汽車高速盤制動的摩擦溫度場及熱應(yīng)力分析*

韓 寧, 趙河明, 王 維

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051； 2.北方自動控制技術(shù)研究所,山西 太原 030006 )

1 引 言

汽車制動過程是由剎車泵流出的液壓油對剎車鉗的活塞產(chǎn)生推力，推動剎車片對剎車盤施加壓力，剎車片與剎車盤產(chǎn)生摩擦力，將汽車的動能轉(zhuǎn)換成熱能。如圖1所示。

圖1 剎車系統(tǒng)示意圖

由于制動過程產(chǎn)生大量的熱使剎車片、剎車盤的溫度升高，當(dāng)超過剎車片的工況溫度時(shí)，就會發(fā)生熱衰減現(xiàn)象，摩擦系數(shù)降低，從而剎車失靈導(dǎo)致一些交通事故的發(fā)生[1-4]。剎車過程中，摩擦表面接觸溫度及溫度梯度受載荷、速度、摩擦系數(shù)、接觸時(shí)間、材料的熱物理特性及耐久性，摩擦部件的設(shè)計(jì)尺寸和工作環(huán)境等因素制約[5-6]。剎車是個(gè)循環(huán)不斷的過程，使剎車盤一直處在冷熱交替的過程之中，易產(chǎn)生疲勞裂紋，影響使用壽命。根據(jù)制動系統(tǒng)的非線性、模型的復(fù)雜性以及難以確定的邊界和初值條件的因素，采用有限元分析理論模擬剎車盤和剎車片的溫度變化情況是一種有效手段[7]。因此，采用數(shù)值模擬方法分析和掌握剎車過程溫度的變化規(guī)律為試驗(yàn)研究提供理論依據(jù)，也為剎車盤的改進(jìn)設(shè)計(jì)以及事故預(yù)防提供依據(jù)。

2 摩擦溫度場數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)Fourier傳熱定律和能量守恒定律建立傳熱分析問題的控制方程，即物體的瞬態(tài)溫度場T(x,y,z,t)應(yīng)滿足以下方程[8]：

(1)

式中：ρ為材料密度；cT為材料比熱，J/(kg·K);kx，ky，kz為沿x，y，z方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；Q為物體內(nèi)部的熱源強(qiáng)度，W/kg。

在實(shí)際問題的處理過程中對邊界條件要求十分苛刻，方程求解困難因此將邊界條件耦合進(jìn)泛函數(shù)中，即：

(2)

對于穩(wěn)態(tài)傳熱問題，即溫度不隨時(shí)間變化:

(3)

將物體離散為單元體，即Ω→∑Ωe，在單元體Ωe內(nèi)，可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)確定單元溫度場的函數(shù)模式，即將單元的溫度場Te(x,y,z)表示為節(jié)點(diǎn)溫度的插值關(guān)系，有：

(4)

(5)

其中：

3 模型建立及參數(shù)的確定

高速盤即改裝盤又稱打孔劃線剎車盤，一般都是裝配于高性能車，像賽車、跑車或者運(yùn)動性汽車。打孔劃線剎車盤是一把雙刃劍，其剎車性能及散熱有一定提高，但是這種剎車盤對剎車片的磨損會增大，對剎車盤的材質(zhì)跟加工要求要求也比較高。剎車盤采用單片式高速盤并簡化成圓形環(huán)。剎車鉗采用小四活塞式剎車鉗。剎車鉗簡化為A、B兩組四個(gè)圓柱形剎車片。對剎車片和剎車盤的近摩擦面端進(jìn)行細(xì)致網(wǎng)格劃分，都采用C3D8RT為網(wǎng)格的劃分類型。圖2為剎車系統(tǒng)的有限元模型。

圖2 剎車系統(tǒng)的有限元模型

剎車盤的材料為4Cr5MoV1Si，外徑為260 mm，內(nèi)徑為130 mm，厚度為6 mm；剎車片為樹脂加強(qiáng)的復(fù)合材料，半徑為20 mm，厚度20 mm，摩擦中心半徑為100 mm，材料具體參數(shù)如表1所列。剎車盤進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)用來模擬速度分別為20、50、100和 150 km/h的情況，制動時(shí)間為3 s，摩擦系數(shù)通過定速摩擦試驗(yàn)所得，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。摩擦壓力為2 MPa，并假設(shè)壓力均勻分布在剎車片上。摩擦初始溫度和環(huán)境溫度都為20 ℃。

表1 材料參數(shù)

表2 不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 摩擦面溫度分布隨時(shí)間變化情況

當(dāng)摩擦?xí)r間為0.2 s時(shí)，由于對周圍環(huán)境進(jìn)行熱擴(kuò)散使得最開始與剎車片接觸的模型面只比環(huán)境溫度高2 ℃左右，由于第二個(gè)剎車片是在第一個(gè)剎車片摩擦熱的基礎(chǔ)上累加的，因此剎車盤的最高溫度出現(xiàn)在第二個(gè)剎車片與剎車盤發(fā)生摩擦的區(qū)域。當(dāng)摩擦?xí)r間為1秒時(shí)，溫度分布呈現(xiàn)環(huán)形狀分布，大部分區(qū)域呈現(xiàn)均勻分布，摩擦中心的高溫窄色條帶開始形成，即使到摩擦3 s高溫條帶仍沒有合攏成環(huán)，但溫度從1 s的28 ℃迅速升高到3 s的81 ℃，升溫幅度比較大。

