盤式制動器結構對汽車制動中熱機耦合特性的影響分析

潘建宇，閆曉曉，崔世海

摘 要：針對結構不同的盤式制動器，建立了在某緊急制動工況下制動盤的三維瞬態熱機耦合計算模型，運用有限元方法模擬了盤式制動器的制動過程。通過分析比較不同結構對制動盤在緊急制動工況下溫度場的徑向分布、峰值熱應力與熱彈性變形情況，討論了制動盤結構對制動效果的影響。結果表明：通風制動盤能夠明顯降低制動時制動盤溫度和應力，對改善制動效能的恒定性具有積極作用。

關鍵詞：盤式制動器結構;有限元分析;制動性能;熱機耦合

中圖分類號：U463.51 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）23-159-04

Effect of different disc brake structures on the thermo-mechanical coupling

characteristics during automobile braking*

Pan Jianyu1， Yan Xiaoxiao2， Cui Shihai1

（1.College of mechanical engineering， Tianjin university of science and technology， Tianjin 300222;2.China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd， Tianjin 300300）

Abstract： Based on two kinds of automobile disc brakes with different structures， the brake disc finite element（FE） models which can calculate the three-dimensional transient thermo-mechanical coupling process was developed. And the FE models was used to simulate the braking process of the disc brake by using FE method. Comparing the radial distribution of temperature field and the peak thermal stress and thermoelastic deformation of brake disc with different structures under emergency braking condition， the effect of disc brake structures on the braking properties was analyzed. The results showed that the ventilation brake disc could obviously reduce the temperature and stress of the brake disc， which means that it had a positive effect on improving the braking efficiency.

Keywords： Disc brake stuctures; Finite element method; Braking property; Thermal-mechanical coupling

CLC NO.： U463.51 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）23-159-04

前言

制動器的制動過程會產生非均勻的溫度場和彈性變形，最終會影響制動壓力和制動力矩的大小與平衡。因此熱機耦合分析是制動系統設計過程中重要的環節。

關于熱機耦合的研究取得了豐富的成果。Tirovic等[1]和Day等[2]研究了盤式制器的制動力分布情況，結果表明：摩擦片和制動器之間產生的摩擦熱并不是均勻地分布在表面上，而是存在溫度的集聚區域。趙海燕[3]等針對列車制動器進行熱機耦合分析，明確了環境溫度會使得制動溫度曲線整體變動。張立軍[4]的研究明確了制動壓力分布對制動過程的影響機制。孟德建[5]等基于實驗測得了制動減速度曲線，并建立了三維瞬態熱機耦合模型，分析了該工況下瞬態溫度場、應力場和熱彈性變形的規律。

雖然通風盤式制動器目前已經大范圍在汽車中使用。但是，因為成本等原因仍有部分汽車依然使用實心盤式制動器。關于兩種制動器的熱機耦合對比分析，國內外的研究較少。本文針對結構不同的兩種通風盤式制動器，建立了在緊急制動工況下制動盤的三維瞬態熱機耦合計算模型。并對制動過程的一些參數進行分析，結果表明，通風盤式制動器具有更好的制動效能。

1 制動仿真模型構建

1.1 基本假設

基于熱機耦合相關理論，在仿真中有如下基本假設：制動盤和摩擦襯片的材料為組成均勻的各向同性材料;僅考慮熱傳導和熱對流效應，忽略熱輻射的影響;作用在摩擦背板上面的壓力為均勻分布;不考慮材料磨損對制動過程的影響。

1.2 有限元模型構建

基于某轎車的通風盤式制動器。在三維建模軟件Catia中建立其三維模型，為了簡化其計算過程將制動盤結構簡化成上下盤面完全對稱的模型，該制動盤外徑為145mm，內徑為80mm，總厚度為24mm，制動盤包含36個均布的通風槽。為對比分析，在Catia中建立了與其外觀尺寸相同，厚度為24mm的實心制動盤模型。為簡化計算過程，模型直接將兩摩擦片作用在制動盤上。將兩個制動盤模型及制動襯片模型導入有限元分析軟件Abaqus，進行裝配、賦予材料屬性、設置約束條件和劃分網格等操作。兩個有限元模型如圖1所示。

a通風盤制動器 ? ? ? ? ? ? ?b 實心盤制動器

圖1 ?盤式制動器有限元模型

1.3 約束條件

預設工況為：制動初速度分別為72km/h和108km/h，在制動壓力為4.5Mpa的條件下，一次制動直至停止。根據文獻[5]的實驗可知，制動的減速過程基本為勻減速過程。

摩擦襯片與周圍環境的對流換熱系數采用經驗值，制動盤與周圍環境的對流換熱系數根據經驗公式[6]獲得。

由于制動過程中摩擦片沿z軸方向移動，所以限制摩擦片其余五個自由度。同理，只給制動盤繞z軸轉動的自由度，限制其它方向的自由度。

1.4 材料參數

制動盤材料為HT250，摩擦片為樹脂基復合材料，兩種材料的力學及熱物理性能見表1和表2。

表1 ?HT250的力學及熱物理性能

表2 ?樹脂基復合材料的力學及熱物理性能

2 仿真結果與分析

2.1 不同結構制動盤的溫度場分布

在模型表面沿其徑向由內至外取等距的連續7個節點作為數據參考點，分別命名為點A、點B、點C、點D、點E、點F和點G。

為了研究實心制動盤和通風盤式制動盤在相同的制動條件下溫度場和應力場分布。對仿真后的結果進行比較，提取了相關數據。表3為兩種不同結構的制動盤分別在72km/h和108km/h制動工況下的最高制動溫度。

