復合材料在汽車制動缸中的應用研究
1 制動缸的結構
制動缸是液壓制動系統采用的活塞式制動蹄的張開機構，結構較為簡單，在車輪制動器中布置方便。其缸筒為通孔，需搪磨；活塞由鋁合金材料制造；活塞外端壓有鋼制的開槽頂塊，以支撐插入槽中的制動蹄腹板端部或端部接頭；工作腔由裝在活塞上的橡膠密封圈或靠在活塞內端面處的橡膠皮碗密封。多數制動缸有2個等直徑活塞；少數有4個等直徑活塞；雙領蹄式制動器的兩蹄各用一個單活塞制動缸推動。圖1示出制動缸的結構。
2 制動缸用復合材料設計
聚合物基復合材料是一個很大的材料體系，按其結構形式可以分為樹脂基復合材料和橡膠基復合材料。其中樹脂基復合材料是以有機聚合物為基體，它具有較高的比強度和比模量，耐疲勞性能好，并具有減振和吸振等特點，而且加工工藝比較簡單，因此被廣泛地應用于航空航天、汽車、體育器材等領域。
在分析了制動系統和制動缸工作原理的基礎上，根據熱固性樹脂和熱塑性樹脂的反應特點，確定以熱固性樹脂作為復合材料制動缸的基體材料，分別選用不飽和聚酯樹脂、鎂酚醛樹脂和環氧樹脂為基體樹脂，S-玻璃纖維為增強材料，采用預混法和模壓法制造制動缸。其中玻纖增強鎂酚醛樹脂復合材料制動缸的模壓壓力在28MPa以上，成型溫度在160～180℃，而玻纖增強環氧樹脂和玻纖增強不飽和聚酯樹脂復合材料的模壓壓力較低，后者僅為7～15 MPa。
3 制動缸材料參數的數值模擬
連續纖維增強復合材料在細觀組成上是比較復雜的，因為纖維不一定是各向同性的，且纖維力學性能比較難測試；復合材料中的纖維和基體的性質與單獨的纖維和基體的性質不盡相同；纖維形狀具有不規則性，排列具有隨機性，存在復雜的界面相；纖維和基體可能存在殘余應力和殘余應變；細觀應力狀態和應變狀態都比較復雜，所以采用復合材料細觀力學的簡單模型法來預測復合材料的宏觀性能。由于細觀組成的復雜性，在將簡單模型法應用于工程估算時對復合材料做了較多的簡化假設：①纖維和基體在復合前后性能均未變化；②纖維和基體是緊密粘接的；③纖維和基體分別是各向同性的；④纖維和基體是線彈性、小變形的；⑤纖維和基體無初應力。
在此基礎上編寫程序，對3種制動缸材料的參數進行了數值模擬，主要的計算公式如下：
4 制動缸的有限元分析
4.1 計算模型的建立
該制動缸有一個進油孔和一個出油孔，進油孔和出油孔關于制動缸軸線呈對稱分布，兩個安裝的螺栓孔也呈對稱分布。根據制動缸的工作特點、分析目的和結構的受力特性，精確測量尺寸，對實體模型進行局部簡化，如簡化了進油孔和出油孔局部復雜的接口；去掉圓角和倒角；對固定平臺和缸體采用ANSYS布爾運算的Add命令；選用Solid 45-8節點實體單元，Smart Size =6進行智能網格劃分。劃分結果得到制動缸模型，共有節點3977個，單元30949個。建立的計算模型見圖2。
4.2 邊界條件
制動缸對制動塊的作用力P與缸體直徑dw及制動缸中的液壓P的關系為：
式中：ρ＝8～12MPa，在正常制動剎車時，鼓式制動器的制動管路液壓一般不超過1012MPa。取12MPa作為制動輪缸的壓力載荷約束。
制動缸是通過兩個安裝螺栓孔來固定的，在制動過程中不可能有位移，所以位移邊界條件是約束制動缸的兩個螺栓孔，使其沿X、Y和Z三個方向的位移均為零。
4.3 計算結果
有限元分析的大位移和大應力分別見表2、表3，其中環氧樹脂/玻纖制動缸對應的位移場和應力場見圖3、圖4。
鎂酚醛樹脂／玻纖制動缸和不飽和聚酯樹脂/玻纖制動缸的位移場和應力場與環氧樹脂/玻纖制動缸相似。由表2、表3、圖3、圖4可以看出：
（1）不同材料的制動缸具有基本相同的應力場分布和位移場分布，大位移在離兩個安裝固定孔遠的區域，在3個方向中沿X方向的位移大，應力大位置都在進油孔和出油孔與缸體交接的區域，因為該區域有一定的應力集中。
（2）金屬制動缸的大位移為3.84μm，而鎂酚醛樹脂/玻纖制動缸的位移大為27.2μm，環氧樹脂/玻纖制動缸的位移大為21.1μm，不飽和聚酯樹脂／玻纖制動缸的位移大為32.6μm。3種復合材料制動缸在制動過程中的位移均大于金屬制動缸，但總體位移都較小，均可滿足制動要求。
（3）金屬制動缸的大應力為58.6MPa，而鎂酚醛樹脂/玻纖制動缸的大應力為58.3MPa，環氧樹脂/玻纖制動缸的大應力為58.5MPa，不飽和聚酯樹脂/玻纖制動缸的大應力為60.3MPa，表明不同材料制動缸在制動過程中的大應力也基本相同，且均可滿足制動要求。
5 結論
在復合材料制動缸的材料設計中，可選擇熱固性樹脂作為復合材料制動缸的基體材料，S-玻纖作為增強材料，玻纖含量應該控制在40%～50%。通過研究熱固性樹脂和玻纖的力學和物理性能，可設計出符合使用要求的復合材料制動缸的材料配方。采用復合材料細觀力學的簡單模型法可以預測復合材料的宏觀力學性能。在制動過程中，復合材料制動缸缸體的應力和位移都比較小，制動缸能安全正常地工作。
