1.1 盘式制动器优点

早期汽车制动系统多采用鼓式制动器，随着社会的不断进步，汽车的车速越来越高、载重越来越大，人们对汽车制动系统的要求越来越高，盘式制动器凭借其整体结构紧凑、热稳定性好和水稳定性好等优点逐步被人们所青睐。近年来越来越的汽车前后轮均采用盘式制动器，鼓式制动器渐渐退出汽车界。盘式制动器有着众多优点，如以下所示：

（1）整体结构紧凑盘式制动器的整体结构较为紧凑，力的传动效率高。同尺寸的盘式制动器与传统鼓式制动器相比较，盘式制动器达到的制动效果更好。

（2）遇热稳定性好与鼓式制动器相比较，盘式制动器无自增力，因此其制动效果基本不受摩擦系数的影响。在热膨胀方面，盘式制动器的制动盘径向膨胀对制动效能无影响，而其轴向膨胀较小，因此盘式制动器在受热膨胀后对制动效果影响很小。

（3）遇水稳定性好盘式制动器在制动时制动块与制动盘之间单位压力非常大，高速旋转的制动盘存在很大的离心力，当盘式制动器涉水之后，在制动压力和离心力的作用下，制动块与制动盘之间的水很容易被挤出，因此涉水对其制动效果影响较小。

（4）散热性好盘式制动器的通常采用通风盘结构，通风盘散热表面积较大，同时其安装位置较为 ** ，在车轮高速旋转的同时加快了空气流动速度，因此盘式制动器的散热效果较好。

（5）反应灵敏在盘式制动器的结构上，制动盘与制动块之间的间隔较小，从而大大减小了制动行程。同时与鼓式制动器相比，盘式制动器的热膨胀较小，不会因热膨胀带来的行程增大问题，因此其反应更加灵敏。

（6）易于保养随着制动次数的增加，制动盘与制动块之间间隙会逐渐增大，而盘式制动器中的制动盘与制动块之间的间隔可以实现自动调整。在维修方面，盘式制动器便于拆卸和装配，损坏件一般为磨损量过大的制动块，维修成本较低。

1.2 盘式制动器分类

按照制动压力方式的不同盘式制动器可分为液压式和气压式；按照固定制动块结构的不同盘式制动器可分为全盘式和钳盘式。全盘式制动器的制动背板和制动块的形状为圆环状，在进行制动时制动盘的摩擦面与制动块的摩擦面之间完全接触。全盘式制动器的应用范围较小，目前主要应用于少数重型汽车上，其可以作为制动器或缓速器。钳盘式制动器的钳体上有2～4 个制动块，制动块的摩擦面与制动盘的摩擦面之间接触面积较小，其制动压力较大，因此对制动块材料的抗压、耐磨能要求较高。以前人们将盘式制动器安装在汽车上充当中央制动器使用，随着盘式制动器的认可程度的提高，到现在已经成为各类汽车的标配。钳盘式制动器分为两种：定钳盘式和浮钳盘式。

（1）定钳盘式制动器定钳盘式制动器在汽车上的应用要早于浮钳盘式制动器，定钳盘式制动器的运动副较少，整体刚度较大，但因其制动盘两侧都设有活塞，布局困难，故而导致其尺寸较大。同时对油缸和活塞的精密度要求较高，导致了制造成本的加大。此外，因盘式制动器在制动时会使制动块产生大量的热，进而传递给制动液，导致制动液产生大量气泡，最终影响制动效果。定钳盘式制动器的钳体是固定的，故而不作轴向移动。制动块处于制动盘的两侧，当制动时钳体内的活塞在油压的作用下将制动块推出，制动盘在两侧制动块的挤压下进行制动，如图1.1 所示。

（2）浮钳盘式制动器浮钳盘式制动器顾名思义其钳体是不固定的，钳体运动方式有两种：沿导向销做轴向平移和绕承销摆动。因其油缸只存在于内侧，故而使其结构简单、易于布局，同时缩小了整体尺寸，较少了总质量，使得成本大大降低。浮钳盘式制动器的内制动块是可以随活塞运动的，外制动块是固定在钳体上的。当汽车进行制动时，气压或者油压会通过活塞将内制动块推出，使其压向制动盘，此时，钳体会在反作用力下向制动盘一侧移动，从而使两侧制动块紧压制动盘，最终达到制动的目的，如图1.2 所示。

1.3 盘式制动器受力分析

以目前汽车上最为常见的浮钳盘式制动器为研究对象，针对其工作时的受力状况进行分析。首先对其工作原理进行分析：当汽车进行制动时，液压（或气压）将内侧钳体中的活塞推出，带动内制动块向制动盘面接触挤压，钳体桥在反作用力下会沿轴向向制动盘一侧移动，从而带动外制动块接触挤压制动盘面，制动块与制动盘相互接触产生摩擦力，从而达到制动效果。当汽车停止制动时，液压油流回油箱，制动压力消失，同时在回位弹簧的作用使两侧制动块恢复到原来位置，至此制动过程结束。在汽车的制动过程中，由司机踩下刹车到汽车速度降为零时，其过程大致可以分为三时期：第一时期为汽车的反应滞后时期。这段时间由于制动踏板会有运动行程和制动盘与制动块之间存在间隙，从而导致此阶段制动器没有起到制动的作用。第二时期为盘汽车开始制动一直到车轮抱死时期。这段时间制动器的制动力矩不断增大，汽车的车轮滚动与拖滑交替出现，最终使车轮抱死。第三时期为车轮抱死拖滑到汽车速度降为零时期。这段时间制动器的制动力矩基本保持稳定，最终汽车速度降为零。本文需要以最大制动力矩为标准，进而各部件在受到最大制动力矩后性能保持不变为前提进行研究设计。其简化图如图1.3 所示。

