汽車制動器制動熱應力及溫度場分析

周鑫美，楊蔓，劉向征，申苗，奚源

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

汽車制動器制動熱應力及溫度場分析

周鑫美，楊蔓，劉向征，申苗，奚源

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

以熱分析理論為基礎，建立了汽車盤式制動器“熱-固”耦合模型。在此基礎上，模擬分析了循環制動工況下，制動盤的瞬態溫度場分布及熱應力結果，提出了制動盤的優化改進方向。

制動盤；“熱-固”耦合；熱分析

Abstract:Based on the theory of thermal analysis, the analysis model coupled thermal and structure of brake disc was established. And then, the distributions of temperature and stress caused by heat of brake disc, which happened on the cyclic brake condition, were analyzed. At last, the optimization measures were also proposed.

Keywords:Brake disc; Thermal-structure coupling; Thermal analysis

0 前言

制動系統是汽車的一個重要組成部分，直接影響著汽車的安全性。隨著高速公路的迅猛發展和汽車保有量的日益增多，交通事故不斷增加。據有關統計資料調查顯示：在由于車輛本身問題而造成的交通事故中，由制動系統引起的事故占到總數的45%，而制動系統故障主要表現為“制動效能熱衰退”及“制動器疲勞破壞”[1]。因此，對制動器制動過程中的“溫度場”及“熱應力”進行分析，詳細了解其溫度及應力分布，繼而對制動器散熱及強度性能進行合理設計，具有重要意義。

文中以某自主研發項目中的制動器設計為例，詳細介紹了汽車盤式制動器“熱-固”耦合模型的建立方法，闡述了制動盤瞬態溫度和熱應力分布的有限元分析過程，提出了制動盤的優化改進方向。

1 熱分析理論基礎

汽車制動器制動是一個高度非線性的“熱-固”耦合過程，包含熱生成、熱分配、熱傳導、熱對流等復雜問題。

(1)熱生成理論。 制動過程中，摩擦盤和摩擦片之間的摩擦是制動盤和制動片的主要熱生成來源。根據Friedrich等人的研究，當摩擦副高速相對滑動時，其摩擦能量可近似全部轉化為熱能，并作用于摩擦副的真實接觸點處[2]。其接觸點處單位面積內的熱載荷公式為：

q(r,θ,t)=μ·p(r,θ,t)·v(r,t)

(1)

式中：q(r,θ,t)為熱流密度，W/(m2·s) ；

μ為接觸點處的摩擦因數；

p(r,θ,t)為摩擦副接觸壓強,MPa；

v(r,t)為相對滑動速度,m/s。

(2)熱分配理論。 摩擦熱在摩擦界面間的熱分配與兩摩擦表面的材料密度ρ、熱傳導系數k、比熱容c有關，其熱流分配系數為：

(2)

故作用于制動盤上的熱流密度為：

(3)

(3)熱對流理論。 熱對流是指固體的表面與周圍流體之間由于溫度差而進行的熱量交換。由于制動盤和制動片是直接暴露在空氣當中且存在溫度差，制動盤以及摩擦片與周圍空氣存在熱對流現象,其模擬圖見圖1。

制動器循環制動中的熱對流包括制動時候的受迫對流散熱和制動停止時候的自然對流散熱[3]。

制動時對流換熱系數與周邊氣流的流體特征有關，而氣流流體特征由雷諾數確定：當雷諾數Re≤2.4×105時，氣流特征為層流；當雷諾數Re>2.4×105時，氣流特征變為紊流[4]。文獻[4]給出盤式制動器制動時對流換熱的經驗公式，如下：

(4)

式中:h為對流換熱系數，W/(m2·K)；

ka為空氣熱傳導系數，W/(m·K)；

D為制動盤的外直徑，m；

Re為雷諾數。

雷諾數Re與流體的密度ρa、黏度ua及流速va有關。對于制動過程中制動器周邊空氣，其雷諾數公式為：

Re=ω·R·ρa·d0/ua

(5)

