盘式制动器结构对汽车制动中热机耦合特性的影响分析

潘建宇，闫晓晓，崔世海

摘 要：针对结构不同的盘式制动器，建立了在某紧急制动工况下制动盘的三维瞬态热机耦合计算模型，运用有限元方法模拟了盘式制动器的制动过程。通过分析比较不同结构对制动盘在紧急制动工况下温度场的径向分布、峰值热应力与热弹性变形情况，讨论了制动盘结构对制动效果的影响。结果表明：通风制动盘能够明显降低制动时制动盘温度和应力，对改善制动效能的恒定性具有积极作用。

关键词：盘式制动器结构;有限元分析;制动性能;热机耦合

中图分类号：U463.51  文献标识码：B  文章编号：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

制動器的制动过程会产生非均匀的温度场和弹性变形，最终会影响制动压力和制动力矩的大小与平衡。因此热机耦合分析是制动系统设计过程中重要的环节。

关于热机耦合的研究取得了丰富的成果。Tirovic等[1]和Day等[2]研究了盘式制器的制动力分布情况，结果表明：摩擦片和制动器之间产生的摩擦热并不是均匀地分布在表面上，而是存在温度的集聚区域。赵海燕[3]等针对列车制动器进行热机耦合分析，明确了环境温度会使得制动温度曲线整体变动。张立军[4]的研究明确了制动压力分布对制动过程的影响机制。孟德建[5]等基于实验测得了制动减速度曲线，并建立了三维瞬态热机耦合模型，分析了该工况下瞬态温度场、应力场和热弹性变形的规律。

虽然通风盘式制动器目前已经大范围在汽车中使用。但是，因为成本等原因仍有部分汽车依然使用实心盘式制动器。关于两种制动器的热机耦合对比分析，国内外的研究较少。本文针对结构不同的两种通风盘式制动器，建立了在紧急制动工况下制动盘的三维瞬态热机耦合计算模型。并对制动过程的一些参数进行分析，结果表明，通风盘式制动器具有更好的制动效能。

1 制动仿真模型构建

1.1 基本假设

基于热机耦合相关理论，在仿真中有如下基本假设：制动盘和摩擦衬片的材料为组成均匀的各向同性材料;仅考虑热传导和热对流效应，忽略热辐射的影响;作用在摩擦背板上面的压力为均匀分布;不考虑材料磨损对制动过程的影响。

1.2 有限元模型构建

基于某轿车的通风盘式制动器。在三维建模软件Catia中建立其三维模型，为了简化其计算过程将制动盘结构简化成上下盘面完全对称的模型，该制动盘外径为145mm，内径为80mm，总厚度为24mm，制动盘包含36个均布的通风槽。为对比分析，在Catia中建立了与其外观尺寸相同，厚度为24mm的实心制动盘模型。为简化计算过程，模型直接将两摩擦片作用在制动盘上。将两个制动盘模型及制动衬片模型导入有限元分析软件Abaqus，进行装配、赋予材料属性、设置约束条件和划分网格等操作。两个有限元模型如图1所示。

a通风盘制动器              b 实心盘制动器

图1  盘式制动器有限元模型

1.3 约束条件

预设工况为：制动初速度分别为72km/h和108km/h，在制动压力为4.5Mpa的条件下，一次制动直至停止。根据文献[5]的实验可知，制动的减速过程基本为匀减速过程。

摩擦衬片与周围环境的对流换热系数采用经验值，制动盘与周围环境的对流换热系数根据经验公式[6]获得。

由于制动过程中摩擦片沿z轴方向移动，所以限制摩擦片其余五个自由度。同理，只给制动盘绕z轴转动的自由度，限制其它方向的自由度。

1.4 材料参数

制动盘材料为HT250，摩擦片为树脂基复合材料，两种材料的力学及热物理性能见表1和表2。

表1  HT250的力学及热物理性能

表2  树脂基复合材料的力学及热物理性能

2 仿真结果与分析

2.1 不同结构制动盘的温度场分布

在模型表面沿其径向由内至外取等距的连续7个节点作为数据参考点，分别命名为点A、点B、点C、点D、点E、点F和点G。

为了研究实心制动盘和通风盘式制动盘在相同的制动条件下温度场和应力场分布。对仿真后的结果进行比较，提取了相关数据。表3为两种不同结构的制动盘分别在72km/h和108km/h制动工况下的最高制动温度。

