1研究汽車盤式制動器熱和力學性能的優(yōu)化設計摘要:運用ABAQUS軟件,對轎車盤式制動器在不同車速、不同摩擦片材料下的模擬仿真,據不同工況下的計算結果得出磨擦片熱分布規(guī)律,最后提出盤式制動器的改進設計方案。關鍵詞:盤式制動器；摩擦熱；有限單元制動系統(tǒng)是汽車最重要的系統(tǒng)。如果制動失敗,結果是很可怕的。制動系統(tǒng)實際上是能量轉換裝置,將汽車的動能轉換為熱能。典型的制動系統(tǒng)包括盤式制動器和鼓式制動器。汽車上使用的是兩個完整的獨立的制動系統(tǒng)。他們是行車制動和駐車制動。行車制動在減速，停車或正常行駛時駐車起作用。他們通過司機踩踏和放松制動踏板來實現。制動器的主要目的是在無人看管是保持車輛平穩(wěn)停止。駐車制動是在拉起手剎或制動腳踏板時由機械操縱的。盤式制動器因為產生的熱和停車時的機械載荷很容易引起噪聲和震動問題。這種噪音,震動和NVH現象不僅不舒服，而且很危險。此外，由于熱摩擦產生的溫度變化，導致制動盤和轉子之間摩擦轉變和墊襯材料機械壓力系數變化。壓力變化是一種非線性現象，正如摩擦現象是一般非線性耦合問題。特別是在汽車盤式制動系統(tǒng)中熱抖動噪聲振動是非線性耦合問題。這些現象也共享核心設計等因素,如轉子和襯里之間的壓力分布，轉子的形狀和剛度,空氣排氣口組成，散熱的性能和摩擦的變化。因此，應在考慮和分析抖動和噪聲的同時優(yōu)化盤式制動器的設計。當出現嚴重的摩擦加熱超過一定的轉子和墊之間的滑動速度，臨界速度時，會發(fā)生熱彈性形變。一些關鍵的因素，如臨界速度，外部溫度，運動時閥板厚度變化可能會導致制動盤的熱變形。此外,頻繁制動也能誘導制動器的高熱。這些情況導致較高的熱變形和熱點，這是熱顫動的原因之一。一個相對高強度，低頻率的震動，應該是從盤式制動系統(tǒng)通過樞紐，懸浮驅動，方向盤，剎車踏板和地板。此外，頻繁和高溫熱點結合，很容易導致物質損失，其中包括制動盤表面裂紋的產生。該熱點現象也稱為摩擦性熱彈性不穩(wěn)定，被Barber首次發(fā)現并應用到摩擦系統(tǒng)。Lee和Barber解決了假設隨著時間推移，在溫度和應力場的擾動成倍增加的TEI問題。他們表明，不穩(wěn)定的發(fā)病總是由一個反對稱的對應圓周屈曲變形模式導致熱點在制動盤兩側交替。此外，使用汽車盤式模型，他們發(fā)現，由兩個半空間模型計算的臨街轉速高出實驗。Yeo和Barber衍生出的有限元攝動方法，即線性方程組是利用時間獲取與指數變化擾動分隔的變量的解決方案制定。他們利用有限元分析解決了盤式制動器和離合器的TEI問題。他們解釋說，主波長和臨界速度并非主要受三維效果的影響，被很好的預測一個二維（平面）的分析，但不包括彎曲模式。他們通過有限元分析與實驗驗證制動盤的TEI問題。對TEI的理論，可以在受熱抖動制動系統(tǒng)的標準設計準則上進行設計。盡管努力減少或消除噪聲的發(fā)生，噪聲呈現出另一種整個汽車行業(yè)的主要制動器的NVH問題。這是一種當司機減速或低速是產生的高頻率的噪聲。因為他是耦合的制動系統(tǒng)，噪聲不容易解決。因此，噪聲問題應該仔細評估。有兩種利用有限元分析的方法來模擬和分析盤式制動器的噪聲問題，一是非線性瞬態(tài)模擬或動態(tài)瞬態(tài)分析，另一種是線性或非線性穩(wěn)定分析。這兩種方法各有優(yōu)缺點，要準確的分析和預測噪聲，都需要在轉子和其他制動元件固有特性研究方面有良好的相關性。目前有很多以通過實驗方法和仿真的研究。Dessouki等把噪聲分為卡鉗托架誘導（2-6.5千赫），墊誘導（4-11千赫）和轉子誘導（7-16千赫）幾類。通過FEA，Junior等研究了某些操作2參數如摩擦系數，材料性能，磨損以及絕緣體對盤式制動系統(tǒng)的影響。Fieldhouse根據一些具體的噪聲頻率研究了墊的形狀，并解釋說動態(tài)的不穩(wěn)定行能被預測。Kung等使用復雜的特征值問題的方法研究了低頻噪聲，并報告說這是種有效的分析方法。Dihau和Jiang利用有限元分析研究耦合模式解決了復雜的特征值問題。Triches等Kung等在ABAQUS標準使用新的復雜的特征值分析了前盤式制動器的噪聲問題。他們指出，考慮接觸條件和其他非線性的堆載預壓效果，制訂復雜的本征解的基本狀態(tài)。Giannini和Sestieri使用了復雜的特征值分析和實驗研究了模型的穩(wěn)定性。他們討論了制動盤和墊的關鍵作用。