濕式多盤制動(dòng)器設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)模型與分析方法

張建潤(rùn)，林永強(qiáng)，李昌遠(yuǎn)，王紫筠

(東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

0 引言

濕式多盤制動(dòng)器是盤式制動(dòng)器的一種，用于旋轉(zhuǎn)部件的制動(dòng)，在機(jī)械、航空、交通及船舶等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。它由動(dòng)、靜摩擦盤交差排列組成多組摩擦副，安裝在注有潤(rùn)滑油的封閉殼體內(nèi)。根據(jù)結(jié)構(gòu)及工作原理，濕式多盤制動(dòng)器分為普通型濕式多盤制動(dòng)器和失壓型濕式多盤制動(dòng)器兩種形式[1]。普通型制動(dòng)器通過(guò)液壓壓力推動(dòng)活塞壓緊摩擦副實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果。液壓泄壓以后，活塞在復(fù)位彈簧的作用下回到初始位置，摩擦元件之間脫離接觸，旋轉(zhuǎn)軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。失壓型制動(dòng)器通過(guò)壓力彈簧推動(dòng)活塞壓緊摩擦副實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果，液壓系統(tǒng)加壓以后，液壓壓力推動(dòng)活塞回到初始位置，摩擦元件之間脫離接觸，旋轉(zhuǎn)軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1所示為普通濕式多盤制動(dòng)器，圖2所示為失壓型濕式多盤制動(dòng)器。

圖1 普通濕式多盤制動(dòng)器三維結(jié)構(gòu)

圖2 失壓型濕式多盤制動(dòng)器三維結(jié)構(gòu)

基于實(shí)際應(yīng)用的角度分析，制動(dòng)器性能主要取決于制動(dòng)力矩、使用壽命、抗污染能力以及維護(hù)成本等方面。相比于傳統(tǒng)的鼓式、鉗盤式制動(dòng)器，濕式多盤制動(dòng)器由于摩擦接觸面積較大，摩擦副數(shù)量較多，故在較小的工作壓力作用下能產(chǎn)生相對(duì)較大的制動(dòng)力矩。同時(shí)，由于摩擦表面潤(rùn)滑油的存在，制動(dòng)更平滑，摩擦副可以有效散熱，從而提升制動(dòng)器摩擦元件的使用壽命。此外在全封閉條件下工作，可避免外部環(huán)境的干擾，運(yùn)行穩(wěn)定，污染較小。因此濕式全盤制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)性能更可靠，熱穩(wěn)定性更高，抗污染能力更強(qiáng)。近年來(lái)廣泛應(yīng)用于對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能要求較高的船舶、航空、交通及工程機(jī)械等領(lǐng)域[2]。

目前針對(duì)濕式多盤制動(dòng)器的研究主要聚焦于以下幾個(gè)方面：1)濕式多盤制動(dòng)器表面接觸本構(gòu)模型；2)濕式多盤制動(dòng)器接合振動(dòng)特性、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)壓力分布規(guī)律等動(dòng)力學(xué)特性研究；3)濕式多盤制動(dòng)器多場(chǎng)耦合建模、熱機(jī)耦合特性研究、潤(rùn)滑油對(duì)流換熱機(jī)理以及熱失效問(wèn)題的研究；4)基于設(shè)計(jì)參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化的濕式多盤制動(dòng)器三維建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

隨著交通、航空、船舶等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)濕式多盤制動(dòng)器的性能和可靠性要求越來(lái)越高，濕式多盤制動(dòng)器正在逐漸成為制約整機(jī)性能升級(jí)的關(guān)鍵，這對(duì)濕式多盤制動(dòng)器的基礎(chǔ)理論研究及設(shè)計(jì)方法提出更高要求。一些新的理論建模及設(shè)計(jì)方法也隨之深入。本文將針對(duì)濕式多盤制動(dòng)器中摩擦對(duì)偶片表面接觸基礎(chǔ)理論、制動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)及接合特性建模分析以及制動(dòng)過(guò)程中熱機(jī)耦合壽命預(yù)測(cè)建模分析等前沿研究進(jìn)行論述。

