汽车制动器三维有限元仿真：Abaqus联合Hypermesh

一、写在前面

制动器为行驶车辆的安全性和可靠性提供了重要保障，是汽车上最重要的安全部件之一。鼓式制动器由于结构简单、造价较低、结构紧凑、制动力矩大，在重型载货汽车和客车上有着广泛应用。汽车制动器的工作涉及三维摩擦接触和热机耦合问题，过程极为复杂。本文采用有限元仿真技术对其整个制动过程进行瞬态热机耦合分析，并对存在表面缺陷制动鼓的使用寿命进行预测。

本文以某汽车鼓式制动器为研究对象，根据传热学和摩擦学理论计算出仿真工况条件下传热学参数，总结归纳了制动器摩擦生热规律。

利用 ABAQUS 软件建立鼓式制动器三维有限元模型，采用直接耦合方法，模拟了制动器整个制动过程，分析了摩擦片与制动鼓内表面接触压力分布情况，各个零部件的应力变化情况，并得到车辆在减速状态下，制动器的温度变化。

二、认识鼓式制动器

鼓式制动器是最早期的制动器，早在 1902 年刹车鼓的设计就已经应用在了马车上，直到 1920 年才开始在汽车工业上广泛应用。典型的鼓式制动器结构如图 1-3 所示。主要包括制动轮缸、回位弹簧、制动蹄、制动鼓、摩擦片等，在车辆行驶过程中制动鼓与车轮一起转动，在需要进行制动的工况下，轮缸活塞对动制动蹄片产生压力使其压迫制动鼓，通过摩擦片与制动鼓的摩擦，降低车辆的动能最终达到降低车速，使车轮停止转动的目的，图1是鼓式制动器各个零部件结构图。

图1鼓式制动器图

三、有限元模型建立

1、制动器网格处理

采用quads四边形单元划分六面体单元网格，对于重点关心部位的网格进行细化处理。由于制动鼓结构对称，将鼓面网格单元旋转360º，即可以得到制动鼓的六面体单元；制动蹄的结构相对复杂，在mappable下进行切割处理，逐步划分六面体网格单元，最后镜像对称部分;摩擦衬片的结构相对简单直接画成六面体网格即可，但在网格质量检查时需要考虑翘曲影响，在abaqus中鼓式制动器的有限元模型如图2 所示。

图2 制动鼓网格模型

2、接触设置及边界条件确定

在重载鼓式制动器模型的接触设置中，摩擦衬片和制动蹄部分使用绑定连接，使两者具有相同的自由度，这样可以不再考虑两者接触部分节点自由度的接触状态，并且保证绑定两部分在不同材料属性的情况下面节点重合，摩擦衬片与制动鼓之间设置接触，接触之间的摩擦系数设置为0.38，并不考虑随温度变化���况;制动鼓内表面和摩擦衬片外表。

面之间切向行为采用罚函数摩擦公式进行求解计算，法向行为设置为硬接触%考虑主从面接触重量的影响，将制动鼓的内表面设置为接触主面，摩擦衬片的外表面设置为接触从面。对制动蹄销孔位置参考点RP ，将此参考点与销孔设置为耦合关系，边界条件约束和载荷直接添加到该参考点 , 上%鼓式制动器的接触设置关系和运动耦合关系设置情况如图 3所示。

图3  制动器接触耦合关系

3、接触设置及边界条件确定

在hypermesh中建立有限元模型以inp格式导出，导入到abaqus中设置材料参数，截面属性，创建分析步，设置接触与接触属性，确定边界条件，提交abaqus求解计算，计算单元类型选择 8节点的线性实体减缩单元C3D8R使用这种单元在计算时，当网格存在扭曲变形时，分析精度不会受到较大影响，且对位移的求解比较精确%在制动蹄的制动力位置处设置集中载荷将制动蹄撑开，制动蹄运动将引起摩擦衬片和制动鼓接触，模拟实际鼓式制动器的制动工况，重载制动蹄制(促)动力为8000~12000N，分析计算在较大集中力下各部件的强度等力学特性。

四、仿真结果

1、应力分析结果

利用abaqus显式求解器计算后，在abaqus后处理中得到的综合应力云图和位移云图结果如图4所示,计算应力最大值为142.8Mpa，出现在制动鼓的螺栓连接部分，位移最大值为3.5mm，在应力最大值的附近出现，即出现摩擦片和制动鼓接触较为严重的地方，这与实际运行工况趋势相符合。

从图 5 的计算结果来看，制动蹄在制动过程中，应力最大值出现在销孔的固定端位置，而位移最大值出现在施加促动力的端口，应力和位移分布与实际车辆制动过程的实际工况相符合。

图4制动鼓的应力云图和位移云图

图5制动蹄应力云图

2、有限元模态及振型分析

利用 Hyper Works 的 Ｒadioss 求解器计算鼓式制动器的有限元模态结果，运用 Lanczos 算法计算模态参数。制动鼓和制动蹄采用约束模态进行有限元分析，摩擦衬片采用自由模态进行有限元计算。计算得到制动鼓前 16 阶模态及振型的提取如图 6所示。

从表 3 的各阶计算云图结果中可以看到，前 16阶模态分析结果中固有频率的变化范围为 330．8587 ～ 2 412.211 Hz。其中，从第 7 阶模态以后开始便超过 1000 Hz，第 7 阶模态为 1080.736 Hz。

图6 模态阵型图

3、制动器温升分析

在不考虑对流换热系数和辐射换热的时候，进行热分析的结果如图7所示，最高温度为 167.849°C。考虑对流换热系数和辐射换热的时候，进行热分析的结果如图8所示，最高温度为 163.027°C。由此可以看到对流换热和热辐射在制动器工作的过程中，对热分析的结果影响不大。所以在后续分析过程中，可以忽略对流换热和热辐射的计算。

这样可以提高计算速度，降低运算工作量。取鼓式制动器最外边缘点 A，中间点 B，和最内侧边缘点 C 得到温升图形如图9所示。由图中显示可以看到，在制动鼓的摩擦区域温升比较快，温度- 20 -较高，在凸缘的位置，和制动器与轮毂相连接位置温升较低，说明凸缘的散热效果较好。

图7 热分析结果

图8 对流换热分析结果

图9制动器不同位置温升情况

五、仿真设计总结

以上是笔者关于Abaqus联合Hypermesh轮毂制动器麦弗逊悬架14讲中的部分内容，该视频包含轮毂、麦弗逊悬架和鼓式制动器等分析，希望对大家有所帮助，如有不当，欢迎批评指正。

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