周盤式制動(dòng)器熱-結(jié)構(gòu)耦合分析及實(shí)驗(yàn)研究

程 燚，蘇旭武，石 康，夏海龍

(1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,武漢 430068;2.湖北中爾車軸有限公司,十堰 442013)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物流業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。為了追求高效率下有更好的性能，物流車輛的設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸向著增加載重以及更加安全化的方向發(fā)展，而制動(dòng)器作為主要車輛制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)件之一，其綜合性能要求也越來越高。

在制動(dòng)過程中，剎車片和制動(dòng)鼓的摩擦產(chǎn)生了接觸壓強(qiáng)，根據(jù)條件結(jié)合熱流率和熱邊界條件可以得到制動(dòng)器的瞬態(tài)分析溫度場[1-2]。米召陽等[3]利用有限元法對盤式制動(dòng)器的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行分析，得出當(dāng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的速度小于對流散熱時(shí)，制動(dòng)器的溫度開始逐漸降低。王曉穎等[4]結(jié)合臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和有限元分析的數(shù)據(jù)對比，以標(biāo)記點(diǎn)的形式對特定位置進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，從而了解制動(dòng)鼓的失效規(guī)律。

孫繼宇等[5]對TD485單驅(qū)動(dòng)橋鼓式制動(dòng)器進(jìn)行不同工況的熱-力耦合分析，得到制動(dòng)鼓的溫度和應(yīng)力分布云圖，預(yù)測制動(dòng)鼓可能出現(xiàn)的失效形式。畢世英等[6]使用ANSYS Workbench建立制動(dòng)器的熱力耦合分析模型，通過制動(dòng)摩擦生熱模擬仿真實(shí)驗(yàn)對熱力耦合作用進(jìn)行了 15 次分析。得出制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄及摩擦片的升溫變化明顯，并且通過監(jiān)測確定了熱衰退臨界溫度臨界點(diǎn)。

張森等[7]通過MPCCI數(shù)據(jù)交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)盤式制動(dòng)器進(jìn)行溫度場、應(yīng)力場和空氣流場的完全耦合運(yùn)算，然后對比對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)計(jì)算溫度和實(shí)驗(yàn)值，證明該研究方法可有效提高對整體模型的計(jì)算精度。

NANDHAKUMAR等[8]將擠壓鑄造鋁金屬基復(fù)合材料應(yīng)用在制動(dòng)鼓中，通過熱分析，對比鑄鐵材料的溫升效果、熱滲透時(shí)間和冷卻情況，證明了這種材料的可行性。LAM等[9]對制動(dòng)器工作過程中的摩擦生熱、瞬態(tài)溫度場、對構(gòu)件的應(yīng)力和變形及接觸壓力分布規(guī)律等問題進(jìn)行了研究，利用ABAQUS 軟件解決了摩擦生熱引起的熱彈性接觸問題。PUNCIOIU等[10]對制動(dòng)原理進(jìn)行分析，通過ANSYS進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，研究熱彈性壓力、摩擦系數(shù)、熱載荷等影響制動(dòng)性能的相關(guān)因素。

為了研究新型周盤式制動(dòng)器的綜合性能，對制動(dòng)器進(jìn)行不同工況的熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析，主要觀察周制動(dòng)盤的溫度分布和應(yīng)力集中情況，深入了解這種制動(dòng)器的制動(dòng)過程和綜合性能，預(yù)測制動(dòng)器可能出現(xiàn)的失效形式。此外，為了驗(yàn)證有限元建模方法的準(zhǔn)確性，考慮各種試驗(yàn)條件的限制，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，對周盤式制動(dòng)器進(jìn)行連續(xù)制動(dòng)實(shí)驗(yàn)。拍攝紅外成像圖記錄溫度數(shù)據(jù)，對比有限元分析結(jié)果，驗(yàn)證模型的可靠性。通過有限元分析和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法來對制動(dòng)器型號(hào)進(jìn)行評(píng)估，縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，從而為后續(xù)周盤式制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路。

1 制動(dòng)器熱分析基本理論

1.1 摩擦生熱理論

接觸面上的單位熱流可以表示為：

qij=μvpij

(1)

