極端狀態下周盤式制動器熱應力耦合特性

［摘 要］ 鼓式制動器在制動過程中，由于其密封的結構，制動鼓溫度過高，熱應力變大，散熱較難。這些因素會對制動器的制動性能產生較大影響，從而影響汽車的安全行駛。針對一種新型的周盤式制動結構，分析其在極端狀態下的熱[CD*2/3]應力耦合特性。以外徑193 mm周制動盤為例，采用有限元仿真與實驗，得出溫度場、應力場、最大位移量等參數對制動性能影響的一般規律。結果顯示：周盤式制動器制動過程中最大溫度為153.65℃，最大應力為92.644 MPa，最大變形量為4.5562 mm，相比同類尺寸的鼓式制動器的最高溫度可以降低6%，最大應力可以降低23%和最大變形量可以減小8%，其綜合性能指標明顯優于鼓式制動器，具有較高的工程應用價值。

［關鍵詞］ 周盤式制動器； 鼓式制動器； 熱應力耦合； 有限元仿真

［中圖分類號］ TK123 ［文獻標識碼］ A

汽車制動器是構成汽車駕駛的重要構建之一。為了充分保證汽車的安全駕駛，分析汽車制動器的安全性能，就顯得尤為重要。目前我國大卡車上的制動器為鼓式制動器，其制動面積大，制動力矩大。很多專家學者對汽車制動器進行了深入的研究，趙軒等[1-2]研究了制動器的制動器性能，張方宇等[3-4]對制動器的熱[CD*2/3]應力[CD*2/3]磨損耦合進行了深入研究，薛剛等[5]在分析鼓式制動器的溫度閾值時發現，鼓式制動器的溫升較高，較接近于摩擦片的失效溫度。鄭彬等[6]發現鼓式制動器在持續制動過程中熱應力較大，熱變形量較高。王曉穎[7]在研究鼓式制動器的動態應變和溫度特性中發現，當制動器極端狀態時溫度可以高達600℃。趙凱輝[8]等探究了后橋周氏制動器摩擦系數與溫度之間的函數關系。Hamidian等[9]通過有限元的方法分析了制動鼓結構振動位移。Yang Dan等[10]通過ansys workbench對制動鼓的動態特性進行了分析。Askerov[11]研究了制動鼓制動過程中磨料磨損與產生裂紋之間的映射關系。Eduardo等[12]研究了車輛在重載的情況下溫升與制動鼓變形之間的關系。Askerov[13]探究了溫度應力對制動鼓粘性裂紋起源的影響。

鼓式制動器主要是由制動鼓、內周雙剎制動蹄、內周雙剎摩擦片組成（圖1）。制動蹄受到兩液壓缸促動力F1的作用，分別繞支點向兩側外撐，通過摩擦片與制動鼓內周相接觸，將動能化為內能，從而使制動鼓減速，以達到制動的目的。

鼓式制動器在結構上存在方面的不足主要體現在以下幾個方面[15-19]：1）鼓式制動器只有內周雙剎，所以每個制動蹄所受促動力較大，導致摩擦產生的溫度較高，熱應力變大；2）鼓式制動器的制動鼓為管狀體，在制動過程中所產生的溫度較高，導致散熱較慢，制動鼓溫度較高，容易產生變形；3）空氣中的磨料性物質容易粘附在摩擦片表面，在制動過程中使制動鼓破裂；4）鼓式制動器的制動壽命較低，行駛2萬km左右就需要更換摩擦片。

結合文獻分析和國內外研究現狀，專家學者主要對制動器的熱[CD*2/3]應力耦合開展了深入研究。在極端工況下，制動器的溫度較高，熱應力較大，雖然提出了相應的方法，但是均沒有從結構上對制動器進行優化設計。本文針對于鼓式制動器設計出新型的周盤式制動器[14]，比較鼓式制動器，在溫度場、應力場和最大位移量等方面極端工況下，對其制動性能進行分析。

1 新型周盤式制動結構

本文所研究的周盤式制動器，是由氣缸產生推力，經過雙凸輪軸分別驅動內外制動蹄夾緊和外撐，通過摩擦片與制動鼓接觸產生摩擦力，以達到汽車停止轉動的目的。周盤式制動器的三維模型如圖2所示，相關主要參數如表1和表2所示。

