制動(dòng)器熱機(jī)耦合有限元仿真分析

房冠霖 李光 李敏

摘要：本文已經(jīng)完成了盤式制動(dòng)器熱機(jī)耦合的有限元模型的建立，接下來可以通過 ANSYS有限元分析軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行盤式制動(dòng)器的云圖觀察并獲得仿真結(jié)果。本文將從溫度場(chǎng)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)器;熱機(jī);耦合

1、50千米每小時(shí)工況下制動(dòng)盤溫度情況細(xì)節(jié)的描述

分析制動(dòng)盤熱-機(jī)耦合特性的重要角度之一是分析模擬結(jié)果的溫度場(chǎng)。制動(dòng)過程中的摩擦發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤的溫度在短短的幾秒鐘內(nèi)上升幾百度。高溫對(duì)制動(dòng)盤材料的制動(dòng)性能影響極大。溫度分布不均勻還會(huì)引起制動(dòng)盤內(nèi)應(yīng)力的變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱變形甚至熱裂紋。[1]

圖1顯示了當(dāng)制動(dòng)壓力為3MPa時(shí)，在初始制動(dòng)速度為50千米每小時(shí)時(shí)制動(dòng)盤的溫度變化的云圖。

從圖1可以看出制動(dòng)盤在3秒時(shí)產(chǎn)生溫度的最大值為23.11攝氏度，最小值為21.971攝氏度，平均溫度為22.229攝氏度;而制動(dòng)盤在整個(gè)過程中的最高溫度達(dá)到了49.654攝氏度，最小制動(dòng)溫度16.277攝氏度。

制動(dòng)盤溫度變化曲線可以看出，制動(dòng)時(shí)的最高溫度不是發(fā)生在制動(dòng)結(jié)束時(shí)，也不是發(fā)生在制動(dòng)開始時(shí)，是發(fā)生在制動(dòng)過程中。這是因?yàn)樵谥苿?dòng)過程中伴隨著熱傳導(dǎo)和熱量損失。開始制動(dòng)的一段時(shí)間內(nèi)（小于0.03秒），熱傳導(dǎo)的熱損失和熱損小于制動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量。因此，溫度迅速升高，但在制動(dòng)中后期，由于速度降低，摩擦制動(dòng)產(chǎn)生的熱量會(huì)小于熱傳導(dǎo)和熱損失所損失的熱量，所以溫度緩慢下降。因此，制動(dòng)時(shí)的最高溫度不會(huì)出現(xiàn)在制動(dòng)結(jié)束時(shí)，而是在制動(dòng)時(shí)的某個(gè)時(shí)間。從云圖還可以獲得以下特點(diǎn)，非摩擦接觸區(qū)域的溫度小于摩擦接觸區(qū)域的溫度，制動(dòng)盤內(nèi)部的溫度也小于制動(dòng)盤表面的溫度。由于整個(gè)運(yùn)作過程中的時(shí)間不長以及制動(dòng)盤內(nèi)徑遠(yuǎn)離摩擦區(qū)，熱量一般難以在較短的時(shí)間內(nèi)傳到內(nèi)徑處，所以在制動(dòng)盤靠近內(nèi)徑的徑向處，溫度是比較低的并且變化范圍也比較小。[2]

3秒內(nèi)制動(dòng)盤溫度變化曲線還可知，在由車速50km/h減速至完全停止的制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤溫度迅速升高，制動(dòng)中后期溫度會(huì)有一定程度上緩慢下降;溫度曲線為鋸齒狀的形式說明在制動(dòng)過程中溫度受到摩擦生成的熱流密度和熱傳導(dǎo)及熱散失的交替作用，制動(dòng)后期隨著速度降低，溫度下降，說明熱傳導(dǎo)和熱散失的作用己經(jīng)大于制動(dòng)摩擦產(chǎn)生的摩擦熱流的作用。制動(dòng)中最高溫度發(fā)生在0.035秒左右，之后溫度逐漸下降。