式中，qij表示單位熱源強(qiáng)度;pij表示接觸面上的接觸應(yīng)力;摩擦系數(shù)μ取0.4;v表示接觸面間的相對速度。

忽略周制動(dòng)盤和摩擦片接觸的磨損情況，可以將周制動(dòng)盤吸收的熱量看作是一個(gè)加載在其內(nèi)外表面的移動(dòng)熱源，以周制動(dòng)盤半徑為r的內(nèi)表面(外表面為R)為例，此時(shí)周制動(dòng)盤的熱流密度的計(jì)算公式為：

qr(r,θ,t)=ημp(r,θ,t)v(r,θ,t)=ημp(r,θ,t)w(r,θ,t)r

(2)

內(nèi)摩擦片的熱流密度為：

qr′(r,θ,t)=(1-η)μp(r,θ,t)w(r,θ,t)r

(3)

式中，qr(r,θ,t)表示t時(shí)刻周制動(dòng)盤表面徑向r，周向坐標(biāo)θ處的輸入熱流密度；w(r,θ,t)表示周制動(dòng)盤的角速度；η表示輸入到周制動(dòng)盤上的摩擦熱占總熱量的比例。

摩擦接觸面上的熱邊界可以表示為：

(4)

式中，Tpr、TpR、Td1、Td2分別表示內(nèi)外摩擦襯片與周制動(dòng)盤兩接觸表面溫度的均值；qpr、qpR、qdr、qdR分別表示輸入到內(nèi)外摩擦襯片和周制動(dòng)盤的熱流；q表示制動(dòng)過程中形成的總摩擦熱流。

1.2 瞬態(tài)熱傳導(dǎo)理論

制動(dòng)器在制動(dòng)過程中不斷進(jìn)行生熱和傳熱現(xiàn)象，所以其傳熱原理為瞬態(tài)傳熱類型。自然界中熱量的傳遞形式主要有：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。根據(jù)能量守恒和傅里葉定律，在空間直角坐標(biāo)系中，制動(dòng)器瞬態(tài)溫度場T(x,y,z)所滿足的微分方程為：

(5)

式中，kx、ky、kz分別為周制動(dòng)盤沿各坐標(biāo)軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；ρ為周制動(dòng)盤密度，kg/m3；c為周制動(dòng)盤比熱容，J/(kg·℃)；t為時(shí)間；Q為周制動(dòng)盤微元體的熱源密度；Ω為周制動(dòng)盤的體積域。

1.3 邊界條件

1.3.1 對流換熱系數(shù)

在三種傳熱方式的計(jì)算中，由于熱輻射引起的溫度變化很小，所以這里忽略不計(jì)，熱對流和熱傳導(dǎo)引起的溫度變化占95%，熱對流的表達(dá)式[5]為：

h(t)=5.67826×[0.92+δv×exp(-v/359)]

(6)

式中，v為車輛制動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)車速，km/h；δ為與散熱有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，前輪取0.7，后輪取0.3，本文以后輪為研究對象。

1.3.2 熱流密度的計(jì)算

熱流密度的計(jì)算主要有兩種方式：能量折算法和摩擦功率法，本文采用能量折算法，從能量轉(zhuǎn)換的角度來分析熱量的變化。

在理想狀態(tài)下制動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量為：

(7)

式中，M為貨車滿載的重量，kg；v0為制動(dòng)初速度，m/s；vt為制動(dòng)t時(shí)刻的瞬時(shí)速度，m/s。

而實(shí)際制動(dòng)過程中制動(dòng)器吸收的熱量與總熱量之間存在一個(gè)比值，而且假設(shè)熱量由摩擦副平均分配，制動(dòng)過程為勻減速，因此制動(dòng)器的熱流密度為：

(8)

式中，η為制動(dòng)器吸收總能量占總熱量的比值，約為80%～90%；n為制動(dòng)器總摩擦副的個(gè)數(shù)，取4個(gè)；a為制動(dòng)的減速度，m/s2；A為周制動(dòng)盤與剎車片的接觸面積，m2。

