盤式制動器摩擦生熱多物理場仿真分析

房冠霖 李光 李敏

摘要：汽車安全事故的制動器顯得尤外重要，制動器的好壞直接影響駕駛人員的體驗感和個人人身安全。縱觀大量數據，由車輛制動系統引起的交通事故接近交通事故總數的50%。在這些事故中，大部分事故是因為汽車發生在路面附著系數在0.8～0.9的濕滑路面上發生車輪側滑、跑偏而引起的。而由于上述因為車輪側滑和跑偏的事故中，又有一半是由制動系統的熱疲勞破壞才導致制動器失效引起的。

關鍵詞：摩擦;生熱;熱疲勞

1、盤式制動器現存問題

作為車輛安全控制的核心部件，制動系統的穩定性不容忽視。盤式制動器在制動過程中，制動盤與摩擦片在活塞壓力的作用下受到擠壓，形成的摩擦力做功并產生熱量，從而產生較高的熱流密度，特別是對于配備高壓大盤式制動器的車輛，熱流密度可以達到MW/m2的數量水平，大大提高了摩擦副之間的溫升速度和最高溫度，溫度分布的不均勻性加劇，制動盤表面產生較大的熱應力。溫度和熱耦合相互作用下的熱應力周期性地反復作用在制動盤上。因此，在長期工作下制動盤表面極易產生熱裂紋，導致其失效。所以對制動器的研究就顯得尤為重要。因此，對制動器的研究的意義非凡，對制動器的研究可以使制動器的各種性能得到改善，大大提高駕駛員的安全性，研究制動器變得刻不容緩。

本文利用UG軟件建立了盤式制動器的3D模型，利用ANSYS首先進行模型簡化，去除對分析影響較小的附件，再畫出solid226六面體單元的網格，然后再相關位置添加位移、應力、轉速最后定義對流并設置時間步。最后，添加后處理之后并觀察云圖，對盤式制動器有限元模型在不同位置的應力進行分析并得出關于不同轉速下的溫度場、應力場下的相關結論。

2、熱機耦合過程

熱機耦合是行駛的車輛產生的動能全部轉化為熱能的過程，這些熱能被兩部分所化解，其中一部分制動器吸收，另一部分則飛散到周圍的空氣中去了，因此制動器再在制動過程中會出現溫升狀況。一開始汽車發生了制動，作用摩擦片的壓緊力使摩擦片和制動盤發生變形，制動盤與摩擦片開始發生接觸接觸。伴隨著摩擦片和制動盤的形變越來越大，制動盤與摩擦片之間溫度會因為摩擦發生相互傳遞，同時制動盤表面也與周圍環境發生對流換熱和熱輻射，從而形成溫度場和應力場的不均勻分布，由于不均勻的變形，這些不均勻的變形又影響制動盤和摩擦片之間的局部接觸狀態。這些狀態參數在整個制動過程中會相互作用并不斷變化，因此整個制動過程相當復雜[2]。

3、有限元熱機耦合分析理論

在汽車制動過程中，由于制動盤和摩擦片的摩擦會導致制動盤的溫度升高，此時制動盤表面由于摩擦產生的熱量分布一定是不均勻且不對稱分布的。制動盤的結構在各個方向產生不均勻的熱膨脹這是由不均勻的溫升引起的。因此，由于各個方向產生的不均勻的熱膨脹，制動盤和摩擦片之間的接觸狀態和壓緊力也不會是一成不變的，是會隨著膨脹變化而變化的，因此制動過程是應力場與溫度場的相互耦合作用的。結構瞬態溫度場和熱應力應變場分析的有限元方程為：

式中，u為節點位移矢量;T為溫度;為力學剛度矩陣;為熱學剛度矩陣;F為載荷矢量;為熱容矩 陣，為熱傳導矩陣;為熱力耦合矩陣;Q為熱載荷矢量;D為耗散矢量。

分析制動盤熱-機耦合特性的重要角度之一是分析模擬結果的溫度場。制動過程中的摩擦發熱會導致制動盤的溫度在短短的幾秒鐘內上升幾百度。高溫對制動盤材料的制動性能影響極大。溫度分布不均勻還會引起制動盤內應力的變化，嚴重時會產生熱變形甚至熱裂紋。

4、結論：

為了進一步理解摩擦生熱對盤式制動器那不容小覷的影響，本文按照真實的盤式制動器真實尺寸利用UG制圖軟件等比例繪制盤式制動器的3D建模圖，將模型進行簡化前處理采用ANSYS軟件繪制了制動盤網格，確保了在不同工況下緊急剎車時熱機耦合過程具有相當的真實性和可靠性，通過仿真分析獲得了熱耦合制動過程中不同工況下的制動盤溫度場的分布規律以及溫度變化的曲率，通過分析我們可以獲得這樣的結論：

制動盤溫度場分布：制動盤中的溫度分布是非軸對稱的，總體上顯示為一開始近乎接近于直線上升后來再緩慢下降趨勢，非摩擦接觸區的溫度低于摩擦接觸區的溫度，并且制動盤內部的溫度低于制動盤表面。制動盤接近越內徑區域，溫度相對較低，變化范圍相對較小。

在制動壓力一定時，隨著時間的增加，溫度總體呈先急劇上升后平緩下降的趨勢。在較短時間內（小于0.03秒），溫度上升速率加快，在0.03秒后降低速率趨勢趨于穩定。初始制動速度對盤式制動器的溫度有很大影響，因為初始制動速度決定了制動過程的能量輸入。翻閱資料可知，隨著初始制動速度的增加，制動器的動能增加到第二功率，摩擦副吸收的熱量增加，摩擦副表面會產生高溫升高，這對其摩擦學性能有極其不利的影響。

參考文獻：

[1]孟祥寶.基于ANSYS的制動器摩擦生熱分析[D].延邊大學，2014.

[2]許德幫.基于熱機耦合的制動盤緊急制動有限元分析及試驗研究[D].西南大學，2017.

（房冠霖1998.09，山東交通學院本科學生，指導老師：李光、李敏）