王立新，高雅妍，翟利剛

（河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018）

汽車制動系統(tǒng)是衡量汽車安全性能的一個重要因素。目前，盤式制動器廣泛應用于汽車制動系統(tǒng)，其基本工作原理是通過液壓系統(tǒng)把壓力施加到制動鉗上，使摩擦片與隨車輪轉(zhuǎn)動的制動盤發(fā)生摩擦，從而達到制動效果。據(jù)研究資料［1-2］顯示，因汽車制動力分布不均，引起制動盤摩擦磨損不均勻，致使其厚度不能滿足正常的制動需求，緊急制動下發(fā)生側(cè)滑以及制動失效等現(xiàn)象容易導致重大事故的頻繁發(fā)生。

研究人員對制動盤制動性能的優(yōu)化開展了大量的研究工作，其中在通過改變制動盤摩擦材料［3］、采用表面改性技術(shù)［4］等方面都取得了良好的效果，通過改變制動盤的表面結(jié)構(gòu)［5］，也可以很好地改善其制動及耐磨性能，但是表面結(jié)構(gòu)的變化對接觸界面摩擦磨損性能的影響關(guān)系沒有得出明確結(jié)論。

自然界中的昆蟲經(jīng)過數(shù)百萬年的自然進化，在其體表形成光滑與非光滑2種表面，從物理學的角度上看，光滑表面的阻力應該更小一些，但是近些年仿生學領(lǐng)域的研究卻發(fā)現(xiàn)在粘濕條件下，生物非光滑體表更具有耐磨、脫附、降阻的功能［6-7］。昆蟲經(jīng)過數(shù)以百萬年的進化，形成了各式各樣的適應生存環(huán)境的非光滑表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，如凸包、凹坑、條紋、網(wǎng)格等，并且不同的非光滑表面形態(tài)結(jié)構(gòu)有著不同的目的和作用［8］。其特點是：一定形狀的結(jié)構(gòu)單元隨機地或按一定規(guī)律分布于體表某些部位，表現(xiàn)出明顯的幾何非光滑特性。吉林大學相關(guān)學者基于蜣螂頭前部密布球冠形小突起的幾何特點所具有的減阻、耐磨特性，在推土板和犁壁上按一定要求均布若干個球冠形小突起，設(shè)計出了犁壁、推土板、發(fā)動機活塞等結(jié)構(gòu)的仿生試樣［9-10］并進行試驗，試驗結(jié)束后其非光滑表面凸起沒有明顯的磨損，表明了其脫土性能和耐磨性能良好［11］。本文基于蝗蟲非光滑體表結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的耐磨特性，設(shè)計出具有良好耐磨性能與制動性能的制動盤表面結(jié)構(gòu)，并對其進行應力場仿真分析。

1 制動盤表面微結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)建

1.1 仿生原型

經(jīng)過活體取樣和表面分析，研究發(fā)現(xiàn)蝗蟲體表不同部位具有不同的幾何非光滑形態(tài)。試驗用蝗蟲為河北石家莊原生態(tài)蝗蟲養(yǎng)殖基地的東亞飛蝗成蟲，羽化2周左右，蝗蟲飼喂于石家莊市北郊野外的飼養(yǎng)棚內(nèi)。運動與進食是蝗蟲的兩大生理特征，由于蝗蟲生存在干旱多風砂的環(huán)境中，蝗蟲腿部的附著系統(tǒng)為了實現(xiàn)穩(wěn)定附著，與外界產(chǎn)生頻繁摩擦?；认x主要依靠咀嚼式口器進食禾本科植物葉片，其咀嚼面易與葉片中混有的微細砂粒產(chǎn)生頻繁摩擦。因此進化為其腿部表面呈現(xiàn)出不均勻條紋結(jié)構(gòu)（如圖1 a）所示），牙齒側(cè)面呈現(xiàn)出不光滑形貌（如圖1 b）所示），以抵御生存環(huán)境中風砂或其他物質(zhì)的摩擦磨損。蝗蟲體表因具有非光滑表面結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出的優(yōu)異耐磨特性為改善制動盤表面結(jié)構(gòu)提供了靈感。