2 有限元模型建立

2.1 周盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

本文研究的周盤式制動(dòng)器是在鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化改良之后的一種新型制動(dòng)器，主要由周制動(dòng)盤、制動(dòng)蹄、摩擦片及導(dǎo)風(fēng)罩、制動(dòng)臂、凸輪軸、回位彈簧、軸支架等組成。剎車時(shí)，通過氣室產(chǎn)生的壓力，帶動(dòng)雙S凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)對內(nèi)外制動(dòng)蹄同時(shí)產(chǎn)生促動(dòng)力，使內(nèi)制動(dòng)蹄外張、外制動(dòng)蹄夾緊與旋轉(zhuǎn)的周制動(dòng)盤產(chǎn)生摩擦力矩，從而達(dá)到制動(dòng)效果。周盤式雙面制動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上結(jié)合盤式制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，大大增加了摩擦接觸面積、平均分配各個(gè)部件受力、增大制動(dòng)力矩，從而達(dá)到更好的制動(dòng)效果。周制動(dòng)盤的散熱孔增大了散熱面積，此外導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)不僅可以阻檔大部分灰塵，也可以利用強(qiáng)制對流提高制動(dòng)器的散熱能力。

1.導(dǎo)風(fēng)罩 2.制動(dòng)臂3.內(nèi)剎車片 4.外剎車片 5.制動(dòng)外蹄6.凸輪軸 7.回位彈簧 8.蹄片軸支架 9.周制動(dòng)盤 10.制動(dòng)內(nèi)蹄

2.2 制動(dòng)器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文研究的周盤式制動(dòng)器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)器主要構(gòu)件參數(shù)

2.3 主要構(gòu)件的模型簡化

圖2 簡化后的裝配體

在不影響分析結(jié)果的情況下對制動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行合理簡化，這樣不僅可以提高網(wǎng)格質(zhì)量還有利于加快求解速度。所以在制動(dòng)器主體結(jié)構(gòu)的選取上，不考慮導(dǎo)風(fēng)罩、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，建立周制動(dòng)盤、制動(dòng)蹄、摩擦片的模型。忽略與主體結(jié)構(gòu)無關(guān)的加工細(xì)節(jié)，比如一些倒角、螺栓孔、加強(qiáng)筋等，忽略非接觸面的小孔、毛坯、槽口等，對模型不規(guī)則部分適當(dāng)簡化以加快有限元計(jì)算收斂。簡化后的裝配體模型如圖2所示。

3 制動(dòng)器力學(xué)模型介紹

在正常工作時(shí)，氣壓為0.8 MPa，氣室推力為11 000 N，由杠桿原理[8]求得各力大小如表2所示。

表2 各制動(dòng)蹄受力情況

通過等效轉(zhuǎn)換將蹄端受力等效到剎車片的中間截面處，得制動(dòng)力矩Mbd=15 041.2 N·m。

4 有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

剎車片和周制動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的大量的熱，制動(dòng)器的各個(gè)部件在熱的作用下產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致熱變形，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，所以周向盤式制動(dòng)器的制動(dòng)過程是一個(gè)熱-結(jié)構(gòu)耦合問題。

本次研究對象——周盤式制動(dòng)器，在制動(dòng)過程中剎車片的摩擦變形對制動(dòng)器有較大的影響，所以將剎車片模型作為柔性體，考慮變形和大范圍運(yùn)動(dòng)，建立剛?cè)狁詈戏治觥Ｖ鼙P式制動(dòng)器的制動(dòng)過程要考慮溫度和結(jié)構(gòu)的影響，簡化模型，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，建立熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。

周制動(dòng)盤材料為蠕墨鑄鐵(RuT300)，內(nèi)外制動(dòng)蹄材料為球墨鑄鐵(QT600)，摩擦襯片材料為復(fù)合材料。

4.1 添加接觸對和APDL命令

在Connections中建立內(nèi)外剎車片和周制動(dòng)盤接觸的四對摩擦副，根據(jù)接觸分析中目標(biāo)面和接觸面的選取原則，定義周制動(dòng)盤內(nèi)外表面為目標(biāo)面，與之接觸的兩對摩擦片為接觸面，在蹄和摩擦片的接觸中，設(shè)置接觸類型為“綁定”，制動(dòng)蹄添加固定約束。驗(yàn)證模型的接觸剛度為0.3。通過APDL命令流添加溫度自由度和熱-結(jié)構(gòu)耦合單元，通過“et，matid，solid226,11”將單元改為可以進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場分析的solid226單元，并添加溫度自由度，在Contact中添加“keyopt，cid，1，1”修改單元關(guān)鍵字，建立接觸。利用Mechanical生成對流換熱系數(shù)公式文件，添加到APDL中。