1 摩擦對(duì)偶片表面接觸本構(gòu)模型

濕式多盤制動(dòng)器制動(dòng)性能的研究，是基于動(dòng)、靜摩擦盤之間接觸和摩擦特性研究基礎(chǔ)上的進(jìn)一步應(yīng)用。準(zhǔn)確的接觸和摩擦模型能夠更好地描述濕式多盤制動(dòng)器的制動(dòng)機(jī)理，解釋相關(guān)制動(dòng)現(xiàn)象。因此表面接觸和摩擦模型的研究是制動(dòng)器相關(guān)研究的必要前提。圖3所示為摩擦對(duì)偶片的幾何模型，是由一片摩擦片和一片鋼片交錯(cuò)排列組成。摩擦片由芯板和芯板兩端面的摩擦襯片組成，摩擦襯片通常為銅基或紙基材料。摩擦襯片上開設(shè)有螺旋槽和徑向連通油槽，工作過(guò)程中，油槽內(nèi)充滿的油液將起到潤(rùn)滑和散熱的作用。

圖3 摩擦對(duì)偶片幾何模型

接觸和摩擦密不可分，研究接觸界面之間相互作用關(guān)系及發(fā)生機(jī)理，是建立接觸摩擦模型的基礎(chǔ)?；趶椥泽w、微小變形假設(shè)研究?jī)蓚€(gè)球體相互接觸和彈性變形，分析球體接觸變形情況的Hertz彈性接觸模型[3]是目前關(guān)于研究和分析表面接觸問(wèn)題的基礎(chǔ)。目前，在多數(shù)濕式多盤制動(dòng)器研究中，都是將摩擦副間的微凸體假定為理想化的圓柱體、球體且均勻分布在摩擦副接觸表面。然在摩擦副實(shí)際的接觸過(guò)程中，整個(gè)粗糙表面微凸體的分布不是規(guī)律整齊的，圖4所示為粗糙面接觸情況示意圖。建立符合實(shí)際的接觸表面微凸體分布模型是接觸模型研究的核心問(wèn)題。目前，針對(duì)接觸模型的研究主要是基于G-W模型[4]和M-B分形接觸模型[5]。

圖4 粗造面接觸情況示意圖

G-W模型是由Greenwood和Williamson提出的基于所有微凸體有相同的曲率半徑、粗糙表面上所有微凸體高度服從高斯分布假設(shè)的描述表面輪廓特性的模型。CHANG W R等[6]根據(jù)微凸體變形體積守恒的原則，進(jìn)行了微凸體接觸變形的進(jìn)一步研究，引入微凸體塑性變形的接觸情況，建立了微凸體彈塑性變形的混合接觸模型。此后，有學(xué)者基于G-W模型建立了多種接觸模型，并進(jìn)一步深入研究接觸面特性。同時(shí)，基于G-W建立的相關(guān)接觸模型也多應(yīng)用于濕式多盤制動(dòng)器相關(guān)研究中。YOU J M等[7]人對(duì)機(jī)械結(jié)合面的法向和切向靜態(tài)接觸剛度進(jìn)行了研究，仿真分析了微凸體的高度分布、塑性指數(shù)以及載荷對(duì)結(jié)合面靜態(tài)剛度的影響。金士良等在考慮慣性的影響下，采用Greenwood-Tripp兩粗糙表面接觸模型，對(duì)表面附有摩擦材料的濕式離合器嚙合過(guò)程進(jìn)行分析，并基于平均流量模型建立摩擦副潤(rùn)滑控制方程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論計(jì)算轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確性[8]。祝紅青[9]采用G-W表面接觸模型，得到摩擦副接觸壓力與膜厚比的數(shù)學(xué)關(guān)系，以建立摩擦副滑摩功數(shù)學(xué)模型，并利用數(shù)值仿真討論各因素對(duì)滑摩功率和滑摩功的影響，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究濕式離合器滑摩特性。

