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原创文章

汽车盘式制动系统热性能和应力的有限元预测

阿里·贝尔霍钦

收到: 2016年5月30日/接受: 2016年8月15日/在线公布: 2016年8月23日

#斯普林格-维尔拉格伦敦2016

摘要

本研究的目的是使用有限元法来确定热效应在一种制动盘-衬块组件的结构和接触行为之间的影响。第一个分析是在没有热效应的制动盘-衬块模型被执行的。制动盘-衬块模型的结构性能依据一些因素被预测，例如变形和冯·米斯应力。接下来，在相同的制动盘-衬块上进行热力学分析，包括对流、绝热和热流元素。提出了预测的温度分布，变形，应力和接触压力。比较两个分析 (机械和热机械) 之间的结构性能。基于这一贡献，我们找到并使用了一些关于制动衬块内部接触压力分布的实验结果来验证我们的热力学模型。该研究有助于制动工程师选择合适的分析方法，对盘式制动器总成的结构和接触性能进行关键评估。

关键词：有限元 制动盘-衬块模型 温度 变形 应力 接触压力

1.介绍

在基本操作中，当驾驶员希望车辆减速时，盘式或鼓式制动系统必须降低车轮速度。车辆在车轮速度方面产生的动能由于制动系统的应用而被转换成热能。制动系统是现代乘用车中最基本的安全关键组件之一。因此，车辆的制动系统是一个重要的系统，特别是在减速或停车时^[1]。制动盘/制动鼓与摩擦衬块/制动蹄之间的摩擦力沿与车辆运动方向相反的方向对车轮施加摩擦力矩。这导致车速降低，并且在制动器应用期间制动盘/鼓中产生的热能导致盘/鼓扫过区域的温度升高。如上所述，制动盘/鼓的这种物理作用导致热传导至相邻的制动系统部件^[2]。

Kumar和Vinodh^[3]使用有限元方法对静态结构和瞬态热进行分析，同时提出一种新的汽车制动转子设计，并将其与通风盘式制动转子进行比较。这种分析是为了在极端负载下观察转子的应力和变形方式。Agnihotri和Chopra^[4]提出了一种新开发的模型来预测固体和通风盘式制动器转子的温升和温度特性。他们的研究目的是研究盘式制动器转子中热量和温度的分布。采用ANSYS有限元软件对盘式制动器进行了热结构分析。此模拟中使用的圆盘材料为不锈钢和灰口铸铁。这两个结果都可以用更好的理由去预估。Parab等人^[5]采用三种材料：不锈钢、铸铁和碳复合材料对盘式制动器进行了热机械分析。这个模型是基于CATIA进行建模的。为了验证盘式制动器的强度和热性能，进行了两次分析。通过对三种材料的变形、应力、温度等进行比较，确定了三种材料中的最佳材料。Gao和Lin^[6]和Gao等人^[7]采用三维热机械耦合分析方法研究了实心圆盘的瞬态温度场和热疲劳断裂。Hwang等人^[8]进行了热机械耦合分析，建立了用于重复制动的多体模型，并预测了通风制动盘的温度场。

图1 制动盘-衬块组件的有限元模型

他们的研究旨在讨论温度分布的不均匀性。Choi和Lee^[9]利用二维热机械耦合模型研究了盘式制动器在重复制动过程中的热弹性行为。Belhocine和Bouchetara^[10]采用有限元软件ANSYS 11.0对全通风盘式制动器转子的热性能进行了研究。最近，Belhocine和Wan Omar^[11]采用有限元方法进行研究，去调查三维制动盘-衬块模型在干接触滑移条件下制动过程中的结构和力学性能。

这项工作的新颖之处在于证实了由于变形和温度场之间的相互作用而引起的温度对盘的热机械响应的影响。因此，将热效应与机械效应相结合可能会很有趣。正是在减速的停止阶段期间，制动盘受到由摩擦衬块和制动盘引起的机械应力和热应力。实际上，在车辆制动过程中，温度场引起显著的热应力，并且必须通过增加机械应力来考虑这些约束。

