劉 艷，陳燕峰，吳躍成，胡旭曉

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州 310018)

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客車盤式制動器溫度場仿真分析

劉 艷，陳燕峰，吳躍成，胡旭曉

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州 310018)

以某客車配套制動器為研究對象，首先應(yīng)用Catia軟件建立相應(yīng)的制動盤三維模型，然后用HyperMesh軟件對制動盤進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后用Abaqus軟件對其進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)直接耦合分析。討論了熱流密度和對流散熱系數(shù)的計(jì)算方法，比較了單次和多次連續(xù)制動的溫度場云圖，分析了不同工況下制動盤摩擦表面最高溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：單次制動時，制動盤的溫度在軸向有一個較大的梯度變化，周向上分布均勻，最高溫度達(dá)258.6 ℃；多次連續(xù)制動后，摩擦表面溫度場周向差異逐漸減小，制動盤溫度場的分布逐漸趨于軸對稱分布；制動過程中，制動盤的最高溫度隨客車載重和初速度的增加而增加。研究結(jié)果可為制動盤的工況選擇、制動盤破壞預(yù)防等提供參考。

客車；盤式制動器；溫度場；有限元法

0 引 言

制動器是車輛制動系統(tǒng)中用以產(chǎn)生阻礙車輛運(yùn)動或相對運(yùn)動趨勢的力的部件，其性能的穩(wěn)定性直接影響車輛的安全[1]。由于盤式制動器的制動效能更加穩(wěn)定，因此，目前貨車和客車都在推廣使用盤式制動器。但由于盤式制動器制動壓力大，制動產(chǎn)生的摩擦熱會導(dǎo)致摩擦副熱變形，影響接觸應(yīng)力，導(dǎo)致制動盤出現(xiàn)熱裂紋，使其使用壽命減少。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Adamowicz等[2]建立了簡化的有限元模型，計(jì)算出實(shí)心盤的溫度分布情況，得出了緊急制動時二維和三維實(shí)心盤式制動器的溫度場分布特點(diǎn)，但建立的是相對理想化的軸對稱模型；Duzgun[3]探討了不同結(jié)構(gòu)的制動盤對摩擦副溫度場影響，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)盤式制動器的最高溫度遠(yuǎn)比實(shí)心盤的溫度低，但并未分析制動工況對溫度場的影響；Belhocine等[4]建立了三維盤式制動器熱結(jié)構(gòu)耦合模型，但研究對象是制動壓力相對較小的汽車；朱詠梅等[5]和尹安東等[6]則是采用Abaqus軟件建立了三維有限元模型，分析了摩擦系數(shù)和比熱對溫度場的影響，得出最佳制動盤的物理參數(shù)。

本文針對某客車的盤式制動器，建立了三維有限元模型，分析了在較高制動壓力情況下制動盤的溫度場分布規(guī)律，比較了多次連續(xù)制動的情況下制動盤溫度場變化情況，以及制動盤的工況對溫度場的影響，為制動盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。

1 制動盤熱分析及相關(guān)計(jì)算

1.1 制動盤產(chǎn)熱原理分析

在制動過程中，制動盤與摩擦片的接觸運(yùn)動是一個將動能轉(zhuǎn)化為摩擦生熱的能量轉(zhuǎn)化過程。摩擦副的接觸面產(chǎn)生大量熱，會導(dǎo)致制動副的溫度場發(fā)生較大變化，從而影響摩擦面的熱流輸入變化，進(jìn)而對制動摩擦副溫度場的分布規(guī)律產(chǎn)生影響[7]。

用Abaqus軟件對客車前盤制動器進(jìn)行有限元分析時，制動盤運(yùn)行的速度、工況參數(shù)以及熱分析必須設(shè)定三類條件[8]。第一類邊界條件規(guī)定模型初始邊界溫度，本文設(shè)置為20 ℃。第二類邊界條件選定制動盤周圍氣流的溫度以及周圍氣流的對流換熱系數(shù)。第三類邊界條件本文只考慮熱傳導(dǎo)和熱對流對摩擦副溫度場的影響，由于制動時間短且溫升不是太高，因而不考慮熱輻射對摩擦副溫度場的影響。

1.2 熱流密度計(jì)算

制動過程中的熱應(yīng)力變化過程，是車輛動能轉(zhuǎn)化為摩擦生熱和克服阻力做功的過程[9]。在該過程中，摩擦生熱的能量一部分被地面消耗，大部分被制動盤和摩擦片吸收。分析過程中，直接將摩擦副吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱流密度施加在制動盤摩擦表面。