式中：ω為制動盤角速度，rad/s；

R為輪胎滾動半徑，m；

ρa為空氣密度，kg/m3；

d0為特征長度，m；

ua為空氣動力黏度，N·s/m2。

由文獻[5]查得：ka=0.027 6 W/(m·K)，ρa=1.13 kg/m3，ua=1.90×10-5N·s/m2。

2 制動器制動熱應力及溫度場分析

2.1 制動器熱-固耦合分析計算模型概述

忽略制動管路、制動液壓缸等附屬結構，在非線性有限元軟件ABAQUS中建立制動器“熱-固”耦合分析模型，如圖2所示。

制動盤采用六面體網格離散，網格類型為C3D8T，單元數量7 638。制動盤材料為HT250，材料參數如表1—2所示。

表1 材料力學參數

表2 材料熱性能參數

2.2 邊界條件及載荷工況

(1)分析工況。文中模擬的是汽車高強度循環制動工況：汽車制動初速度100 km/h,以4.87 m/s2的減速度勻減速制動至停車，制動時間5.7 s，制動停止并散熱30 s后，又以同樣初速度、減速度制動至停車。總共10次制動循環，共計時間357 s。

(2)邊界條件。定義制動器及外界空氣初始溫度25 ℃。

(3)載荷。循環制動工況制動盤“角速度-時間”曲線如圖3所示。

制動盤制動片間的相對滑動速度v(r,t)隨著制動循環的進行呈周期性變化。以第一個制動循環為例，其表達式為：

(6)

式中:t為時間，s；

r為距離制動盤圓心距離，m。

制動過程中制動盤制動片間滑動摩擦因數μ取為經驗值0.38，接觸壓強p(r,θ,t)為實測值16.326 MPa。以第一個制動循環為例，由公式(1)、公式(3)、公式(6)可推導出作用于制動盤上的熱流密度為：

(7)

制動過程中，制動器不僅存在熱輸入，還存在熱耗散，這部分熱量主要通過與周邊空氣以熱對流的形式予以輸出。制動時制動器表面的流體狀態可近似為紊流狀態，取制動停止時候的自然對流換熱系數20 W/(m2·K)，以第一個制動循環為例，對流換熱系數為：

(8)

2.3 分析結果

(1)溫度場分析結果。隨著制動循環的進行，制動盤的溫度云圖如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著制動循環的進行，制動盤溫度逐漸升高并呈如下特點：制動盤表面溫度于徑向存在明顯梯度，溫度以制動盤與制動片摩擦區域為最高點，分別向外圍迅速擴散；制動盤溫度基本以制動盤中心軸旋轉對稱，即同一半徑周向上不同節點間的溫度基本一致。

以制動盤表面外沿一節點為例，制動盤“溫度-時間”關系如圖5所示。

由以上“溫度-時間”關系曲線可以看出：隨著“制動-停止-制動”循環的進行，制動盤經歷著“吸熱-散熱-吸熱”的循環過程；“溫度-時間”關系曲線呈“升高-降低-升高”鋸齒狀爬升，最高溫度達到643 ℃，10次高強度制動循環終止后，溫度仍有573 ℃。

(2)熱應力分析結果。物體溫度改變時，由于外在約束及內部各部分之間的相互作用，使其不能完全自由脹縮而產生的應力稱作熱應力。

由前文溫度場分析結果可知，制動盤高強度循環制動工況，其溫度可在短短幾分鐘內迅速由初始溫度25 ℃上升至600多攝氏度，且其溫度在徑向和軸向不均等分布，再加上制動盤安裝螺栓孔位置相對固定，所以制動盤的受熱膨脹非完全自由脹縮，存在較大熱應力。制動盤應力云圖如圖6所示。

制動盤“最大應力-時間”關系曲線如圖7所示。

由以上“最大應力-時間”關系曲線可以看出：隨著“制動-停止-制動”循環的進行，“最大應力-時間”關系曲線呈“升高-降低-升高”鋸齒狀爬升，最大應力出現于第10次制動停止時刻，大小為362 MPa，已接近材料屈服極限400 MPa。

2.4 優化改進

由以上溫度場及熱應力分析結果可以看出：該制動盤結構不盡合理，它在高強度循環制動工況中制動升溫較快，散熱不良，由此產生的熱應力最大達到了362 MPa，已接近材料屈服極限400 MPa，在如此高的熱應力作用下，該制動盤的結構強度和制動效率將存在較高失效風險。

