多片盘式湿式制动器流固耦合特性分析

摘要

多片盘式湿式制动器具有制动力矩大、抗热衰退性强、抗污染能力强等优点，近年来得到广泛应用。但是多片盘式湿式制动器在使用过程中存在摩擦衬片磨损、局部温度过高烧损、对偶钢片裂纹翘曲等不良现象，严重影响制动器整体性能和车辆安全性能。针对上述问题，重庆大江信达车辆股份有限公司提出“多片盘式湿式制动器流固耦合特性分析”产学研项目，提出基于分形理论的多片盘式湿式制动器摩擦模型，建立流固耦合系统耦合方程，研究流固耦合机理;利用有限元分析方法对制动器流场流速、压力，结构场应力、应变和安全系数，耦合场应力、应变和安全系数等特性进行研究;探究制动器性能参数对流固耦合特性影响规律。本文的主要工作包括以下几方面:
　　(1)为了研究制动过程中对偶钢片与摩擦片（摩擦衬片和摩擦芯片统称）间接触状态，建立基于分形理论的多片盘式湿式制动器摩擦模型，分析摩擦副间微凸体实际和名义接触面积、分形维数、轮廓幅值尺度因数对粘着摩擦系数和摩擦力影响规律，计算摩擦副接触面微凸体间分子切向力和弹-塑性区域法向载荷，确定弹性与塑性接触区域临界接触斑点面积，得到摩擦系数和摩擦力变化规律;
　　(2)建立多片盘式湿式制动器结构模型，并做一定简化处理，通过计算确定制动器制动工况、制动压力等边界条件，把简化后摩擦副模型导入ANSYS，进行流体场和结构场有限元仿真分析，对流场流速、流体对摩擦副压力和结构场接触压力、等效应力、安全系数等特性进行研究;
　　(3)将流体分析结果导入结构分析模型，建立多片盘式湿式制动器流固耦合分析模型，研究流固耦合特性与结构仿真结果差异，并与制动器制动时真实状况进行对比，得出流固耦合特性研究结果与实际制动状况更加贴近;
　　(4)分析摩擦系数、制动压力、制动转速、对偶钢片和摩擦片材料属性对制动器性能影响规律，并对影响制动器性能参数进行优化分析，选择对制动器制动时整体性能较好的参数组合;
　　(5)对优化后参数组合进行仿真分析并利用盘式制动器台架实验，模拟制动器实际制动过程，通过采集、比较和理论计算得出实验结论，验证基于分形理论摩擦模型正确性和优化参数组合合理性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状和发展动态

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 国内外发展动态

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 流固耦合分析理论基础

2．1 分形理论摩擦模型建立

2．1．1 摩擦副接触表面状态研究

2．1．2 摩擦副摩擦表面微凸体力学分析

2．1．3 基于分形模型的滑动摩擦力

2．1．4 制动过程分析

2．2 流固耦合的ALE方法及其原理

2．2．1 流固耦合问题中ALE方法

2．2．2 ALE基本原理

2．3 流固耦合机理研究

2．3．1 流固耦合基本控制方程

2．3．2 有限元数值离散法

2．3．3 系统耦合方程

2．3．4 耦合界面上数据传递

2．4 ANSYS中求解流固耦合问题方法

2．5 本章小结

第三章 多片盘式湿式制动器流固耦合模型的建立与仿真分析

3．1 多片盘式湿式制动器有限元结构建模

3．1．1 有限元分析方法选择

3．1．2 结构模型简化

3．2 有关计算数据及边界条件确定

3．2．1 制动器结构、材料参数确定

3．2．2 制动器制动工况确定

3．2．3 制动器制动压力确定

3．3 制动器流体模型建立与分析

3．3．1 流场模型建立

3．3．2 流体模型分析结果

3．4 制动器结构模型建立与分析

3．4．1 制动器结构模型建立

3．4．2 结构仿真结果分析

3．5 流固耦合模型的建立与仿真分析

3．5．1 流体液面上运动边界设置

3．5．2 流固耦合模型建立

3．5．3 流固耦合仿真结果分析

3．6 本章小结

第四章 多片盘式湿式制动器优化分析及实验验证

4．1 摩擦系数对摩擦副性能影响分析

4．1．1 基于分形理论的摩擦副间粘着摩擦系数研究

4．1．2 基于分形理论的摩擦副摩擦力研究

4．1．3 仿真分析摩擦系数设置

4．1．4 仿真结果与规律探究

4．2 制动转速对摩擦副性能影响分析

4．2．1 制动转速设置

4．2．2 仿真结果与规律探究

4．3 制动压力对摩擦副性能影响分析

4．3．1 制动压力设置

4．3．2 仿真结果与规律探究

4．4 对偶钢片杨氏模量对摩擦副性能影响分析

4．5 摩擦片杨氏模量对摩擦副性能影响分析

4．6 摩擦副优化设计

4．6．1 优化参数选择

4．6．2 优化仿真结果分析

4．7 制动器台架实验

4．7．1 实验基本设置

4．7．2 实验目的

4．7．3 实验结论

4．8 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 全文结论

5．2 展望

致谢

参考文献

学术成果