黃健萌，高會(huì)凱

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108）

制動(dòng)器是產(chǎn)生制動(dòng)力并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、火車、飛機(jī)、工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械及一些運(yùn)輸機(jī)械等各種機(jī)械設(shè)備中，其性能直接影響到車輛或設(shè)備的操作安全性［1］.盤式制動(dòng)器由于具有尺寸小、熱穩(wěn)定性好和抗水衰退能力強(qiáng)，并且易于保養(yǎng)和維修等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各種類型的汽車中.隨著負(fù)載及其運(yùn)行速度的不斷增大，高速重載下制動(dòng)副所吸收的能量也將大大增加，制動(dòng)產(chǎn)生的大量摩擦熱導(dǎo)致制動(dòng)盤溫度升高，摩擦面局部接觸區(qū)域產(chǎn)生瞬間“熱點(diǎn)”（也稱“閃點(diǎn)”）［2］，從而可能導(dǎo)致材料破壞、熱裂紋以及熱衰退.而制動(dòng)副非均勻的溫度場(chǎng)引起制動(dòng)壓力的變化以及制動(dòng)盤的熱變形［3］（主要包括制動(dòng)盤翹曲，SRO（Surface Run Out）和DTV（Disc Thickness Variation）的變化，同時(shí)制動(dòng)盤的熱變形引起盤、片的接觸條件和制動(dòng)壓力產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響制動(dòng)溫度.可見，制動(dòng)過程是一個(gè)復(fù)雜的熱力耦合過程［2］.文獻(xiàn)［4—5］指出：制動(dòng)器熱力耦合過程的研究對(duì)制動(dòng)器合理設(shè)計(jì)開發(fā)、制動(dòng)副摩擦材料研制與選擇、抗熱疲勞、熱衰退以及抗磨損等都具有重要作用.因此，本文根據(jù)盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外盤式制動(dòng)器熱力耦合研究的進(jìn)展進(jìn)行了概述，提出一些目前研究中遇到的熱力耦合問題以及今后的發(fā)展方向.

1 實(shí)心盤（也稱普通盤式）與通風(fēng)盤式的不同之處

盤式制動(dòng)器分為普通盤式制動(dòng)器和通風(fēng)盤式制動(dòng)器.比較容易理解的普通盤式制動(dòng)器就是實(shí)心的.顧名思義，通風(fēng)盤式制動(dòng)器具有透風(fēng)功效，從外表看，它在圓周上有許多通向圓心的空洞，這些空洞是經(jīng)一種特殊工藝制造而成，汽車在行駛過程中產(chǎn)生的離心力能使空氣對(duì)流，從而達(dá)到散熱的目的，因此比普通盤式散熱效果要好許多.由于汽車前剎車盤在剎車時(shí)較后剎車盤承受更大的力矩，發(fā)熱量更大，需要更好的散熱，所以通常是前面用通風(fēng)盤.但是二者的工作原理基本沒有區(qū)別，最大的差別在于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)踩剎車，通風(fēng)盤式制動(dòng)器可以迅速把摩擦產(chǎn)生的熱散掉，使剎車性能不至于因?yàn)闇囟壬叨儾?，從而保證了行車安全，但由于盤片質(zhì)量增加，油耗、維修成本等也相應(yīng)增加，而實(shí)心盤制動(dòng)器則不能長(zhǎng)時(shí)間踩剎車，但使用成本、維修成本相對(duì)低些.由于制造工藝與成本的關(guān)系，一般中高級(jí)轎車中普遍采用前通風(fēng)盤、后普通盤的制動(dòng)器，如Passat，Vento Golf 2.0等車，部分高級(jí)轎車采用前后通風(fēng)盤制動(dòng)器.而經(jīng)濟(jì)型轎車大多采用前盤后鼓式制動(dòng)片，這里用的前盤一般也只是普通盤而非通風(fēng)盤.值得一提的是，在前輪使用中通風(fēng)盤逐步取代實(shí)心盤，將成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì).

