制动器热磨损分析方法研究

杨磊 范健文 崔庭琼

摘要：制动器的热磨损是直接影响到车辆的安全性，通常采用有限元法和试验法来研究制动过程中的热磨损，本文阐述了在热磨损研究过程中使用的方法。

关键词：制动器；磨损；数值分析；制动安全

2 有限元法

有限元法可以全面地展示磨损过程，其研究可分为直接法和后处理法两类[1]。直接法通过对模型赋予材料属性，设定初始参数，定义磨损单元，模拟磨损的整个过程。图1 有限元分析流程图由于每次磨损后，下一次的磨损初始状态是不断变化的，需要通过单元级别嵌入来实现。对于线性 Archard 磨损模型[2]或改进的 Archard 模型进模型[3]进行直接法分析，分析步骤如图1所示。

后处理法是在已得到的有限元结果的基础上，对模型进行网格位置的调整，再分析调整后所得到的结果[48]。

3 实验法

有限元方法虽然能够较好的模拟大多數磨损过程，然而，其分析模型一般来说是相对简单的摩擦系数为常数的模型，而实际的制动过程中影响因素较多，摩擦系数随着磨损状态的改变不断变化。因此有限元法在分析磨损过程中存在一定的局限性，实验法能够更加准确的分析磨损情况。

根据实验目的、实验方法和设备一般把磨损实验分为小样试验、台架试验和道路使用试验三种。

磨损试验机由图2所示部件组成。试验机在试验时存在两种状态，第一种，当摩擦盘与对偶刚片两者之间没有摩擦力时，是处于分开状态，此时摩擦盘将按照之前的速度转动，对偶盘保持静止状态。第二种，当摩擦盘在外力的作用下压向对偶钢片时，产生摩擦力，随着试验时间的增长，摩擦盘最终停止转动，制动过程结束，控制装置记录实验数据。

台架试验利用实物原型作为测试对象，在磨损性能测试的基础上，进一步考察摩擦副结构的合理性、试验数据的重现性和在模拟实际工况条件下摩擦件的可靠性[9]。其试验设备是各种专用台架试验机。典型的台架试验有Krauss试验和惯性台架试验。Krauss试验基于盘式摩擦副的制动力矩与压力成正比的特性，对制动衬片进行多次高温热衰退和冷却恢复试验，并收集数据，计算工作摩擦因数、最大摩擦因数、最小摩擦因数、冷摩擦因数、衰退摩擦因数，考察温度升降过程中摩擦因数的变化。惯性台架试验利用飞轮对制动器进行加载并测得制动过程各种特性，工况模拟条件接近实际，惯性台架试验是制动器和摩擦材料性能综合测试中最权威的试验[10]。

4 结论

制动器摩擦磨损是一个非常复杂的过程，受到材料固有因素和外在因素的影响。可以通过数值法和小样试验法对磨损进行分析，随着摩擦学性能研究的不断深入，探索更多的减少热磨损的新技术。

参考文献：

[1]HEGADEKATTE V，HUBER N，KRAFT O.Finite element based simulation of dry sliding wear[J].Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering，2005，13（1）：5775.

[2]ARCHARD J F.Contact and rubbing of flat surfaces[J].Journal of Applied Physics，1953，24（8）：981988.

[3]MOLINARI J F，ORTIZ M，RADOVITZKY R，et al.Finiteelement modeling of dry sliding wear in metals[J].Engineering Computations（Swansea，Wales），2001，18（34）：592609.

[4]CANTIZANO A，CARNICERO A，ZAVARISE G.Numerical simulation of wearmechanism maps[J].Computational Materials Science，2002，25（12）：5460.

[5]LIM S C，ASHBY M F.Wearmechanism maps[J].Acta Metallurgica，1987，35（1）：124.

[6]YAN W Y，O'DOWD N P，BUSSO E P.Numerical study of sliding wear caused by a loaded pin on a rotating disc[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2002，50（3）：449470.

[7]STALINMULLER N，VAN K D.Numerical simulation of the sliding wear test in relation to material properties[J].Wear，1997，203：180186.

[8]CHRISTOFIDES C，MCHUGH P E，FORN A，et al.Wear of a thin surface coating：Modelling and experimental investigations[J].Computational Materials Science，2002，25（12）：6172.

[9]王鐵山，曲波，等.汽车摩擦材料测试技术[M].长春：吉林科学技术出版社，2005.

[10]赵小楼，王铁山，等.汽车摩擦材料摩擦磨损性能试验的现状与发展[J].润滑与密封，2006，182（10）：200203.

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