某商用車鼓式制動器熱固耦合分析

黃浩 劉佳雯 張蕊

摘要：

針對汽車制動鼓溫度試驗測試成本高、周期長等問題，利用Abaqus建立某商用車鼓式制動器有限元模型，采用完全熱固耦合法分析制動鼓的溫度場和熱應(yīng)力分布。仿真結(jié)果表明：緊急制動工況時，制動鼓的最高溫度為156.5 ℃，最高熱應(yīng)力為130 MPa。有限元分析可快速獲取制動器在工作狀態(tài)時的溫度和應(yīng)力分布情況，有利于產(chǎn)品設(shè)計和改進(jìn)，縮短產(chǎn)品迭代周期。

關(guān)鍵詞：

鼓式制動器; 制動鼓; 熱固耦合; 溫度場; 熱應(yīng)力

中圖分類號：? U463.511; TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Thermalstructure coupling analysis on drum brake

for a commercial vehicle

HUANG Hao， LIU Jiawen， ZHANG Rui

（Technical Center， SAICIVECO Hongyan Commercial Vehicle Co.， Ltd.， Chongqing 401122， China）

Abstract：

As to the issue of high cost and long cycle of temperature test on vehicle brake drum， the finite element model of a drum brake of a commercial vehicle is established by Abaqus， and the temperature field and thermal stress distribution of the brake drum are analyzed by the fully thermalstructure coupling method. The simulation results show that， under the emergency braking condition， the maximum temperature of brake drum is 156.5 ℃， and the maximum thermal stress is 130 MPa. The temperature and stress distributions of the drum brake in the working state can be obtained quickly by using finite element analysis， which is helpful? for product design and improvement， and then the product iteration cycle can be reduced.

Key words：

drum brake; brake drum; thermalstructure coupling; temperature field; thermal stress

0 引 言

汽車是常見的交通工具之一，廣泛應(yīng)用于貨物運輸、公共交通、個人出行等方面。隨著社會車輛保有量增加，交通事故日漸頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，在因車輛自身問題造成的交通事故中，由制動器故障引發(fā)的事故占比高達(dá)45%。[1]因此，車輛制動系統(tǒng)的可靠性對車輛行駛安全至關(guān)重要。

常見的汽車制動器類型主要有盤式和鼓式2種。[2]雖然2種制動器結(jié)構(gòu)形式差異較大，但是基本工作原理相似，均利用摩擦力使車輛減速。鼓式制動器具有價格低和結(jié)構(gòu)易維護(hù)等優(yōu)勢，常用于載貨式商用車、載人式客車等大中型車輛的制動系統(tǒng)中。

機(jī)械載荷不是導(dǎo)致制動器損壞的主要原因。[3]車輛制動過程

伴隨著動能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)換，制動器的內(nèi)能主要以熱量的形式體現(xiàn)。市場調(diào)研顯示，鼓式制動器常見的失效形式為熱衰退和疲勞破壞。[4]因此，研究制動器在工作狀態(tài)時的溫度分布尤為重要。在制動鼓內(nèi)部安裝熱敏電偶，可利用臺架試驗獲取制動鼓內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。制動器臺架試驗示意見圖1。臺架試驗的缺點是前期準(zhǔn)備周期較長，且只能測量

制動鼓傳感器安裝位置的溫度，無法了解制動器內(nèi)部整體溫度分布情況。為高效率、低成本地獲取制動鼓的溫度分布規(guī)律，以某商用車的鼓式制動器為

研究對象，采用有限元法分析其運動過程中的溫度變化和受載荷情況。

1 熱固耦合分析

熱固耦合分析有順序熱固耦合分析和完全熱固耦合分析2種。[5]順序熱固耦合分析先進(jìn)行溫度場有限元計算，再將溫度場結(jié)果作為邊界條件導(dǎo)入機(jī)械模型中進(jìn)行熱應(yīng)力分析。完全熱固耦合分析是在分析過程中同時考慮溫度和機(jī)械力的影響，使其在時域下不斷地相互耦合。因為熱固耦合計算過程中2個物理場之間不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，所以完全熱固耦合分析比順序熱固耦合分析的計算時間更長。