制動時客車質(zhì)心前移，前、后軸的質(zhì)量GF、GR可由式(1)計(jì)算：

(1)

其中：G為客車滿載時的質(zhì)量；L為客車的軸距；Hg為質(zhì)心高度；R為車輪的滾動半徑；GF為前軸質(zhì)量；GR為后軸質(zhì)量；a為質(zhì)心到前軸的距離；b為質(zhì)心到后軸的距離。

前后軸制動力分配系數(shù)為：

(2)

前軸一側(cè)車輪的制動功率P可由式(3)計(jì)算：

(3)

熱流密度Sh可由式(4)計(jì)算：

(4)

其中：V0為制動初速度，取值為70 km/h；a0為客車制動減速度，取值為6 m/s2，S為摩擦面積，取值為0.298 m2；η為能量傳遞到制動盤的比例，取值為0.9。

2 制動盤有限元模型的建立

2.1 制動盤三維模型簡化及網(wǎng)格劃分

以某國產(chǎn)客車的前盤通風(fēng)制動器為研究對象，先在Catia中建立簡化的三維模型，如圖1所示，然后導(dǎo)入Abaqus中建立有限元模型，分析制動盤的溫度場分布規(guī)律。制動盤的網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。網(wǎng)格單元采用C3D4T熱結(jié)構(gòu)耦合的專用單元，在保證計(jì)算精度的前提下，能對制動盤進(jìn)行合理的單元尺寸劃分。制動盤的材料為HT250，計(jì)算分析所需的尺寸和材料參數(shù)見表1—表4。

圖1 制動盤和摩擦片的三維模型

圖2 摩擦盤的網(wǎng)格劃分

前橋軸荷/kg5500后橋軸荷/kg11000軸距/mm5550質(zhì)心高度/mm700質(zhì)心到前軸距離L1/mm3700質(zhì)心到后軸距離L2/mm1850前輪等效轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2)879制動盤與摩擦片的名義接觸面積/cm2920.81

表2 制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 制動盤的物理參數(shù)

表4 熱傳導(dǎo)系數(shù)

2.2 模型傳熱參數(shù)的確定

對流散熱是指流體流經(jīng)固體表面時，與固體表面發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象[10]。在制動過程分析中，對流換熱系數(shù)hc是隨著制動盤的轉(zhuǎn)速不斷變化的。對于通風(fēng)的盤式制動器需要考慮兩種不同的散熱方式，分別是摩擦盤表面與空氣的散熱和通風(fēng)孔與空氣的對流散熱作用。

對于實(shí)心盤式制動器，由文獻(xiàn)[11]盤式制動器制動的經(jīng)驗(yàn)公式，得：

(5)

其中:ka為空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)；D為制動盤的外徑；Re為雷諾數(shù)，其中Re=ωRρa(bǔ)Ca/μa，ω為制動盤的角速度，ρa(bǔ)為空氣密度，μa為空氣粘度。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，熱傳導(dǎo)系數(shù)ka=0.0276 W/(m·K)，密度ρa(bǔ)=1.13 kg/m3，運(yùn)動粘度μa=1.91×10-5kg/ms，比熱Ca=1.005 kJ/(kg·K),以上數(shù)據(jù)代入式(5)可得，制動盤的對流系數(shù)與其轉(zhuǎn)速的表達(dá)關(guān)系式：

(6)

(7)

Re′=Vqρa(bǔ)dh/μa

(8)

(9)

(10)

L=(D0-Di)/2

(11)

(12)

(13)

3 仿真分析結(jié)果

3.1 單次制動溫度場分析

在單次制動時，制動盤有一個快速升溫的過程，然后溫度升高相對緩和，最后會有所下降，如圖3—圖4所示。這是因?yàn)槟Σ粮遍_始接觸時，對流散熱和熱傳導(dǎo)的作用遠(yuǎn)小于摩擦生熱產(chǎn)生的熱量；制動進(jìn)行一段時間后，由于對流散熱的作用，使熱量與空氣有個熱交換，傳遞了一部分熱量，同時，由于熱傳導(dǎo)使制動盤摩擦表面的熱傳遞到制動盤內(nèi)部，導(dǎo)致升溫相對緩和；后期，制動盤的轉(zhuǎn)速明顯減緩，由于對外散熱和熱傳遞的作用大于摩擦生熱，溫度出現(xiàn)一個下降的過程。

