制动器摩擦制动的热--结构耦合研究

摘要

制动性是评价高速旋转机械安全性的重要指标之一。本文以制动盘与摩擦片构成的制动系统为研究对象，采用有限元分析和试验相结合的方法，研究了摩擦制动过程中的制动盘与摩擦片受力以及制动系统稳定性;此外分析了制动盘与摩擦片发生接触制动时产生振动，并考虑摩擦片的磨损对制动效果的影响;另外重点分析了摩擦制动过程中的温度场、应力场等相关规律，为制动器的设计、优化和选材提供了理论依据。 本文主要研究内容如下: (1)查阅相关文献，总结国内外旋转圆盘振动摩擦、制动尖叫、摩擦磨损、热-结构耦合等研究现状和现存的问题，在此基础上提出制动器摩擦制动的振动摩擦和热-结构耦合的研究目的和意义。 (2)利用非对称法求解制动系统不稳定模态。首先对整车及制动器进行受力分析，确定紧急制动工况下的制动压力，从而计算出不同形式盘式制动器在紧急制动情况下的产生应变与应力，找到应力集中的危险区域，以静力学分析的结果为预应力，提取制动器的不稳定模态固有频率。 (3)考虑时间效应，建立有限元瞬态分析模型。分析了制动器在接触时产生的应力、应变，以及接触面的振动。在此基础上引入Archard磨损模型，分析磨损对摩擦制动的影响，计算接触面的压力分布和磨损情况。 (4)考虑温度对制动影响。利用ABAQUS软件建立了制动系统的有限元分析模型，确定紧急制动情况下的边界条件，考虑整车转动惯量和空气散热。得到了制动器在制动过程中的温度场、应力场分布以及变化特征;分析热-结构耦合对制动盘振动的影响及制动过程中出现不稳定的原因。结合仿生学原理，探索不同表面形状下的热力学、动力学分布规律。此外，制动盘周围的空气流速场和压力场，从而全面分析了制动过程。 (5)搭建了制动系统振动测试实验台，并通过该实验台与东华测试系统连接，测量制动系统的振动，利用FLUKE热传感仪器，检测出制动盘制动过程中温度场分布，并且利用风力传感器研究了制动盘周围的空气流速和温度。 本文研究表明:制动系统在盘静止状态下，不同加载方式造成应力结果不同，但不会出现不稳定的情况;而对旋转的制动盘施加制动压力，不稳定的模态增多，且不稳定模态频率属于在人耳可听测的范围，意味着摩擦尖叫发生可能性变大，接触面摩擦系数越高，不稳定就越明显;在瞬态分析过程中，制动磨损导致了接触面压力分布更加不均匀;热-结构耦合分析结果表明:制动盘与摩擦片的应力场和温度场分布都不均匀;制动系统的惯性和接触面间的热阻对温度场结果影响很大，此外接触面的形貌特征可以影响温度场和应力场的分布。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的目的和意义

1．2盘式制动器简介

1．3国内外研究现状

1．4本文研究的主要内容

第2章制动系统摩擦接触有限元理论

2．1有限元法的应用

2．2多自由度复模态分析

2．3热-结构耦合制动过程的理论基础

2．3．2摩擦生热理论

2．3．3热传导理论

2．3．4热结构耦合的分析有限元方法

第3章盘式制动器模态分析

3．1制动盘与摩擦片的的受力分析

3．1．1紧急制动的受力分析

3．1．2正常制动的受力分析

3．2制动盘与摩擦片的的静力学分析

3．2．1定钳式压力对接触影响线性分析

3．2．2定钳式压力对接触影响非线线性分析

3．2．3浮动钳式加载压力对接触影响线性分析

3．2．4浮动钳式加载压力对接触影响非线性分析

3．3考虑接触面相对旋转静力学分析

3．4制动盘与摩擦片的模态分析

3．4．1制动盘与摩擦片的约束模态分析

3．4．2制动盘与摩擦片的预应力模态分析

3．4．3制动盘与摩擦片的不同摩擦系数下预应力模态分析

3．5本章小结

第4章制动系统磨损、热-结构仿真

4．1制动系统磨损计算

4．1．1有限元方法模拟磨损

4．1．2磨损有限元简化模型

4．1．3紧急制动下接触与磨损接触

4．2制动器热-结构仿真分析

4．2．1制动器基本物理参数选取及边界条件设置

4．2．2制动盘与摩擦片接触面摩擦与振动分析

4．2．3制动盘节点温度及应力分布情况

4．2．4摩擦片温度及应力分布情况

4．3考虑惯性力制动器热-结构仿真分析

4．3．1制动盘与摩擦片接触面摩擦与振动分析

4．3．2制动盘面温度场、应力场分析

4．3．3摩擦面温度场、应力场分析

4．4考虑空气散热制动器热-结构仿真分析

4．4．1对流换热系数、摩擦面热传导系数及热流分配系数

4．4．2制动盘与摩擦片温度场分析

4．4．3制动盘与摩擦片接触面摩擦与振动分析

4．5制动盘的流场分析

4．6本章小结

第5章基于仿生学制动盘研究

5．1制动盘仿生模型

5．2紧急制动速度仿真

5．2．1紧急制动下制动盘温度和应力随时间变化图

5．2．2制动盘径向温度及应力分布

5．2．3制动盘轴向应力分布

5．2．4摩擦片温度分布云图

5．3带有环形凹槽制动盘热力耦合情况

5．3．1环形凹槽制动盘温度场分布

5．3．2摩擦片温度场分布

5．3．3环形凹槽制动盘应力场分布

5．4带有径向凹槽制动盘热力耦合情况

5．4．1径向凹槽制动盘温度云图

5．4．2径向凹槽摩擦片温度云图

5．4．3径向凹槽制动盘应力云图

5．5大半径尺寸制动盘热力耦合情况

5．5．1大尺寸制动盘三维模型

5．5．2大尺寸制动盘温度分布

5．5．3大尺寸摩擦片温度以及受力分析

5．5．4大尺寸制动盘应力分析

5．6大半径尺寸大压力制动盘热力耦合情况

5．6．1大压力制动盘温度场分析

5．6．2大压力摩擦片温度场分析

5．6．3大压力制动盘应力场分析

5．7本章小结

第6章制动器摩擦制动实验

6．1制动系统振动实验

6．1．1实验设备及操作

6．1．2实验原理

6．1．3不同测点下的振动测试

6．1．4实验结果对比

6．2制动盘表面温度的测量

6．3风速和温度的测量

6．4本章小节

7．1总结

7．2展望

参考文献

致谢

附录