻量化,为以后制动器的优化设计提供了参考。关关键键词词:制动盘;摩擦衬片
3、;瞬态热-固耦合分析;结构优化中中图图分分类类号号:U463 文文献献标标识识码码:AStructural Optimization Design ofAutomotive Disc Brakes Based onANSYSCHEN Rongrong(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract:When the car brakes,the kinetic energy is instantly converted into a large amount of thermal energy,and
4、these heat do nothave time to dissipate,so that the temperature of the brake disc and friction lining rises instantly,and the thermal decline of thematerial directly affects the reliability of the brake,so the transient thermal-solid coupling analysis of the brake plays a pivotal role inthe brake de
5、sign process.In this paper,a simplified 3D model of a car disc brake is established in SolidWorks software,and thetransient thermal-solid interaction simulation analysis of the brake during emergency braking of a car is analyzed by ANSYSWorkbench software,and the reliability of the brake disc and fr
6、iction lining is analyzed,and the change cloud of the temperature ofthe brake,brake disc and friction lining after braking is obtained.The results of thermal-solid coupling analysis show that thetemperature change and distribution law of the brake are reasonable,so the heat dissipation performance o
7、f the brake of this design isgood and meets the expected goals.At the same time,under the condition of meeting the safety factor requirements,this paperpunches and grooves the brake disc,which not only enhances the heat dissipation performance of the brake disc,but also improvesthe structural streng
8、th and safety factor of the brake disc,further realizes the lightweight structure,and provides a reference for theoptimization design of the brake in the future.Keywords:brake discs;friction linings;transient thermal-solid interaction analysis;structural optimization引引言言随着交通工具的不断发展和升级,制动系统的安全性和可靠性也变
9、得越来越重要。盘式制动器作为一种常用的制动系统,因其制动效果好、散热性能佳、易于维护和更换、稳定性和耐用性强等优点1,成为了现代交通工具中常用的制动系统之一,被广泛应用摩托车、汽车、火车、飞机等交通工具中。汽车制动系统的可靠性是保证汽车安全的基础,提高汽车制动系统的安全性与可靠性是汽车设计中的必要问题。制动系统的主要作用是能够使行驶中的汽车把速度降低到一个合适的范围内,以保证驾驶员的人身安全,所以制动系统对于汽车而言是极其重要的2。1 研究现状针对盘式制动器的结构设计,很多学者进行了大量的研究,已经相当成熟。文献3采用顺序耦合28基于 ANSYS 的汽车盘式制动器的结构优化设计方法对盘式制动器
10、的制动盘的热容量和热变形进行了多物理场结构仿真分析;文献4采用数值优化法5对制动盘进行优化设计;文献6利用 ANSYSWorkbench 对汽车盘式制动器性能的主要因素进行研究和分析;文献7基于 Ansys Workbench 对小型轿车前轮盘式制动器钳体进行轻量化设计。文献8利用 ANSYS 对制动盘进行拓扑优化,并对制动盘的温度场进行仿真分析。本文通过 ANSYSWorkbench 对某型轿车紧急制动时的制动系统进行瞬态热-固耦合仿真,分析制动盘和摩擦衬片的可靠性,为盘式制动器的优化设计提供参考。2 某轿车的盘式制动器的基本参数制动器的设计要求,首先需要满足汽车所需的制动效能。其次,制动盘
11、应要能够稳定工作,热稳定性好,使用寿命长9。本设计基于某型轿车,汽车主要参数如表 1 所示。表表 1整整车车主主要要参参数数名称参数总质量 M1190 kg轴距 L2365 mm前轴到质心距离 a1088 mm后轴到质心距离 b1227 mm质心高 h530 mm轮胎型号165/70 R132.1制制动动盘盘的的选选择择与与设设计计本次设计选择浮动钳盘式制动器,制动盘上设置了多个散热孔和散热槽,增大了制动盘与空气的接触面积,提升散热效果。材质上采用的是马氏体不锈钢 2Cr1310,屈服强度=440Mpa,该材料硬度高,耐腐蚀性强,既保证了强度,又进一步减轻了重量,降低了簧下质量,提高了车辆的操
12、控灵活性。2.1.1 轮胎有效半径 Re该车选用的轮胎型号为 165/70 R13,轮辋直径Dr=13*25.4330mm,轮胎有效半径Re=330/2+165*70%=280.5mm2.1.2 制动盘直径 D制动盘的直径通常选择 70%79%Dr11,制动盘的直径尽可能取大些,这样制动盘的有效半径增加,可以降低制动钳的夹紧力,减少摩擦衬片的单位压力和工作温度。这里选取制动盘D=75%Dr=0.75*330248mm。2.1.3 制动盘厚度 h制动盘厚度对制动盘的质量和工作时的温升有影响,不宜过大或过小,本设计采用实心制动盘,厚度可取 10-20mm,这里选取制动盘厚度 h=12mm。为了提升
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