基于ANSYS 的盤式制動器熱力學研究

楊曉娜，丁貝貝

（鄭州科技學院，河南 鄭州 450064）

引言

隨著汽車保有量的增長，行車安全成為人們關注的焦點問題。據統計，因車輛制動系統故障導致的嚴重交通事故占總事故量的50%以上，尤其西北部地區，汽車制動熱衰退造成的交通事故更為嚴重[1]。文中對鉗盤式制動器制動過程溫度變化進行研究，為改善制動器散熱問題提供一種研究思路，以提高汽車的主動安全性。

1 制動力分析

1.1 制動力分配系數

本文以某型乘用車前橋滑動鉗盤式制動器為研究對象，整車質心數據如表1 所示。

表1 整車質心數據 單位：mm

通常用汽車前軸的制動器制動力與汽車總制動器的制動力比值來表明制動力的分配比例，又稱為制動器制動力分配系數，用β表示[2]，即：

式中，Fμ1是前輪的制動器制動力；Fμ2是后輪的制動器制動力；Fμ=Fμ1+Fμ2是汽車總制動力，故有：

由式（2）可見，Fμ1和Fμ2的函數關系在坐標系中為一條直線，這條直線被稱為實際汽車前后制動器的制動力分配曲線，又稱β線[3]。

根據公式：

將數據代入，得β=0.70。

1.2 前軸最大制動力矩

根據平衡條件，可得：

式中Fz2為地面對后輪的法向反作用力。令du ? dt=zg，z為制動強度，整理公式可得到如下公式：

當前后輪都抱死時FXb=Fφ=Gφ。則有：

前后輪同時抱死時，制動器制動力之和等于附著力，即：

式中，Fμ1是前輪的制動器制動力；Fμ2是后輪的制動器制動力。

整理得：

文中使用的輪胎型號為215/55 R16，則輪胎斷面寬度為215 mm、扁平率為55%、輪轂直徑為16 英寸。由此得到車輪滾動半徑：

re=321.45 mm

又前軸制動力：

將數據代入，求得：Tmax=1226.6N?m。

2 熱—結構耦合分析過程

2.1 基本理論

熱傳導為在直接接觸的兩個物體之間或由于溫度梯度在同一物體的不同部分之間流動的內能，直到溫度達到平衡[4]。汽車制動器的熱傳導是瞬態的[5]，即系統的溫度、熱流、熱邊界條件和系統內能隨位置和時間的變化而變化[6]。

2.2 分析過程

（1）創建分析項目：打開ANSYS Workbench，在Toolbox中選擇瞬態結構分析項目，雙擊創建項目。

（2）在工程數據中定義零件的材料屬性。賦予材料屬性為珠光體灰鑄鐵，牌號HT250，彈性模量1.1E11Pa，泊松比0.25，密度7 000 kg/m3，熱導率58 W/（m?℃），比熱470 J/（kg?℃）；摩擦片的材料屬性為合成樹脂，命名為resin，彈性模量為3.4 E8Pa，泊松比0.25，密度2 600 Kg?m3，熱導率1.2 W/（m?℃），比熱1 465 J/（kg?℃）。

（3）在Geometry 項目中導入裝配體幾何模型，并雙擊進入Mechanical 頁面，在Outline 欄里依次選擇Geometry，點選Part 1，進入Details Of“Part 1”，在Material 中的Assignment 為制動盤賦予材料屬性為HT250。按照相同方法，為制動盤和摩擦片添加材料。

（4）網格劃分，單元選擇四面體，基本尺寸為0.005 m，建立有限元模型。

（5）在Mechanical 頁面的Outline 欄里選擇Connections，對裝配體的接觸定義為摩擦接觸，摩擦系數為0.35。通過旋轉連接命令模擬制動工況。

（6）對制動盤和摩擦片施加載荷和添加約束。根據制動力和整車數據，對制動盤安裝孔施加轉速，對兩個摩擦片表面施加0.5 MPa 的壓力；通過Displacement 命令對摩擦片施加位置的約束，固定XY 軸方向的移動，釋放Z 軸方向的自由度。

（7）因為瞬態結構分析項目無法對溫度進行分析，因此通過插入APDL 命令流的方法，對模型的單元進行定義。分別給模型、接觸和求解項目中插入命令：

“Et，Matid，Solid227，11”“Keyopt，Cid，1，1Rmodif”

