通風(fēng)盤式汽車制動(dòng)機(jī)構(gòu)剎車過程多場(chǎng)耦合分析研究

畢厚煌 柯國琴 安宗權(quán) 郭文舉

摘? 要：制動(dòng)機(jī)構(gòu)作為汽車整體結(jié)構(gòu)組成中的一部分，具有十分重要的作用和使用價(jià)值。剎車制動(dòng)時(shí)剎車片與制動(dòng)盤之間接觸摩擦行為消耗行駛中車輛的動(dòng)能，而摩擦過程中生成的熱量會(huì)對(duì)制動(dòng)盤、剎車片的材料力學(xué)性能和車輛制動(dòng)性能產(chǎn)生很大影響。本文通過在有限元分析軟件ABAQUS中模擬汽車剎車制動(dòng)過程，考慮摩擦面的表面對(duì)流和熱輻射等因素，對(duì)制動(dòng)盤分別作為剛體和柔性體兩種狀態(tài)下的制動(dòng)過程進(jìn)行熱力耦合動(dòng)態(tài)分析，為通風(fēng)盤式制動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及對(duì)其性能量化評(píng)價(jià)，提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)機(jī)構(gòu);接觸摩擦;對(duì)流輻射;熱力耦合

中圖分類號(hào)：U463.512? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0142-04

0? 引? 言

制動(dòng)性能作為評(píng)價(jià)車輛安全性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其主要由制動(dòng)機(jī)構(gòu)裝置的性能參數(shù)決定。行駛中的汽車具有一定的動(dòng)能，剎車制動(dòng)的過程即為動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。制動(dòng)時(shí)剎車片與制動(dòng)盤在制動(dòng)鉗的壓力作用下相互接觸，在短時(shí)間內(nèi)彼此摩擦產(chǎn)生大量熱能，一部分熱能以熱傳導(dǎo)的形式將熱量傳遞給制動(dòng)盤和剎車片，另一部分熱能通過接觸面與空氣以對(duì)流和熱輻射形式進(jìn)行能量擴(kuò)散。而熱傳導(dǎo)過程使得制動(dòng)盤和剎車片溫度不斷升高，導(dǎo)致二者接觸表面產(chǎn)生局部熱應(yīng)力、制動(dòng)效能熱衰退等現(xiàn)象[1]。為了提高汽車制動(dòng)機(jī)構(gòu)的剎車性能，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)汽車制動(dòng)過程做了相關(guān)研究。陳再發(fā)[2]在汽車剎車制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)上通過有限元分析，提出對(duì)制動(dòng)盤的形狀優(yōu)化。Qiu L和Cheng H S[3]利用等溫度場(chǎng)和壓力分布進(jìn)行熱力耦合分析，為模擬汽車制動(dòng)過程提供參考。周豐[4]在分析盤式制動(dòng)機(jī)構(gòu)剎車制動(dòng)時(shí)，分析采用ABS技術(shù)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性以及制動(dòng)距離的影響。Emara-Shabaik和KHULIEF Y A[5]通過改變對(duì)制動(dòng)鉗施加制動(dòng)力矩的算法，提高了制動(dòng)安全系數(shù)和效率。

2? 通風(fēng)盤式剎車盤熱力耦合分析

2.1? 制動(dòng)器構(gòu)件主要材料性能參數(shù)及分析步設(shè)置

制動(dòng)盤材料為鑄鋼，剎車片為樹脂基復(fù)合材料，兩者主要材料性能參數(shù)如表1、表2所示。

完成以上材料參數(shù)設(shè)置后，在ABAQUS中建立兩個(gè)分析步來對(duì)溫度和位移進(jìn)行耦合求解。第一個(gè)分析步用來定義剎車片承受10MPa載荷壓力作用在制動(dòng)盤上。第二個(gè)分析步定義制動(dòng)盤在轉(zhuǎn)速為300rad/s條件下實(shí)現(xiàn)90°的轉(zhuǎn)角位移，用來進(jìn)行剎車制動(dòng)時(shí)的熱力耦合分析。

2.2? 網(wǎng)格劃分與單元質(zhì)量檢查

結(jié)合剎車片與制動(dòng)盤的形狀特征，對(duì)制動(dòng)盤與固定基座連接面、剎車片的摩擦面等特殊位置進(jìn)行線面分割，將過渡面采用擴(kuò)展平面的方法分割成若干個(gè)幾何實(shí)體，使得幾何體后期可以采用掃掠方式劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成之后定義長(zhǎng)寬比、尺寸因子等參數(shù)，對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行形狀和尺寸檢查如圖1，黃色區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量不高單元，通過編輯拖動(dòng)網(wǎng)格單元對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置，可快速消除問題單元，整體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