2 實(shí)心盤式制動(dòng)器的熱力耦合研究現(xiàn)狀

2.1 實(shí)心盤式制動(dòng)摩擦副的溫度場(chǎng)研究

相比通風(fēng)盤式制動(dòng)器，實(shí)心盤式制動(dòng)器模型的熱傳導(dǎo)邊界條件要簡(jiǎn)單許多.近幾年來，根據(jù)建立模型的幾何特征不同，可以分為一維模型、二維模型、部分盤模型和整盤模型.目前一維模型基本上沒有研究?jī)r(jià)值，二維模型比較簡(jiǎn)單，認(rèn)為溫度場(chǎng)在角度方向無變化，在這樣的假設(shè)條件下和實(shí)際相比有較大的差距，現(xiàn)在的趨勢(shì)是使用三維模型.文獻(xiàn)［6］采用有限元技術(shù)首先基于先前的熱流密度均布在摩擦表面的基礎(chǔ)上研究了緊急制動(dòng)下簡(jiǎn)化的二維實(shí)心盤式制動(dòng)器溫度場(chǎng)分布，然后對(duì)于三維模型施加非對(duì)稱的熱載荷得到了其溫度場(chǎng)分布，并比較了二維和三維盤式制動(dòng)器的溫度場(chǎng)分布情況，他得到的結(jié)論是：隨著初始制動(dòng)速度的變化，二維和三維的溫度場(chǎng)分布有著統(tǒng)一的變化趨勢(shì)，即先增大后變小.因此驗(yàn)證了先前對(duì)于熱流均布的摩擦熱研究問題的正確性，對(duì)于今后的制動(dòng)器熱分析有著一定參考價(jià)值.文獻(xiàn)［7］基于積分變換、熱傳導(dǎo)理論和能量轉(zhuǎn)換與分布的規(guī)律等方法研究了三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布，并且通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，其得到的仿真結(jié)果表明：摩擦界面溫度初期增長(zhǎng)很快，之后變緩，這是由于制動(dòng)過程中溫度梯度隨溫度增加而降低，還有邊界條件也會(huì)影響其內(nèi)部溫度的分布，其熱能可達(dá)到接觸界面厚度為2mm的地方.文獻(xiàn)［8］在實(shí)心盤式制動(dòng)盤表面添加特定的涂層，通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法得到了影響熱傳遞的一些重要參數(shù)以及在摩擦表面的溫度梯度.上述研究均未考慮移動(dòng)熱源的影響，因此得到的溫度場(chǎng)分布會(huì)有一定的差異.文獻(xiàn)［9—10］按照制動(dòng)盤與制動(dòng)片的實(shí)際幾何尺寸，考慮了移動(dòng)熱源的作用，建立了具有速度可變效應(yīng)的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)在緊急停車制動(dòng)過程中，制動(dòng)器溫度場(chǎng)并不呈現(xiàn)出二維軸對(duì)稱分布，在盤的徑向和軸向上都存在著很大的溫度梯度，相比之下，盤的周向上溫度梯度要小得多.文獻(xiàn)［11］建立了某汽車盤式制動(dòng)器摩擦片的有限元模型，同時(shí)考慮了制動(dòng)壓力、摩擦因數(shù)和制動(dòng)盤瞬時(shí)角速度等參數(shù)的影響，并對(duì)幾種不同工況的制動(dòng)過程進(jìn)行仿真計(jì)算.得到的結(jié)果是制動(dòng)壓力增長(zhǎng)過程及摩擦因數(shù)是影響摩擦片瞬態(tài)溫度場(chǎng)的關(guān)鍵因素，摩擦片在制動(dòng)時(shí)的溫度不是二維軸對(duì)稱分布，更不是均勻分布的.這也驗(yàn)證了文獻(xiàn)［9—10］建立三維模型的正確性.摩擦片的溫度場(chǎng)與制動(dòng)壓力增長(zhǎng)的快慢和摩擦系數(shù)有關(guān).模擬的結(jié)果為選用合理的摩擦材料提供依據(jù)，進(jìn)而可以降低摩擦片的最高溫度，提高制動(dòng)效能的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)［12］基于盤式制動(dòng)器制動(dòng)過程中能量耗散的研究，建立了緊急制動(dòng)過程中制動(dòng)盤與摩擦片瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析的有限元模型.采用直接熱力耦合有限元方法來分析制動(dòng)器摩擦熱的產(chǎn)生及其溫度的瞬態(tài)分布.其得到的結(jié)果是摩擦片與制動(dòng)盤的最高溫度和達(dá)到最高溫度的時(shí)間都不一樣，摩擦片的溫度從內(nèi)徑到外徑基本是升高的，制動(dòng)盤表面溫度是中間部分最高，內(nèi)外徑表面溫度相對(duì)較低.與間接熱力耦合方法相比，直接熱力耦合方法充分考慮了制動(dòng)器溫度場(chǎng)與其應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的瞬態(tài)交替影響，使溫度場(chǎng)的研究結(jié)果更接近實(shí)際工況.但這些模型都假設(shè)摩擦系數(shù)是常數(shù)，且忽略了制動(dòng)過程中熱力耦合的影響.

