通风盘式汽车制动机构刹车过程多场耦合分析研究

毕厚煌 柯国琴 安宗权 郭文举

摘  要：制动机构作为汽车整体结构组成中的一部分，具有十分重要的作用和使用价值。刹车制动时刹车片与制动盘之间接触摩擦行为消耗行驶中车辆的动能，而摩擦过程中生成的热量会对制动盘、刹车片的材料力学性能和车辆制动性能产生很大影响。本文通过在有限元分析软件ABAQUS中模拟汽车刹车制动过程，考虑摩擦面的表面对流和热辐射等因素，对制动盘分别作为刚体和柔性体两种状态下的制动过程进行热力耦合动态分析，为通风盘式制动机构的结构设计及对其性能量化评价，提供技术支撑和数据参考。

关键词：制动机构;接触摩擦;对流辐射;热力耦合

中图分类号：U463.512        文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0142-04

0  引  言

制动性能作为评价车辆安全性的一项重要指标，其主要由制动机构装置的性能参数决定。行驶中的汽车具有一定的动能，刹车制动的过程即为动能转化为热能的过程。制动时刹车片与制动盘在制动钳的压力作用下相互接触，在短时间内彼此摩擦产生大量热能，一部分热能以热传导的形式将热量传递给制动盘和刹车片，另一部分热能通过接触面与空气以对流和热辐射形式进行能量扩散。而热传导过程使得制动盘和刹车片温度不断升高，导致二者接触表面产生局部热应力、制动效能热衰退等现象[1]。为了提高汽车制动机构的刹车性能，国内外学者针对汽车制动过程做了相关研究。陈再发[2]在汽车刹车制动盘结构上通过有限元分析，提出对制动盘的形状优化。Qiu L和Cheng H S[3]利用等温度场和压力分布进行热力耦合分析，为模拟汽车制动过程提供参考。周丰[4]在分析盘式制动机构刹车制动时，分析采用ABS技术对制动系统对稳定性以及制动距离的影响。Emara-Shabaik和KHULIEF Y A[5]通过改变对制动钳施加制动力矩的算法，提高了制动安全系数和效率。

2  通风盘式刹车盘热力耦合分析

2.1  制动器构件主要材料性能参数及分析步设置

制动盘材料为铸钢，刹车片为树脂基复合材料，两者主要材料性能参数如表1、表2所示。

完成以上材料参数设置后，在ABAQUS中建立两个分析步来对温度和位移进行耦合求解。第一个分析步用来定义刹车片承受10MPa载荷压力作用在制动盘上。第二个分析步定义制动盘在转速为300rad/s条件下实现90°的转角位移，用来进行刹车制动时的热力耦合分析。

2.2  网格划分与单元质量检查

结合刹车片与制动盘的形状特征，对制动盘与固定基座连接面、刹车片的摩擦面等特殊位置进行线面分割，将过渡面采用扩展平面的方法分割成若干个几何实体，使得几何体后期可以采用扫掠方式划分网格。网格划分完成之后定义长宽比、尺寸因子等参数，对网格单元进行形状和尺寸检查如图1，黄色区域为网格质量不高单元，通过编辑拖动网格单元对应節点位置，可快速消除问题单元，整体网格划分结果如图2所示。

2.3  制动器热力耦合分析结果对比

在完成所有求解之后，进入作业管理器模块，将刚体制动盘和柔体制动盘分别与刹车片摩擦作用时的两种条件下得到的求解结果进行对比，具体结果如图3所示。

从图3中制动盘的盘面节点温度云图对比中可以看出，刚体制动盘与柔体制动盘的盘面最高温度值和云图层次梯度分布都非常接近。数据表明将制动盘整体作为刚体进行刚性约束时对摩擦生热的温度场分析结果，与考虑制动盘变形条件下求解得到的结果趋于一致，同时，由于不考虑盘面变形等因素，缩短了系统求解时间，提高了分析效率。

图4为制动盘的盘面结构应力分布云图对比，从图4（a）中可以看出，刚体制动盘的整体的应力分布集中于刹车片上，盘面自身无任何应力分布。在图4（b）中柔性制动盘的盘面应力主要集中在盘面与轮毂的连接处，ODB历程数据显示，盘面应力最大值出现在刹车片承受压力载荷10MPa时间节点附近，应力云图分布状态表面，在结构设计方面，需要对制动盘上应力集中区域进行优化设计。

图5为制动盘的系统摩擦耗能曲线对比，从图5（a）和图5（b）中均可以看出，在刹车片承受均布压力载荷之前，片体与制动盘表面一直未接触，此时系统输出的摩擦耗散能量值均为0。在t=0.001时，两者进行接触并开始摩擦制动产生热能，系统能量输出逐步递增直至分析时间历程结束。制动开始之后，图5（a）中刚体制动盘刹车制动时的摩擦耗散能量曲线的增速稳定，而图5（b）中制动盘的摩擦耗散能量曲线的增速具有波动性，考虑能量耗散行为对摩擦系统初始条件依赖性及盘面变形对接触摩擦面的影响，各种因素的变化导致其对系统能量输出计算产生一定影响。

3  结  论

（1）当制动盘整体施加刚性约束时，对求解摩擦制动时温度场的分布和极值没有显著影响。只需要求解温度场分布时，把制动盘视为刚体模型，在保证求解结果一致性的同时，缩短了求解所需的时间。

（2）刚体盘面制动时，求解结果不包括盘面自身应力和应变分布，结果趋于理想化。实际刹车制动过程中，制动盘与轮毂连接处在刹车片作用于盘面时，存在明显的局域应力，因此需要关注相关设计区域。

（3）刚体盘制动时，摩擦耗能曲线输出趋于理想化。在实际制动过程中，制动盘作为柔性体，需要考虑其盘面变形等情况，其与刹车片相互作用时的接触面积、摩擦生热等状态必然存在波动，该种条件下的系统耗散能量输出更加符合实际制动情况。

参考文献：

[1] 袁伟.鼓式制动器温升计算模型及其应用研究 [D].西安：长安大学，2003.

[2] 陈再发.汽车刹车制动盘形状优化设计 [J].哈尔滨理工大学学报，2018，23（3）：128-132.

[3] Liangheng Qiu，Herbert S. Cheng. Temperature Rise Simulation of Three-Dimensional Rough Surfaces in Mixed Lubricated Contact [J]. Journal of Tribology，1998，120（2）：310.

[4] 周丰.液压盘式刹车ABS控制策略及数字仿真 [D].荆州：长江大学，2012.

[5] EMARA-SHABAIK E H，KHULIEF YA，HUSSAINI I. Simulation of transient flow in pipelines for computer-based operations monitoring [J]. International journal for numerical methods in fluids.，2004：257-276.

[6] 武哲.某微型车制动器热力耦合及疲劳寿命分析 [D].秦皇岛：燕山大学，2012.

作者简介：毕厚煌（1988-），男，汉族，安徽安庆人，教师，助教，硕士，研究方向：数字化设计与制造。