在這項研究中，通過三個轉子標本對TEI和機械穩(wěn)定性進行了研究。制動測功機和高速紅外攝像機被用于TEI分析。圓錐角是根據制動盤的形狀確定，角度的改變能改變制動盤和墊之間的接觸壓力分布，是改變壓力分布的主要因素。壓力分布影響著熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。首先，熱變形和圓錐角的在恒定溫度下的變化是計算所考慮的幾何轉子。焊盤的壓力分布按照卡尺增壓類型計算，并將結果和TEI進行分析和比較。臨界轉速的分析結果通過商業(yè)軟件HOTSPOTTER獲得。將從實驗和分析方法得到的結果進行比較和分析。要進行復雜的特征值分析，自然頻率和模式是由制動盤和墊片的模態(tài)試驗和有限元分析得出的。通過有限元分析，按照制動盤厚度，襯砌弧長度和增壓類型來決定不穩(wěn)定耦合模式并估計不穩(wěn)定的機械力學性能差異來解決復雜的特征值問題。最后，利用這些成果為優(yōu)化熱性能和力學性能進行評估和分析。盤式制動器轉子部分由頂部，頸部，氣孔和內外側板組成。摩擦熱被認為是轉子的主要熱源，其產生是由于內外側板和剎車片之間的接觸摩擦。如熱傳導，熱對流過程，和輻射產生的轉子溫度梯度，并導致熱變形。此外，內外側的密度層不僅在接觸表面的局部熱集中，由于密度方向傳到速度的差異，還影響轉子剛度，特別是在外平面。這三個幾何模型是基本模型，2t-0t模型和2t-2t模型。所有這3個轉子直徑均為254毫米。在2t-0t轉子模型中，外側的鋼板厚度減少了2毫米。類似的，在2t-2t轉子模型中，內側和外側的鋼板厚度均減少了2毫米。轉子的熱變形是由于摩擦生熱產生的制動盤和焊盤之間的非均勻壓力分布。轉子之間的接觸壓力和高墊影響TEI和機械不穩(wěn)定性。摩擦熱源是法向力，摩擦系數和相對速度的一個表現。制動盤和墊之間眼里分布產生的偏心是由于錐角偏轉，DTV和加壓性卡鉗及可能導致的快速非均勻發(fā)熱。在這些因素中，可以對轉子的形狀設計適當降低圓錐角。對此進行熱變形和壓力分布的有限元分析。圓錐角沒有固定值由于在行駛時轉子的溫度分布變化。通常，通過實驗和有限元分析調節(jié)制動工況來實現圓錐角，熱應力和熱容量。然而，在這項研究中，為了通過轉子厚度有限元分析來尋找相應的圓錐角假定了一個均勻100C的溫度。通過仿真結果，對熱性能進行評價并按照內外側的厚度差別進行分析。根據TEI和按照墊形狀和增壓條件的機械不穩(wěn)定性對壓力分布進行非線性有限元分析。為了產生一個墊上對應一點到兩點加壓卡鉗的壓力分布，應用一個反映卡鉗活塞形狀的壓力條件。靜態(tài)和動態(tài)條件下都適用。在靜態(tài)條件下，旋轉速度為零，靜壓力為1.5MPa。在動態(tài)條件下，轉子轉速為10轉/分，壓力大小為1.5MPa，摩擦系數為0.4。在TEI分析，該墊的壓力分布可用于預測有效壓力和有效內襯弧長，它反映了熱點數目和臨界速度。熱點數目和臨界速度與內襯弧長密切相關。因此，利用有效壓力和有效內襯弧長的概念可以使TEI模型更加準確。使用有限元分析套件ABAQUS6.6對熱變形和結構分析來計算出圓錐角和壓力分布。圓錐角是根據制動盤厚度并通過對熱結構有限元分析來計算的。模擬結果顯示了3再100C時圓錐角和內測板的偏轉。圓錐角的相對比率是轉子標準錐角和基準的比。結果表明，圓錐角有一個相對較低的絕對值。然而，由于恒定溫度邊界條件需要根據轉子形狀實現一個相對熱變形差，所以相對圓錐角差值比絕對圓錐角更重要。根據轉子的基本標準，2t-0t模型顯示了最小的圓錐角比例。這一結果表明，頸部的截面差異很大的作用于導致變形差的幾何約束。因此，內外側厚度差異不僅顯著的影響結構特征，而且引起熱變形。在實際的汽車上，在嚴重的熱負荷和機械負荷下，轉子邊緣的撓度與由于DTV和跳動產生的非均勻壓力下相比相對值較高。因此，它不能夠被忽視。雖然DTV和跳動還增加了制動盤和焊盤之間的局部壓力，他們不依賴與轉子橫截面的形狀。因此，的。熱力耦合和熱抖動過程造成制動盤表面產生熱點，不穩(wěn)定的摩擦生熱，熱彈性形變和彈性接觸?？偹苤?，首先，司機會感到如方向盤，踏板的抖動，在較高頻率內伴隨著震動聲音。然后，制動抖動主要影響舒適性，或有可能當一個沒有經驗的司機第一次面對時導致了錯誤的反應會影響行車安全，最后，熱抖動會造成制動盤永久性的扭曲或開裂。高溫也可能導致剎車過度磨損，尤其是在出現熱點的位置。實驗技術在熱力耦合調查中發(fā)揮主要作用。