由于基于統(tǒng)計(jì)學(xué)接觸模型的參數(shù)獲取與測(cè)量尺度直接相關(guān)，因此接觸模型的精確度會(huì)受到測(cè)量?jī)x器分辨率的影響。而M-B分形接觸模型通過(guò)分形幾何建立接觸面表面輪廓模型，與測(cè)量尺度及測(cè)量?jī)x器的分辨率無(wú)關(guān)，使表面輪廓的模型表示有了確定性。隨著分形接觸理論模型的研究發(fā)展，基于分形接觸模型的相關(guān)工程應(yīng)用也逐漸深入，在濕式制動(dòng)器方面的研究也開始顯現(xiàn)。MORAG Y等[10]在分形模型的基礎(chǔ)上研究表面單個(gè)微凸體的變形機(jī)理，分析微凸體變形量隨接觸載荷的變化趨勢(shì)。張學(xué)良等基于分形接觸理論，建立考慮微凸體接觸面積分布的結(jié)合面切向接觸剛度和法向接觸剛度模型，并仿真研究結(jié)合面參數(shù)間的相互關(guān)系和影響因素[11-12]。趙啟東等[13]基于分形接觸理論提出一種濕式多盤制動(dòng)器摩擦模型。針對(duì)制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中的摩擦特性，分析摩擦副間微凸體接觸面積、分形維數(shù)、輪廓幅值尺度等因數(shù)對(duì)黏著摩擦系數(shù)和摩擦力的影響規(guī)律。圖5為表面輪廓分形特性示意圖以及濕式多盤制動(dòng)器鋼片和摩擦片分形模型表面輪廓曲線。圖中，橫坐標(biāo)x是零件表面測(cè)量長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)z是測(cè)量所得的表面輪廓高度。

圖5 表面輪廓的分形特性、鋼片和摩擦片分形模型表面輪廓

綜上所述，制動(dòng)器摩擦副接觸特性研究是基于接觸理論模型上的進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用?；诜中卫碚摻⒌慕佑|模型可以準(zhǔn)確有效地描述相關(guān)粗糙表面的接觸特性。對(duì)于摩擦模型而言，一個(gè)正確的靜態(tài)摩擦模型對(duì)實(shí)際摩擦情況的模擬具有很高的準(zhǔn)確度[14]，常常作為研究濕式多盤制動(dòng)器的理論基礎(chǔ)。準(zhǔn)確的接觸和摩擦模型能夠有效地描述制動(dòng)器摩擦副之間的接觸狀態(tài)和摩擦特性，是制動(dòng)器制動(dòng)特性研究的基礎(chǔ)和保障。

2 濕式多盤制動(dòng)器制動(dòng)振動(dòng)與接合特性研究

在對(duì)濕式多盤制動(dòng)器大量的動(dòng)力學(xué)理論及試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，濕式多盤制動(dòng)器在實(shí)際的制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生摩擦副的振動(dòng)、顫振等現(xiàn)象，從而影響制動(dòng)器的制動(dòng)性能、可靠性以及摩擦副的使用壽命。

摩擦副的振動(dòng)必然影響制動(dòng)器的制動(dòng)性能以及系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。然而摩擦副的振動(dòng)以及接合過(guò)程機(jī)理較為復(fù)雜，涉及學(xué)科廣泛，影響因素眾多。目前對(duì)濕式摩擦片振動(dòng)以及接合特性的研究主要依靠數(shù)學(xué)建模以及相應(yīng)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。因此建立準(zhǔn)確可靠的動(dòng)力學(xué)模型，深入研究制動(dòng)器振動(dòng)機(jī)理和接合特性成為制動(dòng)器研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。

一些學(xué)者從車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)出發(fā)，考慮整車傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)摩擦副振動(dòng)的影響，研究傳動(dòng)系統(tǒng)中摩擦副接合特性。LI L P等[15]通過(guò)建立四自由度車輛傳動(dòng)系統(tǒng)理論模型，數(shù)值模擬計(jì)算濕式離合器接合過(guò)程中不同摩擦系數(shù)梯度下的摩擦副角速度曲線。圖6是其建立用于分析接合特性的傳動(dòng)系統(tǒng)模型和所得結(jié)果。從結(jié)果分析，無(wú)論正、負(fù)摩擦系數(shù)梯度都會(huì)引起接合時(shí)摩擦副的振動(dòng)，使系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能發(fā)生變化。馬彪等[16]針對(duì)車輛的傳動(dòng)裝置，建立了換擋離合器在接合過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)SIMULINK進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，分析相關(guān)影響因素以及動(dòng)力學(xué)特性。CENTEA D等[17]對(duì)車輛離合器接合過(guò)程中發(fā)生的傳動(dòng)系統(tǒng)抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，通過(guò)建立離合器機(jī)構(gòu)的非線性多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型來(lái)研究各種不同摩擦相關(guān)的參數(shù)對(duì)制動(dòng)性能的影響。