圖1 蝗蟲的非光滑表面結(jié)構(gòu)Fig.1 Non-smooth surface structure of the locust

1.2 制動盤幾何模型的建立

本文主要研究制動盤制動過程中應力場的分布情況，以期獲取制動性能和耐磨性能優(yōu)良的表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。

經(jīng)過蝗蟲的活體取樣、表面分析及形態(tài)選取，將根據(jù)其他昆蟲非光滑表面結(jié)構(gòu)建立仿生形態(tài)樣件的方法作為參考［12-15］，根據(jù)蝗蟲體表不同部位所具有的特殊幾何非光滑形態(tài)結(jié)構(gòu)以及整體呈現(xiàn)的不光滑形貌，提出制動盤表面微結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計。采用三維建模軟件Solid Works按照制動盤、摩擦片實物1∶1進行建模，考慮結(jié)構(gòu)主要力學特性的前提下，忽略對仿真分析影響不大的部位，對模型進行簡化處理。根據(jù)蝗蟲表面微結(jié)構(gòu)幾何尺寸（溝槽的寬度大約為30 nm）進行制動盤表面微結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)建，為便于操作，實際過程中按100 000∶1的比例進行設(shè)計。依據(jù)上述方法建立了幾種具有孔、槽等結(jié)構(gòu)的制動盤表面非光滑結(jié)構(gòu)模型（如圖2所示），并分析制動盤表面結(jié)構(gòu)的變化對制動盤結(jié)構(gòu)應力場的影響。針對應力場分析研究，作出如下假設(shè)：

1）暫時不考慮熱場對其的影響，制動盤和摩擦片之間的摩擦系數(shù)恒定，設(shè)為0.3；

2）摩擦片和制動盤之間的接觸為面面接觸；

3）材料設(shè)置為各向同性。

制動盤和摩擦片之間有摩擦力并發(fā)生相對滑動，設(shè)置兩者的接觸類型為摩擦接觸，摩擦系數(shù)取為0.3。將建立好的模型，導入到ANSYS Workbench中進行仿真分析。

圖2 制動盤模型的建立Fig.2 Establishment of the brake disc model

2 制動盤模型有限元分析

2.1 材料參數(shù)的確定

設(shè)置汽車通風式制動盤和摩擦片的材料特性：制動盤采用的材料是HT200（其材料特性如表1所示），摩擦片采用的材料是樹脂加強復合材料。

表1 制動盤的材料特性參數(shù)Tab.1 Material characteristic parameters of the brake disc

2.2 邊界條件及載荷的施加

使用ANSYS Workbench對幾何模型進行有限元分析，仿真該結(jié)構(gòu)在給定外加載荷的情況下對其產(chǎn)生的影響。本文主要對制動盤在制動力作用下的應力場進行分析。對制動盤進行徑向和切向的轉(zhuǎn)動位移約束，對摩擦片進行X和Z方向的位移約束，在摩擦片的表面上施加相同的制動壓力。對上述4種模型分別在100 km／h，60 km／h和30 km／h 3種不同的初始速度下進行仿真分析，模擬其制動結(jié)束所需要的時間、接觸應力和最大應力，并對上述結(jié)果進行相應的比較。以模型1為例，制動盤網(wǎng)格劃分如圖3所示，受到的載荷和約束情況如圖4所示，模型2—模型4的劃分網(wǎng)格、約束加載方法與其相同。

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)果匯總

對不同制動初速度下4種模型的制動時間、制動過程中制動盤所受到的應力以及接觸應力信息進行提取，如表2所示。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

圖4 邊界條件的加載Fig.4 Applying the boundary conditions

表2 3種工況下制動結(jié)束時的情況對比Tab.2 Comparison of the braking condition in the three conditions

3.2 評價指標

制動盤應力場的模擬過程中，制動時間和接觸應力分別是評價制動性能和耐磨性能的指標。在其他條件一定時，制動時間越短，表明其制動性能越好；接觸應力越小，表明其耐磨性能越好。

3.3 過程分析

由表2可知，模型4在最高制動初速度下制動過程中的最大應力及接觸應力均較大，因此，模擬模型4在100 km／h初始制動速度下實際的制動工況，對制動過程中的最大應力進行仿真分析，得出其在實際制動工況下的最大接觸應力約為20 MPa（＜200 MPa），小于其許用應力，滿足使用要求。