在捷克克大學最新技術研究中心，Pilsen，對在實驗室和實際情況下的熱力耦合進行實驗研究。其目的是弄清各種物理參數的影響，包括起源，發(fā)展和熱力耦合在宏觀和微觀的后果。其結果將被應用到設計人員的結構建議中，并轉化為對制動系統(tǒng)和技術用戶的技術建議。AstudyofthermalandmechanicalbehaviourfortheoptimaldesignofautomotivediscbrakesAbstract:WithfiniteelementanalysissoftwareABAQUS,theworkstatementsofcardiskbrakeindifferentspeedsanddifferentmaterialsareanalysis.Thenaccordingtotheresultsofheatistributionsinthedifferentstatements,therulesofheatdistributionsaregiven.Finally,improvementmethodsaboutdesigningdiskbrakearepresented.Keywords:Diskbrake；Frictionheat；FiniteelementmethodThebrakingsystemisthemostimportantsystemincars.Ifthebrakesfail,theresultcanbedisastrous.Brakesareactuallyenergyconversiondevices,whichconvertthekineticenergy(momentum)ofthevehicleintothermalenergy(heat).Thetypicalbrakesystemconsistsofdiskbrakesinfrontandeitherdiskordrumbrakes.Twocompleteindependentbrakingsystemsareusedonthecar.Theyaretheservicebrakeandtheparkingbrake.Theservicebrakeactstoslow,stop,orholdthevehicleduringnormaldriving.Theyarefoot-operatedbythedriverdepressingandreleasingthebrakepedal.Theprimarypurposeofthebrakeistoholdthevehiclestationarywhileitisunattended.Theparkingbrakeismechanicallyoperatedbywhenaseparateparkingbrakefootpedalorhandleverisset.Discbrakesystemsarepronetonoiseandvibrationproblemsarisingbecauseoftheseverethermalandmechanicalloadsappliedtostopthevehicle.Thisnoise,vibration,and4harshness(NVH)phenomenonisnotonlyuncomfortablebutalsodangerous.Inadditionthermalvariations,whichoccurbyfrictionalheat,generatemechanicalpressurevariationbetweenthediscandliningowingtoachangeinthefrictioncoefficientbetweentherotorandpadliningmaterials.Thepressurevariationisanon-linearphenomenon,asfrictionphenomenaaregenerallynon-linearcoupledproblems.Inparticular,hotjuddervibrationandsquealnoisearenon-linearcoupledphenomenainautomotivediscbrakesystems.Thesephenomenaalsosharecoredesignfactorssuchasthepressuredistributionbetweenrotorandlining,theshapeoftherotorandpad(stiffness),thenumberofairvents,coolingperformance,andfrictionvariation.Hence,judderandsquealshouldbeconsideredandanalysedatthesametimeforoptimizationofdiscbrakedesign.Whenseverefrictionheatingoccursoveracertainslidingspeed(criticalspeed)betweentherotorandpad,thermoelasticdistortionoccurs.Somecriticalfactorssuchasthecriticalspeed,externaltemperature,run-out,anddiscthicknessvariation(DTV)cancausethermaldistortionofthebrakedisc.Inaddition,frequentbrakingalsoinduceshighthermaldeformationinthebrakedisc.Theseconditionscauserelativelyhighthermaldistortionandhotspots,whichareoneoftheoriginsofhotjuddervibration.Hotjuddervibration,arelativelyhigh-magnitudebutlow-frequencyvibration(1030Hz),istransmittedfromthediscbrakesystemtothedriverthroughthehub,suspension,steeringwheel,brakepedal,andfloor.Moreover,combinedwithfrequentandhigh-temperaturehotspots,itcaneasilyleadtomaterialdamage,includingtheformationofthermalcracksonthediscsurface.Thehot-spotsphenomenon,alsoknownasfrictionallyexcitedthermoelasticinstability(TEI),wasfirstobservedandexplainedbyBarberforslidingsystemsinvolvingfrictionalheating.LeeandBarbersolvedtheTEIproblembyassumingthatperturbationinthetemperatureandstressfieldincreasesexponentiallywithtime.Theyshowedthattheonsetofinstabilityisalwayscharacterizedbyanantisymmetricperturbationcorrespondingtoacircumferentiallybuckleddeformationmodethatleadstohotspotsatalternatinglocationsonthetwosidesofthedisc.Furthermore,usingtheautomotivediscmodel,theyshowedthatcriticalspeedscalculatedbytwohalf-spacemodelsoverestimatetheexperiment.YeoandBarberderivedafiniteelement(FE)formulationoftheperturbationmethodinwhichthelinearityofthegoverningequationsisexploitedtoobtainseparated-variablesolutionsfortheperturbationwithexponentialvariationintime.Yietal.solvedtheTEIproblemforthegeometryofdiscbrakesandclutchesbyusingafiniteelementanalysis(FEA).