4.2 設(shè)置邊界條件并添加約束

定義邊界條件和載荷，設(shè)定在不同工況下周制動(dòng)盤中心轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，并約束其他5個(gè)方向的自由度，使其只能繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。約束內(nèi)外制動(dòng)蹄銷孔接觸環(huán)面徑向和軸向位移，對銷孔施加圓柱約束，使其只有繞銷孔軸旋轉(zhuǎn)的自由度。由于雙S凸輪軸通過制動(dòng)臂帶動(dòng)制動(dòng)蹄夾緊和外張，所以添加內(nèi)外制動(dòng)蹄的促動(dòng)力，邊界條件和約束如圖3所示。

圖3 制動(dòng)器邊界條件示意圖

4.3 網(wǎng)格劃分

圖4 網(wǎng)格劃分

由于制動(dòng)蹄結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，所以在劃分網(wǎng)格之前要對較為復(fù)雜的構(gòu)件進(jìn)行多次切分，整體網(wǎng)格采用能夠進(jìn)行熱耦合分析的solid226三維二十節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行劃分。細(xì)化摩擦副兩接觸面間的網(wǎng)格、定義單元尺寸，部分構(gòu)件采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分的方法，劃分的網(wǎng)格如圖4所示。

5 仿真及結(jié)果分析

5.1 單次制動(dòng)的工況分析

為了模擬單次制動(dòng)的條件下，制動(dòng)器的溫度變化情況，假設(shè)整車重量為49 t，以60 km/h的初始速度做勻減速運(yùn)動(dòng)，2.8 s后速度為0。仿真得到2.8 s末周制動(dòng)盤的溫度溫度分布和變化如圖5和圖6所示。

圖5 制動(dòng)器單次制動(dòng)溫度分布云圖圖6 單次制動(dòng)溫度變化曲線

可以看出在2.8 s末，最高溫度為98.1 ℃，發(fā)生在周制動(dòng)盤外圓周面的位置，由于是雙面制動(dòng)，所以周制動(dòng)盤內(nèi)外表面溫差約為30 ℃。周制動(dòng)盤外表面溫度分布基本均勻，部分區(qū)域的溫度由于振動(dòng)摩擦產(chǎn)生了斷層，導(dǎo)致溫度差較大。周制動(dòng)盤內(nèi)表面溫度并不連續(xù)，存在許多高溫度塊，高溫區(qū)域集中在制動(dòng)器外表面的中心位置，并且溫度梯度由高溫處向兩邊逐漸減小，這是因?yàn)橥馓闼艿降牧^大，剎車片和周制動(dòng)盤在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，然后溫度向兩邊傳遞，長時(shí)間的熱應(yīng)力現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中而產(chǎn)生周向和周向的裂紋，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，便會(huì)使制動(dòng)器失效、制動(dòng)性能下降。

單次剎車的最高溫度變化曲線如圖所示，在剎車時(shí)，周制動(dòng)盤表面溫度迅速上升，隨著制動(dòng)時(shí)間的增加，溫度變化幅度減小，在2.43 s時(shí)最高溫度達(dá)到最大為100.22 ℃，最后在2.8 s末溫度降到98.1 ℃。

總體變形量如圖7所示，最大變形為0.298 55 mm，由于這種新型制動(dòng)器結(jié)構(gòu)中外蹄制動(dòng)力大于內(nèi)蹄，所以最大變形發(fā)生在周制動(dòng)盤外表面處，而且基本是對稱分布。