表3  两种制动盘在不同工况下最高温度对比

汽车制动过程中产生的热能一部分通过热传导被摩擦副所吸收，还有一部分通过热对流的方式散发到周围的空气中。由上表可见，通风盘式制动器在各个制动工况下的最高制动温度均低于实心盘式制动器。在制动盘比热容和传热速率相同的情况下，由于通风盘式制动器的通风结构使得制动过程中空气能在两个盘片之间形成空气流动从而使其通过对流方式散失的热量更多，在初速度为72km/h和108km/h制动工况下，通风盘式比实心盘式分别高47.4摄氏度和99摄氏度。

图2和图3为108km/h制动工况下两种制动盘面温度径向分布特性。72km/h工况下温度曲线特征与上图相似，主要差别主要是后者的峰值温度较小。

由图可知：

（1）制动盘存在明显的径向温度梯度。在制动闸片和制动盘接触部分，其径向温度基本与半径和正比，因为制动摩擦能主要产生在接触部分，因此半径的大小决定了该点的线速度，造成了生热量的不同。

图2  实心制动盘盘面径向温度变化

图3  通风制动盘盘面径向温度变化

（2）制动初期温度上升较快，制动中期温度上升速度逐渐减缓并趋于峰值，制动后期温度梯度逐渐下降并趋于平缓。制动初期，由于转速较高，温度急剧上升。随着转速下降，摩擦生热和对流散热过程达到了某种程度的平衡，出现了中期的峰值溫度。转速继续下降，生热量小于散热量，差值逐渐拉大，这是后期温度下降的主要原因。

（3）所有的温度-时间历程均出现明显的“锯齿”现象，从制动的初期到后期单个“锯齿”周期内温度变化逐渐增大，同时“锯齿”周期时间逐渐增大。这是因为，由于和制动盘的转动过程中，该处交替受到摩擦生热和对流散热的影响，生热量的变化造成了上述图像中“锯齿”形状的变化。

某时刻实心盘制动盘盘面的温度梯度分布云图如图4所示，制动盘周向温度不均匀，在接触区开始沿周向逐渐降低，这是由于制动盘和周围空气热传递作用的结果。通风制动盘表面温度梯度与其趋势一致，只是峰值温度不同。

图4  某时刻实心制动盘温度梯度分布

2.2 制动盘的应力对比分析

表4为两种不同结构的制动盘分别以72 km/h和108km/h制动工况下的制动盘的最大应力。此处的应力主要由两部分组成，分别是机械应力和热应力。

表4  两种制动盘在不同工况下最大应力对比

可以看出通风制动盘在各个工况下的最大应力均小于实心制动盘。两组实验的摩擦片的材料和加载条件均相同，机械应力数值相近。热应力成为了产生应力差的主要因素。由于通风盘式制动器的中空结构，在制动时搅动空气产生了涡流使得热对流更加剧烈，造成制动盘的温度较低。通风制动盘较低的温度产生了较低的热应力。所以通风制动盘的最大应力小于实心制动盘。

2.3 制动盘的热弹性变形分析

为了分析制动过程中制动盘受热机耦合作用对制动盘端面跳动的影响，需要分析制动盘热变形的分布特征。

在不同工况下两种制动盘的盘面节点D处在z向位移的径向分布如图5所示。

由图可知：

（1）制动盘的弹性变形具有和温度曲线相近的特征：初期增长快、中后期趋于平缓。该变形-时间历程曲线同样具有比较明显的“锯齿”现象，这种特征主要是温度场对其影响所致。

图5  制动盘盘面z向热弹性变形（节点D）

（2）对比不同曲线分析可知：相同制动条件下，通风制动盘比实心制动盘的变形量更小;相同的制动盘，制动初速度越大，制动盘的热变形量更大。

3 结论

在相同的制动工况下，通风式制动盘与实心制动盘相比，通风盘式制动器具有更好的散热效能，制动温度更低。同时通风制动盘的热应变和应力小于实心制动盘。通风盘式制动器比实心盘式制动器性能更好。

参考文献

[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] 赵海燕等，快速列车盘型制动热过程有限元分析.清华大学学报（自然科学版）， 2005（05）：第589-592页.

[4] 张立军等，盘式制动器接触压力与热机耦合特性仿真分析.同济大   学学报（自然科学版）， 2013（10）：第1554-1561+1578页.

[5] 孟德建，张立军与余卓平，通风盘式制动器热机耦合理论建模与分析.同济大学学报（自然科学版）， 2010（06）：第890-897页.

[6] 鲁道夫 L .汽车制动系统的分析与设计[M].张蔚林，陈名智，译.北京：机械工业出版社，1985.

[7] 崔世海等，基于有限元的轿车用制动盘轻量化可行性研究. 天津科技大学学报， 2013（05）：第56-60+65页.

[8] 张立军，缪唯佳，余卓平.汽车盘式制动器摩擦-振动耦合特性试验研究[J].摩擦学学报， 2008， 28（5）：480.