圖3 不同摩擦?xí)r間的溫度分布情況

由于剎車盤在不斷旋轉(zhuǎn)，因此選擇剎車盤a、b、c、d四個(gè)區(qū)域，作為觀測剎車盤隨時(shí)間變化情況，位置關(guān)系見圖3(a)。在摩擦速度為20 km/h、摩擦?xí)r間為3 s的條件下，剎車片2與剎車盤摩擦的a區(qū)域，成線性關(guān)系即隨時(shí)間推移直線上升，并且a區(qū)域與b區(qū)域的溫差比較大，同時(shí)此溫差也在增大摩擦到3s時(shí)達(dá)到最大值為18.85 ℃，b區(qū)域比a區(qū)域的斜率小，說明a區(qū)域產(chǎn)生的摩擦熱剎車盤能迅速散失掉，證明這種打孔劃線的剎車盤散熱還是不錯(cuò)的，c和d區(qū)域在3 s的摩擦?xí)r間內(nèi)溫度幾乎重合，在循環(huán)摩擦的情況下，靠剎車盤向環(huán)境進(jìn)行熱交換已經(jīng)達(dá)到飽和，由于c、d兩個(gè)區(qū)域的面積占剎車盤的大部分區(qū)域，因此決定著剎車盤的整體的散熱性能和使用壽命，如圖4所示。

圖4 剎車盤上a、b、c、d四個(gè)區(qū)域隨時(shí)間變化情況

4.2 摩擦面溫度分布隨摩擦速度變化情況

當(dāng)摩擦速度為20 km/h時(shí)在剎車盤與剎車片接觸過的區(qū)域形成環(huán)形的溫度分布，并且接觸中心的黑色高溫條帶開始顯現(xiàn)但還沒有合攏成圓環(huán)。摩擦速度為50 km/h時(shí)中心黑色環(huán)形條帶的最高溫度為160 ℃，與黑色環(huán)帶臨近的溫度為100 ℃，兩者的溫差為60 ℃；當(dāng)速度100 km/h時(shí)黑環(huán)帶的溫度為270 ℃，與黑色環(huán)帶臨近的溫度為150 ℃，兩者的溫差為120 ℃。當(dāng)速度150 km/h時(shí)黑環(huán)帶的溫度為430 ℃，與黑色環(huán)帶臨近的溫度為230 ℃，兩者的溫差為200 ℃，對比圖5(a)、(c)可看出，圖5(d)溫度所覆蓋的環(huán)形條帶要比圖5(a)中的寬，說明低速運(yùn)行時(shí)低溫區(qū)較多，而且隨著速度的加快剎車盤的a、b、c、d四個(gè)區(qū)域的溫度趨于一致，使整個(gè)剎車盤都處在高溫的環(huán)境中，時(shí)刻考驗(yàn)著剎車盤的機(jī)械性能，此時(shí)最容易發(fā)生熱衰減現(xiàn)象導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

圖5 不同摩擦速度的溫度分布情況

4.3 剎車盤Mises 應(yīng)力隨摩擦?xí)r間變化情況

剎車盤的內(nèi)應(yīng)力的大小直接決定著剎車盤的機(jī)械性能，圖6 為摩擦速度為150 km/h，摩擦?xí)r間為3 s后剎車盤的內(nèi)能變化情況。由于摩擦熱的產(chǎn)生使剎車盤的內(nèi)能隨時(shí)間逐漸增大，內(nèi)能的變化直接影響內(nèi)應(yīng)力的變化。

圖6 剎車盤內(nèi)能隨時(shí)間變化情況

從圖7可以看出在摩擦中心的區(qū)域是內(nèi)應(yīng)力最低，而在剎車盤的邊緣區(qū)域內(nèi)應(yīng)力反而高。說明隨著溫度的升高彈性模量反而下降，彈性模量下降使材料變軟內(nèi)應(yīng)力減小。當(dāng)兩者系數(shù)差距比較大時(shí)就會嚴(yán)重削弱材料的機(jī)械性能以致碎裂，造成嚴(yán)重后果。所

以為研發(fā)新型材料提供理論依據(jù)，新型材料可以為復(fù)合材料在摩擦中心應(yīng)為耐高溫、耐摩擦、散熱好、機(jī)械性能穩(wěn)定的材料；邊緣區(qū)域可選用傳熱好、散熱好、受扭矩大但耐溫可低點(diǎn)從而節(jié)約成本，這樣復(fù)合材料構(gòu)成的剎車盤使其優(yōu)良性能最大化。

圖7 摩擦速度150 km/h時(shí)剎車盤的Mises 應(yīng)力

5 總 結(jié)

(1) 高溫區(qū)出現(xiàn)在第二剎車片接觸的區(qū)域，當(dāng)?shù)退贂r(shí)剎車盤的散熱比較好，升溫幅度與時(shí)間成線性關(guān)系。

(2) 隨著速度的增加在摩擦中心出現(xiàn)一條高溫環(huán)形窄帶，并且在條帶附近區(qū)與高溫區(qū)的溫差也隨速度隨之增加。

(3) 剎車盤的內(nèi)能隨時(shí)間逐步增加，在高溫區(qū)的Mises 應(yīng)力最小，說明彈性模量也隨溫度增加在變小，使材料變軟內(nèi)應(yīng)力減小，從而為新型復(fù)合材料提供理論依據(jù)。

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