2.2 實(shí)心盤式制動(dòng)摩擦副的熱力耦合研究

制動(dòng)器在制動(dòng)過程中溫度場(chǎng)分布不均，這將引起兩接觸體的熱彈性變形，從而改變了接觸面之間的壓力分布，反過來，接觸界面之間的壓力分布不均勻，使制動(dòng)器溫度場(chǎng)分布更加不均勻，形成了一種惡性的循環(huán)，這種現(xiàn)象被稱作熱彈性不穩(wěn)定（TEI）.據(jù)文獻(xiàn)［13］研究表明制動(dòng)器的磨損，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尖叫聲，以及低頻振動(dòng)都和TEI有著很大的關(guān)系.因此摩擦界面間的溫度場(chǎng)分布與應(yīng)力場(chǎng)分布是相互耦合的，有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展使得在同一模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同物理場(chǎng)的計(jì)算成為可能，因此熱力耦合分析方法開始得到研究人員的重視和應(yīng)用.文獻(xiàn)［14］研究了制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)問題，認(rèn)為摩擦盤圓周方向上在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)其邊界條件和約束條件都一致，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將三維溫度按二維處理，問題簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱問題，人為假定接觸條件及熱流傳輸與坐標(biāo)無關(guān)，從而得出了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律.文獻(xiàn)［2，15］在前期研究制動(dòng)摩擦副三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，充分考慮移動(dòng)熱源且速度可變效應(yīng)影響、盤與片摩擦界面間熱流耦合的基礎(chǔ)上，根據(jù)制動(dòng)盤與摩擦片的實(shí)際幾何尺寸，建立了一個(gè)緊急制動(dòng)工況下三維瞬態(tài)熱－力耦合瞬態(tài)非軸對(duì)稱有限元模型，運(yùn)用有限元軟件ANSYS中的非線性有限元多物理場(chǎng)方法，動(dòng)態(tài)模擬了盤式制動(dòng)器的制動(dòng)過程.揭示了制動(dòng)過程中制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度場(chǎng)／應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二者之間存在著耦合關(guān)系，其隨時(shí)間都明顯呈現(xiàn)周期性變化，這些波動(dòng)是由移動(dòng)熱源的熱流沖擊和對(duì)流換熱的交替作用引起的，且其變化周期隨制動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，而應(yīng)力的波動(dòng)將最終導(dǎo)致制動(dòng)盤產(chǎn)生裂紋.但這些模型都認(rèn)為摩擦材料是均質(zhì)的，摩擦系數(shù)及其材料熱物理特性參數(shù)為常數(shù)，而不隨摩擦溫度而變.

功能梯度材料是日本人首先提出的一種新型的復(fù)合材料，之前的研究中模型所采用的材料都是鑄鐵、陶瓷之類的.文獻(xiàn)［16］采用半解析法分析了功能梯度材料軸對(duì)稱制動(dòng)盤的熱彈性問題，文獻(xiàn)［17］利用有限元軟件分析了采用功能梯度材料的軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)盤（其外徑為內(nèi)徑的5倍）的熱彈性接觸問題，內(nèi)外表面分別采用金屬和陶瓷材料，而剎車片采用純金屬材料.通過徑向的冪律分布得到了制動(dòng)盤的材料性能，把庫倫摩擦作為熱源假定在盤片之間分布，從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力，其研究獲得的徑向位移最大值不是在外表面，而是位于內(nèi)外表面之間，這種材料模型的力學(xué)性能與之前的研究相比有很好的一致性，由于熱應(yīng)力載荷產(chǎn)生的應(yīng)變對(duì)盤的某些部分是負(fù)值，然而熱應(yīng)變總是正值.

3 通風(fēng)盤式制動(dòng)器的熱力耦合分析研究現(xiàn)狀

隨著通風(fēng)盤式制動(dòng)器應(yīng)用日益廣泛以及科學(xué)計(jì)算的發(fā)展，越來越多的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究.針對(duì)不同的制動(dòng)形式有不同的狀況，有的研究只考慮溫度影響，有的研究將溫度和應(yīng)力同時(shí)考慮進(jìn)去，得到其互相耦合制動(dòng)的復(fù)雜情況.

