基于ANSYS的湿式制动器摩擦盘温度场分析*

范芳，何锋，余国宽，李兆安，刘忠，张鹏

(1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州航天朝阳科技有限公司，贵州贵阳550025)



基于ANSYS的湿式制动器摩擦盘温度场分析*

范芳1，何锋1，余国宽1，李兆安1，刘忠2，张鹏2

(1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州航天朝阳科技有限公司，贵州贵阳550025)

摘要：湿式制动器工作时摩擦盘与对偶钢盘之间因摩擦产生大量热量，摩擦盘应力场和温度场的研究是其重要的研究方面。运用有限元软件ANSYS，采用间接耦合，在不同的制动强度下，研究该类型摩擦盘压应力的分布情况；根据摩擦盘在不同工况下的温度分布情况，考核制动器的热负荷、研究热弹性失稳现象。研究结果表明，由于摩擦盘所受压应力的不均匀分布，导致输入摩擦盘的热流密度不均，引起热机失稳现象发生。

关键词:湿式制动器温度场间接耦合

0引言

湿式制动器有制动容量大、性能稳定、工作寿命长等优点，在工程机械和军用车辆上的应用越来越多[1]。湿式制动器的摩擦副工作在密闭的浸油环境中，其失效形式通常是因温升过高引起的烧损或因热应力过大而发生变形、开裂等。摩擦盘的温度场和应力场的研究是湿式制动器设计和研究的重要方面[2]。

湿式制动器工作时，制动活塞给对偶钢盘施加法向压力，压紧摩擦盘，实现对车辆的制动。张卫刚[3]认为摩擦片间的压力沿径向按双曲线规律分布，但是没有考虑制动器的结构不同对摩擦盘受到的压应力的影响。摩擦盘和对偶钢盘之间的接触压力容易受到制动盘变形和摩擦热结构耦合的影响；而摩擦盘的接触压力将直接影响温度场的热流密度的输入[4-6]。摩擦盘和对偶钢盘发生摩擦产生的大量热量可以认为是以热流密度的形式加载到接触面间的。孙冬野[7-8]认为摩擦盘的表面和内部产生的热应力，导致了摩擦盘产生热弹性变形，在制动的反复进行下，摩擦盘将会发生变形和裂纹直至失效。但对于热弹性失稳现象的具体发生过程还需要进一步深入研究。

本文以某型号的湿式制动器的摩擦盘为研究对象，使用ANSYS软件，采用间接耦合的方式对其摩擦盘进行应力场和温度场仿真分析，研究该类型摩擦盘压应力的分布情况；并采用三个不同的初始制动压力，根据摩擦盘在不同工况下的温度分布情况，考核制动器的热负荷、研究热弹性失稳现象在该类型摩擦盘的发生过程。

1模型建立

对湿式制动器进行三维建模，对分析模型做出如下假设：

1)摩擦系数为常数，忽略随温度变化的部分；

2)在每一时刻摩擦瞬间产生热流全部由摩擦盘摩擦材料整体吸收；

3)摩擦盘和对偶钢盘施加的是同一热源，摩擦产生的热量由二者共同吸收、传导；

4)取第一个摩擦盘和第一、第二个对偶钢盘为研究对象。

将摩擦盘和对偶钢盘的接触面分为许多微元，微元的面积为dA；对偶钢盘给摩擦盘的法向压力记p(t)，则dA面积上发生的摩擦力dF为：

dF=μp(t)dA

(1)

摩擦力dF在dt时间内作用的距离为：

ds=ω(t)rdt

(2)

假设dA面积上作用的摩擦力dF在dt时间内所做的功全部转化为热量，摩擦盘所分配到的热能dQ为：

dQ=ηdFdS=ημp(t)ω(t)rdAdt

(3)

式中:μ-摩擦系数，η-摩擦盘分配到的摩擦热能的比例。

在制动过程中，摩擦盘摩擦面上的热流密度函数为：

q(r，t)=dQ/dAdt=ημp(t)rω(t)

(4)

将摩擦面上产生的热量以热流密度的形式作为热源加载到模型之中，得到摩擦盘的温度分布；并以此考核制动器的热负荷、研究热弹性失稳现象。

2分析

图1　网格划分

摩擦盘划分为四面体网格模型，对偶钢盘划分为六面体网格，如图1所示。

摩擦副的材料性能参数如表1所示。

根据湿式制动器在不同工况的制动强度的需求，选取三个制动压力工况。

表1　摩擦副材料参数

图2　工况1下摩擦盘初始压力分布云图

使用ANSYS Workbench对摩擦副进行静力学分析，在Static structural模块中，通过加载初始制动压力及相应的边界条件得出模型的初始压力分布，分别如图2、3、4所示。

