1.1研究背景

随着科学技术的进步以及人们生活水平的提高，汽车逐渐进入大部分家庭。截止2018年底中国的汽车保有量已经达到了2.4亿辆。我们在享受汽车带来生活方便的同时，也在担心其安全问题。汽车行车制动器是汽车的重要部件，能有效的保证汽车的行车安全。盘式制动器以其众多的优异性能广泛应用于汽车制动系统中^[1]。汽车盘式制动器主要由制动盘，摩擦块，制动卡钳，活塞等组成。在制动时，靠摩擦片与制动盘的摩擦产生制动力。目前盘式制动器由于性能优异，被应用于绝大多数乘用车的前后轮制动和商用车的后轮制动中。

在盘式制动器的设计与应用过程中也存在许多需要不断去解决和优化的问题。多频率的制动尖叫严重影响着汽车的乘坐舒适性，也对对汽车使用者及周围人群的身心健康也构成了威胁^[2，3]。在世界石油消耗过度的大背景下，盘式制动器的轻量化设计对节能减排有着十分重要的意义^[4]。汽车制动器在制动时，主要靠制动盘和摩擦块的摩擦产生制动力，会产生大量的制动热，若制动器散热性能不佳会导致制动器温度急剧上升，使制动器产生热衰退，严重影响制动器的制动效率，甚至可能使制动器失效。而制动盘的结构例如有无通孔，通槽的形状等等都会严重影响制动器的散热性能^[5]，而汽车盘式制动器的散热问题一直是盘式制动器设计的难题之一。汽车制动器特别是钳壳体和托架等关键零部件在实际工作中不仅承受着制动摩擦力和制动力，同时也受因制动热产生的热变形的影响，容易使得制动器关键部件发生断裂等情况，所以对于盘式制动器的强度也有着较高的要求^[6]。本课题主要从汽车盘式制动器的结构设计入手，对制动盘进行热力学分析和对钳壳体等进行静力学强度分析以实现对汽车盘式制动器进行优化设计。

1.2国外汽车盘式制动器研究现状

随着计算机技术和和计算软件特别是ANSYS，ABAQUS，CATIA，UG等CAE/CAD软件在几十年中的不断发展，计算机软件也被广泛应用于汽车盘式制动器的研究设计之中。这极大的方便的汽车盘式制动器的设计，加快盘式制动器的设计进程。随着技术的发展，汽车盘式制动器得到了广泛的应用。国外也有不少的学者针对汽车盘式制动器的性能作着研究。

Qi H.S和Day A.J^[8]采取实验来分析制动盘和摩擦片温度分布，并且采用有限元法对制动盘局部温度与接触面积的关系进行了研究。而F. E. Kennedy和JH Chio和I Lee^[9]为了分析盘式制动器的热弹性现象，利用接触问题求解了耦合热传导方程和弹性方程。对盘式制动器在重复制动条件下的热弹性行为进行了数值模拟。给出了接触体间各摩擦面上压力和温度分布的计算结果。HishamA. Abdel-Aa1^[10]指出摩擦热在一定的压力和速度条件下是一个和材料性能、材料物理尺寸和摩擦时间长短等因素有关的组合函数。Zhuo Chen,Yun-Bo Yi,JiaxinZhao^[11]采用简化傅立叶方法对环形环的热屈曲进行了数值分析。通过商业软件ABAQUS对轴对称模型进行了验证。结果表明，存在一个特定的波数，屈曲温度达到最低。Stevens,Kevin, Tirovic, Marko^[12]通过研究典型的无量纲空气特性，对简化的制动盘摩擦表面上平均局部对流换热系数的变化进行了研究。推导了整个冷却阶段表面平均对流换热系数随温度降变化的非线性方程。Yevtushenko AA, Grzes P^[13]基于运动方程和热传导边界值问题，对典型客车盘式制动器摩擦热进行了数值模拟并研究了两种与铸铁制动盘结合的制动片材料。推导出摩擦系数和磨损率对制动器温度和接触压力的依赖关系。

1.3国内汽车盘式制动器研究现状

随着改革开放的不断深入，国民经济的不断发展，百姓购买力的不断上升，加之外资企业的进入，与国内汽车企业建立合作企业，使得中国汽车产量不断增加。随之而来的是作为汽车关键部件汽车制动器的大规模制造生产，汽车盘式制动器凭借其优异的性能成为汽车制动器的主导产品。目前在国内，汽车盘式制动器在乘用车，商用车领域上得到了大规模的应用，国内专业对汽车盘式制动器的也有这较为广泛和深入的研究^[14]。

刘莹等人^[15,16]在2012年借助COMSOL Multiphysics软件分析了制动盘和摩擦片在不同密度、比热容和导热系数下温度场分布;在2013年在ANSYS APDL中采用循环迭代法计算了紧急制动工况下的温度场，采用间接祸合的方法求解了应力场，认为制动时产生的热应力是使得制动盘结构破坏的主因。清华大学的李亮^[17]分别采用有限差分法和有限元法来计算盘式制动器在连续十五次重复制动工况下的瞬态温度场，并对两种方法所获得的计算结果进行对比分析，结果显示对于几何形状较为简单而规则的制动盘而言，采用两种方法求解所获得的温度场结果基本保持一致。高诚辉、林谢昭和黄健萌等人^[18]以某款红旗轿车的盘式制动器为研究对象，通过采用加载随时间和空间都不断变化的热流密度的方式，来计算不同制动工况参数对盘式制动器温度场分布的影响，并对比了在相同的摩擦系数条件下而制动压力增长方式不同的情况下所得的温度场以及在以相同的制动压力增长方式而摩擦系数不同的情况下所得到的温度场。黄凤山、高雅妍^[19]等人对制动盘表面进行了仿生构建，认为圆凹坑结构的制动盘散热性更好，在紧急制动工况中、频繁制动工况以及制动初始速度较高的条件下，仿生制动盘应力小的优势会更加明显。

1.4研究目的及意义