圖6 動(dòng)力學(xué)模型及摩擦副角速度曲線

針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦副接合特性研究，更多的是從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度分析摩擦副振動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)之間的聯(lián)系。為了更準(zhǔn)確地研究摩擦副自身的振動(dòng)機(jī)理和接合特性，一些學(xué)者在基于流體雷諾方程和力平衡方程的基礎(chǔ)上研究摩擦副的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。IQBAL S等[18]考慮了接合循環(huán)期間流體潤(rùn)滑的不同階段與黏性效應(yīng)和制動(dòng)壓力信號(hào)中的延遲，建立了基于擴(kuò)展的復(fù)位積分摩擦過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)模型時(shí)域和頻域上的分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，并分析接觸壓力波動(dòng)的幅度對(duì)振動(dòng)幅度的影響。張志剛[19]從濕式離合器接合過(guò)程不同階段出發(fā)，分別引入平均油膜壓力模型、微凸體接觸模型以及承載模型，并對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行耦合求解。彭增雄等[20]對(duì)濕式離合器高速工況下的碰撞振動(dòng)進(jìn)行了研究，建立了三自由度流固耦合動(dòng)力學(xué)模型，考慮角向擺振對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)影響。CROWTHER A等[21]對(duì)離合器嚙合顫振和黏滑現(xiàn)象進(jìn)行了分析和數(shù)值研究，并針對(duì)具有滑動(dòng)離合器的四自由度扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)和具有自動(dòng)變速器系統(tǒng)的動(dòng)力總成開發(fā)了模型。

隨著數(shù)值模型的研究和發(fā)展，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和有限元仿真研究也成為研究摩擦副動(dòng)力學(xué)特性的一種手段。HOU S Y等[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究摩擦盤抖動(dòng)振動(dòng)的特性，分析了在高圓周速度下平均游隙、潤(rùn)滑劑流量、換擋條件和摩擦界面數(shù)量對(duì)離合器轉(zhuǎn)矩的影響。MANSOURI M等[23]人建立有限元方法模擬了濕式離合器的接合過(guò)程，提出以總摩擦系數(shù)解釋離合器接合過(guò)程經(jīng)歷的不同摩擦、潤(rùn)滑階段，并設(shè)計(jì)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)試離合器的動(dòng)態(tài)和熱特性，驗(yàn)證仿真結(jié)果。羅天洪等[24]基于濕式制動(dòng)器摩擦副的阻尼和剛度、制動(dòng)部件的接觸摩擦關(guān)系，建立濕式制動(dòng)器制動(dòng)噪聲分析模型。并通過(guò)復(fù)模態(tài)有限元仿真分析驗(yàn)證該模型對(duì)制動(dòng)噪聲趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。圖7是其建立的摩擦副理論模型和有限元模型。圖中XYZ表示摩擦片的坐標(biāo)系，xyz表示對(duì)偶鋼片的坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)動(dòng)角度為Ω，接觸剛度為K，接觸阻尼為C，摩擦力為F。

圖7 摩擦副接觸理論模型和有限元模型

綜上研究表明，濕式制動(dòng)器在接合過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)、顫振等現(xiàn)象與摩擦因數(shù)在不同的摩擦接合階段的變化有關(guān)，壓力與負(fù)載力矩的波動(dòng)會(huì)造成摩擦元件的振動(dòng)。除此以外，摩擦元件表面摩擦襯層的材料特性以及摩擦副之間的剛度阻尼等物理特性也是離合器振動(dòng)結(jié)合特性研究的重點(diǎn)問(wèn)題。濕式離合器的振動(dòng)結(jié)合特性影響因素眾多，研究方法主要聚焦于理論模型的建立、仿真模型的應(yīng)用以及相應(yīng)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，研究涉及摩擦模型、接觸狀態(tài)、振動(dòng)分析以及流固耦合等多個(gè)領(lǐng)域，是濕式多盤制動(dòng)器研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

3 濕式多盤制動(dòng)器多場(chǎng)耦合建模與分析

在濕式多盤制動(dòng)器的研究中，振動(dòng)和接合特性主要聚焦于制動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)性能。然而，在濕式多盤制動(dòng)器工作中，由于摩擦元件與制動(dòng)盤間的溫度、應(yīng)力和接觸壓力的存在和不斷變化以及相互之間復(fù)雜的耦合關(guān)系，不可避免地出現(xiàn)了制動(dòng)器的熱機(jī)耦合現(xiàn)象。同時(shí)，這種熱機(jī)耦合現(xiàn)象導(dǎo)致的熱彈性失穩(wěn)問(wèn)題已成為摩擦制動(dòng)器發(fā)生各種熱失效問(wèn)題的根源。目前，熱機(jī)耦合方面的研究主要聚焦于濕式制動(dòng)器流熱特性、熱失效、油槽優(yōu)化以及壽命預(yù)測(cè)等問(wèn)題。針對(duì)此類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)有限元仿真模擬建立流-固-熱多場(chǎng)耦合模型進(jìn)行研究。因此，建立符合實(shí)際應(yīng)用的多場(chǎng)耦合模型就成了研究的熱點(diǎn)。

