盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)對(duì)汽車制動(dòng)中熱機(jī)耦合特性的影響分析

潘建宇，閆曉曉，崔世海

摘 要：針對(duì)結(jié)構(gòu)不同的盤(pán)式制動(dòng)器，建立了在某緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)盤(pán)的三維瞬態(tài)熱機(jī)耦合計(jì)算模型，運(yùn)用有限元方法模擬了盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程。通過(guò)分析比較不同結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)盤(pán)在緊急制動(dòng)工況下溫度場(chǎng)的徑向分布、峰值熱應(yīng)力與熱彈性變形情況，討論了制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)效果的影響。結(jié)果表明：通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)能夠明顯降低制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(pán)溫度和應(yīng)力，對(duì)改善制動(dòng)效能的恒定性具有積極作用。

關(guān)鍵詞：盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu);有限元分析;制動(dòng)性能;熱機(jī)耦合

中圖分類號(hào)：U463.51 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-159-04

Effect of different disc brake structures on the thermo-mechanical coupling

characteristics during automobile braking*

Pan Jianyu1， Yan Xiaoxiao2， Cui Shihai1

（1.College of mechanical engineering， Tianjin university of science and technology， Tianjin 300222;2.China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd， Tianjin 300300）

Abstract： Based on two kinds of automobile disc brakes with different structures， the brake disc finite element（FE） models which can calculate the three-dimensional transient thermo-mechanical coupling process was developed. And the FE models was used to simulate the braking process of the disc brake by using FE method. Comparing the radial distribution of temperature field and the peak thermal stress and thermoelastic deformation of brake disc with different structures under emergency braking condition， the effect of disc brake structures on the braking properties was analyzed. The results showed that the ventilation brake disc could obviously reduce the temperature and stress of the brake disc， which means that it had a positive effect on improving the braking efficiency.

Keywords： Disc brake stuctures; Finite element method; Braking property; Thermal-mechanical coupling

CLC NO.： U463.51 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）23-159-04

前言

制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生非均勻的溫度場(chǎng)和彈性變形，最終會(huì)影響制動(dòng)壓力和制動(dòng)力矩的大小與平衡。因此熱機(jī)耦合分析是制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的環(huán)節(jié)。

關(guān)于熱機(jī)耦合的研究取得了豐富的成果。Tirovic等[1]和Day等[2]研究了盤(pán)式制器的制動(dòng)力分布情況，結(jié)果表明：摩擦片和制動(dòng)器之間產(chǎn)生的摩擦熱并不是均勻地分布在表面上，而是存在溫度的集聚區(qū)域。趙海燕[3]等針對(duì)列車制動(dòng)器進(jìn)行熱機(jī)耦合分析，明確了環(huán)境溫度會(huì)使得制動(dòng)溫度曲線整體變動(dòng)。張立軍[4]的研究明確了制動(dòng)壓力分布對(duì)制動(dòng)過(guò)程的影響機(jī)制。孟德建[5]等基于實(shí)驗(yàn)測(cè)得了制動(dòng)減速度曲線，并建立了三維瞬態(tài)熱機(jī)耦合模型，分析了該工況下瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和熱彈性變形的規(guī)律。

雖然通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器目前已經(jīng)大范圍在汽車中使用。但是，因?yàn)槌杀镜仍蛉杂胁糠制囈廊皇褂脤?shí)心盤(pán)式制動(dòng)器。關(guān)于兩種制動(dòng)器的熱機(jī)耦合對(duì)比分析，國(guó)內(nèi)外的研究較少。本文針對(duì)結(jié)構(gòu)不同的兩種通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器，建立了在緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)盤(pán)的三維瞬態(tài)熱機(jī)耦合計(jì)算模型。并對(duì)制動(dòng)過(guò)程的一些參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器具有更好的制動(dòng)效能。

1 制動(dòng)仿真模型構(gòu)建

1.1 基本假設(shè)

基于熱機(jī)耦合相關(guān)理論，在仿真中有如下基本假設(shè)：制動(dòng)盤(pán)和摩擦襯片的材料為組成均勻的各向同性材料;僅考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流效應(yīng)，忽略熱輻射的影響;作用在摩擦背板上面的壓力為均勻分布;不考慮材料磨損對(duì)制動(dòng)過(guò)程的影響。