3.1 通風(fēng)盤式制動(dòng)摩擦副的溫度場(chǎng)研究

文獻(xiàn)［18］采用時(shí)步法研究了制動(dòng)過程中的溫度分布問題，把移動(dòng)熱源作為邊界條件，其可以與對(duì)流冷卻條件實(shí)現(xiàn)互換，由于模型曲線對(duì)于熱流輸入影響，其仿真得到的熱分析較實(shí)際的分布相差較遠(yuǎn).這是因?yàn)闊崃魍ㄟ^摩擦片輸入到制動(dòng)盤上來代替熱載荷，制動(dòng)過程中產(chǎn)生大量的熱無疑會(huì)引起溫度分布的不均勻，而且摩擦片的溫度在持續(xù)加熱，導(dǎo)致熱擴(kuò)散緩慢，對(duì)其影響很大.因此，有必要進(jìn)行深入的研究.文獻(xiàn)［19］在分析中對(duì)溫度場(chǎng)也進(jìn)行了軸對(duì)稱假設(shè)，取制動(dòng)盤的一個(gè)對(duì)稱周角作為分析對(duì)象，研究了帶中間散熱筋連接的雙摩擦面軸裝式制動(dòng)盤的熱應(yīng)力問題.雖然該種計(jì)算方法相對(duì)于二維模型的計(jì)算方法已經(jīng)有了一定改進(jìn)，但是該種模型并沒有考慮到制動(dòng)過程中盤體和閘片的接觸區(qū)域是變化的這一事實(shí).而文獻(xiàn)［20］則通過使用ANSYS軟件研究了汽車的實(shí)心盤和通風(fēng)盤式制動(dòng)器兩種不同形式，并使用三種不同的鑄鐵材料（FG15，F(xiàn)G20，F(xiàn)G25）的制動(dòng)片，對(duì)所產(chǎn)生的熱流進(jìn)行了分析，考慮了通風(fēng)槽的影響，得到的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果表明：徑向通風(fēng)槽在制動(dòng)過程中起到了很重要的作用，其影響溫度場(chǎng)的因素有設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、單元數(shù)目和載荷步等一些數(shù)值參數(shù)和材料形式等物理參數(shù).文獻(xiàn)［21］在前面溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上提出以摩擦功率法及摩擦副周向接觸長(zhǎng)度來確定制動(dòng)盤摩擦面摩擦生熱熱流密度的計(jì)算方法，結(jié)合將熱輻射系數(shù)折算成對(duì)流換熱系數(shù)的方法，在合理考慮材料參數(shù)非線性的基礎(chǔ)上，建立高速列車制動(dòng)盤的有限元模型，對(duì)制動(dòng)過程中制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并將由此得出的計(jì)算結(jié)果與采用能量折算法確定平均熱流密度的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.這兩種方法計(jì)算出的摩擦表面接觸區(qū)域點(diǎn)的溫度－時(shí)間變化曲線基本一致，即溫度先急劇上升，大約制動(dòng)37 s后開始下降.與能量折算法相比，摩擦功率法體現(xiàn)了由于摩擦副周向接觸長(zhǎng)度不同而引起的摩擦表面溫度場(chǎng)分布的差異，比傳統(tǒng)能量折算法認(rèn)為的摩擦熱流密度在摩擦面上是均勻分布的結(jié)論更符合實(shí)際情況.文獻(xiàn)［22］同樣應(yīng)用摩擦功率的方法等對(duì)160km·h－1快速列車制動(dòng)盤1／4模型進(jìn)行了數(shù)值模擬.重點(diǎn)討論了制動(dòng)加載方式、制動(dòng)工況和環(huán)境溫度對(duì)制動(dòng)盤瞬時(shí)溫度場(chǎng)的影響，考慮了制動(dòng)模式和環(huán)境對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)溫度場(chǎng)的影響.但是前面的研究并沒有進(jìn)行試驗(yàn)的驗(yàn)證，而文獻(xiàn)［23］則利用熱源法計(jì)算出制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，所得的結(jié)果表明該方法是可行的，為計(jì)算制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)提供了新的思路.并結(jié)合熱彈性理論計(jì)算出制動(dòng)盤的熱變形，最后分析了制動(dòng)盤主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)各個(gè)時(shí)刻熱變形量的影響，得出制動(dòng)各個(gè)時(shí)刻相應(yīng)其熱變形的大小，并進(jìn)一步得出了最大熱變形量的對(duì)比曲線，并進(jìn)行了曲線擬合與對(duì)比分析，為進(jìn)一步分析制動(dòng)抖動(dòng)及其預(yù)測(cè)相應(yīng)的振動(dòng)量提供指導(dǎo).文獻(xiàn)［24］運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了制動(dòng)盤及相關(guān)部件三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真與分析.根據(jù)瞬態(tài)熱分析的求解結(jié)果，計(jì)算得到制動(dòng)盤瞬態(tài)熱應(yīng)力，其仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，證明利用基于三維模型的有限元仿真分析，可以較精確地描繪整個(gè)機(jī)車制動(dòng)過程中制動(dòng)盤溫度場(chǎng)的變化.