圖7 制動(dòng)器的變形分布云圖

5.2 連續(xù)制動(dòng)工況分析

為了模擬多次制動(dòng)連續(xù)工況下制動(dòng)器的壓力應(yīng)變情況，所以假設(shè)滿載貨車的初速度為70 km/h，制動(dòng)減速到30 km/h之后，再加速到60 km/h，最后減速到0。速度時(shí)間變化曲線如圖8所示。仿真結(jié)束時(shí)制動(dòng)器溫度分布云圖如圖9所示。

圖8 速度時(shí)間變化曲線 圖9 連續(xù)制動(dòng)制動(dòng)器溫度分布云圖

分別以周制動(dòng)盤內(nèi)外周面和側(cè)面為測量點(diǎn)，得到連續(xù)制動(dòng)工況下的制動(dòng)器的分布云圖和制動(dòng)器各測量點(diǎn)處溫度變化曲線如圖10所示。

圖10 周盤式制動(dòng)器各位置溫度變化曲線

在連續(xù)剎車時(shí)周制動(dòng)盤側(cè)面由于熱傳導(dǎo)的作用，溫度平緩上升，在19.745 s的時(shí)候這3個(gè)測量點(diǎn)的溫度差最小。在連續(xù)剎車的過程中，最高溫度為170.22 ℃，發(fā)生在周制動(dòng)盤外表面靠近外制動(dòng)蹄力的地方。周制動(dòng)盤內(nèi)表面的平均溫度125 ℃左右，內(nèi)外表面溫差為45 ℃。

連續(xù)制動(dòng)下制動(dòng)器應(yīng)力分布如圖11所示。

圖11 連續(xù)制動(dòng)制動(dòng)器應(yīng)力分布云圖

應(yīng)力集中主要集中在內(nèi)蹄連接雙S凸輪區(qū)域，最大壓力值為457 MPa，周制動(dòng)盤和制動(dòng)蹄間接接觸的區(qū)域，應(yīng)力分布也是不均勻，是由于制動(dòng)過程中溫度分布不均勻?qū)е碌?。此外，?nèi)外蹄與剎車片接觸的邊緣處也有一些應(yīng)力集中的情況，長時(shí)間的應(yīng)力集中則會(huì)造成周制動(dòng)盤法蘭端面斷裂，所以內(nèi)外蹄的設(shè)計(jì)選取對制動(dòng)器的性能而言非常重要。

6 制動(dòng)器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架分析

6.1 實(shí)驗(yàn)對象及設(shè)備

理論離不開實(shí)踐，作為汽車系統(tǒng)不可或缺的一部分，為了保證制動(dòng)效果和安全性，在結(jié)合不同工況有限元分析結(jié)果的前提下，對于制動(dòng)過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力集中和熱疲勞現(xiàn)象還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對比有限元仿真的結(jié)果，判斷是否有效，我們利用的簡易實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備

以后橋制動(dòng)器為分析對象，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：鉗式電流表1臺(tái)(用于測量加載電機(jī)電流)、紅外熱成像儀(用于拍攝制動(dòng)器主要觀察區(qū)域紅外圖像，獲取溫度分布，溫度測量范圍-40 ℃～160 ℃)，結(jié)合軟件FLIR tool軟件對拍攝到的紅外成像圖進(jìn)行處理、紅外測溫儀(用于測定指定點(diǎn)的溫度)、接觸式多點(diǎn)測溫儀(用于測量外制動(dòng)蹄圓周分布各點(diǎn)的溫度)，對拍攝到的熱成像圖進(jìn)行分析后處理。

周制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)，為了保證制動(dòng)效果、滿足實(shí)驗(yàn)條件、避免皮帶打滑，所以調(diào)整氣室壓力到最低工作氣壓0.1 MPa，進(jìn)行連續(xù)剎車試驗(yàn)，直至周盤式制動(dòng)器因熱應(yīng)力而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，定時(shí)拍攝紅外熱成像圖，記錄溫度變化。

