范芳，何鋒，余國寬，李兆安，劉忠，張鵬

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州航天朝陽科技有限公司，貴州貴陽550025)

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基于ANSYS的濕式制動器摩擦盤溫度場分析*

范芳1，何鋒1，余國寬1，李兆安1，劉忠2，張鵬2

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州航天朝陽科技有限公司，貴州貴陽550025)

摘要：濕式制動器工作時摩擦盤與對偶鋼盤之間因摩擦產(chǎn)生大量熱量，摩擦盤應(yīng)力場和溫度場的研究是其重要的研究方面。運用有限元軟件ANSYS，采用間接耦合，在不同的制動強度下，研究該類型摩擦盤壓應(yīng)力的分布情況；根據(jù)摩擦盤在不同工況下的溫度分布情況，考核制動器的熱負荷、研究熱彈性失穩(wěn)現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，由于摩擦盤所受壓應(yīng)力的不均勻分布，導(dǎo)致輸入摩擦盤的熱流密度不均，引起熱機失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

關(guān)鍵詞:濕式制動器溫度場間接耦合

0引言

濕式制動器有制動容量大、性能穩(wěn)定、工作壽命長等優(yōu)點，在工程機械和軍用車輛上的應(yīng)用越來越多[1]。濕式制動器的摩擦副工作在密閉的浸油環(huán)境中，其失效形式通常是因溫升過高引起的燒損或因熱應(yīng)力過大而發(fā)生變形、開裂等。摩擦盤的溫度場和應(yīng)力場的研究是濕式制動器設(shè)計和研究的重要方面[2]。

濕式制動器工作時，制動活塞給對偶鋼盤施加法向壓力，壓緊摩擦盤，實現(xiàn)對車輛的制動。張衛(wèi)剛[3]認為摩擦片間的壓力沿徑向按雙曲線規(guī)律分布，但是沒有考慮制動器的結(jié)構(gòu)不同對摩擦盤受到的壓應(yīng)力的影響。摩擦盤和對偶鋼盤之間的接觸壓力容易受到制動盤變形和摩擦熱結(jié)構(gòu)耦合的影響；而摩擦盤的接觸壓力將直接影響溫度場的熱流密度的輸入[4-6]。摩擦盤和對偶鋼盤發(fā)生摩擦產(chǎn)生的大量熱量可以認為是以熱流密度的形式加載到接觸面間的。孫冬野[7-8]認為摩擦盤的表面和內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力，導(dǎo)致了摩擦盤產(chǎn)生熱彈性變形，在制動的反復(fù)進行下，摩擦盤將會發(fā)生變形和裂紋直至失效。但對于熱彈性失穩(wěn)現(xiàn)象的具體發(fā)生過程還需要進一步深入研究。

本文以某型號的濕式制動器的摩擦盤為研究對象，使用ANSYS軟件，采用間接耦合的方式對其摩擦盤進行應(yīng)力場和溫度場仿真分析，研究該類型摩擦盤壓應(yīng)力的分布情況；并采用三個不同的初始制動壓力，根據(jù)摩擦盤在不同工況下的溫度分布情況，考核制動器的熱負荷、研究熱彈性失穩(wěn)現(xiàn)象在該類型摩擦盤的發(fā)生過程。

1模型建立

對濕式制動器進行三維建模，對分析模型做出如下假設(shè)：

1)摩擦系數(shù)為常數(shù)，忽略隨溫度變化的部分；

2)在每一時刻摩擦瞬間產(chǎn)生熱流全部由摩擦盤摩擦材料整體吸收；

3)摩擦盤和對偶鋼盤施加的是同一熱源，摩擦產(chǎn)生的熱量由二者共同吸收、傳導(dǎo)；

4)取第一個摩擦盤和第一、第二個對偶鋼盤為研究對象。

將摩擦盤和對偶鋼盤的接觸面分為許多微元，微元的面積為dA；對偶鋼盤給摩擦盤的法向壓力記p(t)，則dA面積上發(fā)生的摩擦力dF為：

dF=μp(t)dA

(1)

摩擦力dF在dt時間內(nèi)作用的距離為：

ds=ω(t)rdt

(2)

假設(shè)dA面積上作用的摩擦力dF在dt時間內(nèi)所做的功全部轉(zhuǎn)化為熱量，摩擦盤所分配到的熱能dQ為：

dQ=ηdFdS=ημp(t)ω(t)rdAdt

(3)

式中:μ-摩擦系數(shù)，η-摩擦盤分配到的摩擦熱能的比例。

在制動過程中，摩擦盤摩擦面上的熱流密度函數(shù)為：

q(r，t)=dQ/dAdt=ημp(t)rω(t)

(4)

將摩擦面上產(chǎn)生的熱量以熱流密度的形式作為熱源加載到模型之中，得到摩擦盤的溫度分布；并以此考核制動器的熱負荷、研究熱彈性失穩(wěn)現(xiàn)象。

2分析

圖1　網(wǎng)格劃分

摩擦盤劃分為四面體網(wǎng)格模型，對偶鋼盤劃分為六面體網(wǎng)格，如圖1所示。

摩擦副的材料性能參數(shù)如表1所示。

根據(jù)濕式制動器在不同工況的制動強度的需求，選取三個制動壓力工況。

表1　摩擦副材料參數(shù)

圖2　工況1下摩擦盤初始壓力分布云圖

使用ANSYS Workbench對摩擦副進行靜力學(xué)分析，在Static structural模塊中，通過加載初始制動壓力及相應(yīng)的邊界條件得出模型的初始壓力分布，分別如圖2、3、4所示。