制動盤及其周邊結構的形態、制動盤材料的熱力學性能對制動盤溫度場及熱應力的結果影響很大。因此可以從以上幾個方面對制動盤溫度場及熱應力予以改善，具體如下：

(1)改進制動盤材料，選用熱傳導性能好、比熱容大、線膨脹系數小的材料。

(2)考慮散熱好的結構形態，增加制動盤的通風面積，如選用通風盤式制動器，見圖8。

(3)改進制動盤周邊流場：改善輪罩結構，引導底盤氣流冷卻制動盤。

3 結束語

汽車制動器作為汽車安全的“護航員”，在汽車安全設計中有著舉足輕重的地位。制動器制動過程中的散熱及強度性能既是制動器設計的重點，又是制動器設計中的難點。

文中結合某項目的實際研發需要，通過有限元仿真技術對制動器循環制動工況的“熱-固”耦合問題進行計算，可在項目概念設計階段即對制動器相關性能予以預判，繼而針對性地予以改善。與以往經驗設計相比，該方法具有準確、快速、節約成本等優勢，對制動器制動過程的散熱及結構強度性能設計具有指導意義。

【1】 陳友飛，李亮，楊財，等.制動器熱分析有限差分仿真模型的研究[J].汽車工程，2012(34)：234-240.

【2】 Friedrich K，Flock J，Va′ radi K,etal.Numerical and finite element contact and thermal analysis of real composite_steel surfaces in sliding contact[J].Wear,1999，225:368-379.

【3】 楊強,譚南林.列車制動盤溫度場和應力場仿真與分析[D].北京：北京交通大學，2009.

【4】 全國汽車標準化委員會.GB 12676-1999汽車制動系統結構、性能和試驗方法[S]．北京：國家機械工業局，1999．

【5】 吳倩斯，萬里翔.汽車盤式制動器熱—結構耦合仿真分析[D].重慶：西南交通大學，2011.

波瀾不驚下暗流涌動上半年車市關鍵詞盤點

今年的夏天和往年一樣，火辣辣的太陽盡情揮灑熱情。在這如常的夏季里，時不時的一場暴雨帶來了一陣陣清涼。車市和天氣一樣，進入夏季后市場和往年同期一樣，人流有些許減少，但今年上半年與往年還有些不同，少了些喧囂多了一份平靜，價格戰跡象也不明顯。平靜的背后有限購的影子，也有購買力下降的烙印，多重因素作用下一線市場已進入成熟期。

小型SUV來襲

上半年國內汽車市場的重頭戲非北京車展莫屬，有大量新車型上市，而且行業風向標作用更加明顯。和往屆北京車展不同，本屆車展小型SUV扎堆，有統計稱今年將有近20款小型SUV上市。可以預見，小型SUV市場在未來幾年內將成為競爭最為激烈的市場之一。

價格戰未上演

和小型SUV風風火火不同，今年車市價格波動不太明顯，價格戰未有大規模上演，而且各款車型的優惠幅度也比較穩定。究其根源，首先在北京這樣的一線城市，升級換購比例增加，購車理念相對成熟，價格在夠車決策中作用雖然明顯，但產品品質的影響力增加，價格作用被弱化；其次，在限購等作用下，市場的物理容量一定，過多的價格戰將利潤消耗怠盡，經銷商無力可圖，也就選擇了穩定價格策略；第三，經過多年的發展，汽車銷售環節微利甚至虧損的現象已十分明顯，已無多少降價空間。其實，穩定的價格不但是健康市場的基石，可以提升品牌形象，也能提高二手車保值率，從而有效維系現有客戶。從目前形勢看，下半年還將保持這一相對穩定的趨勢，不會有較大的價格波動。

自主品牌繼續“撤退”

在價格穩定的大背景下是自主品牌銷量的再度走低，特別是部分城市限購大幅壓縮了自主品牌的生存空間，而合資品牌產品價格繼續下探，對自主品牌的打擊更為嚴重。汽車之家分析數據顯示：今年前4個月，自主品牌乘用車銷量占乘用車銷售比例分別是25%、25%、24%和24%，而去年12月，這一比例為29%。去年同期的數字分別為28%、27%、26%和26%。兩組數據對比可以很明顯地看出，自主品牌的境況日漸艱難。與銷售比例下降同步，銷量也呈下降趨勢，去年12月自主品牌單月銷售在5萬多輛，而今年前4個月最高的月份才4萬輛出頭，2月份僅3萬多輛。

(信息來源：中國新聞網)

ThermalAnalysisofAutomotiveBrakeDisc

ZHOU Xinmei, YANG Man, LIU Xiangzheng，SHEN Miao,XI Yuan

(GAC Automotive Engineering Institute，Guangzhou Guangdong 511434,China)

2014-03-24

周鑫美，碩士，主要從事車身、底盤件結構強度及耐久設計。E-mail：zhouxinmei@gaei.cn。