濕式多盤制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程多場(chǎng)耦合關(guān)系如圖8所示。在制動(dòng)壓力下，摩擦副之間相對(duì)滑磨產(chǎn)生摩擦熱流，接觸面的溫升引起結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變，結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變影響摩擦副間接觸壓力分布，加劇摩擦熱流的不均勻分布特性。同時(shí)，制動(dòng)片與潤(rùn)滑油液之間發(fā)生熱交換，潤(rùn)滑油與摩擦副之間存在作用力，使其產(chǎn)生形變，影響其接觸壓力分布。

圖8 濕式多盤制動(dòng)器多場(chǎng)耦合關(guān)系

針對(duì)不同的實(shí)際工程問(wèn)題，采用的多場(chǎng)耦合模型以及有限元數(shù)值求解方式有所差異。在濕式制動(dòng)器大載荷制動(dòng)工況下，摩擦熱流產(chǎn)生的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)部傳導(dǎo)和油液對(duì)流換熱的速度，此時(shí)摩擦熱效應(yīng)是發(fā)生熱彈性失穩(wěn)的主要原因。常將熱流密度函數(shù)作為輸入來(lái)模擬摩擦生熱過(guò)程，順序求解溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布。ZAGRODZKI P等[25]在假定摩擦襯片壓力均布的基礎(chǔ)上，建立以摩擦襯片和靜摩擦片橫截面中軸線為對(duì)稱線的溫度場(chǎng)有限元分析模型，針對(duì)二維瞬態(tài)摩擦生熱引起的熱彈性接觸問(wèn)題，利用有限差分法計(jì)算了多片制動(dòng)器的瞬態(tài)溫度場(chǎng)。GHADIMI B等[26]通過(guò)假定接觸壓力均勻、摩擦熱的分配系數(shù)恒定的情況下對(duì)通風(fēng)式制動(dòng)盤進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)的間接耦合計(jì)算，分析通風(fēng)式制動(dòng)盤中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化。然而在實(shí)際工程問(wèn)題中，均勻接觸壓力的假設(shè)忽略了溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，一些學(xué)者進(jìn)一步研究熱流系數(shù)的變化在多場(chǎng)耦合模型中的應(yīng)用。YANG Z Y等[27]在多場(chǎng)耦合建模中，考慮了制動(dòng)和冷卻過(guò)程中熱流系數(shù)的變化，通過(guò)改變接觸區(qū)單元上的熱流值建立有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)計(jì)算模型，得到濕式制動(dòng)盤的溫度分布。進(jìn)一步通過(guò)線彈性力學(xué)分析制動(dòng)盤周向應(yīng)力分布，討論制動(dòng)盤疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的機(jī)理。

上述研究中多場(chǎng)耦合模型的間接耦合求解方式多適用于濕式制動(dòng)器大載荷制動(dòng)下的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。而在濕式多盤制動(dòng)器摩擦熱流的生成量較少時(shí)，由于無(wú)法忽略潤(rùn)滑油液對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力作用，常常需要多物理場(chǎng)同時(shí)求解，即流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果加載至固體上引起應(yīng)力場(chǎng)變化，再反過(guò)來(lái)影響流場(chǎng)，反復(fù)迭代直至收斂。張家元等[28]采用直接耦合的方法，在考慮摩擦片和鋼片摩擦產(chǎn)生的熱分配以及摩擦片與溝槽內(nèi)潤(rùn)滑油和外界空氣的熱交換基礎(chǔ)上，對(duì)帶有周向槽和徑向槽的摩擦片在滑摩過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。孫東野等[29]建立了輪邊濕式制動(dòng)器的多場(chǎng)耦合有限元模型，分析熱-流場(chǎng)耦合下長(zhǎng)時(shí)間高頻制動(dòng)中濕式輪邊制動(dòng)器的熱可靠性，并分析熱彈性失穩(wěn)現(xiàn)象中對(duì)偶鋼盤應(yīng)力應(yīng)變的分布，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)偶鋼盤的翹曲特性。ZHANG C W等[30]通過(guò)理論計(jì)算不同工況下的制動(dòng)時(shí)間，建立濕式多盤制動(dòng)器總成結(jié)構(gòu)的二維熱機(jī)耦合模型，在考慮材料特性隨溫度變化的基礎(chǔ)上，得到其總成結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，并研究滑動(dòng)速度、制動(dòng)壓力和初始溫度對(duì)不同工況下制動(dòng)器摩擦性能的影響。圖9為濕式多盤制動(dòng)器網(wǎng)格模型、溫度分布云圖和應(yīng)力分布云圖。