1.4国内外研究现状国外研究现状

关于盘式制动器的仿真分析研究，国外研究文献较多，但多数文献局限于对盘式制动器的振动模态分析、制动噪声分析和热力学分析等方面，针对盘式制动器结构轻量化方面的研究较少。在弹性力学方面，17 世纪70 年代，R.HooKe 提出了胡克定律，指出固体材料的弹性变形与其所收到的外力是成正比的。19 世纪20 年代，A.L.Cauchy、J.C.B.Saint Venant 和C.L.M.H.Navier 等人创立了数学弹性理论。1871年，M.Levy 把塑性应变应力的研究有二维增加到三维[25]。在有限元分析软件方面，1969 年，Pedro 公司发布了非线性有限元程序软件MARC。1972 年，Hibbitt 创建了HKS，从而发布了ABAQUS 软件。1989 年，美国Altair 发布了HyperMesh 软件，在1994 年进一步研发出了OptiStruct 模块。国外汽车轻量化设计最早应用在方程式赛车上，因为比赛会限制赛车的车身重量。1973 年，全球爆发石油危机，导致越来越大的汽车厂商开始注重节能技术，其中汽车车身轻量化设计属于重要设计部分。汽车轻量化设计主要包括对其车身的轻量化设计和零部的件轻量化设计，在汽车零部件轻量化设计上的表现为：.

（1）采用铝合金、镁合金、复合材料和陶瓷等质量较轻，性能较好的材料为制造原料，在根源上减轻了零部件的质量。

（2）通过运用计算机技术对汽车的结构进行模块化设计，使得设计质量不断提高，进而实现轻量化设计。在1994 年，国际钢铁协会成立了ULSAB 项目。

ULSAB 项目运用的技术包括：

（1）使用HSS 和AHSS。

（2）使用复合钢板结构。

（3）液压成型工艺。

（4）使用FEM 对结构进行分析优化。

另外，各国一些研究院所对汽车轻量化设计技术做了很多年的研究，并取得了丰富的成果。在欧美日国家，多数汽车生产商降低油耗的方法是降低汽车零部件的重量。通过CAD/CAE 软件可以对汽车的零部件进行结构和尺寸的优化。现在，许多发达国家的汽车零部件生产商都拥有自己的CAD/CAE 系统。

1.5 国内研究现状

随着我国汽车需求量的不断提高，汽车的生产量也越来越大，进而带动了盘式制动器产量的提高。我国盘式制动器的制造水平越来越高，较著名的生产厂商有重庆红宇、亚太机电和万向钱潮等。我国汽车起步较晚，在汽车零部件的制造方面落后更为严重。近几年国内汽车产业发展迅速，汽车零部件轻量化材料的研发发展迅速。在汽车结构的设计方面，国内已经彻底摆脱了经验设计，运用现代CAD/CAE 技术对汽车结构进行优化设计。在我国北京航空航天大学研发出了的CAD 系统CAXA，此模块主要针对的是结构设计的轻量化技术，通过有限元法和优化设计方法进行结构优化，进而较少了零部件的质量。根据中国汽车工业协会统计，我国在2008 年汽车专用盘式制动器需求量达到了2755 万台，亚太机电已成为最大的盘式制动器制造商。与美、日、德、韩等汽车强国相比，我国在汽车轻量化方面的起步较晚，目前尚有许多共性关键技术问题亟待解决。几年来，国内汽车零部件轻量化材料的研究和应用发展迅速，铝合金、镁合金、高性能钢板在汽车上得到了广泛的应用。如奇瑞汽车的艾瑞泽7 发动机采用了铝合金材料；一汽和奇瑞轿车的部分车身采用高强度钢。在汽车结构优化设计，中国已经完全摆脱过去主要依靠经验设计，CAD/CAE 设计法分析静态和动态强度的优化使用。在近几年文献中，米洁和吴欲龙采用多目标模拟退火法对盘式制动器进行优化设计，在保证盘式制动器可靠性的前提下减小其尺寸和摩擦副的升高温度。王良模、彭育辉等人通过对盘式制动器的受力分析情况，建立了钳体和托架的力学模型，利用CAD/CAE 软件求建立有限元模型后进行静力分析得出了钳体和托架的在工作状态下的应力及分布，表明了设计强度符合要求。王宏斌利用CAD/CAE 技术通过建立有限元模型对盘式制动器的结构进行了轻量化设计，经过优化后的盘式制动器总重量减轻了20.69%，减少了偏磨，在性能指标上均满足盘式制动器的需求。