3.2 通風(fēng)盤式制動(dòng)摩擦副的熱力耦合研究

文獻(xiàn)［25］用摩擦接觸生熱模型建立了制動(dòng)盤和制動(dòng)片熱－力直接耦合的有限元分析模型，采用雙向位移法控制閘片旋轉(zhuǎn)以模擬制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片相對(duì)滑動(dòng)，初步實(shí)現(xiàn)了熱－力相互耦合的數(shù)值模擬.結(jié)果顯示旋轉(zhuǎn)移動(dòng)摩擦熱源形成的熱沖擊會(huì)引起制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的波動(dòng).制動(dòng)過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)是相互耦合的，未考慮熱－力耦合效應(yīng)會(huì)造成熱分析的誤差.而文獻(xiàn)［26］應(yīng)用非線性有限元軟件Abaqus建立制動(dòng)系統(tǒng)的熱力完全耦合有限元分析模型，并對(duì)汽車緊急制動(dòng)過程進(jìn)行模擬.在模擬計(jì)算中考慮到了因制動(dòng)盤和摩擦片相互摩擦產(chǎn)生的熱源的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，以及溫度、接觸壓力與應(yīng)力之間相互耦合問題，并考慮到制動(dòng)盤各界面的對(duì)流換熱系數(shù)隨制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速而變化.其仿真結(jié)果表明制動(dòng)過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是相互耦合的，并且呈周期性波動(dòng)，頻率和制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率是一致的，制動(dòng)過程中形成的一個(gè)時(shí)變的移動(dòng)熱載荷和對(duì)流換熱的共同作用是溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)波動(dòng)的主要原因.不均勻分布的熱應(yīng)力引起制動(dòng)盤產(chǎn)生向盤轂內(nèi)側(cè)翹曲和厚度變化的熱變形，并由此導(dǎo)致接觸狀態(tài)和接觸壓力發(fā)生變化，引起制動(dòng)時(shí)的熱抖動(dòng).文獻(xiàn)［27］使用通用有限元軟件分析了在不同載荷和初始速度下的通風(fēng)盤與摩擦片表面的接觸壓力分布以及采用顯示歐拉積分對(duì)基于Archard磨損理論的剎車片進(jìn)行了磨損的仿真分析，所采用的材料模型為可變形的鋼表面，這對(duì)于復(fù)合材料或者實(shí)際的剎車片而言還是有差距的，但其接觸壓力分析結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步研究熱彈性影響具有重要意義.文獻(xiàn)［28］在詳細(xì)研究了盤式制動(dòng)器的壓力分布情況后，認(rèn)為摩擦制動(dòng)器的摩擦襯片與對(duì)偶件表面之間產(chǎn)生的摩擦熱并不是均勻地分布在滑動(dòng)表面上的，而是取決于局部應(yīng)力的分布情況.影響界面壓力分布的熱效應(yīng)可分成兩個(gè)部分：體積溫度效應(yīng)（造成整體熱膨脹）和宏觀熱效應(yīng)（造成熱點(diǎn)和表面熱裂紋），從而對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行了溫度分析.文獻(xiàn)［29］通過使用ANSYS軟件采用順序耦合的方法研究了汽車的實(shí)心盤和通風(fēng)盤式制動(dòng)器兩種不同形式的溫度、應(yīng)力分布特征以及影響因素的探究，并進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，其結(jié)果表明盤式制動(dòng)器的徑向通風(fēng)槽在制動(dòng)過程中起到重要的作用，制動(dòng)盤的應(yīng)力與變形和制動(dòng)片的接觸壓力隨著熱力耦合的進(jìn)程呈現(xiàn)顯著變化，這對(duì)于制動(dòng)器的熱力耦合（比如應(yīng)力、變形、摩擦與磨損）研究很有幫助.文獻(xiàn)［30］針對(duì)制動(dòng)盤內(nèi)外側(cè)壁厚不等的通風(fēng)盤式制動(dòng)器，基于實(shí)測(cè)制動(dòng)副摩擦系數(shù)－相對(duì)速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了三維瞬態(tài)熱－機(jī)耦合理論模型及有限元模型，分析了緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度場(chǎng)和法向應(yīng)力場(chǎng)在徑向、周向和法向的分布特征，以及制動(dòng)盤側(cè)面熱彈性變形和厚薄差的變化規(guī)律.所得的研究結(jié)果表明制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度、法向應(yīng)力、熱彈性變形之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，而且存在摩擦發(fā)熱效應(yīng)與機(jī)械法向力和摩擦力聯(lián)合作用，這主要是由于制動(dòng)盤通風(fēng)槽和內(nèi)、外側(cè)壁厚不等的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及摩擦、熱、機(jī)械的相互作用所致.上面的研究只是考慮了熱彈性的影響，均未考慮塑性的影響，而文獻(xiàn)［31］在部分盤和整盤間接耦合模型的基礎(chǔ)上，建立制動(dòng)盤、閘片和盤轂之間的三體接觸彈塑性熱力耦合模型，同時(shí)考慮了制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在應(yīng)力計(jì)算過程中施加的對(duì)稱性約束，使制動(dòng)盤和閘片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn).通過該模型的模擬結(jié)果和測(cè)試結(jié)果相比較的方法，證明該耦合模型的計(jì)算結(jié)果能夠較為真實(shí)地反映制動(dòng)過程中制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，實(shí)現(xiàn)了模擬結(jié)果和測(cè)試結(jié)果相一致，體現(xiàn)溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)的相互作用，達(dá)到溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的直接耦合的目的.該模型能夠用于分析制動(dòng)盤制動(dòng)過程中不均勻熱變形導(dǎo)致的局部變形特征.對(duì)于盤式制動(dòng)器的數(shù)值分析結(jié)果表明：取決于摩擦的熱耗散、旋轉(zhuǎn)的初始速度和熱對(duì)流系數(shù)等因素的熱梯度可以達(dá)到很大的程度，對(duì)其摩擦表面的溫度與應(yīng)力有很大的影響作用［32－33］.