“/SoluAllselTerf，20Trnopt，FullTimint，Off，Struc”

“Et，Matid，Solid227，11”命令對零件設置單元類型“Solid227”，關鍵字是“11”，用于熱—結構耦合分析；“Keyopt，Cid，1，1 Rmodif”命令對接觸單元定義為熱—結構耦合問題；命令中“/Solu”進入求解程序，“Allsel”選擇所有節點和單元，“Terf，20”定義初始溫度為20 ℃，“Trnopt，Full”定義瞬態分析的求解算法為完全法，“Timint，Off，Struc”關閉瞬態效果。

（8）創建分析設置，設置求解選項井求解，可得到不同時刻制動過程溫度變化。

3 熱—結構耦合分析結果

文中熱—結構耦合分析模擬的是汽車從100 km/h 的初速度開始制動到車輪抱死的過程。總制動時長為4.4 s；兩邊摩擦片受到的壓力從0.01 s 開始迅速攀升，最大到0.5 MPa；制動盤旋轉速度在4.4 s 內降為0。具體過程如下：

（1）t=0.01 s 開始，制動盤轉動，摩擦片剛開始受力，初始溫度為22 ℃。

（2）t=0.5 s 時，摩擦片壓力增大，制動盤速度開始降低，摩擦產生的熱量開始在摩擦片軌跡上聚集，溫度上升至27.78 ℃。

（3）t=1 s 時，摩擦片溫度持續上升，軌跡在制動盤上留下的溫度更高，而之前的軌跡溫度殘留在制動盤上，難以釋放出來，最大上升至44.463 ℃。

（4）t=1.5 s 時，制動盤轉動速度繼續下降，摩擦片溫度繼續上升，摩擦片軌跡在制動盤上留下的溫度更高，之前的軌跡擴大，最大上升至67.33 ℃。

（5）t=2 s 時，先前的軌跡繼續擴大，軌跡的溫度開始在制動盤上由外向內傳遞，最大上升至76.736 ℃。

（6）t=2.5 s 時，制動盤速度繼續降低，溫度上升變慢，摩擦片軌跡不變，制動盤上的軌跡溫度繼續向中心孔位置傳遞，最大上升至83.28 ℃。

（7）t=3 s 時，制動盤速度繼續降低，最高溫度幾乎不變，摩擦片軌跡不變，制動盤上的軌跡溫度繼續向中心孔位置傳遞，最大上升至85.716 ℃。

（8）t=3.5 s 時，制動盤速度繼續降低，最高溫度回落，摩擦片軌跡消失，軌跡開始減小，制動盤上的軌跡溫度繼續向中心孔位置傳遞，最大至83.555 ℃。

（9）t=4 s 時，制動盤速度即將為零，最高溫度回落，摩擦片軌跡消失，軌跡繼續縮小，溫度繼續向中心孔位置傳遞，最大至77.192 ℃。

（10）t=4.4 s 時，制動盤速度為零，最高溫度回落，摩擦片軌跡消失，軌跡開始消失，溫度繼續向中心孔位置傳遞，最大至71.328 ℃。

從分析結果可以看出，溫度主要由摩擦片摩擦制動盤產生，制動盤轉動，摩擦產生的溫度在制動盤上短時間難以傳遞，制動盤和摩擦片溫度提升。從t=0 s 開始溫度上升，到t=2.83 s 達最高溫度86.492 ℃，然后最高溫度回落，到制動結束，到達71.328 ℃。摩擦產生的熱量在制動盤中緩慢傳遞，難以釋放，多次連續剎車，或者長下坡過程中的長時間剎車，很容易導致制動盤和摩擦片溫度過高，造成熱衰退現象，影響制動器的制動效能。通過優化通風式制動盤的風道形式或者在制動盤面增加小孔，可以改善制動盤的散熱問題。

4 結論

以某型乘用車前橋滑動鉗盤式制動器為研究對象，對制動力和制動力矩進行了理論分析，利用ANSYS 軟件，在熱力學理論分析的基礎上，進行熱—結構耦合分析，得到不同制動時刻制動器的溫度變化，得出通過優化通風式制動盤的風道形式或者在制動盤面增加小孔，可以改善制動盤的散熱問題，對提高汽車的主動安全性具有實際的指導意義。