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1、盤式制動器三維瞬態(tài)溫度場分析
盤式制動器三維瞬態(tài)溫度場分析
2015/04/28
《湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報》2015年第一期
1確定瞬態(tài)溫度場模擬的邊界條件
在進行盤式制動器瞬態(tài)溫度場計算時，必須先確定溫度場模擬的邊界條件，主要包括熱流密度和對流換熱系數(shù)。
1.1摩擦表面熱流密度的確定摩擦熱的計算主要有2種方法［3］：一是通過能量折算法，計算出車輛總的動能變化，然后按照熱流分配系數(shù)進行分配；二是根據(jù)摩擦片與制動盤之間的接觸壓力計算出摩擦力，然后通過摩擦力和相對滑動速度
2、計算出熱流率。本文采用第2種方法。式中：G為滿載整車重力；b為汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離；z為制動強度；hg為汽車質(zhì)心高度；R為車輪滾動半徑；tend為制動時間；L為軸距；f為摩擦系數(shù)；θ為摩擦片的包角弧度；R1，R2分別為摩擦片的內(nèi)半徑和外半徑。
1.2制動盤外表面對流換熱系數(shù)的確定制動盤上熱對流主要發(fā)生在其外圓周表面以及與摩擦片接觸的外側(cè)面，其它表面為絕熱。制動盤的對流換熱系數(shù)非常復(fù)雜，不僅隨車速變化，而且與制動盤摩擦表面溫度有關(guān)，文獻［6］提供了盤式制動器制動盤對流散熱系數(shù)的經(jīng)驗公式。
2制動盤有限元分析模型
2.1工況的確定本文考慮車輛在瀝青或混凝土路面上制動，且路面附著系數(shù)達到
3、峰值附著系數(shù)φmax為0.9，滑移率s為18%，汽車處于即將抱死狀態(tài)，此時制動強度z為φmax。車輪的滾動半徑R為243mm，當(dāng)車輛分別以初始車速60kmh-1、80kmh-1行駛時，制動盤的初始旋轉(zhuǎn)角速度ω0分別為68.59rads-1、91.45rads-1。
2.2有限元網(wǎng)格劃分由于溫度場模型是對稱的，以中間截面為對稱面建立制動盤1/2模型。熱分析中高階單元容易引起溫度漂移，且制動盤幾何結(jié)構(gòu)簡單，因此采用Solid70低階熱分析單元對制動盤進行結(jié)構(gòu)離散；在制動盤與摩擦片制動過程中接觸區(qū)域建立低階表面效應(yīng)單元Surf152來施加熱流密度載荷。模型的總單元數(shù)為6156，節(jié)點數(shù)為7848，制
4、動盤有限元模型如圖1所示。制動盤與摩擦片之間的制動力作用以等效熱流密度方式考慮，故在網(wǎng)格劃分中不包括摩擦片部分。
2.3邊界條件的施加在制動盤與摩擦片的接觸區(qū)域施加熱流密度，由以上分析可知，熱流密度的位置隨著制動過程是時刻發(fā)生變化的，其大小也隨著時間逐漸減?。辉谥苿颖P與摩擦片接觸的側(cè)面以及其外圓周表面施加對流散熱系數(shù)，其它表面為絕熱；設(shè)置初始環(huán)境溫度為22℃。為了求解移動熱源影響下制動盤三維瞬態(tài)溫度場分布，需要在求解過程設(shè)置中輸入APDL命令流，包括求解類型、初始問題、求解時間、熱流密度隨時間變化的函數(shù)、熱流密度輸入位置的變化、求解、后處理等步驟［7］，如圖2所示。其中熱流密度位置的確定尤為
5、關(guān)鍵：1）確定移動熱源的對稱中線的位置，為每一時刻制動盤轉(zhuǎn)過的角度，并將該角度與360取余；2）在柱坐標(biāo)下，選擇對稱中線附近18的扇形區(qū)域，即摩擦片與制動盤接觸的區(qū)域。