6.2 實(shí)驗(yàn)仿真對比

在簡易試驗(yàn)臺(tái)上對制動(dòng)器進(jìn)行生熱分析，考慮多次制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器會(huì)因?yàn)闊崞诙a(chǎn)生裂紋，所以為了探究制動(dòng)器在復(fù)雜工況下的制動(dòng)效果和溫度變化，建立工況模擬連續(xù)5次剎車的制動(dòng)情況。試驗(yàn)中調(diào)節(jié)氣閥通過氣缸添加制動(dòng)力，制動(dòng)時(shí)間為兩秒，循環(huán)制動(dòng)直至制動(dòng)器轉(zhuǎn)速為零，測得制動(dòng)器初始轉(zhuǎn)速為3 n/s，分析制動(dòng)后周制動(dòng)盤的溫度變化情況。

實(shí)驗(yàn)過程中選取周制動(dòng)盤外周面(節(jié)點(diǎn)編號(hào)為72483)為研究對象，選取位置如圖13所示。初始溫度為44 ℃，忽略拍攝測量過程周制動(dòng)盤導(dǎo)熱而形成的實(shí)驗(yàn)誤差。

圖13 制動(dòng)器測量點(diǎn)選取位置

初始溫度及5次制動(dòng)所拍攝的紅外溫度圖像如圖14～圖19所示。

圖14 初始溫度45.0 ℃圖15 周制動(dòng)盤第1次制動(dòng)溫度61.0 ℃

圖16 周制動(dòng)盤第2次制動(dòng)溫度77.8 ℃圖17 周制動(dòng)盤第3次制動(dòng)溫度86.0 ℃

圖18 周制動(dòng)盤第4次制動(dòng)溫度97.4 ℃圖19 周制動(dòng)盤第5次制動(dòng)溫度110.5 ℃

通過有限元分析將仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)的拍攝做數(shù)據(jù)收集，對于異常組的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。在有限元分析中，所選的單元在5次制動(dòng)時(shí)間末的溫度分布如圖20所示，制動(dòng)器選取點(diǎn)處最高溫度的變化曲線和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖21所示。

圖20 測量點(diǎn)溫度變化曲線 圖21 有限元和試驗(yàn)臺(tái)溫度對比

由曲線圖可以看出，開始制動(dòng)時(shí)溫度上升變化明顯，在制動(dòng)過程中溫度持續(xù)升高，并存在波動(dòng)，這是因?yàn)橹苤苿?dòng)盤在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，突然施加的制動(dòng)力矩較大，使周制動(dòng)盤表面熱流密度分布不均，某時(shí)刻的熱流密度集中而導(dǎo)致溫度瞬間升高產(chǎn)生突變。隨著循環(huán)制動(dòng)的進(jìn)行，每次制動(dòng)周期的最高溫度基本上呈梯度式增加，而且實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果基本吻合，實(shí)驗(yàn)和仿真最大誤差為8.29 ℃，再次驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可靠性。

7 結(jié)論

通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對新型制動(dòng)器進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，模擬不同制動(dòng)工況下制動(dòng)器應(yīng)力、應(yīng)變、變形及溫度變化情況，然后結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)調(diào)整轉(zhuǎn)速，進(jìn)行5次循環(huán)制動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對比摩擦生熱的溫升變化情況。

(1)在單次車況制動(dòng)條件下制動(dòng)器的溫度首先快速升高，在2.43 s時(shí)達(dá)到峰值100.22 ℃后，最后趨于平緩降到98.1 ℃。最大變形量為0.23 mm，發(fā)生在周制動(dòng)盤外表面處，內(nèi)表面最大變形量為0.1 mm，并且都是呈對稱分布。在連續(xù)制動(dòng)工況中，制動(dòng)結(jié)束時(shí)的最高溫度為170 ℃，發(fā)生在周制動(dòng)盤外表面靠近外制動(dòng)蹄力施加的地方。最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)蹄所傳遞制動(dòng)力的圓環(huán)處，最大應(yīng)力為457 MPa。

(2)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，第5次制動(dòng)結(jié)束后周制動(dòng)盤外表面選取點(diǎn)所測得的溫度為111.9 ℃，對比實(shí)驗(yàn)臺(tái)所測得的溫度變化和有限元分析結(jié)果誤差很小。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和有限元分析結(jié)果可以得出，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響周制動(dòng)盤表面的溫度分布，進(jìn)而影響制動(dòng)器的制動(dòng)效果。