表3 ?兩種制動盤在不同工況下最高溫度對比

汽車制動過程中產生的熱能一部分通過熱傳導被摩擦副所吸收，還有一部分通過熱對流的方式散發到周圍的空氣中。由上表可見，通風盤式制動器在各個制動工況下的最高制動溫度均低于實心盤式制動器。在制動盤比熱容和傳熱速率相同的情況下，由于通風盤式制動器的通風結構使得制動過程中空氣能在兩個盤片之間形成空氣流動從而使其通過對流方式散失的熱量更多，在初速度為72km/h和108km/h制動工況下，通風盤式比實心盤式分別高47.4攝氏度和99攝氏度。

圖2和圖3為108km/h制動工況下兩種制動盤面溫度徑向分布特性。72km/h工況下溫度曲線特征與上圖相似，主要差別主要是后者的峰值溫度較小。

由圖可知：

（1）制動盤存在明顯的徑向溫度梯度。在制動閘片和制動盤接觸部分，其徑向溫度基本與半徑和正比，因為制動摩擦能主要產生在接觸部分，因此半徑的大小決定了該點的線速度，造成了生熱量的不同。

圖2 ?實心制動盤盤面徑向溫度變化

圖3 ?通風制動盤盤面徑向溫度變化

（2）制動初期溫度上升較快，制動中期溫度上升速度逐漸減緩并趨于峰值，制動后期溫度梯度逐漸下降并趨于平緩。制動初期，由于轉速較高，溫度急劇上升。隨著轉速下降，摩擦生熱和對流散熱過程達到了某種程度的平衡，出現了中期的峰值溫度。轉速繼續下降，生熱量小于散熱量，差值逐漸拉大，這是后期溫度下降的主要原因。

（3）所有的溫度-時間歷程均出現明顯的“鋸齒”現象，從制動的初期到后期單個“鋸齒”周期內溫度變化逐漸增大，同時“鋸齒”周期時間逐漸增大。這是因為，由于和制動盤的轉動過程中，該處交替受到摩擦生熱和對流散熱的影響，生熱量的變化造成了上述圖像中“鋸齒”形狀的變化。

某時刻實心盤制動盤盤面的溫度梯度分布云圖如圖4所示，制動盤周向溫度不均勻，在接觸區開始沿周向逐漸降低，這是由于制動盤和周圍空氣熱傳遞作用的結果。通風制動盤表面溫度梯度與其趨勢一致，只是峰值溫度不同。

圖4 ?某時刻實心制動盤溫度梯度分布

2.2 制動盤的應力對比分析

表4為兩種不同結構的制動盤分別以72 km/h和108km/h制動工況下的制動盤的最大應力。此處的應力主要由兩部分組成，分別是機械應力和熱應力。

表4 ?兩種制動盤在不同工況下最大應力對比

可以看出通風制動盤在各個工況下的最大應力均小于實心制動盤。兩組實驗的摩擦片的材料和加載條件均相同，機械應力數值相近。熱應力成為了產生應力差的主要因素。由于通風盤式制動器的中空結構，在制動時攪動空氣產生了渦流使得熱對流更加劇烈，造成制動盤的溫度較低。通風制動盤較低的溫度產生了較低的熱應力。所以通風制動盤的最大應力小于實心制動盤。

2.3 制動盤的熱彈性變形分析

為了分析制動過程中制動盤受熱機耦合作用對制動盤端面跳動的影響，需要分析制動盤熱變形的分布特征。

在不同工況下兩種制動盤的盤面節點D處在z向位移的徑向分布如圖5所示。

由圖可知：

（1）制動盤的彈性變形具有和溫度曲線相近的特征：初期增長快、中后期趨于平緩。該變形-時間歷程曲線同樣具有比較明顯的“鋸齒”現象，這種特征主要是溫度場對其影響所致。

圖5 ?制動盤盤面z向熱彈性變形（節點D）

（2）對比不同曲線分析可知：相同制動條件下，通風制動盤比實心制動盤的變形量更小;相同的制動盤，制動初速度越大，制動盤的熱變形量更大。

3 結論

在相同的制動工況下，通風式制動盤與實心制動盤相比，通風盤式制動器具有更好的散熱效能，制動溫度更低。同時通風制動盤的熱應變和應力小于實心制動盤。通風盤式制動器比實心盤式制動器性能更好。

參考文獻

[1] Tirovic M， Day A J. Disc brake interface pressure distri-butions [J]. Journal of Automobile Engineering，1991，205（2）：137-146.

[2] Day A J，Tirovic M，Newcomb T P.Thermal effects and pressure distributions in brakes[J]. Journal of Automo-bile Engineering，1991， 205（3）：199-206.

[3] 趙海燕等，快速列車盤型制動熱過程有限元分析.清華大學學報（自然科學版）， 2005（05）：第589-592頁.

[4] 張立軍等，盤式制動器接觸壓力與熱機耦合特性仿真分析.同濟大 ? 學學報（自然科學版）， 2013（10）：第1554-1561+1578頁.

[5] 孟德建，張立軍與余卓平，通風盤式制動器熱機耦合理論建模與分析.同濟大學學報（自然科學版）， 2010（06）：第890-897頁.

[6] 魯道夫 L .汽車制動系統的分析與設計[M].張蔚林，陳名智，譯.北京：機械工業出版社，1985.

[7] 崔世海等，基于有限元的轎車用制動盤輕量化可行性研究. 天津科技大學學報， 2013（05）：第56-60+65頁.

[8] 張立軍，繆唯佳，余卓平.汽車盤式制動器摩擦-振動耦合特性試驗研究[J].摩擦學學報， 2008， 28（5）：480.