圖9 濕式多盤制動(dòng)器網(wǎng)格模型、溫度分布云圖和應(yīng)力分布云圖

在濕式制動(dòng)器多場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬計(jì)算中，由于需要大量的計(jì)算資源支撐，受限于計(jì)算成本，很多學(xué)者采用了近似或簡(jiǎn)化方法：通過(guò)輸入由初始接觸壓力計(jì)算得到的熱流密度函數(shù)來(lái)模擬摩擦生熱，采用順序耦合的方法先計(jì)算溫度場(chǎng)再計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)，亦或是通過(guò)建立二維模型替代三維結(jié)構(gòu)計(jì)算連續(xù)制動(dòng)工況下的熱效應(yīng)。其多種數(shù)值模型都有其局限性和前提假設(shè)存在，不能完全準(zhǔn)確地描述制動(dòng)過(guò)程中的摩擦生熱和熱機(jī)耦合現(xiàn)象。因此，如何基于實(shí)際工程問(wèn)題，建立可靠的近似模型以及計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展應(yīng)用是未來(lái)制動(dòng)器熱機(jī)耦合研究的關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著交通、航空、船舶以及工程機(jī)械等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)濕式多盤制動(dòng)器的性能和可靠性要求越來(lái)越高，濕式多盤制動(dòng)器的相關(guān)研究也隨之得到進(jìn)一步的延伸。隨著研究的深入開展，針對(duì)濕式多盤制動(dòng)器的設(shè)計(jì)，涉及領(lǐng)域也越發(fā)廣泛，如機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)和材料學(xué)，同時(shí)新的基礎(chǔ)理論模型和分析方法也在產(chǎn)生。本文針對(duì)濕式多盤制動(dòng)器的設(shè)計(jì)，從摩擦對(duì)偶片表面接觸建模、制動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)及接合特性建模分析以及制動(dòng)過(guò)程中熱機(jī)耦合壽命預(yù)測(cè)建模分析等三個(gè)前沿研究領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)論述，為濕式多盤制動(dòng)器的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

同時(shí)，針對(duì)濕式多盤制動(dòng)器的研究還有諸多亟需解決的問(wèn)題。目前多數(shù)針對(duì)濕式多盤制動(dòng)器的研究都沒(méi)有引入準(zhǔn)確的表面接觸模型，而是使用Hertz接觸模型近似或是基于微凸體表面均勻分布假設(shè)，這些理想模型的建立一般不具有普遍性。在濕式制動(dòng)器動(dòng)力學(xué)特性研究中，動(dòng)力學(xué)模型的建立受到眾多因素影響，理論模型常?；诙喾N工程近似。在濕式制動(dòng)器多場(chǎng)耦合的求解中，多數(shù)研究將計(jì)算參數(shù)理論輸入或是采用順序耦合的方式，這些都會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。最后，隨著流體力學(xué)、熱力學(xué)、接觸模型以及摩擦機(jī)理等眾多學(xué)科的發(fā)展和交融，可在有限元分析、流體力學(xué)和熱力學(xué)發(fā)展基礎(chǔ)上研究制動(dòng)器多種復(fù)雜工況的散熱機(jī)理；也可借助摩擦接觸模型、動(dòng)力學(xué)建模以及振動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析研究制動(dòng)器的振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理和抑制因素?；诙鄨?chǎng)耦合研究、多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化以及優(yōu)化算法發(fā)展研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)目標(biāo)設(shè)計(jì)變量的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等都是今后濕式多盤制動(dòng)器設(shè)計(jì)和研究的發(fā)展方向。