摩擦盘受到的应力在接触区域并不是均匀分布，而是沿径向有先增大后减小的趋势。摩擦盘的应力随着初始压力的增大而增加，在不同工况下应力的分布基本趋于一致。

图5　工况1下摩擦盘的温度分布云图

导出三个工况下的接触面间的正压力结果数据代入公式(4)，分别计算出在这三个工况下摩擦接触面间的热流密度。将该热流密度以热载荷的形式，在Transient thermal分析模块中，加载到摩擦接触面上，得到摩擦盘的温度分布，如图5、6、7所示。

摩擦盘表面的温度在与对偶钢盘的接触区域沿径向也有先增大后减小的趋势；并且沿径向有较大的温度梯度。这是由于半径大的区域的线速度更大、动能转换的热量更多，而靠近外径的部位由于润滑油的快速冷却，造成温度随径向先升后降的现象。3个工况下摩擦盘的最高温度分别为：107.47℃，200.32℃，236.58℃；以制动过程的最高温度来考核制动器热负荷是否过大，并以此确定所选冷却油液是否满足要求。

摩擦盘所受的压应力在摩擦接触面上的不均匀分布，导致输入摩擦盘的热流密度不均；摩擦盘表面的温度梯度大，热应力分布不均匀，所以导致热机失稳现象发生。

图8　工况2下沿径向截面表面节点温度分布

选取工况2摩擦盘径向截面部分节点，查看其温度分布情况，如图8所示。

最高温度为199.64℃，出现在摩擦盘和对偶钢盘接触面的中间区域。

摩擦盘和对偶钢盘沿径向截面上的温度分布，如图9所示。

图9　沿径向截面的温度分布云图

热量在摩擦盘和对偶钢盘的接触面间产生，并向周围传导，最高温度也产生在此区域；可在摩擦接触面设置一定形状的油槽用以增强散热。

3结论

本文通过使用ANSYS软件，采用间接偶合法对湿式制动器进行仿真分析，研究了摩擦盘在不同制动强度下的压应力分布及温度分布情况。

1)摩擦盘受到的压应力在接触区域并不是均匀分布，而是沿径向有先增大后减小的趋势；制动强度增大，摩擦盘所受压应力也增加。

2)摩擦接触面上的温度沿径向也有先增大后减小的趋势,并且沿径向有较大的温度梯度；可以此考核制动器的热负荷、作为冷却油液的选择参考。

3)由于压应力的不均匀分布，导致输入摩擦盘的热流密度不均，摩擦盘表面的温度梯度大、热应力分布不均匀，所以导致热机失稳现象发生。

4)制动过程中的热量在摩擦接触面间产生，并向周围传导；可通过设置油槽增强散热。

参考文献

[1]赵文清. 湿式多盘制动器整体散热特性的研究[J]. 起重运输机械, 2004(03)39-42.

[2]唐衍稳，李宏才. 湿式多片制动器摩擦偶件温度场的研究[J]. 起重运输机械，2002(01)1-4.

[3]张卫刚，张文明. 湿式制动器摩擦片间的压力分布规律[J]. 有色金属,1998(03) 32-34.

[4]姚运萍，张凡，崔继强. 湿式多盘制动器接触压力和温度场研究[J]. 甘肃科学报,2014,26(06): 98-101.[5]李非雪，张文明，方湄. 湿式多片制动器摩擦片温度分布规律[J]. 北京科技大学学报,2001, 23(6): 539-542

[6]邢玉涛，战凯，刘大维，等. 全封闭湿式多盘制动器温度场的有限元分析[J]. 矿冶，2007, 16(1): 57-60.

[7]孙冬野，秦大同，王玉兴. 热机现象对湿式多片制动器设计的影响[J]. 农业工程学报,1999(03) 147-150.

[8]孙冬野，胡丰宾，秦大同，等. 湿式多片制动器热应力分布规律试验分析[J]. 中国机械工程, 2010(16)2006-2010.

----------------基金项目：贵州省工业攻关项目[黔科合GZ字(2014)3008]。

中图分类号：U463.51+2

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)03-0005-04

作者简介：范芳(1989-)，男，汉族，硕士研究生，主要研究方向：汽车及其零部件设计理论与方法。

收稿日期：2015-11-06

Analysis of the temperature field of the friction disc of the wet brake based on ANSYS

FAN Fang, HE Feng, YU Guokuan, LI Zhaoan, LIU Zhong, ZHANG Peng

Abstract:During the braking process of the wet brake, a lot of heat is generated, so the research on the temperature field and stress field of the friction disc is important. With ANSYS and indirect coupling, the stress distribution of the friction disc under different braking forces was analyzed. Then the temperature distribution of the friction disc under different working conditions was obtained to analyze the thermal load of the brake and its thermoelasticity instability. The results showed that, the uneven stress distribution of the friction disc could result in uneven heat flux, thus causing the thermoelasticity instability.

Keywords:wet brake; temperature field; indirect coupling