摩擦盤受到的應(yīng)力在接觸區(qū)域并不是均勻分布，而是沿徑向有先增大后減小的趨勢。摩擦盤的應(yīng)力隨著初始壓力的增大而增加，在不同工況下應(yīng)力的分布基本趨于一致。

圖5　工況1下摩擦盤的溫度分布云圖

導(dǎo)出三個工況下的接觸面間的正壓力結(jié)果數(shù)據(jù)代入公式(4)，分別計算出在這三個工況下摩擦接觸面間的熱流密度。將該熱流密度以熱載荷的形式，在Transient thermal分析模塊中，加載到摩擦接觸面上，得到摩擦盤的溫度分布，如圖5、6、7所示。

摩擦盤表面的溫度在與對偶鋼盤的接觸區(qū)域沿徑向也有先增大后減小的趨勢；并且沿徑向有較大的溫度梯度。這是由于半徑大的區(qū)域的線速度更大、動能轉(zhuǎn)換的熱量更多，而靠近外徑的部位由于潤滑油的快速冷卻，造成溫度隨徑向先升后降的現(xiàn)象。3個工況下摩擦盤的最高溫度分別為：107.47℃，200.32℃，236.58℃；以制動過程的最高溫度來考核制動器熱負荷是否過大，并以此確定所選冷卻油液是否滿足要求。

摩擦盤所受的壓應(yīng)力在摩擦接觸面上的不均勻分布，導(dǎo)致輸入摩擦盤的熱流密度不均；摩擦盤表面的溫度梯度大，熱應(yīng)力分布不均勻，所以導(dǎo)致熱機失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

圖8　工況2下沿徑向截面表面節(jié)點溫度分布

選取工況2摩擦盤徑向截面部分節(jié)點，查看其溫度分布情況，如圖8所示。

最高溫度為199.64℃，出現(xiàn)在摩擦盤和對偶鋼盤接觸面的中間區(qū)域。

摩擦盤和對偶鋼盤沿徑向截面上的溫度分布，如圖9所示。

圖9　沿徑向截面的溫度分布云圖

熱量在摩擦盤和對偶鋼盤的接觸面間產(chǎn)生，并向周圍傳導(dǎo)，最高溫度也產(chǎn)生在此區(qū)域；可在摩擦接觸面設(shè)置一定形狀的油槽用以增強散熱。

3結(jié)論

本文通過使用ANSYS軟件，采用間接偶合法對濕式制動器進行仿真分析，研究了摩擦盤在不同制動強度下的壓應(yīng)力分布及溫度分布情況。

1)摩擦盤受到的壓應(yīng)力在接觸區(qū)域并不是均勻分布，而是沿徑向有先增大后減小的趨勢；制動強度增大，摩擦盤所受壓應(yīng)力也增加。

2)摩擦接觸面上的溫度沿徑向也有先增大后減小的趨勢,并且沿徑向有較大的溫度梯度；可以此考核制動器的熱負荷、作為冷卻油液的選擇參考。

3)由于壓應(yīng)力的不均勻分布，導(dǎo)致輸入摩擦盤的熱流密度不均，摩擦盤表面的溫度梯度大、熱應(yīng)力分布不均勻，所以導(dǎo)致熱機失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

4)制動過程中的熱量在摩擦接觸面間產(chǎn)生，并向周圍傳導(dǎo)；可通過設(shè)置油槽增強散熱。

參考文獻

[1]趙文清. 濕式多盤制動器整體散熱特性的研究[J]. 起重運輸機械, 2004(03)39-42.

[2]唐衍穩(wěn)，李宏才. 濕式多片制動器摩擦偶件溫度場的研究[J]. 起重運輸機械，2002(01)1-4.

[3]張衛(wèi)剛，張文明. 濕式制動器摩擦片間的壓力分布規(guī)律[J]. 有色金屬,1998(03) 32-34.

[4]姚運萍，張凡，崔繼強. 濕式多盤制動器接觸壓力和溫度場研究[J]. 甘肅科學(xué)報,2014,26(06): 98-101.[5]李非雪，張文明，方湄. 濕式多片制動器摩擦片溫度分布規(guī)律[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報,2001, 23(6): 539-542

[6]邢玉濤，戰(zhàn)凱，劉大維，等. 全封閉濕式多盤制動器溫度場的有限元分析[J]. 礦冶，2007, 16(1): 57-60.

[7]孫冬野，秦大同，王玉興. 熱機現(xiàn)象對濕式多片制動器設(shè)計的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1999(03) 147-150.

[8]孫冬野，胡豐賓，秦大同，等. 濕式多片制動器熱應(yīng)力分布規(guī)律試驗分析[J]. 中國機械工程, 2010(16)2006-2010.

----------------基金項目：貴州省工業(yè)攻關(guān)項目[黔科合GZ字(2014)3008]。

中圖分類號：U463.51+2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0005-04

作者簡介：范芳(1989-)，男，漢族，碩士研究生，主要研究方向：汽車及其零部件設(shè)計理論與方法。

收稿日期：2015-11-06

Analysis of the temperature field of the friction disc of the wet brake based on ANSYS

FAN Fang, HE Feng, YU Guokuan, LI Zhaoan, LIU Zhong, ZHANG Peng

Abstract:During the braking process of the wet brake, a lot of heat is generated, so the research on the temperature field and stress field of the friction disc is important. With ANSYS and indirect coupling, the stress distribution of the friction disc under different braking forces was analyzed. Then the temperature distribution of the friction disc under different working conditions was obtained to analyze the thermal load of the brake and its thermoelasticity instability. The results showed that, the uneven stress distribution of the friction disc could result in uneven heat flux, thus causing the thermoelasticity instability.

Keywords:wet brake; temperature field; indirect coupling