結(jié)合計算的收斂性和時間成本等因素，行業(yè)內(nèi)的制動鼓分析主要采用順序熱固耦合分析。但是，順序熱固耦合分析的結(jié)果往往不能真實地反映制動鼓不同位置的溫度和應(yīng)力情況。本文針對制動器的緊急制動工況，采用完全熱固耦合法

研究制動鼓在整個制動過程中的溫度分布和應(yīng)力變化情況。

2 制動器有限元模型搭建

在車輛制動時，氣室產(chǎn)生推力，向轉(zhuǎn)向臂施加力矩，凸輪發(fā)生運動，制動蹄圍繞主銷的軸線方向張開，從而使摩擦片與制動鼓內(nèi)表面接觸。隨著凸輪不斷轉(zhuǎn)動，接觸面的壓力逐漸增加，二者之間產(chǎn)生足夠的摩擦力使車輛減速。

為提高計算效率，簡化部分模型，僅保留制動蹄、摩擦片和制動鼓3個部分。使用前處理軟件HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的制動器有限元裝配體模型見圖2，其中：網(wǎng)格劃分單元采用六面體單元;求解器選用Abaqus;計算單元采用熱固耦合問題專用的一次縮減積分單元，即溫度位移耦合單元C3D8RT。嚴(yán)格控制離散化的單元質(zhì)量和數(shù)量，將網(wǎng)格數(shù)量控制在合理范圍內(nèi)。

2.1 材料參數(shù)

制動鼓材料為HT250，密度7.28×103 kg/m3;摩擦片為無石棉摩擦材料，密度1.55×103 kg/m3;制動蹄材料為QT450，密度7.06×103 kg/m3。材料具體屬性分別見表1～3。

2.2 邊界條件

在模型中同時建立熱力學(xué)計算邊界和機(jī)械計算邊界，采用完全熱固耦合方法進(jìn)行求解。

2.1.1 熱力學(xué)邊界

制動器的制動通過摩擦片與制動鼓之間的摩擦實現(xiàn)，因此在制動過程中制動器不斷產(chǎn)生熱量。根據(jù)熱能傳遞基本方式，這些熱量會通過對流換熱、熱傳導(dǎo)和熱輻射等方式進(jìn)行傳遞。[6]通過設(shè)置零部件的熱導(dǎo)率[7]可反映制動器制動過程中固體內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)現(xiàn)象。

對流換熱是制動器熱量耗散最重要的方式之一，制動器的大部分熱量通過與外部環(huán)境之間的熱交換散失。假設(shè)制動鼓外表面直接與空氣接觸并發(fā)生熱交換，制動鼓內(nèi)部為封閉狀態(tài)，不考慮對流換熱作用，不同車速時的對流換熱系數(shù)為

式中：α為經(jīng)驗因數(shù)，前輪制動器取值為0.7，后輪制動器取值為0.3;v為車速，km/h。

由熱力學(xué)知識可知，只要物體有溫度，就會不斷向外輻射能量，并且能量隨著物體自身溫度的變化而變化。[8]一般來說，制動器的熱輻射量占總熱量損失的比例小于10%，結(jié)合制動鼓材料性能，本文設(shè)定制動鼓的熱輻射率為0.6。

2.1.2 機(jī)械邊界

制動蹄向外擴(kuò)張需要的力稱為促動力。[9]有限元模型中沒有考慮凸輪軸的作用，因此將促動力作為機(jī)械載荷直接加載到制動蹄的端面上，模擬制動蹄張開制動過程。制動器促動力計算模型示意見圖3，制動器相關(guān)參數(shù)見表4。

式中：α0為摩擦片的包角;β為摩擦片的起始角;e為制動蹄支承點的間距;a為制動蹄支承點到制動器中心的距離;R為制動鼓的半徑;K1為領(lǐng)蹄制動效能因數(shù);K2為從蹄制動效能因數(shù)。