通過對結構分析和掛車制動試驗，其主要特點如下：

1）結合鼓式制動器的優點，采用內撐外抱式雙面制動結構，剎車盤與制動鼓的接觸面積大約占制動鼓總面積的70%，結合盤式制動器的優點，雙面雙重制動充分保證在極端狀態下的安全駕駛，提供更加安全可靠的保障，同時可以使得汽車的制動響應速度更快；

2）內外周向制動蹄分配了促進力，延長了使用壽命，同時增強了總制動力矩（可高達15041.2 N·m），提高了整個制動器的受力強度，其制動壽命更高，可以正常行駛10～20 km再進行更換摩擦片；

3）制動鼓均勻分布有散熱孔，且在制動器外殼布置有導風罩，可以較大加強對流換熱，降低制動鼓的溫度；

4）根據掛車制動試驗表明，其熱態制動強度為51.3%，相對于鼓式制動器的40%左右，有較強的抗衰性能。

相對于鼓式制動器而言，周盤式制動器的結構較為復雜，所以通過分析周盤式制動器力學模型，設置如下：1）摩擦系數在制動過程中不隨溫度和壓力的變化，定為0.3；2）內外制動摩擦片與制動鼓的接觸在包角所允許的范圍內；3）摩擦片的變形只在徑向發生；4）制動鼓與摩擦片上的應力均勻分布。

根據周盤式制動器制動蹄在徑向為對稱分布的特點，利用周盤式制動器的主要參數，對上周制動盤進行受力分析，可分別計算出其外撐與夾緊制動蹄所施加的力矩（表3）。

2 周盤式制動器有限元分析前處理

為保證周盤式制動器仿真的收斂性，在劃分網格時，去除與接觸結果無關的部件，刪減螺栓孔、倒角、毛坯、槽口等，仿真接觸單元設置為常規的六面體耦合單元solid2016，網格劃分共計可得節點數14868，單元8658。

根據周盤式制動器的結構特性，將制動盤的內外表面設定為目標面，分別將外周的內剎表面和內周的外剎表面設定為接觸面。對于制動蹄，使其只能在軸向產生夾緊和外撐的力矩，約束其徑向和法向。設定制動蹄與摩擦片之間為綁定接觸，設定法向剛度因子為0.01，接觸所采用的算法為Lagrange算法。設定環境溫度為25℃，輻射率為0.7，空氣對流換熱系數為50 W/（m2·K）。

3 周盤式制動器的有限元分析

為了更好地分析周盤式制動器的制動性能及其各參數是否符合設計需求，設計汽車以60 km/h為初始速度，單次制動5 s，使制動鼓轉速減為0的極端制動工況。

圖3為制動器制動過程中的溫度云圖，圖4為制動過程中，溫度隨時間變化趨勢圖。從圖4中可知：1）周盤式制動器在制動過程中，在第3 s時達到最大溫升（153.65℃），制動停止時溫度止于128℃，由于最后階段磨損達到較為穩定狀態，且制動鼓的散熱孔對流換熱作用較為明顯，降溫幅度可達到16.69%，內外摩擦片的最大溫度為133.23℃，平穩后溫度止于120.44℃。2）制動過程與制動停止時的最大溫度都發生在制動鼓內環處，且在內環處形成一條高溫環形帶，溫度由軸向向外減小，說明中心位置接觸密閉，熱量無法及時散去；3）由于制動初期磨損和制動鼓初速度較大等因素，制動鼓的溫度前期增長較為迅速，嚴重影響制動器的制動性能；4）因為制動鼓的厚度較厚，所以其最低溫度基本未發生變化；5）在制動鼓徑向上，從兩邊到中心，溫度在逐漸減小，且制動鼓內環溫度比其外環溫度高，表明在制動過程中，內環接觸較為劇烈；6）第3 s到第5 s時，空氣自然冷卻作用效果為12.83℃/s。

圖5為制動器制動過程中的等效應力云圖；圖6為制動過程中，應力隨時間變化趨勢圖。從圖6中可知：1）周盤式制動器等效最大應力的最大值為92.644 MPa，滿足材料強度要求，其最大值所處的位置在下內周雙凸輪處，且呈現對稱分布；2）制動過程中，等效應力隨時間變化基本處于定值，說明等效應力不隨制動過程中的溫度、制動轉速等物理量的變化而變化。

圖7為制動器制動過程中的變形云圖，圖8為制動過程中應變隨時間變化的趨勢。從圖8中可知：周盤式制動器等效彈性變形最大值為4.5562 mm，且最大彈性應變所處的位置與最大等效應力的位置相同，均在下周雙凸輪處。