2、 80千米每小時(shí)工況下制動(dòng)盤溫度情況細(xì)節(jié)的描述

汽車在80千米每小時(shí)時(shí)制動(dòng)盤表面溫度變化顯示制動(dòng)壓力依舊為3MPa，汽車以80km/h的初速度行駛，在3秒內(nèi)制動(dòng)到停車，盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過程中不同時(shí)刻的制動(dòng)盤溫度是不同的，在整個(gè)熱機(jī)耦合的過程中，制動(dòng)盤在3秒時(shí)產(chǎn)生溫度的最大值為23.597攝氏度，最小值為21.944攝氏度，平均溫度為22.367攝氏度;而制動(dòng)盤在整個(gè)過程中的最高溫度達(dá)到了62.117攝氏度，最小制動(dòng)溫度13.636攝氏度。與50km/h工況下相似，制動(dòng)過程中的最高溫度并不發(fā)生在制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，也不是發(fā)生在制動(dòng)開始時(shí)刻，而是發(fā)生在制動(dòng)的過程中;非摩擦接觸區(qū)的溫度小于摩擦接觸區(qū)的溫度，制動(dòng)盤內(nèi)部的溫度小于制動(dòng)盤表面的溫度;制動(dòng)盤越接近內(nèi)徑，溫度相對(duì)較低，變化范圍相對(duì)較小;在制動(dòng)過程中，制動(dòng)初期的溫度曲線快速上升，制動(dòng)中最高溫度發(fā)生在0.02秒左右，之后溫度曲線呈鋸齒狀下降逐漸下降。

3、110千米每小時(shí)工況下制動(dòng)盤溫度場(chǎng)特性分析

當(dāng)制動(dòng)壓力為3MPa，汽車以110km/h的初速度在3秒內(nèi)制動(dòng)到停止，此時(shí)制動(dòng)盤在3秒時(shí)產(chǎn)生溫度的最大值為24.09攝氏度，最小值為21.931攝氏度，平均溫度為22.229攝氏度;而制動(dòng)盤在整個(gè)過程中的最高溫度達(dá)到了78.912攝氏度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最小制動(dòng)溫度11.56攝氏度。50km/h和80km/h相似，制動(dòng)中最高溫度發(fā)生在0.026秒左右，制動(dòng)初期溫度曲線急劇上升，之后逐漸下降。

4、結(jié)論：

當(dāng)車輛分別以50km/h，80km/h和110km/h的初速度緊急制動(dòng)至完全停止時(shí)，制動(dòng)壓力為3兆帕，制動(dòng)時(shí)間為3秒。在50km/h的工況下，最高溫度達(dá)到了49.654攝氏度，最小制動(dòng)溫度22.776攝氏度;在80km/h的工況下，最高溫度達(dá)到了62.117攝氏度，最小制動(dòng)溫度23.1攝氏度;在110km/h的工況下，最高溫度達(dá)到了78.912攝氏度，最低制動(dòng)溫度23.794攝氏度;制動(dòng)時(shí)的最高溫度不是發(fā)生在制動(dòng)結(jié)束或制動(dòng)開始時(shí)，而是發(fā)生在制動(dòng)過程中;摩擦接觸區(qū)的溫度高于無摩擦接觸區(qū)的溫度，制動(dòng)盤表面的溫度也高于制動(dòng)盤內(nèi)部的溫度;制動(dòng)盤接近內(nèi)徑直徑的溫度相對(duì)較低，變化范圍相對(duì)較小;在制動(dòng)過程中，溫度以迅速升高，制動(dòng)中的最高溫度發(fā)生在0.03秒之前，然后溫度逐漸降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚雪龍.高壓大型車用盤式制動(dòng)器熱摩擦磨損機(jī)理研究[D].江蘇科技大學(xué)，2016.

[2]杜嘉俊.盤式制動(dòng)器摩擦副表面微造型摩擦磨損研究[D].江蘇科技大學(xué)，2018.