根據(jù)表4可求得領(lǐng)蹄和從蹄的制動效能因數(shù)分別為1.955 0和0.623 4。將制動效能因數(shù)代入式（2），可得到領(lǐng)蹄的促動力為37 979 N，從蹄的促動力為104 598 N。

為模擬制動器制動時的運動狀態(tài)，對制動器進(jìn)行以下約束：約束制動鼓除軸向旋轉(zhuǎn)外的所有自由度;約束制動蹄主銷孔除軸向旋轉(zhuǎn)外的所有自由度[10]。

3 計算結(jié)果

假設(shè)車輛的初速度為60 km/h，研究該車輛以-6 m/s2的加速度制動時制動鼓的溫度和應(yīng)力變化。

3.1 測試溫度與仿真溫度對比

為驗證有限元模型的合理性，在制動鼓內(nèi)部選取3個點安裝溫度傳感器，利用臺架試驗進(jìn)行溫度測試。安裝點設(shè)置在制動鼓軸線方向上，分別距法蘭面100、180和240 mm;同時，3個點在圓周方向上分別以0°、120°和240°分布。

制動器緊急制動工況結(jié)束時，3個安裝點的測試溫度與仿真分析溫度對比見表5。仿真數(shù)據(jù)的最大誤差為9.8%，在可接受范圍內(nèi)，因此仿真分析結(jié)果可以用于后續(xù)研究。

3.2 結(jié)果分析

車輛在制動工況運行2.8 s后停止，此時制動鼓的溫度和熱應(yīng)力分布云圖分別見圖4和5。制動鼓最高溫度為156.5 ℃，位于制動鼓的內(nèi)表面。制動鼓的最高應(yīng)力為130 MPa，位于制動鼓的鼓口，這是由制動鼓受熱膨脹和制動蹄施加壓力導(dǎo)致的，該應(yīng)力水平低于材料抗拉強(qiáng)度。

為呈現(xiàn)整個制動鼓內(nèi)不同位置的溫度波動過程，在其內(nèi)表面沿軸線方向取4個節(jié)點繪制溫度變化曲線，見圖6。每個節(jié)點的溫度均呈現(xiàn)先上升、后逐漸平緩、最后略微下降的趨勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：前期制動鼓轉(zhuǎn)速較高，制動時摩擦生成的熱量較多，遠(yuǎn)高于制動鼓向外散發(fā)的熱量，使制動鼓自身吸收大量熱能，導(dǎo)致溫度升高;在緊急制動的后期，制動鼓的轉(zhuǎn)速大幅下降，摩擦產(chǎn)生的熱量減少，此時外界吸收的熱量大于摩擦產(chǎn)生的熱量，因此制動鼓溫度略有降低。

圖6中的4條曲線均在整個計算周期內(nèi)呈規(guī)律性波動，可知摩擦片與制動鼓接觸區(qū)域呈周期性變化。摩擦片結(jié)構(gòu)示意見圖7。摩擦片有若干個安裝孔，導(dǎo)致不同位置的接觸面不同，因此制動鼓內(nèi)表面溫度呈條帶狀分布（圖4）。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的順序耦合求解制動鼓的溫度和熱應(yīng)力分布相比，完全熱固耦合分析能夠更真實地表現(xiàn)出制動鼓不同位置的溫度和應(yīng)力分布。測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比驗證該有限元分析的可靠性，仿真結(jié)果能夠在誤差范圍內(nèi)真實地反映制動鼓內(nèi)部的溫度分布和應(yīng)力水平，說明該分析方法可以運用于實際設(shè)計中。仿真分析可以有效降低設(shè)計成本、縮短設(shè)計周期，研究結(jié)果也能為后續(xù)改進(jìn)制動鼓結(jié)構(gòu)形式、提升制動器散熱性能提供思路，為制動系統(tǒng)的安全性和可靠性設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

在緊急制動過程中，制動鼓溫度變化快且溫度較高，雖然制動鼓應(yīng)力水平低于其材料的抗拉強(qiáng)度，但是駕駛員在駕駛過程中仍應(yīng)減少急剎車的頻次，防止制動器內(nèi)部溫度過高導(dǎo)致制動性能下降，危及行車安全。

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（編輯 章夢）