鼓式制動器制動鼓溫度場分析

顏琳沁

(湖南中聯(lián)重科車橋有限公司技術(shù)部，湖南常德 415400)

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鼓式制動器制動鼓溫度場分析

顏琳沁

(湖南中聯(lián)重科車橋有限公司技術(shù)部，湖南常德 415400)

以熱分析理論為基礎(chǔ)，建立氣壓鼓式制動器“熱-固”耦合模型。并以此為基礎(chǔ)，模擬分析汽車在緊急制動情況下的瞬態(tài)溫度場分布結(jié)果，為制動鼓的設(shè)計提供理論參考依據(jù)。

熱分析理論；制動器；溫度場分析；優(yōu)化改進(jìn)

0　引言

從汽車誕生時起，車輛制動系統(tǒng)在車輛的安全方面就扮演著至關(guān)重要的角色。汽車制動器是汽車行駛系統(tǒng)車橋總成上的一個重要組成部分，制動系統(tǒng)總成的可靠性直接影響汽車的行駛安全性能。近年來，隨著高速公路的迅猛發(fā)展及汽車的日益普及，各種交通事故也日益增多。根據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計資料調(diào)查顯示：在車輛本身問題造成的交通事故中，由于制動系統(tǒng)所引起的事故占到總數(shù)的45%，而在制動系統(tǒng)中故障主要表現(xiàn)為“制動效能熱衰退”及“制動器疲勞破壞”。因此，對制動器制動過程中制動鼓的“溫度場”進(jìn)行分析，詳細(xì)了解其緊急制動過程中的溫度分布，繼而對制動器的散熱及強(qiáng)度性能進(jìn)行合理的設(shè)計，具有重要意義。

文中以某載貨輕卡為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹其前橋總成的氣壓鼓式制動器的“熱-固”耦合模型的建立方法，闡述緊急制動鼓瞬態(tài)溫度場分布的有限元分析過程，提出制動鼓的優(yōu)化設(shè)計改進(jìn)方法。

1　熱交換的摩擦制動器

汽車制動過程中，車輛的動能通過制動器的摩擦片與制動鼓的摩擦而轉(zhuǎn)換為熱能。在汽車減速過程中，有兩個不同的部件可以產(chǎn)生摩擦和發(fā)熱。當(dāng)制動鼓與摩擦片產(chǎn)生相對運(yùn)動時，就會出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象。正在減速的車輛，當(dāng)車輪還沒有完全抱死而輪胎接近它們的最大制動力時，輪胎將具有8%～12%的滑移率。在車輛緊急制動過程中，考慮輪胎的滑移率為12%，即輪胎的轉(zhuǎn)動線速度為車輛行駛速率的88%，這說明僅有88%的車輛動能由制動器吸收而轉(zhuǎn)換為熱能，而剩下的12%被輪胎和路面吸收。在制動過程中，如果制動器的制動力矩遠(yuǎn)小于地面對輪胎的最大制動力時，大部分能量將由制動器吸收。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，車輛在緊急制動時候產(chǎn)生的熱量95%被制動盤或制動鼓吸收。

2　摩擦界面的熱傳遞規(guī)律

汽車制動是一個高度非線性的“熱-固”耦合過程，包括熱生成、熱分配、熱傳導(dǎo)和熱對流等復(fù)雜問題。

制動器的制動原理就是通過對偶件之間的摩擦把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為摩擦熱能，消耗系統(tǒng)的機(jī)械能，從而使系統(tǒng)的動能減小，達(dá)到減速或制動的目的，因此制動的過程實(shí)質(zhì)就是一個摩擦過程及摩擦過程中的能量轉(zhuǎn)換過程。摩擦熱產(chǎn)生后，將熱量傳遞給制動鼓及摩擦片。在制動過程中，基于制動鼓的磨損量極小，在建立有限元模型時，對于制動鼓將對偶件的摩擦熱定義為熱流輸入，以此作為求解耦合場的一個邊界條件，但是在緊急制動過程中，熱量在對偶件——摩擦片與制動鼓之間的熱傳遞還受很多其余因素的影響，是一個典型的不穩(wěn)定溫度場。因此在建立有限元模型時，需做出如下理想化假設(shè)：

(1)熱流的輸入連續(xù)無間斷；

(2)摩擦片與制動鼓的接觸區(qū)域溫度一致；

(3)摩擦片與制動鼓接觸面無熱阻。

3　制動器溫度場分析

3.1對流換熱邊界

由重型車輛試驗(yàn)得到的道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，鼓式制動器的對流換熱系數(shù)接近于下列形式的函數(shù)關(guān)系：

h=0.92+3.28βv×exp(-0.01v)(W/(m2·K))

(1)

式中：v為車速(m/s);β為經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)(對于前輪制動鼓，β=0.123；對于后輪制動鼓；β=0.053)。

3.2制動鼓及摩擦片熱-固耦合分析計算模型概述

在有限元計算模型中，只考慮摩擦片、制動鼓，建立鼓式制動器“熱-固”耦合分析模型，如圖1所示。

制動鼓及摩擦片均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元網(wǎng)格，制動鼓的單元數(shù)量為3 798；摩擦片的單元數(shù)量為2 720；制動鼓材料為HT250，摩擦片材料為汽車用非石棉摩擦材料，制動鼓與摩擦片的力學(xué)參數(shù)及熱性能參數(shù)如表1所示。

