盘式制动器三维瞬态温度场分析范文

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《湖北汽车工业学院学报》2015年第一期

1确定瞬态温度场模拟的边界条件

在进行盘式制动器瞬态温度场计算时，必须先确定温度场模拟的边界条件，主要包括热流密度和对流换热系数。

1.1摩擦表面热流密度的确定摩擦热的计算主要有2种方法［3］：一是通过能量折算法，计算出车辆总的动能变化，然后按照热流分配系数进行分配；二是根据摩擦片与制动盘之间的接触压力计算出摩擦力，然后通过摩擦力和相对滑动速度计算出热流率。本文采用第2种方法。式中：G为满载整车重力；b为汽车质心至后轴中心线的距离；z为制动强度；hg为汽车质心高度；R为车轮滚动半径；tend为制动时间；L为轴距；f为摩擦系数；θ为摩擦片的包角弧度；R1，R2分别为摩擦片的内半径和外半径。

1.2制动盘外表面对流换热系数的确定制动盘上热对流主要发生在其外圆周表面以及与摩擦片接触的外侧面，其它表面为绝热。制动盘的对流换热系数非常复杂，不仅随车速变化，而且与制动盘摩擦表面温度有关，文献［6］提供了盘式制动器制动盘对流散热系数的经验公式。

2制动盘有限元分析模型

2.1工况的确定本文考虑车辆在沥青或混凝土路面上制动，且路面附着系数达到峰值附着系数φmax为0.9，滑移率s为18%，汽车处于即将抱死状态，此时制动强度z为φmax。车轮的滚动半径R为243mm，当车辆分别以初始车速60km•h-1、80km•h-1行驶时，制动盘的初始旋转角速度ω0分别为68.59rad•s-1、91.45rad•s-1。

2.2有限元网格划分由于温度场模型是对称的，以中间截面为对称面建立制动盘1/2模型。热分析中高阶单元容易引起温度漂移，且制动盘几何结构简单，因此采用Solid70低阶热分析单元对制动盘进行结构离散；在制动盘与摩擦片制动过程中接触区域建立低阶表面效应单元Surf152来施加热流密度载荷。模型的总单元数为6156，节点数为7848，制动盘有限元模型如图1所示。制动盘与摩擦片之间的制动力作用以等效热流密度方式考虑，故在网格划分中不包括摩擦片部分。

2.3边界条件的施加在制动盘与摩擦片的接触区域施加热流密度，由以上分析可知，热流密度的位置随着制动过程是时刻发生变化的，其大小也随着时间逐渐减小；在制动盘与摩擦片接触的侧面以及其外圆周表面施加对流散热系数，其它表面为绝热；设置初始环境温度为22℃。为了求解移动热源影响下制动盘三维瞬态温度场分布，需要在求解过程设置中输入APDL命令流，包括求解类型、初始问题、求解时间、热流密度随时间变化的函数、热流密度输入位置的变化、求解、后处理等步骤［7］，如图2所示。其中热流密度位置的确定尤为关键：1）确定移动热源的对称中线的位置，为每一时刻制动盘转过的角度，并将该角度与360°取余；2）在柱坐标下，选择对称中线附近±18°的扇形区域，即摩擦片与制动盘接触的区域。

3计算结果

运用Ansys后处理器，可以得到制动盘分别在初始车速为60km•h-1、80km•h-1时的三维瞬态温度场分布，以及其表面径向、轴向不同位置节点温度随时间的变化曲线。

3.1制动盘温度场分布特性图3为不同初始车速及不同时刻制动盘瞬态温度场分布，可以得：1）60km•h-1工况下，制动盘最高温度于1.39624s时达到最大，为96.3417℃，在1.89s制动终止时，降低至88.2266℃；80km•h-1工况下，制动盘的最高温度于2.15145s时达到最大，为143.589℃，在2.52s制动终止时，降低至135.13℃。制动盘温度场是热流密度和对流散热共同作用的结果，制动过程中输入的热流不断积累，因此温度不断增加，而在制动末期，热流密度随着车速逐渐减小至0，对流散热作用大于输入的热流密度，温度会有所降低。2）制动盘的温度场在制动过程中为非轴对称分布，仅在制动末期会出现轴对称均匀分布，因此制动盘温度场分析不适应采用二维轴对称模型。3）从制动盘的最高温度分布图可以看出，制动盘的最高温度位于移动热源的出口区域，这跟移动热源的周期性有关，移动热源的入口区域在经历了上一周期的对流散热后温度会有所降低，而出口区域在上一时刻刚输入热流密度而升温。4）制动盘的最高温度出现在摩擦区域的外圆周面附近，而远离摩擦接触的区域温度较低。5）随着初始车速的提高，制动盘的最高温度值有明显的升高。

3.2制动盘表面温度径向分布特性为了研究制动盘上径向、轴向不同位置节点温度随时间变化的规律，在其上取不同的节点，其分布如图4所示。图5a~b为制动盘径向不同位置节点温度随时间变化曲线，可以得：1）制动盘摩擦接触区域的温度随时间变化具有明显的周期性，呈锯齿状；制动初期温度波动幅度较末期大，这与移动热源的周期性以及热流密度的值随时间减小有关；波动的锯齿状宽度逐渐增大，这是因为移动热源移动的速度在降低。2）制动盘非摩擦区域温度不存在波动而且一直升高，这是因为这些区域没有热流密度的输入，制动盘为优良的导体，热传导积累的热量远大于对流散热。

3.3制动盘温度轴向分布特性图5c~d为制动盘轴向不同位置节点温度随时间变化曲线，可以得：1）制动过程中任意时刻轴向随着离输入热流密度表面的距离增加而温度逐渐降低，且在制动末期温度几乎趋于一致。2）输入热流表面的节点温度波动幅度比轴向远离其的节点大，说明移动热源对其影响较大。

4结论

1）一次紧急制动工况，制动盘的最高温度随着初始车速的增加有明显提高。2）受移动热源的影响，制动盘的瞬态温度场呈明显的周期性表现，为锯齿状，且其影响径向随摩擦半径的减小以及轴向距摩擦表面的距离增大而减弱。3）制动盘的最高温度出现在移动热源的出口区域。

作者：张建辉张兵闫先朝单位：湖北汽车工业学院汽车工程学院浙江吉利汽车研究院有限公司东风特汽（十堰）专用车有限公司