盘式制动器摩擦片的温度场研究3-武汉理工大学学报.PDF

第 23 卷　第 7 期 武　汉　理　工　大　学　学　报 V o l. 23　N o. 7 200 1 年 7 月 JO URNAL O F W UHAN UN IVERSITY O F TECHNOLO GY 　J u l. 200 1 ( ) 文章编号: 200 1 盘式制动器摩擦片的温度场研究 王　营　曹献坤　姚安佑　李林子 (武汉理工大学) 　 摘　要: 　从制动过程的能量转换及摩擦生热机理出发, 建立了制动器的热流密度分配模型, 并结合有限元法对盘式 制动器摩擦片的温度场进行分析, 揭示出摩擦制动时摩擦片内温度分布规律, 从而为摩擦制动器的设计提供可靠的依 据。 关键词: 　摩擦片; 　温度场; 　有限元 中图法分类号: 　 117. 1 文献标识码: 　 TH A 汽车的制动过程是将运动部件的动能转化成热能并耗散的过程, 这些能量使汽车制动副元件的温度升 高, 而温度对制动副的摩擦学特性有着重要影响, 从而直接影响汽车制动器的制动性能。因此, 摩擦制动器摩 擦表面的温度场分析对制动器的设计及材料选择有重要意义。 1　制动过程中的能量分配及热量产生机理 在摩擦制动过程中, 接触表面的摩擦力做功产生热量, 摩擦制动产生的热量主要来 自两部分: 一部分是 摩擦表面的微凸体与接触界面的粘结、剪切、断裂以及由机械切削作用而造成的接触区域周围材料产生塑性 变形而产生热量, 这部分能量以热的形式产生并耗散使制动器元件的温度迅速升高, 是摩擦能量主要部分; 另一部分是摩擦材料在一定温度下的热降解产生的热量。对于聚合物基摩擦材料, 在一定温度下会发生化学 反应而降解, 在大气环境下, 热降解过程是一种放热过程, 所以这也构成摩擦制动产生热量的一部分。对于中 等负载的制动过程, 这部分热量仅 占总摩擦能力的2% 左右, 所以在分析计算中通常忽略不计。 [ 1 ] 研究表明 , 消耗在亚表层材料内的能量远远大于消耗于接触面上的能量 , 占摩擦热的绝大部分 , 且绝 大部分转化为热量。盘式制动器的对偶盘片制动温度场的输入热流, 是由摩擦材料中一定厚度的界面层产生 的体积热而非表面热流, 这是一个典型的三维非稳态温度场问题。 2　有限元分析模型 盘式制动器摩擦片在结构上左右对称, 可认为温度场沿其中心面对称, 忽略摩擦片沿圆周方向位移, 应 力的变化, 即按轴对称问题进行分析。将摩擦片按四边形等参单元划分, 这样其插值函数可构成双线性函数, 与三角形单元相比提高了计算精度。摩擦制动器的热源模型为: ( ) ( ) ( ) ( ) q r, t = P t R t rS K R 1 d S e 式中, ( , ) 是摩擦产生的热流密度, ; 是摩擦片的半径变量, ; 是时间变量, ; ( ) 是制动摩擦力, ; q r t W r m t s P t N d 是轮胎半径, ; ( ) 是对偶盘的角速度, R m t