圖3 第一次制動制動盤的最高溫度變化

圖4 連續(xù)10次制動制動盤的最高溫度變化

3.2 連續(xù)制動溫度場變化

在實(shí)際制動過程中，制動盤的失效情況一般都是長時間連續(xù)制動導(dǎo)致的。本文分析了連續(xù)十次制動，每次制動時間間隔30s的過程。由結(jié)果分析得，第一次制動后制動盤的最高溫度為258.6 ℃，連續(xù)十次制動后最高溫度為637.5 ℃，冷卻30s之后，最高溫度迅速降為398.9 ℃。圖5—圖8給出單次制動和連續(xù)十次制動后情況，從圖中可以看出，一次制動后主要是兩側(cè)的摩擦表面快速升溫，摩擦盤中部升溫緩慢，但多次連續(xù)制動后，在對流散熱和熱傳導(dǎo)的綜合作用下，制動盤的溫度由內(nèi)到外都顯著的升高。由圖3—圖4給出的制動過程中溫度變化曲線可知，隨著制動次數(shù)的增加，制動盤的最高溫度也在顯著增加；30s的冷卻時間使制動盤的溫度快速降低。

圖5 第1次制動后制動盤的溫度場

圖6 第1次制動冷卻后制動盤的溫度場

圖7 第10次制動后制動盤的溫度場

圖8 第10次制動冷卻后制動盤的溫度場

3.3 最高溫度的影響因素

在實(shí)際制動過程中，每次制動的工況和客車本身的參數(shù)都是變化的。為了更加準(zhǔn)確了解制動盤的溫度場變化規(guī)律，本文主要從改變制動初速度和客車總質(zhì)量這兩個方面來分析。用Abaqus軟件計(jì)算了幾種不同數(shù)據(jù)下制動盤的最高溫度的變化，其結(jié)果如圖9—圖10所示。隨著制動初速度的增加，制動盤表面的最高溫度在增加；客車載重增加，制動盤表面的最高溫度也會有個顯著提升，其中初速度對最高溫度的影響較大,且客車初速度、客車載重與制動盤表面的最高溫度存在近似線性關(guān)系。

圖9 不同初速度制動盤的最高溫度

圖10 不同載荷下制動盤的最高溫度

4 結(jié) 論

a) 客車盤式制動器單次制動后，制動盤的溫度在軸向上有較大的梯度變化，沿周向均勻分布，摩擦表面的最高溫度達(dá)258.6 ℃；制動前期，制動盤表面明顯上升，制動后期，制動盤表面的溫度上升會趨于平緩。

b) 多次連續(xù)制動對制動盤的溫度場影響比較明顯，最高溫度達(dá)637.5 ℃，摩擦表面溫度場周向差異逐漸減小，制動盤溫度場基本是軸對稱分布；兩次連續(xù)制動的30s冷卻作用，效果明顯，溫度下降很快，因此實(shí)際使用時要避免連續(xù)多次制動。

c) 制動期間，隨著客車的載重與制動初速度的加大，制動盤的最高溫度也會隨之增加，其中初速度對最高溫度的影響更明顯。在滿足客車實(shí)際使用要求下，制動初速度和載重都要盡可能小。

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(責(zé)任編輯： 康 鋒)

The Simulation and Analysis of the Temperature Field for Passenger Car Disk Brake

LIUYan,CHENYanfeng,WUYuecheng，HUXuxiao

(Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

The research object in this paper is the brake disc of certain type bus. A brake disc 3-D model is established in Catia, then we apply HyperMesh to mesh the brake disc and conduct thermal structure coupling analysis by using Abaqus. In this paper, the heat flow density and the convection coefficient of heat transfer calculation are discussed, the single and multiple continuous braking temperature field cloud picture are compared. The temperature contours are analysised and the effects of different braking conditions of the brake disc are compared. The results show that at the end of the braking, the temperature field of friction pair has large temperature gradient along axial direction and is evenly distributed along the circumferential direction. The highest temperature is 258.6 ℃ at this time. After consecutive braking, the friction surface temperature field of circumferential difference gradually decreases, and the temperature field distribution of brake disc is basically axisymmetric. The highest temperature of brake disc increase with the initial velocity and the bus load increasing. The analysis provides a reliable basis for selecting braking conditions, choosing the disc material and improving service life.

passenger car; disk brake; coupling temperature field; finite element method

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.05.014

2016-10-08 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-01-19

浙江省自然科學(xué)基金一般項(xiàng)目(LY13E050025);浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(LZ14E050003)

劉 艷(1991-)，女，河南信陽人，碩士研究生，主要從事汽車制動系統(tǒng)方面的研究。

吳躍成，E-mail：wuyuecheng@126.com

U463.51+2

A

1673- 3851 (2017) 03- 0389- 05