3.3邊界條件及載荷工況

(1)模擬工況

模擬某輕型卡車高強(qiáng)度一次緊急制動至速度為0的工況：輪胎型號7.50-16,輪胎滾動半徑r=383 m，卡車的初始速度v0=60 km/h(即初始速度為v0=16.67 m/s),汽車靜止前橋載荷m=2 200 kg，前橋制動鼓數(shù)量n=2個，以a=5 m/s2的減速度勻減速制動至停車，制動過程中考慮載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)k=1.5，單個制動器總成其摩擦片總摩擦面積S=68 531.704 8 mm2。

(2)邊界條件

定義制動鼓及外界空氣的初始溫度為20 ℃。

(3)載荷

根據(jù)能量守恒原理，其熱載荷由車輛動能轉(zhuǎn)換為熱能而產(chǎn)生。

設(shè)制動時間為t，則根據(jù)v0=at有:

t=v0/a=16.67/5=3.334 s

制動時動能：

動能耗散率：

A=E/t=458 516.685/3.334=137 527.5 W

單個制動器總成動能耗散率：

A1=A/n=137 527.5/2=68 763.75 W

摩擦片的熱通量：

A2=A1/S=68 763.75/68 531.704 8=1.0 W/mm2

傳遞給制動鼓的熱通量：

A3=A2×88%×95%=1.0×88%×95%=0.83 W/mm2

車輛在制動過程中直至速度為0，轉(zhuǎn)換為制動鼓的角位移-時間曲線,如圖2所示。

制動過程中，不僅存在動能與熱能的轉(zhuǎn)換過程，而且還存在熱耗散，這部分熱量與周邊空氣以熱對流的形式耗散。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)，其對流換熱系數(shù)與速度的關(guān)系曲線如圖3所示。

3.4分析結(jié)果

當(dāng)車輛以60 km/h的初速度緊急制動直至停車過程中，隨著制動的進(jìn)行，制動鼓的溫度云圖如圖4所示。

由圖4可以看出：在車輛一次性緊急制動至停車過程中，制動鼓的最高溫度達(dá)到73.73 ℃，溫度在制動鼓與摩擦片的接觸區(qū)域?yàn)樽罡唿c(diǎn)；在制動鼓與摩擦片接觸區(qū)域其溫度基本均勻分布。在緊急制動過程中，制動鼓的“溫度-時間”關(guān)系如圖5所示。

由圖5可以看出：隨著緊急制動過程的進(jìn)行，在制動鼓與摩擦片接觸的區(qū)域，制動鼓的溫度呈現(xiàn)鋸齒狀爬升，最高溫度達(dá)到73.73 ℃，平均溫度達(dá)到40 ℃。

3.5優(yōu)化改進(jìn)措施

對以上緊急制動過程中制動鼓的溫度場進(jìn)行分析可以知道：制動鼓與摩擦片接觸區(qū)域溫度急劇升高，使摩擦片在制動過程中存在因?yàn)楦邷貙?dǎo)致摩擦片燒蝕而失效的風(fēng)險。為此可以從以下兩個方面對制動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：

(1)改進(jìn)制動鼓的散熱結(jié)構(gòu)，有效增加制動鼓的散熱面積，如采用如圖6所示的帶散熱筋的制動鼓。

(2)改進(jìn)鼓式制動器系統(tǒng)周圍的空氣流場，如在制動器防塵罩上增加散熱孔，改進(jìn)輪罩結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)氣流冷卻制動鼓。

4　結(jié)束語

汽車制動鼓作為汽車安全系統(tǒng)的“保安件”，在車橋設(shè)計中具有十分重要的地位，也是設(shè)計中的難點(diǎn)。

作者通過有限元分析技術(shù)，對緊急制動過程中制動鼓的溫度場進(jìn)行模擬，可以有針對性地對制動鼓的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。與以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計相比，該方法具有快速、準(zhǔn)確、節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，對制動鼓的設(shè)計具有理論參考價值。

【1】劉惟信.汽車制動系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計計算[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

【2】魯?shù)婪?汽車制動系統(tǒng)的分析與設(shè)計[M].張蔚標(biāo),陳名智,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

Drum Brake Drum Temperature Field Analysis

YAN Linqin

(Technical Department,Vanda Heavy Section Axle Co.,Ltd., Changde Hunan 415400,China)

According to the theory of thermal analysis，the “hot-solid” coupling model of pneumatic drum brake was established. And on this basis，simulation and analysis of the transient temperature field distribution of the vehicle in case of emergency braking were made. It provides a theoretical reference for the design of the brake drum.

Thermal analysis theory； Brake; Analysis of temperature field；Optimization and improvement

2016-06-05

顏琳沁，女，本科，工程師，主要從事前后橋產(chǎn)品的研究與開發(fā)。E-mail：2106191850@qq.com。

U463.51

A

1674-1986(2016)08-045-03