1.2 有限元模型構(gòu)建

基于某轎車的通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器。在三維建模軟件Catia中建立其三維模型，為了簡(jiǎn)化其計(jì)算過(guò)程將制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成上下盤(pán)面完全對(duì)稱的模型，該制動(dòng)盤(pán)外徑為145mm，內(nèi)徑為80mm，總厚度為24mm，制動(dòng)盤(pán)包含36個(gè)均布的通風(fēng)槽。為對(duì)比分析，在Catia中建立了與其外觀尺寸相同，厚度為24mm的實(shí)心制動(dòng)盤(pán)模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，模型直接將兩摩擦片作用在制動(dòng)盤(pán)上。將兩個(gè)制動(dòng)盤(pán)模型及制動(dòng)襯片模型導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus，進(jìn)行裝配、賦予材料屬性、設(shè)置約束條件和劃分網(wǎng)格等操作。兩個(gè)有限元模型如圖1所示。

a通風(fēng)盤(pán)制動(dòng)器 ? ? ? ? ? ? ?b 實(shí)心盤(pán)制動(dòng)器

圖1 ?盤(pán)式制動(dòng)器有限元模型

1.3 約束條件

預(yù)設(shè)工況為：制動(dòng)初速度分別為72km/h和108km/h，在制動(dòng)壓力為4.5Mpa的條件下，一次制動(dòng)直至停止。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的實(shí)驗(yàn)可知，制動(dòng)的減速過(guò)程基本為勻減速過(guò)程。

摩擦襯片與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值，制動(dòng)盤(pán)與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[6]獲得。

由于制動(dòng)過(guò)程中摩擦片沿z軸方向移動(dòng)，所以限制摩擦片其余五個(gè)自由度。同理，只給制動(dòng)盤(pán)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，限制其它方向的自由度。

1.4 材料參數(shù)

制動(dòng)盤(pán)材料為HT250，摩擦片為樹(shù)脂基復(fù)合材料，兩種材料的力學(xué)及熱物理性能見(jiàn)表1和表2。

表1 ?HT250的力學(xué)及熱物理性能

表2 ?樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)及熱物理性能

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)分布

在模型表面沿其徑向由內(nèi)至外取等距的連續(xù)7個(gè)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)參考點(diǎn)，分別命名為點(diǎn)A、點(diǎn)B、點(diǎn)C、點(diǎn)D、點(diǎn)E、點(diǎn)F和點(diǎn)G。

為了研究實(shí)心制動(dòng)盤(pán)和通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)在相同的制動(dòng)條件下溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布。對(duì)仿真后的結(jié)果進(jìn)行比較，提取了相關(guān)數(shù)據(jù)。表3為兩種不同結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤(pán)分別在72km/h和108km/h制動(dòng)工況下的最高制動(dòng)溫度。

表3 ?兩種制動(dòng)盤(pán)在不同工況下最高溫度對(duì)比

汽車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱能一部分通過(guò)熱傳導(dǎo)被摩擦副所吸收，還有一部分通過(guò)熱對(duì)流的方式散發(fā)到周圍的空氣中。由上表可見(jiàn)，通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器在各個(gè)制動(dòng)工況下的最高制動(dòng)溫度均低于實(shí)心盤(pán)式制動(dòng)器。在制動(dòng)盤(pán)比熱容和傳熱速率相同的情況下，由于通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器的通風(fēng)結(jié)構(gòu)使得制動(dòng)過(guò)程中空氣能在兩個(gè)盤(pán)片之間形成空氣流動(dòng)從而使其通過(guò)對(duì)流方式散失的熱量更多，在初速度為72km/h和108km/h制動(dòng)工況下，通風(fēng)盤(pán)式比實(shí)心盤(pán)式分別高47.4攝氏度和99攝氏度。

圖2和圖3為108km/h制動(dòng)工況下兩種制動(dòng)盤(pán)面溫度徑向分布特性。72km/h工況下溫度曲線特征與上圖相似，主要差別主要是后者的峰值溫度較小。

由圖可知：

（1）制動(dòng)盤(pán)存在明顯的徑向溫度梯度。在制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤(pán)接觸部分，其徑向溫度基本與半徑和正比，因?yàn)橹苿?dòng)摩擦能主要產(chǎn)生在接觸部分，因此半徑的大小決定了該點(diǎn)的線速度，造成了生熱量的不同。

