制動器熱磨損分析方法研究

楊磊 范健文 崔庭瓊

摘要：制動器的熱磨損是直接影響到車輛的安全性，通常采用有限元法和試驗法來研究制動過程中的熱磨損，本文闡述了在熱磨損研究過程中使用的方法。

關鍵詞：制動器；磨損；數值分析；制動安全

2 有限元法

有限元法可以全面地展示磨損過程，其研究可分為直接法和后處理法兩類[1]。直接法通過對模型賦予材料屬性，設定初始參數，定義磨損單元，模擬磨損的整個過程。圖1 有限元分析流程圖由于每次磨損后，下一次的磨損初始狀態是不斷變化的，需要通過單元級別嵌入來實現。對于線性 Archard 磨損模型[2]或改進的 Archard 模型進模型[3]進行直接法分析，分析步驟如圖1所示。

后處理法是在已得到的有限元結果的基礎上，對模型進行網格位置的調整，再分析調整后所得到的結果[48]。

3 實驗法

有限元方法雖然能夠較好的模擬大多數磨損過程，然而，其分析模型一般來說是相對簡單的摩擦系數為常數的模型，而實際的制動過程中影響因素較多，摩擦系數隨著磨損狀態的改變不斷變化。因此有限元法在分析磨損過程中存在一定的局限性，實驗法能夠更加準確的分析磨損情況。

根據實驗目的、實驗方法和設備一般把磨損實驗分為小樣試驗、臺架試驗和道路使用試驗三種。

磨損試驗機由圖2所示部件組成。試驗機在試驗時存在兩種狀態，第一種，當摩擦盤與對偶剛片兩者之間沒有摩擦力時，是處于分開狀態，此時摩擦盤將按照之前的速度轉動，對偶盤保持靜止狀態。第二種，當摩擦盤在外力的作用下壓向對偶鋼片時，產生摩擦力，隨著試驗時間的增長，摩擦盤最終停止轉動，制動過程結束，控制裝置記錄實驗數據。

臺架試驗利用實物原型作為測試對象，在磨損性能測試的基礎上，進一步考察摩擦副結構的合理性、試驗數據的重現性和在模擬實際工況條件下摩擦件的可靠性[9]。其試驗設備是各種專用臺架試驗機。典型的臺架試驗有Krauss試驗和慣性臺架試驗。Krauss試驗基于盤式摩擦副的制動力矩與壓力成正比的特性，對制動襯片進行多次高溫熱衰退和冷卻恢復試驗，并收集數據，計算工作摩擦因數、最大摩擦因數、最小摩擦因數、冷摩擦因數、衰退摩擦因數，考察溫度升降過程中摩擦因數的變化。慣性臺架試驗利用飛輪對制動器進行加載并測得制動過程各種特性，工況模擬條件接近實際，慣性臺架試驗是制動器和摩擦材料性能綜合測試中最權威的試驗[10]。

4 結論

制動器摩擦磨損是一個非常復雜的過程，受到材料固有因素和外在因素的影響?？梢酝ㄟ^數值法和小樣試驗法對磨損進行分析，隨著摩擦學性能研究的不斷深入，探索更多的減少熱磨損的新技術。

參考文獻：

[1]HEGADEKATTE V，HUBER N，KRAFT O.Finite element based simulation of dry sliding wear[J].Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering，2005，13（1）：5775.

[2]ARCHARD J F.Contact and rubbing of flat surfaces[J].Journal of Applied Physics，1953，24（8）：981988.

[3]MOLINARI J F，ORTIZ M，RADOVITZKY R，et al.Finiteelement modeling of dry sliding wear in metals[J].Engineering Computations（Swansea，Wales），2001，18（34）：592609.

[4]CANTIZANO A，CARNICERO A，ZAVARISE G.Numerical simulation of wearmechanism maps[J].Computational Materials Science，2002，25（12）：5460.

[5]LIM S C，ASHBY M F.Wearmechanism maps[J].Acta Metallurgica，1987，35（1）：124.

[6]YAN W Y，O'DOWD N P，BUSSO E P.Numerical study of sliding wear caused by a loaded pin on a rotating disc[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2002，50（3）：449470.

[7]STALINMULLER N，VAN K D.Numerical simulation of the sliding wear test in relation to material properties[J].Wear，1997，203：180186.

[8]CHRISTOFIDES C，MCHUGH P E，FORN A，et al.Wear of a thin surface coating：Modelling and experimental investigations[J].Computational Materials Science，2002，25（12）：6172.

[9]王鐵山，曲波，等.汽車摩擦材料測試技術[M].長春：吉林科學技術出版社，2005.

[10]趙小樓，王鐵山，等.汽車摩擦材料摩擦磨損性能試驗的現狀與發展[J].潤滑與密封，2006，182（10）：200203.

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