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1、盤(pán)式制動(dòng)器三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析 盤(pán)式制動(dòng)器三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析 2015/04/28 《湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)》2015年第一期 1確定瞬態(tài)溫度場(chǎng)模擬的邊界條件 在進(jìn)行盤(pán)式制動(dòng)器瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，必須先確定溫度場(chǎng)模擬的邊界條件，主要包括熱流密度和對(duì)流換熱系數(shù)。 1.1摩擦表面熱流密度的確定摩擦熱的計(jì)算主要有2種方法［3］：一是通過(guò)能量折算法，計(jì)算出車輛總的動(dòng)能變化，然后按照熱流分配系數(shù)進(jìn)行分配；二是根據(jù)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的接觸壓力計(jì)算出摩擦力，然后通過(guò)摩擦力和相對(duì)滑動(dòng)速度

2、計(jì)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(dòng)強(qiáng)度；hg為汽車質(zhì)心高度；R為車輪滾動(dòng)半徑；tend為制動(dòng)時(shí)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(dòng)盤(pán)外表面對(duì)流換熱系數(shù)的確定制動(dòng)盤(pán)上熱對(duì)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(dòng)盤(pán)的對(duì)流換熱系數(shù)非常復(fù)雜，不僅隨車速變化，而且與制動(dòng)盤(pán)摩擦表面溫度有關(guān)，文獻(xiàn)［6］提供了盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)對(duì)流散熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。 2制動(dòng)盤(pán)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(dòng)，且路面附著系數(shù)達(dá)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(shí)制動(dòng)強(qiáng)度z為φmax。車輪的滾動(dòng)半徑R為243mm，當(dāng)車輛分別以初始車速60kmh-1、80kmh-1行駛時(shí)，制動(dòng)盤(pán)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(chǎng)模型是對(duì)稱的，以中間截面為對(duì)稱面建立制動(dòng)盤(pán)1/2模型。熱分析中高階單元容易引起溫度漂移，且制動(dòng)盤(pán)幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此采用Solid70低階熱分析單元對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散；在制動(dòng)盤(pán)與摩擦片制動(dòng)過(guò)程中接觸區(qū)域建立低階表面效應(yīng)單元Surf152來(lái)施加熱流密度載荷。模型的總單元數(shù)為6156，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7848，制

4、動(dòng)盤(pán)有限元模型如圖1所示。制動(dòng)盤(pán)與摩擦片之間的制動(dòng)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(dòng)盤(pán)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(dòng)過(guò)程是時(shí)刻發(fā)生變化的，其大小也隨著時(shí)間逐漸減小；在制動(dòng)盤(pán)與摩擦片接觸的側(cè)面以及其外圓周表面施加對(duì)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(dòng)熱源影響下制動(dòng)盤(pán)三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布，需要在求解過(guò)程設(shè)置中輸入APDL命令流，包括求解類型、初始問(wèn)題、求解時(shí)間、熱流密度隨時(shí)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(dòng)熱源的對(duì)稱中線的位置，為每一時(shí)刻制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，并將該角度與360取余；2）在柱坐標(biāo)下，選擇對(duì)稱中線附近18的扇形區(qū)域，即摩擦片與制動(dòng)盤(pán)接觸的區(qū)域。 3計(jì)算結(jié)果 運(yùn)用Ansys后處理器，可以得到制動(dòng)盤(pán)分別在初始車速為60kmh-1、80kmh-1時(shí)的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布，以及其表面徑向、軸向不同位置節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。 3.1制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)分布特性圖3為不同初始車速及不同時(shí)刻制動(dòng)盤(pán)瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布，可以得：1）60kmh-1工況下，制動(dòng)盤(pán)最高溫度于1.39624s時(shí)達(dá)到最大，為96.3417℃，在1.89s制動(dòng)終止時(shí)，降低至88.2266℃；80kmh-1工況下，制動(dòng)

6、盤(pán)的最高溫度于2.15145s時(shí)達(dá)到最大，為143.589℃，在2.52s制動(dòng)終止時(shí)，降低至135.13℃。制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)是熱流密度和對(duì)流散熱共同作用的結(jié)果，制動(dòng)過(guò)程中輸入的熱流不斷積累，因此溫度不斷增加，而在制動(dòng)末期，熱流密度隨著車速逐漸減小至0，對(duì)流散熱作用大于輸入的熱流密度，溫度會(huì)有所降低。2）制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)在制動(dòng)過(guò)程中為非軸對(duì)稱分布，僅在制動(dòng)末期會(huì)出現(xiàn)軸對(duì)稱均勻分布，因此制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)分析不適應(yīng)采用二維軸對(duì)稱模型。3）從制動(dòng)盤(pán)的最高溫度分布圖可以看出，制動(dòng)盤(pán)的最高溫度位于移動(dòng)熱源的出口區(qū)域，這跟移動(dòng)熱源的周期性有關(guān)，移動(dòng)熱源的入口區(qū)域在經(jīng)歷了上一周期的對(duì)流散熱后溫度會(huì)有所降低，而出口區(qū)域在

7、上一時(shí)刻剛輸入熱流密度而升溫。4）制動(dòng)盤(pán)的最高溫度出現(xiàn)在摩擦區(qū)域的外圓周面附近，而遠(yuǎn)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(dòng)盤(pán)的最高溫度值有明顯的升高。 3.2制動(dòng)盤(pán)表面溫度徑向分布特性為了研究制動(dòng)盤(pán)上徑向、軸向不同位置節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律，在其上取不同的節(jié)點(diǎn)，其分布如圖4所示。圖5a~b為制動(dòng)盤(pán)徑向不同位置節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，可以得：1）制動(dòng)盤(pán)摩擦接觸區(qū)域的溫度隨時(shí)間變化具有明顯的周期性，呈鋸齒狀；制動(dòng)初期溫度波動(dòng)幅度較末期大，這與移動(dòng)熱源的周期性以及熱流密度的值隨時(shí)間減小有關(guān)；波動(dòng)的鋸齒狀寬度逐漸增大，這是因?yàn)橐苿?dòng)熱源移動(dòng)的速度在降低。2）制動(dòng)盤(pán)非摩擦區(qū)域溫度不存在

8、波動(dòng)而且一直升高，這是因?yàn)檫@些區(qū)域沒(méi)有熱流密度的輸入，制動(dòng)盤(pán)為優(yōu)良的導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)積累的熱量遠(yuǎn)大于對(duì)流散熱。 3.3制動(dòng)盤(pán)溫度軸向分布特性圖5c~d為制動(dòng)盤(pán)軸向不同位置節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，可以得：1）制動(dòng)過(guò)程中任意時(shí)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(dòng)末期溫度幾乎趨于一致。2）輸入熱流表面的節(jié)點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度比軸向遠(yuǎn)離其的節(jié)點(diǎn)大，說(shuō)明移動(dòng)熱源對(duì)其影響較大。 4結(jié)論 1）一次緊急制動(dòng)工況，制動(dòng)盤(pán)的最高溫度隨著初始車速的增加有明顯提高。2）受移動(dòng)熱源的影響，制動(dòng)盤(pán)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)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(dòng)盤(pán)的最高溫度出現(xiàn)在移動(dòng)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 上一個(gè)文章： 沒(méi)有了下一個(gè)文章： 自調(diào)式離合器力學(xué)特性分析