研究汽车盘式制动器热和力学性能的优化设计 摘要: 运用ABAQUS软件,对轿车盘式制动器在不同车速、不同摩擦片材料下的模拟仿真,据不同工况下的计算结果得出磨擦片热分布规律,最后提出盘式制动器的改进设计方案。关键词:盘式制动器;摩擦热;有限单元 制动系统是汽车最重要的系统。如果制动失败,结果是很可怕的。制动系统实际上是能量转换装置,将汽车的动能转换为热能。典型的制动系统包括盘式制动器和鼓式制动器。 汽车上使用的是两个完整的独立的制动系统。他们是行车制动和驻车制动。行车制动在减速，停车或正常行驶时驻车起作用。他们通过司机踩踏和放松制动踏板来实现。制动器的主要目的是在无人看管是保持车辆平稳停止。驻车制动是在拉起手刹或制动脚踏板时由机械操纵的。 盘式制动器因为产生的热和停车时的机械载荷很容易引起噪声和震动问题。这种噪音,震动和NVH现象不仅不舒服，而且很危险。此外，由于热摩擦产生的温度变化，导致制动盘和转子之间摩擦转变和垫衬材料机械压力系数变化。压力变化是一种非线性现象，正如摩擦现象是一般非线性耦合问题。特别是在汽车盘式制动系统中热抖动噪声振动是非线性耦合问题。这些现象也共享核心设计等因素,如转子和衬里之间的压力分布，转子的形状和刚度,空气排气口组成，散热的性能和摩擦的变化。因此，应在考虑和分析抖动和噪声的同时优化盘式制动器的设计。 当出现严重的摩擦加热超过一定的转子和垫之间的滑动速度，临界速度时，会发生热弹性形变。一些关键的因素，如临界速度，外部温度，运动时阀板厚度变化可能会导致制动盘的热变形。此外,频繁制动也能诱导制动器的高热。这些情况导致较高的热变形和热点，这是热颤动的原因之一。一个相对高强度，低频率的震动，应该是从盘式制动系统通过枢纽，悬浮驱动，方向盘，刹车踏板和地板。此外，频繁和高温热点结合，很容易导致物质损失，其中包括制动盘表面裂纹的产生。该热点现象也称为摩擦性热弹性不稳定，被Barber首次发现并应用到摩擦系统。Lee和Barber解决了假设随着时间推移，在温度和应力场的扰动成倍增加的TEI 问题。他们表明，不稳定的发病总是由一个反对称的对应圆周屈曲变形模式导致热点在制动盘两侧交替。此外，使用汽车盘式模型，他们发现，由两个半空间模型计算的临街转速高出实验。Yeo和Barber衍生出的有限元摄动方法，即线性方程组是利用时间获取与指数变化扰动分隔的变量的解决方案制定。他们利用有限元分析解决了盘式制动器和离合器的TEI问题。他们解释说，主波长和临界速度并非主要受三维效果的影响，被很好的预测一个二维（平面）的分析，但不包括弯曲模式。他们通过有限元分析与实验验证制动盘的TEI问题。对TEI的理论，可以在受热抖动制动系统的标准设计准则上进行设计。 尽管努力减少或消除噪声的发生，噪声呈现出另一种整个汽车行业的主要制动器的NVH问题。这是一种当司机减速或低速是产生的高频率的噪声。因为他是耦合的制动系统，噪声不容易解决。因此，噪声问题应该仔细评估。有两种利用有限元分析的方法来模拟和分析盘式制动器的噪声问题，一是非线性瞬态模拟或动态瞬态分析，另一种是线性或非线性稳定分析。这两种方法各有优缺点，要准确的分析和预测噪声，都需要在转子和其他制动元件固有特性研究方面有良好的相关性。目前有很多以通过实验方法和仿真的研究。Dessouki等把噪声分为卡钳托架诱导（2-6.5千赫），垫诱导（4-11千赫）和转子诱导（7-16千赫）几类。通过FEA，Junior等研究了某些操作参数如摩擦系数，材料性能，磨损以及绝缘体对盘式制动系统的影响。Fieldhouse根据一些具体的噪声频率研究了垫的形状，并解释说动态的不稳定行能被预测。Kung等使用复杂的特征值问题的方法研究了低频噪声，并报告说这是种有效的分析方法。Dihau和Jiang利用有限元分析研究耦合模式解决了复杂的特征值问题。Triches等采用模态分析技术选择适当的制动闸以减少刹车噪声。Kung等在ABAQUS标准使用新的复杂的特征值分析了前盘式制动器的噪声问题。他们指出，考虑接触条件和其他非线性的堆载预压效果，制订复杂的本征解的基本状态。Giannini和Sestieri使用了复杂的特征值分析和实验研究了模型的稳定性。他们讨论了制动盘和垫的关键作用。 在这项研究中，通过三个转子标本对TEI和机械稳定性进行了研究。制动测功机和高速红外摄像机被用于TEI分析。圆锥角是根据制动盘的形状确定，角度的改变能改变制动盘和垫之间的接触压力分布，是改变压力分布的主要因素。压力分布影响着热稳定性和机械稳定性。首先，热变形和圆锥角的在恒定温度下的变化是计算所考虑的几何转子。焊盘的压力分布按照卡尺增压类型计算，并将结果和TEI进行分析和比较。临界转速的分析结果通过商业软件HOTSPOTTER获得。将从实验和分析方法得到的结果进行比较和分析。要进行复杂的特征值分析，自然频率和模式是由制动盘和垫片的模态试验和有限元分析得出的。通过有限元分析，按照制动盘厚度，衬砌弧长度和增压类型来决定不稳定耦合模式并估计不稳定的机械力学性能差异来解决复杂的特征值问题。最后，利用这些成果为优化热性能和力学性能进行评估和分析。 盘式制动器转子部分由顶部，颈部，气孔和内外侧板组成。摩擦热被认为是转子的主要热源，其产生是由于内外侧板和刹车片之间的接触摩擦。如热传导，热对流过程，和辐射产生的转子温度梯度，并导致热变形。此外，内外侧的密度层不仅在接触表面的局部热集中，由于密度方向传到速度的差异，还影响转子刚度，特别是在外平面。这三个几何模型是基本模型，2t-0t模型和2t-2t模型。所有这3个转子直径均为254毫米。在2t-0t转子模型中，外侧的钢板厚度减少了2毫米。类似的，在2t-2t转子模型中，内侧和外侧的钢板厚度均减少了2毫米。 转子的热变形是由于摩擦生热产生的制动盘和焊盘之间的非均匀压力分布。转子之间的接触压力和高垫影响TEI和机械不稳定性。