對比與同工況下的傳統鼓式制動器，相關數據如表4所示。

通過表4發現：1）周盤式制動器和鼓式制動器在制動過程中的最高溫度相差較小，主要是由于在同種工況設定下，前期磨損較大，散熱量較小，導致制動過程中的最高溫度近似相同；2）在達到最高溫度之后，由于周盤式制動器制動鼓上均勻分布有散熱孔，使得其對流散熱量較大，所以其降溫更加明顯，最終制動停止時，最高溫度低于鼓式制動器6%；3）周盤式制動器在制動停止時最大等效應力和最大等效變形分別低于鼓式制動器23%和8%。

4 試驗分析

試驗所需的儀器包括三相異步交流電機、擺針式減速器、紅外測溫儀、溫度傳感器、鉗式電流表、大小皮帶輪、氣缸、后橋周盤式制動器。部分實驗裝置如圖9所示。

實驗過程為：三相異步交流電機產出動力輸入至減速器和大小皮帶輪上，帶動制動鼓轉動。氣缸提供制動力，施加至周盤式制動蹄上，控制其內撐和外抱，使制動鼓減速為0。通過溫度傳感器監測制動鼓在制動過程中的溫度變化，并記錄溫度，利用紅外傳感器拍攝制動鼓溫度圖（圖10）。

圖10a-e拍攝時間間隔為1 s。分析可知：1）溫度上升趨勢均為先急后緩，與仿真的結論一致，表明所建立的模型是準確的；2）制動鼓溫升止于5 s，為135.4℃。

仿真結果發現：1）周盤式制動器最大溫升主要集中于制動鼓內周靠中心處，最大變形主要集中在內蹄雙凸輪處，最大溫升為142.89℃，與實驗測得的153.65℃，誤差在10%以內，可以充分驗證仿真的可靠性；2）根據對其材料的分析，周盤式制動器不僅滿足強度硬度等要求，同時對比傳統制動鼓，最大變形量和最大溫升均要小。

5 結論

極端狀態下，周盤式制動器制動過程中的最高溫度為153.65℃，制動停止時的最高溫度為128℃，最大應力為92.644 MPa，最大等效彈性形變為4.5562 mm，均要強于鼓式制動器。周盤式制動器從溫度場、應力場和變形量上看，其綜合制動性能要優于鼓式制動器，制動過程更加安全可靠。

［ 參 考 文 獻 ］

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[2] 李臣，晉杰，楊良坤.盤式和鼓式制動器熱衰退性能對比試驗研究[J].汽車工程，2017，39（12）：1397-1401，1430.

[3] 張方宇，桂良進，范子杰.鼓式制動器熱[CD*2/3]應力[CD*2/3]磨損耦合行為的研究[J].汽車工程，2016，38（04）：466-472.

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Research on Thermal Stress Coupling Characteristics ofPeripheral Disc Brakes Under Extreme Conditions

SHI Kang1， SU Xuwu1， XIA Hailong2， YANG Meng2

（1 School of Mechanical Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China；2 Hubei Zhonger Axle Co.， Ltd.，Shiyan 442013，China）

Abstract： Drum brake in the braking process， due to its sealed structure， is struck with some problems like too high temperature， increasing thermal stress， and difficulty in heat dissipation. These factors will have a greater impact on the braking performance of the brake， thus affecting the safe driving of the car. In this paper， a new type of circum disc brake structure is proposed， and its thermal stress coupling characteristics under extreme conditions are analyzed. Taking the circular brake disc with an outer diameter of 193mm as an example， finite element simulation and experiment are adopted to obtain the general law of the influence of temperature field， stress field， maximum displacement and other parameters on the braking performance. The results show that： in the braking process of the disc brake， the maximum temperature is 153.65℃; the maximum stress is 92.644MPa and the maximum deformation is 4.5562mm. Compared with the drum brake of the same size， the maximum temperature， the maximum stress and the maximum deformation can be reduced by 6%， 23% and 8%. Its comprehensive performance index is obviously better than drum brake and it has strong engineering application value.

Keywords： disc brake； drum brake; thermal stress coupling; simulation analysis

［責任編校： 張 眾］

［收稿日期］ 2022-03-01

［第一作者］ 石 康（1996－），男，湖北武漢人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為鼓式制動器的性能研究和機電液傳動與控制。

［通信作者］ 蘇旭武（1973－），男，湖北武漢人，湖北工業大學副教授，研究方向為為機電、數控方面的教學與科研。