制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生阻礙車(chē)輛運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力的部件。整個(gè)制動(dòng)過(guò)程是利用盤(pán)式制動(dòng)器將汽車(chē)行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦產(chǎn)生的熱能過(guò)程。在實(shí)際使用的過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)的最高溫度會(huì)達(dá)到 300-400℃；連續(xù)多次制動(dòng)或高速制動(dòng)時(shí)，熱流密度輸入量大，同時(shí)制動(dòng)時(shí)間較短，導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)溫升很快，通常情況下，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力矩飛速下降。

摩擦耦合件的摩擦熱能使其摩擦表面部分區(qū)域出現(xiàn)高溫、表面氧化，嚴(yán)重會(huì)有熱疲勞磨損的現(xiàn)象，嚴(yán)重會(huì)使制動(dòng)器失效，給行車(chē)安全帶來(lái)很大隱患。但伴隨著科技進(jìn)步、工作節(jié)奏加快，人們對(duì)行車(chē)的高速、環(huán)保、舒適、安全等的要求也日益嚴(yán)格，對(duì)相同尺寸或是更小尺寸的制動(dòng)器意味著，更小的摩擦接觸區(qū)域承受大幾倍甚至是幾十倍的熱量，也為制動(dòng)器提出了更高的要求。因此為了保障行車(chē)的安全性和可靠性，必須研究出摩擦副的熱衰退和熱損傷等問(wèn)題的解決辦法，而這些問(wèn)題的根源就是制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱。

實(shí)際使用過(guò)程中，摩擦副產(chǎn)生的摩擦熱主要由制動(dòng)盤(pán)和摩擦片吸收，其中摩擦片通常由非金屬材料組成，制動(dòng)盤(pán)則由金屬材料制成，其導(dǎo)熱性能較摩擦片好。從而，制動(dòng)盤(pán)吸收絕大部分的摩擦熱能，因此其承受更多的熱載荷。因此本文只分析了制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。

1 制動(dòng)的摩擦生熱理論

對(duì)于制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)仿真分析，通常是采用能量折算的方法計(jì)算制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的熱流 密度，這里需認(rèn)為輸入的熱流密度是均與分布在摩擦表面的。根據(jù)能量守恒定律分析 制動(dòng)過(guò)程，本文針對(duì)客車(chē)的四分之一模型，假設(shè)從制動(dòng)開(kāi)始到結(jié)束的動(dòng)能全部都轉(zhuǎn)化 為摩擦耦合件的生熱能量，則摩擦耦合件產(chǎn)生的熱能為

式中 M 為軸載荷 kg； V0為客車(chē)制動(dòng)時(shí)的初始速度 m/s 該公式只是在理論上可以成立，但在實(shí)際的制動(dòng)過(guò)程需要考慮很多外在的因素，如：空氣阻力與客車(chē)摩擦產(chǎn)生的熱能、各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦產(chǎn)生的熱能、輪胎跟地面 摩擦產(chǎn)生的熱能等很多能量均由動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)。因此在制動(dòng)的過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)的輸入熱量還需考慮動(dòng)能的轉(zhuǎn)化比例。本文中制動(dòng)盤(pán)的輸入修正熱量為

式中，η為制動(dòng)盤(pán)吸收熱量占總動(dòng)能的比重

若忽略摩擦產(chǎn)生的熱量沿徑向和軸向分布的差異，這里將摩擦產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的熱流密度均與分布在制動(dòng)盤(pán)摩擦區(qū)域的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，則由熱流密度的公式，可知摩擦盤(pán)上熱流密度與制動(dòng)時(shí)間 t 的公式為：

本文中假設(shè)制動(dòng)過(guò)程為勻減速過(guò)程，客車(chē)的減速度為 a，可得制動(dòng)盤(pán)的摩擦面上熱流

密度與制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系為

一般有 80-90%的能量由制動(dòng)副轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉，文中取 90%。由公式可得出，通過(guò)能量折算法計(jì)算的熱流密度隨著制動(dòng)時(shí)間的增加而線(xiàn)性遞減，而遞減的斜率與客車(chē)載重、加速度的二次方成正比，且與摩擦面的個(gè)數(shù)、摩擦片面積成反比

2 制動(dòng)系統(tǒng)有限元模型建立

本文以某制動(dòng)器為研究對(duì)象，應(yīng)用 ug 軟件建立相應(yīng)的制動(dòng)盤(pán)三維模型，將其三維模型轉(zhuǎn)化為 stp 格式，導(dǎo)入 abaqus 軟件對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分時(shí)，要考慮網(wǎng)格的 大小與單元類(lèi)型對(duì)結(jié)果的影響，本文選用 3mm 為網(wǎng)格劃分的基本尺寸，網(wǎng)格單元選用熱結(jié)構(gòu)耦合專(zhuān)用單元 C3D4T，制動(dòng)盤(pán)的材料為 HT250, 整車(chē)與制動(dòng)盤(pán)參數(shù)見(jiàn)表

制動(dòng)盤(pán)的材料

整車(chē)與制動(dòng)盤(pán)參數(shù)

熱流密度的確定

制動(dòng)過(guò)程的熱應(yīng)力分析，實(shí)際是車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦生熱和克服阻力做功的過(guò)程。其 中，摩擦生熱的能量一部分被地面消耗，大部分是被制動(dòng)盤(pán)和摩擦片吸收。分析過(guò)程中， 直接將摩擦副吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱流密度施加在制動(dòng)盤(pán)摩擦表面，計(jì)算公式參考上文，本文只對(duì)制動(dòng)盤(pán)單次制動(dòng)升溫與多次連續(xù)制動(dòng)制動(dòng)盤(pán)表面的溫度進(jìn)行分析制動(dòng)盤(pán)單次制動(dòng)升溫：根據(jù)《QC/T 564-2008 乘用車(chē)制動(dòng)器性能要求及臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法》相關(guān)規(guī)定，汽車(chē)以 100km/h 的初始速度進(jìn)行緊急制動(dòng)，其制動(dòng)減速度為 6.125m/s2，制動(dòng)時(shí)間為4.54s。

圖 單次制動(dòng)升溫云圖

制動(dòng)盤(pán)多次制動(dòng)升溫: 車(chē)輛初速 64km/h,以 0.5g 的減速度制動(dòng)至 24km/h，制動(dòng)時(shí)間為2.27秒，間隔時(shí) 20 秒，以 22.27 秒為一個(gè)制動(dòng)循環(huán)。又從速度為 64km/h，同樣以 4.9m/s2 的減速度制動(dòng)至 24km/h?？偣策M(jìn)行 80 次制動(dòng)循環(huán),如圖 ABAQUS 中工況的設(shè)置

ABAQUS 中工況的設(shè)置

圖 多次制動(dòng)升溫云圖

3 總結(jié)

通過(guò)能量守恒對(duì)制動(dòng)盤(pán)在單次與多次制動(dòng)的熱密度進(jìn)行了計(jì)算，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期可以定量的了解制動(dòng)盤(pán)的溫度情況，通過(guò)該方法減少產(chǎn)品制動(dòng)盤(pán)的開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品的可靠性及經(jīng)濟(jì)效益。

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