摩擦热源是法向力，摩擦系数和相对速度的一个表现。制动盘和垫之间眼里分布产生的偏心是由于锥角偏转，DTV和加压性卡钳及可能导致的快速非均匀发热。在这些因素中，可以对转子的形状设计适当降低圆锥角。对此进行热变形和压力分布的有限元分析。 圆锥角没有固定值由于在行驶时转子的温度分布变化。通常，通过实验和有限元分析调节制动工况来实现圆锥角，热应力和热容量。然而，在这项研究中，为了通过转子厚度有限元分析来寻找相应的圆锥角假定了一个均匀100C的温度。通过仿真结果，对热性能进行评价并按照内外侧的厚度差别进行分析。根据TEI和按照垫形状和增压条件的机械不稳定性对压力分布进行非线性有限元分析。为了产生一个垫上对应一点到两点加压卡钳的压力分布，应用一个反映卡钳活塞形状的压力条件。静态和动态条件下都适用。在静态条件下，旋转速度为零，静压力为1.5MPa。在动态条件下，转子转速为10转/分，压力大小为1.5MPa，摩擦系数为0.4。在TEI分析，该垫的压力分布可用于预测有效压力和有效内衬弧长，它反映了热点数目和临界速度。热点数目和临界速度与内衬弧长密切相关。因此，利用有效压力和有效内衬弧长的概念可以使TEI模型更加准确。使用有限元分析套件ABAQUS 6.6对热变形和结构分析来计算出圆锥角和压力分布。 圆锥角是根据制动盘厚度并通过对热结构有限元分析来计算的。模拟结果显示了再100C时圆锥角和内测板的偏转。圆锥角的相对比率是转子标准锥角和基准的比。结果表明，圆锥角有一个相对较低的绝对值。然而，由于恒定温度边界条件需要根据转子形状实现一个相对热变形差，所以相对圆锥角差值比绝对圆锥角更重要。根据转子的基本标准，2t-0t模型显示了最小的圆锥角比例。这一结果表明，颈部的截面差异很大的作用于导致变形差的几何约束。因此，内外侧厚度差异不仅显著的影响结构特征，而且引起热变形。在实际的汽车上，在严重的热负荷和机械负荷下，转子边缘的挠度与由于DTV和跳动产生的非均匀压力下相比相对值较高。因此，它不能够被忽视。虽然DTV和跳动还增加了制动盘和焊盘之间的局部压力，他们不依赖与转子横截面的形状。因此，为了制动盘的优化设计考虑热变形和转子锥角以及热容量是必要的。 热力耦合和热抖动过程造成制动盘表面产生热点，不稳定的摩擦生热，热弹性形变和弹性接触。总所周知，首先，司机会感到如方向盘，踏板的抖动，在较高频率内伴随着震动声音。然后，制动抖动主要影响舒适性，或有可能当一个没有经验的司机第一次面对时导致了错误的反应会影响行车安全，最后，热抖动会造成制动盘永久性的扭曲或开裂。高温也可能导致刹车过度磨损，尤其是在出现热点的位置。实验技术在热力耦合调查中发挥主要作用。在捷克克大学最新技术研究中心，Pilsen，对在实验室和实际情况下的热力耦合进行实验研究。其目的是弄清各种物理参数的影响，包括起源，发展和热力耦合在宏观和微观的后果。其结果将被应用到设计人员的结构建议中，并转化为对制动系统和技术用户的技术建议。 A study of thermal and mechanical behaviour for the optimal design of automotive disc brakes Abstract:With finite element analys is software ABAQUS , the work statements of car disk brake in different speeds and different materials are analysis . Then according to the results of heat is tributions in the different statements , the rules of heat distributions are given . Finally , improvement methods about designing disk brake are presented. Keywords : Disk brake ; Friction heat ;Finite element method The braking system is the most important system in cars. If the brakes fail, the result can be disastrous. Brakes are actually energy conversion devices, which convert the kinetic energy (momentum) of the vehicle into thermal energy (heat). The typical brake system consists of disk brakes in front and either disk or drum brakes. Two complete independent braking systems are used on the car. They are the service brake and the parking brake. The service brake acts to slow, stop, or hold the vehicle during normal driving. They are foot-operated by the driver depressing and releasing the brake pedal. The primary purpose of the brake is to hold the vehicle stationary while it is unattended. The parking brak