汽车盘式制动器热——结构耦合仿真分析及其寿命研究

摘要

随着高速公路的迅猛发展和汽车保有量的日益增多,交通事故也不断增多。制动系统是汽车的一个重要组成部分,它直接影响汽车的安全性。而盘式制动器制动过程是一个典型的热-结构耦合过程,会对制动器的振动、噪声、热疲劳产生重要影响,是汽车制动器设计的重要开发内容,盘式制动器的热-结构耦合特性目前受到广泛关注。
　　 本文评述了盘式制动器温度场及应力场的研究现状,对盘片摩擦界面间的传热规律进行了研究。以某轿车的前轮盘式制动器为例,按照制动盘与摩擦片的实际尺寸将两者统一地看做一个计算模型,充分考虑了盘片间的滑动摩擦温度场及应力场的耦合问题,建立了三维瞬态温度场／应力场的有限元模型,利用非线性有限元软件ABAQUS模拟了盘式制动器的制动过程。在仿真计算过程中,考虑了制动过程中的对流换热边界条件以及制动盘动力参数的变化等因素,着重研究了紧急制动工况下由于移动面热源的冲击作用所导致的制动盘表面温度及热应力间歇性变化的问题,以及温度场与热应场相互间的耦合特性。
　　 对于制动盘而言,其温度场及应力场并不呈二维轴对称分布而是具有明显的局部特征。在轴向和径向上存在较大的温度梯度,引起明显的不均匀热膨胀而导致很大的热应力,而热应力又将直接影响接触压力从而反过来影响温度场分布。
　　 本文通过在摩擦生热的理论基础上对紧急制动工况下盘式制动器三维瞬态有限元模型的仿真计算,研究了制动盘温度场及应力场的分布规律,同时在比较了不同计算模型(摩擦生热模型及热流密度模型)求解制动器热-结构耦合过程的优劣差异后,又采用热流法对重复制动工况下盘式制动器的温度场及应力场进行了模拟仿真,探讨了制动盘产生径向裂纹的原因以及可能产生的热疲劳破坏。最后在紧急制动工况及重复制动工况下盘式制动器温度场及应力场仿真结果的基础上,采用Manson—Coffin公式预测了制动盘的热疲劳寿命,并对影响制动盘寿命的因素进行了分析研究。