4 結(jié)語

通過上面的介紹可知目前盤式制動(dòng)器的熱分析和熱力耦合取得了很大進(jìn)展，但研究大多是假設(shè)摩擦系數(shù)為常數(shù)，材料參數(shù)不隨溫度變化的條件下求解的，與實(shí)驗(yàn)結(jié)合不好，得出結(jié)果往往不能讓人信服；而且忽略盤、片的彈塑性變形及其磨損等影響.所以，今后建立的模型應(yīng)朝著考慮材料彈塑性變形、材料熱物性參數(shù)以及摩擦系數(shù)隨溫度的變化以及磨損等的影響，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化建立的模型，也就是研究摩擦制動(dòng)器熱力耦合必須注重實(shí)驗(yàn)和理論研究的結(jié)合.其次由于實(shí)際工程表面是粗糙的，目前的研究也主要集中在宏觀上的研究，這也涉及多尺度研究問題，所以未來的趨勢(shì)是各種手段的綜合運(yùn)用以及向多學(xué)科交叉方向發(fā)展.這就要求研究者不僅僅需要一門知識(shí)的背景，而且需要其他學(xué)科的支持，特別是數(shù)學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)、化學(xué)及材料學(xué)等的綜合.最后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在科學(xué)研究中有很大的優(yōu)勢(shì)，可以大大縮短科研的時(shí)間和節(jié)約資金.但是它也有缺點(diǎn)，例如結(jié)果對(duì)模型的依賴性很強(qiáng)，不同模型結(jié)果往往差別很大.所以，如何揚(yáng)長(zhǎng)避短利用計(jì)算機(jī)仿真來研究摩擦制動(dòng)器熱力耦合是迫切要解決的問題.

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