圖2 ?實(shí)心制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面徑向溫度變化

圖3 ?通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面徑向溫度變化

（2）制動(dòng)初期溫度上升較快，制動(dòng)中期溫度上升速度逐漸減緩并趨于峰值，制動(dòng)后期溫度梯度逐漸下降并趨于平緩。制動(dòng)初期，由于轉(zhuǎn)速較高，溫度急劇上升。隨著轉(zhuǎn)速下降，摩擦生熱和對(duì)流散熱過(guò)程達(dá)到了某種程度的平衡，出現(xiàn)了中期的峰值溫度。轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，生熱量小于散熱量，差值逐漸拉大，這是后期溫度下降的主要原因。

（3）所有的溫度-時(shí)間歷程均出現(xiàn)明顯的“鋸齒”現(xiàn)象，從制動(dòng)的初期到后期單個(gè)“鋸齒”周期內(nèi)溫度變化逐漸增大，同時(shí)“鋸齒”周期時(shí)間逐漸增大。這是因?yàn)?，由于和制?dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，該處交替受到摩擦生熱和對(duì)流散熱的影響，生熱量的變化造成了上述圖像中“鋸齒”形狀的變化。

某時(shí)刻實(shí)心盤(pán)制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面的溫度梯度分布云圖如圖4所示，制動(dòng)盤(pán)周向溫度不均勻，在接觸區(qū)開(kāi)始沿周向逐漸降低，這是由于制動(dòng)盤(pán)和周圍空氣熱傳遞作用的結(jié)果。通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)表面溫度梯度與其趨勢(shì)一致，只是峰值溫度不同。

圖4 ?某時(shí)刻實(shí)心制動(dòng)盤(pán)溫度梯度分布

2.2 制動(dòng)盤(pán)的應(yīng)力對(duì)比分析

表4為兩種不同結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤(pán)分別以72 km/h和108km/h制動(dòng)工況下的制動(dòng)盤(pán)的最大應(yīng)力。此處的應(yīng)力主要由兩部分組成，分別是機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。

表4 ?兩種制動(dòng)盤(pán)在不同工況下最大應(yīng)力對(duì)比

可以看出通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)在各個(gè)工況下的最大應(yīng)力均小于實(shí)心制動(dòng)盤(pán)。兩組實(shí)驗(yàn)的摩擦片的材料和加載條件均相同，機(jī)械應(yīng)力數(shù)值相近。熱應(yīng)力成為了產(chǎn)生應(yīng)力差的主要因素。由于通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器的中空結(jié)構(gòu)，在制動(dòng)時(shí)攪動(dòng)空氣產(chǎn)生了渦流使得熱對(duì)流更加劇烈，造成制動(dòng)盤(pán)的溫度較低。通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)較低的溫度產(chǎn)生了較低的熱應(yīng)力。所以通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)的最大應(yīng)力小于實(shí)心制動(dòng)盤(pán)。

2.3 制動(dòng)盤(pán)的熱彈性變形分析

為了分析制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤(pán)受熱機(jī)耦合作用對(duì)制動(dòng)盤(pán)端面跳動(dòng)的影響，需要分析制動(dòng)盤(pán)熱變形的分布特征。

在不同工況下兩種制動(dòng)盤(pán)的盤(pán)面節(jié)點(diǎn)D處在z向位移的徑向分布如圖5所示。

由圖可知：

（1）制動(dòng)盤(pán)的彈性變形具有和溫度曲線相近的特征：初期增長(zhǎng)快、中后期趨于平緩。該變形-時(shí)間歷程曲線同樣具有比較明顯的“鋸齒”現(xiàn)象，這種特征主要是溫度場(chǎng)對(duì)其影響所致。

圖5 ?制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面z向熱彈性變形（節(jié)點(diǎn)D）

（2）對(duì)比不同曲線分析可知：相同制動(dòng)條件下，通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)比實(shí)心制動(dòng)盤(pán)的變形量更小;相同的制動(dòng)盤(pán)，制動(dòng)初速度越大，制動(dòng)盤(pán)的熱變形量更大。

3 結(jié)論

在相同的制動(dòng)工況下，通風(fēng)式制動(dòng)盤(pán)與實(shí)心制動(dòng)盤(pán)相比，通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器具有更好的散熱效能，制動(dòng)溫度更低。同時(shí)通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)的熱應(yīng)變和應(yīng)力小于實(shí)心制動(dòng)盤(pán)。通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器比實(shí)心盤(pán)式制動(dòng)器性能更好。

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