为此，没有经验的作者对有热效应和无热效应的分析结果进行了深入的比较研究。

目前的研究旨在调查在有热效应和无热效应作用下的制动过程中，制动盘和制动衬块的结构和接触行为。有限元分析用于静态结构和瞬态热分析。首先，确定了盘式制动衬块模型在制动时的总变形以及制动衬块的应力和接触分布。然后，给出了热弹性耦合的结果，如冯·米塞斯应力、接触压力场以及制动盘和衬块的总变形。

图2 制动盘和衬块的接触区

表1 有限元网格特性

最后，利用文献中相同制动条件下的试验结果来确定有限元模型中预测的接触压力分布。这些将在汽车工业的制动器设计过程中起到作用。

2.有限元（FE）模型和假设

在圆柱坐标系下描述各体轴对称问题的非稳态热传导方程如下：

（1）

利用边界条件和初始条件：

当 时 （2）

当 时 （3）

当 时 （4） 当时间t=0时 （5）

其中 、 、 和 分别是材料在r和z方向上的密度、比热和热导率。此外， 是规定的温度，h是传热系数， 是每个接触界面由于摩擦产生的热通量， 是环境温度， 是初始温度， 、 和 分别为施加的温度，对流和热通量的界限。

表2 制动盘和衬块的热弹性特性

表3 制动盘和衬块的设计参数

利用伽辽金方法，非稳态热方程式（2）的一个有限元公式可以写成如下的矩阵形式：

（6）

其中 是容量矩阵， 是电导率矩阵。 T和R分别是节点温度和热源矢量。

求解方程（6）最常用的方法是直接积分方法，它是基于这样的假设：在时间t时的温度 和在时间t Delta;t时的温度 具有下列关系：

（7）

方程（7）可用于将常微分方程（6）简化为以下隐式代数方程:

（8）

变量 和 由下式给出：

（9）

对于不同的beta;值，采用0.5le;beta;le;1.0的这一种无条件稳定的格式，可以得到著名的数值积分法^[12]。

图3 热导率与温度的关系

图4 比热与温度的关系

制动和停止一个汽车系统的主要问题是在非常短的时间内将大量的热通量输入到制动盘中。由于高温差，材料暴露于高应力下。结果是热冲击。由于盘式制动器和制动衬块是制动过程中热力学和机械制约所涉及的主要部件，因此本研究将活塞和卡钳等其他重要部件排除在分析之外。

在这项研究中，采用由通风盘和两个衬块组成的三维有限元模型，如图1所示。图2显示了制动盘和衬块之间的接触区。 表1列出了有关网格属性的详细信息。

该制动盘由高碳含量的灰铸铁FG 15制成。制动衬块显示各向同性的弹性特性。表2和表3分别列出了这两部分的机械特性和设计参数。 使用商用有限元软件ANSYS 11（3D）模拟盘式制动器在制动过程中的结构变形，应力，温度和接触压力的分布。

转子由铸铁制成有以下三个原因^[13]：

·它相对较硬且耐磨。

·它比钢或铝便宜。

·它能很好地吸收和散热以冷却刹车。

制动盘的精确建模是一个非常困难的问题，目前仍在进行研究，以了解制动盘在制动过程中的瞬态热行为。对任何复杂几何进行建模总是需要一些假设。做出这些假设时，要考虑到理论计算中所涉及到的困难以及那些被采用的参数和被忽略的参数的重要性。在建模中，我们总是忽略那些不太重要，对分析影响不大的事情。这些假设总是取决于建模所需的细节和准确性。

表4 车辆数据

图5 制动盘的接触表面

由于在汽车盘式制动器的转子上应用制动器，发生摩擦产热，并且该热通量必须在盘式转子横截面上传导和分散。制动条件非常恶劣，因此必须进行热分析。热载荷和结构是轴对称的。因此，可以进行轴对称分析，但是在本研究中，我们进行了三维分析，这是可以精确表示该热分析。进行热分析，并结合上述荷载结构分析，对结构的稳定性进行分析。

为了简化分析，还做出了以下几个假设^[14]：lt;

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