2.3? 制動(dòng)器熱力耦合分析結(jié)果對(duì)比

在完成所有求解之后，進(jìn)入作業(yè)管理器模塊，將剛體制動(dòng)盤和柔體制動(dòng)盤分別與剎車片摩擦作用時(shí)的兩種條件下得到的求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果如圖3所示。

從圖3中制動(dòng)盤的盤面節(jié)點(diǎn)溫度云圖對(duì)比中可以看出，剛體制動(dòng)盤與柔體制動(dòng)盤的盤面最高溫度值和云圖層次梯度分布都非常接近。數(shù)據(jù)表明將制動(dòng)盤整體作為剛體進(jìn)行剛性約束時(shí)對(duì)摩擦生熱的溫度場(chǎng)分析結(jié)果，與考慮制動(dòng)盤變形條件下求解得到的結(jié)果趨于一致，同時(shí)，由于不考慮盤面變形等因素，縮短了系統(tǒng)求解時(shí)間，提高了分析效率。

圖4為制動(dòng)盤的盤面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖對(duì)比，從圖4（a）中可以看出，剛體制動(dòng)盤的整體的應(yīng)力分布集中于剎車片上，盤面自身無任何應(yīng)力分布。在圖4（b）中柔性制動(dòng)盤的盤面應(yīng)力主要集中在盤面與輪轂的連接處，ODB歷程數(shù)據(jù)顯示，盤面應(yīng)力最大值出現(xiàn)在剎車片承受壓力載荷10MPa時(shí)間節(jié)點(diǎn)附近，應(yīng)力云圖分布狀態(tài)表面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，需要對(duì)制動(dòng)盤上應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5為制動(dòng)盤的系統(tǒng)摩擦耗能曲線對(duì)比，從圖5（a）和圖5（b）中均可以看出，在剎車片承受均布?jí)毫d荷之前，片體與制動(dòng)盤表面一直未接觸，此時(shí)系統(tǒng)輸出的摩擦耗散能量值均為0。在t=0.001時(shí)，兩者進(jìn)行接觸并開始摩擦制動(dòng)產(chǎn)生熱能，系統(tǒng)能量輸出逐步遞增直至分析時(shí)間歷程結(jié)束。制動(dòng)開始之后，圖5（a）中剛體制動(dòng)盤剎車制動(dòng)時(shí)的摩擦耗散能量曲線的增速穩(wěn)定，而圖5（b）中制動(dòng)盤的摩擦耗散能量曲線的增速具有波動(dòng)性，考慮能量耗散行為對(duì)摩擦系統(tǒng)初始條件依賴性及盤面變形對(duì)接觸摩擦面的影響，各種因素的變化導(dǎo)致其對(duì)系統(tǒng)能量輸出計(jì)算產(chǎn)生一定影響。

3? 結(jié)? 論

（1）當(dāng)制動(dòng)盤整體施加剛性約束時(shí)，對(duì)求解摩擦制動(dòng)時(shí)溫度場(chǎng)的分布和極值沒有顯著影響。只需要求解溫度場(chǎng)分布時(shí)，把制動(dòng)盤視為剛體模型，在保證求解結(jié)果一致性的同時(shí)，縮短了求解所需的時(shí)間。

（2）剛體盤面制動(dòng)時(shí)，求解結(jié)果不包括盤面自身應(yīng)力和應(yīng)變分布，結(jié)果趨于理想化。實(shí)際剎車制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤與輪轂連接處在剎車片作用于盤面時(shí)，存在明顯的局域應(yīng)力，因此需要關(guān)注相關(guān)設(shè)計(jì)區(qū)域。

（3）剛體盤制動(dòng)時(shí)，摩擦耗能曲線輸出趨于理想化。在實(shí)際制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤作為柔性體，需要考慮其盤面變形等情況，其與剎車片相互作用時(shí)的接觸面積、摩擦生熱等狀態(tài)必然存在波動(dòng)，該種條件下的系統(tǒng)耗散能量輸出更加符合實(shí)際制動(dòng)情況。

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作者簡(jiǎn)介：畢厚煌（1988-），男，漢族，安徽安慶人，教師，助教，碩士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。