3計算結(jié)果
運用Ansys后處理器，可以得到制動盤分別在初始車速為60kmh-1、80kmh-1時的三維瞬態(tài)溫度場分布，以及其表面徑向、軸向不同位置節(jié)點溫度隨時間的變化曲線。
3.1制動盤溫度場分布特性圖3為不同初始車速及不同時刻制動盤瞬態(tài)溫度場分布，可以得：1）60kmh-1工況下，制動盤最高溫度于1.39624s時達到最大，為96.3417℃，在1.89s制動終止時，降低至88.2266℃；80kmh-1工況下，制動
6、盤的最高溫度于2.15145s時達到最大，為143.589℃，在2.52s制動終止時，降低至135.13℃。制動盤溫度場是熱流密度和對流散熱共同作用的結(jié)果，制動過程中輸入的熱流不斷積累，因此溫度不斷增加，而在制動末期，熱流密度隨著車速逐漸減小至0，對流散熱作用大于輸入的熱流密度，溫度會有所降低。2）制動盤的溫度場在制動過程中為非軸對稱分布，僅在制動末期會出現(xiàn)軸對稱均勻分布，因此制動盤溫度場分析不適應(yīng)采用二維軸對稱模型。3）從制動盤的最高溫度分布圖可以看出，制動盤的最高溫度位于移動熱源的出口區(qū)域，這跟移動熱源的周期性有關(guān)，移動熱源的入口區(qū)域在經(jīng)歷了上一周期的對流散熱后溫度會有所降低，而出口區(qū)域在
7、上一時刻剛輸入熱流密度而升溫。4）制動盤的最高溫度出現(xiàn)在摩擦區(qū)域的外圓周面附近，而遠離摩擦接觸的區(qū)域溫度較低。5）隨著初始車速的提高，制動盤的最高溫度值有明顯的升高。
3.2制動盤表面溫度徑向分布特性為了研究制動盤上徑向、軸向不同位置節(jié)點溫度隨時間變化的規(guī)律，在其上取不同的節(jié)點，其分布如圖4所示。圖5a~b為制動盤徑向不同位置節(jié)點溫度隨時間變化曲線，可以得：1）制動盤摩擦接觸區(qū)域的溫度隨時間變化具有明顯的周期性，呈鋸齒狀；制動初期溫度波動幅度較末期大，這與移動熱源的周期性以及熱流密度的值隨時間減小有關(guān)；波動的鋸齒狀寬度逐漸增大，這是因為移動熱源移動的速度在降低。2）制動盤非摩擦區(qū)域溫度不存在
8、波動而且一直升高，這是因為這些區(qū)域沒有熱流密度的輸入，制動盤為優(yōu)良的導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)積累的熱量遠大于對流散熱。
3.3制動盤溫度軸向分布特性圖5c~d為制動盤軸向不同位置節(jié)點溫度隨時間變化曲線，可以得：1）制動過程中任意時刻軸向隨著離輸入熱流密度表面的距離增加而溫度逐漸降低，且在制動末期溫度幾乎趨于一致。2）輸入熱流表面的節(jié)點溫度波動幅度比軸向遠離其的節(jié)點大，說明移動熱源對其影響較大。
4結(jié)論
1）一次緊急制動工況，制動盤的最高溫度隨著初始車速的增加有明顯提高。2）受移動熱源的影響，制動盤的瞬態(tài)溫度場呈明顯的周期性表現(xiàn)，為鋸齒狀，且其影響徑向隨摩擦半徑的減小以及軸向距摩擦表面的距離增大而減弱。3）制動盤的最高溫度出現(xiàn)在移動熱源的出口區(qū)域。
作者：張建輝張兵閆先朝單位：湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院浙江吉利汽車研究院有限公司東風(fēng)特汽（十堰）專用車有限公司
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盤式制動器三維瞬態(tài)溫度場分析