1）將不同表面結(jié)構(gòu)在同一制動速度下（以60 km／h為例），進行制動過程中（0.6 s時）和制動結(jié)束時的應力大小以及分布情況進行對比（如圖5所示）。

經(jīng)過對不同模型在同一制動初速度下制動過程中和結(jié)束時的等效應力分析可以看出，等效應力最大位置出現(xiàn)在接觸區(qū)，在遠離接觸區(qū)域的位置幾乎沒有應力。制動盤結(jié)構(gòu)上的變化并沒有對其應力分布產(chǎn)生很大的影響。

2）在3種不同制動速度下，對同一表面結(jié)構(gòu)（以模型2為例）進行制動過程中和制動結(jié)束時的應力大小以及分布對比，如圖6所示。

經(jīng)過對同一模型在不同制動初速度下，制動過程中和制動結(jié)束時的等效應力分析可以看出，制動速度的變化對制動盤上的應力分布沒有產(chǎn)生很大的影響。

圖5 不同模型在60 km／h初速度下制動等效應力云圖Fig.5 Braking equivalent stress nephogram of different models at the initial velocity of 60 km／h

3）將3種不同制動初速度下，將2種模型在制動過程中制動盤的最大應力進行對比，繪制曲線圖，如圖7所示。

由圖7可以看出，在制動初期，非光滑模型所受到的接觸應力和光滑表面相比較小，且制動需要的時間短，表明其可能在緊急制動方面發(fā)揮明顯的優(yōu)勢。這是由于：1）溝槽及凹坑的非光滑形態(tài)使制動盤與摩擦片之間更容易產(chǎn)生空氣膜，空氣粘附力降低了它們之間的接觸應力；2）溝槽及凹坑的存在可以有效防止打滑現(xiàn)象的發(fā)生；3）非光滑表面形態(tài)也減小了制動正壓力對制動盤表面的作用，進而降低了摩擦分量及接觸應力。綜上所述，制動初期非光滑表面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。但隨著制動的進行，溝槽及凹坑附近容易產(chǎn)生接觸應力集中的現(xiàn)象，表現(xiàn)為圖7中非光滑表面的最大接觸應力大于光滑表面的。

圖6 模型2在不同制動初速度下制動等效應力云圖Fig.6 Braking equivalent stress nephogram of model 2 at different initial velocity

圖7 模型1和模型2在不同制動初速度下制動過程中制動盤最高壓力曲線Fig.7 Highest pressure curves of the brake plates of model 1 and model 2 under different braking original velocity

4 結(jié) 論

1）總體而言，光滑模型的制動時間均大于非光滑模型的，其中模型3在中低速時，制動時間較短，表現(xiàn)出良好的制動性能；而模型2在高速時表現(xiàn)出良好的制動性能。

2）制動結(jié)束時模型2和模型3的最大接觸應力相對較小，表現(xiàn)出良好的耐磨特性。

3）通過對4種模型制動過程中的最大應力分析對比可知，制動開始時，非光滑表面的最大應力較小，制動時間短，表明其可能在緊急制動方面發(fā)揮明顯的優(yōu)勢。

4）由制動結(jié)束時的模擬結(jié)果可知，等效應力最大位置出現(xiàn)在接觸區(qū)，在遠離接觸區(qū)域的位置幾乎沒有應力。結(jié)構(gòu)變化以及制動初速度對制動盤的應力分布影響不是很大。但是非光滑表面結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生應力集中，應對其進行表面時效處理。

通過對制動盤表面微結(jié)構(gòu)的仿生模型進行應力場分析，可知非光滑表面結(jié)構(gòu)在制動性能和耐磨性能方面均發(fā)揮出了較大的優(yōu)勢，該結(jié)果對于尋求一種制動性能和耐磨性能良好的仿生制動盤表面優(yōu)化設(shè)計方法提供了理論基礎(chǔ)。如何對非光滑表面模型進行優(yōu)化，找到最優(yōu)表面結(jié)構(gòu)，成為今后研究的重點。

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