复合材料在汽车制动缸中的应用研究
1 制动缸的结构
制动缸是液压制动系统采用的活塞式制动蹄的张开机构，结构较为简单，在车轮制动器中布置方便。其缸筒为通孔，需搪磨；活塞由铝合金材料制造；活塞外端压有钢制的开槽顶块，以支撑插入槽中的制动蹄腹板端部或端部接头；工作腔由装在活塞上的橡胶密封圈或靠在活塞内端面处的橡胶皮碗密封。多数制动缸有2个等直径活塞；少数有4个等直径活塞；双领蹄式制动器的两蹄各用一个单活塞制动缸推动。图1示出制动缸的结构。
2 制动缸用复合材料设计
聚合物基复合材料是一个很大的材料体系，按其结构形式可以分为树脂基复合材料和橡胶基复合材料。其中树脂基复合材料是以有机聚合物为基体，它具有较高的比强度和比模量，耐疲劳性能好，并具有减振和吸振等特点，而且加工工艺比较简单，因此被广泛地应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
在分析了制动系统和制动缸工作原理的基础上，根据热固性树脂和热塑性树脂的反应特点，确定以热固性树脂作为复合材料制动缸的基体材料，分别选用不饱和聚酯树脂、镁酚醛树脂和环氧树脂为基体树脂，S-玻璃纤维为增强材料，采用预混法和模压法制造制动缸。其中玻纤增强镁酚醛树脂复合材料制动缸的模压压力在28MPa以上，成型温度在160～180℃，而玻纤增强环氧树脂和玻纤增强不饱和聚酯树脂复合材料的模压压力较低，后者仅为7～15 MPa。
3 制动缸材料参数的数值模拟
连续纤维增强复合材料在细观组成上是比较复杂的，因为纤维不一定是各向同性的，且纤维力学性能比较难测试；复合材料中的纤维和基体的性质与单独的纤维和基体的性质不尽相同；纤维形状具有不规则性，排列具有随机性，存在复杂的界面相；纤维和基体可能存在残余应力和残余应变；细观应力状态和应变状态都比较复杂，所以采用复合材料细观力学的简单模型法来预测复合材料的宏观性能。由于细观组成的复杂性，在将简单模型法应用于工程估算时对复合材料做了较多的简化假设：①纤维和基体在复合前后性能均未变化；②纤维和基体是紧密粘接的；③纤维和基体分别是各向同性的；④纤维和基体是线弹性、小变形的；⑤纤维和基体无初应力。
在此基础上编写程序，对3种制动缸材料的参数进行了数值模拟，主要的计算公式如下：
4 制动缸的有限元分析
4.1 计算模型的建立
该制动缸有一个进油孔和一个出油孔，进油孔和出油孔关于制动缸轴线呈对称分布，两个安装的螺栓孔也呈对称分布。根据制动缸的工作特点、分析目的和结构的受力特性，精确测量尺寸，对实体模型进行局部简化，如简化了进油孔和出油孔局部复杂的接口；去掉圆角和倒角；对固定平台和缸体采用ANSYS布尔运算的Add命令；选用Solid 45-8节点实体单元，Smart Size =6进行智能网格划分。划分结果得到制动缸模型，共有节点3977个，单元30949个。建立的计算模型见图2。
4.2 边界条件
制动缸对制动块的作用力P与缸体直径dw及制动缸中的液压P的关系为：
式中：ρ＝8～12MPa，在正常制动刹车时，鼓式制动器的制动管路液压一般不超过1012MPa。取12MPa作为制动轮缸的压力载荷约束。
制动缸是通过两个安装螺栓孔来固定的，在制动过程中不可能有位移，所以位移边界条件是约束制动缸的两个螺栓孔，使其沿X、Y和Z三个方向的位移均为零。
4.3 计算结果
有限元分析的大位移和大应力分别见表2、表3，其中环氧树脂/玻纤制动缸对应的位移场和应力场见图3、图4。
镁酚醛树脂／玻纤制动缸和不饱和聚酯树脂/玻纤制动缸的位移场和应力场与环氧树脂/玻纤制动缸相似。由表2、表3、图3、图4可以看出：
（1）不同材料的制动缸具有基本相同的应力场分布和位移场分布，大位移在离两个安装固定孔远的区域，在3个方向中沿X方向的位移大，应力大位置都在进油孔和出油孔与缸体交接的区域，因为该区域有一定的应力集中。
（2）金属制动缸的大位移为3.84μm，而镁酚醛树脂/玻纤制动缸的位移大为27.2μm，环氧树脂/玻纤制动缸的位移大为21.1μm，不饱和聚酯树脂／玻纤制动缸的位移大为32.6μm。3种复合材料制动缸在制动过程中的位移均大于金属制动缸，但总体位移都较小，均可满足制动要求。
（3）金属制动缸的大应力为58.6MPa，而镁酚醛树脂/玻纤制动缸的大应力为58.3MPa，环氧树脂/玻纤制动缸的大应力为58.5MPa，不饱和聚酯树脂/玻纤制动缸的大应力为60.3MPa，表明不同材料制动缸在制动过程中的大应力也基本相同，且均可满足制动要求。
5 结论
在复合材料制动缸的材料设计中，可选择热固性树脂作为复合材料制动缸的基体材料，S-玻纤作为增强材料，玻纤含量应该控制在40%～50%。通过研究热固性树脂和玻纤的力学和物理性能，可设计出符合使用要求的复合材料制动缸的材料配方。采用复合材料细观力学的简单模型法可以预测复合材料的宏观力学性能。在制动过程中，复合材料制动缸缸体的应力和位移都比较小，制动缸能安全正常地工作。
