盤式制動(dòng)器摩擦生熱多物理場(chǎng)仿真分析

房冠霖 李光 李敏

摘要：汽車安全事故的制動(dòng)器顯得尤外重要，制動(dòng)器的好壞直接影響駕駛?cè)藛T的體驗(yàn)感和個(gè)人人身安全?？v觀大量數(shù)據(jù)，由車輛制動(dòng)系統(tǒng)引起的交通事故接近交通事故總數(shù)的50%。在這些事故中，大部分事故是因?yàn)槠嚢l(fā)生在路面附著系數(shù)在0.8～0.9的濕滑路面上發(fā)生車輪側(cè)滑、跑偏而引起的。而由于上述因?yàn)檐囕唫?cè)滑和跑偏的事故中，又有一半是由制動(dòng)系統(tǒng)的熱疲勞破壞才導(dǎo)致制動(dòng)器失效引起的。

關(guān)鍵詞：摩擦;生熱;熱疲勞

1、盤式制動(dòng)器現(xiàn)存問題

作為車輛安全控制的核心部件，制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不容忽視。盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤與摩擦片在活塞壓力的作用下受到擠壓，形成的摩擦力做功并產(chǎn)生熱量，從而產(chǎn)生較高的熱流密度，特別是對(duì)于配備高壓大盤式制動(dòng)器的車輛，熱流密度可以達(dá)到MW/m2的數(shù)量水平，大大提高了摩擦副之間的溫升速度和最高溫度，溫度分布的不均勻性加劇，制動(dòng)盤表面產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。溫度和熱耦合相互作用下的熱應(yīng)力周期性地反復(fù)作用在制動(dòng)盤上。因此，在長(zhǎng)期工作下制動(dòng)盤表面極易產(chǎn)生熱裂紋，導(dǎo)致其失效。所以對(duì)制動(dòng)器的研究就顯得尤為重要。因此，對(duì)制動(dòng)器的研究的意義非凡，對(duì)制動(dòng)器的研究可以使制動(dòng)器的各種性能得到改善，大大提高駕駛員的安全性，研究制動(dòng)器變得刻不容緩。

本文利用UG軟件建立了盤式制動(dòng)器的3D模型，利用ANSYS首先進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，去除對(duì)分析影響較小的附件，再畫出solid226六面體單元的網(wǎng)格，然后再相關(guān)位置添加位移、應(yīng)力、轉(zhuǎn)速最后定義對(duì)流并設(shè)置時(shí)間步。最后，添加后處理之后并觀察云圖，對(duì)盤式制動(dòng)器有限元模型在不同位置的應(yīng)力進(jìn)行分析并得出關(guān)于不同轉(zhuǎn)速下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)下的相關(guān)結(jié)論。

2、熱機(jī)耦合過程

熱機(jī)耦合是行駛的車輛產(chǎn)生的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為熱能的過程，這些熱能被兩部分所化解，其中一部分制動(dòng)器吸收，另一部分則飛散到周圍的空氣中去了，因此制動(dòng)器再在制動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)溫升狀況。一開始汽車發(fā)生了制動(dòng)，作用摩擦片的壓緊力使摩擦片和制動(dòng)盤發(fā)生變形，制動(dòng)盤與摩擦片開始發(fā)生接觸接觸。伴隨著摩擦片和制動(dòng)盤的形變?cè)絹碓酱?，制?dòng)盤與摩擦片之間溫度會(huì)因?yàn)槟Σ涟l(fā)生相互傳遞，同時(shí)制動(dòng)盤表面也與周圍環(huán)境發(fā)生對(duì)流換熱和熱輻射，從而形成溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的不均勻分布，由于不均勻的變形，這些不均勻的變形又影響制動(dòng)盤和摩擦片之間的局部接觸狀態(tài)。這些狀態(tài)參數(shù)在整個(gè)制動(dòng)過程中會(huì)相互作用并不斷變化，因此整個(gè)制動(dòng)過程相當(dāng)復(fù)雜[2]。

3、有限元熱機(jī)耦合分析理論

在汽車制動(dòng)過程中，由于制動(dòng)盤和摩擦片的摩擦?xí)?dǎo)致制動(dòng)盤的溫度升高，此時(shí)制動(dòng)盤表面由于摩擦產(chǎn)生的熱量分布一定是不均勻且不對(duì)稱分布的。制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向產(chǎn)生不均勻的熱膨脹這是由不均勻的溫升引起的。因此，由于各個(gè)方向產(chǎn)生的不均勻的熱膨脹，制動(dòng)盤和摩擦片之間的接觸狀態(tài)和壓緊力也不會(huì)是一成不變的，是會(huì)隨著膨脹變化而變化的，因此制動(dòng)過程是應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的相互耦合作用的。結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析的有限元方程為：

式中，u為節(jié)點(diǎn)位移矢量;T為溫度;為力學(xué)剛度矩陣;為熱學(xué)剛度矩陣;F為載荷矢量;為熱容矩 陣，為熱傳導(dǎo)矩陣;為熱力耦合矩陣;Q為熱載荷矢量;D為耗散矢量。

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。

4、結(jié)論：

為了進(jìn)一步理解摩擦生熱對(duì)盤式制動(dòng)器那不容小覷的影響，本文按照真實(shí)的盤式制動(dòng)器真實(shí)尺寸利用UG制圖軟件等比例繪制盤式制動(dòng)器的3D建模圖，將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化前處理采用ANSYS軟件繪制了制動(dòng)盤網(wǎng)格，確保了在不同工況下緊急剎車時(shí)熱機(jī)耦合過程具有相當(dāng)?shù)恼鎸?shí)性和可靠性，通過仿真分析獲得了熱耦合制動(dòng)過程中不同工況下的制動(dòng)盤溫度場(chǎng)的分布規(guī)律以及溫度變化的曲率，通過分析我們可以獲得這樣的結(jié)論：

制動(dòng)盤溫度場(chǎng)分布：制動(dòng)盤中的溫度分布是非軸對(duì)稱的，總體上顯示為一開始近乎接近于直線上升后來再緩慢下降趨勢(shì)，非摩擦接觸區(qū)的溫度低于摩擦接觸區(qū)的溫度，并且制動(dòng)盤內(nèi)部的溫度低于制動(dòng)盤表面。制動(dòng)盤接近越內(nèi)徑區(qū)域，溫度相對(duì)較低，變化范圍相對(duì)較小。

在制動(dòng)壓力一定時(shí)，隨著時(shí)間的增加，溫度總體呈先急劇上升后平緩下降的趨勢(shì)。在較短時(shí)間內(nèi)（小于0.03秒），溫度上升速率加快，在0.03秒后降低速率趨勢(shì)趨于穩(wěn)定。初始制動(dòng)速度對(duì)盤式制動(dòng)器的溫度有很大影響，因?yàn)槌跏贾苿?dòng)速度決定了制動(dòng)過程的能量輸入。翻閱資料可知，隨著初始制動(dòng)速度的增加，制動(dòng)器的動(dòng)能增加到第二功率，摩擦副吸收的熱量增加，摩擦副表面會(huì)產(chǎn)生高溫升高，這對(duì)其摩擦學(xué)性能有極其不利的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟祥寶.基于ANSYS的制動(dòng)器摩擦生熱分析[D].延邊大學(xué)，2014.

[2]許德幫.基于熱機(jī)耦合的制動(dòng)盤緊急制動(dòng)有限元分析及試驗(yàn)研究[D].西南大學(xué)，2017.

（房冠霖1998.09，山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光、李敏）