吳 剛 張東東

(三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院 湖北宜昌 443002)

制動(dòng)器是車輛關(guān)鍵零部件，其制動(dòng)性能直接關(guān)系到車輛的運(yùn)行安全，而制動(dòng)盤的熱性能對(duì)車輛的制動(dòng)可靠性有決定性的影響[1]。目前市場(chǎng)上主要使用的制動(dòng)器有盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器，其中盤式制動(dòng)器因其制動(dòng)性能穩(wěn)定、散熱能力強(qiáng)、熱衰退性好，廣泛應(yīng)用于汽車、列車、飛機(jī)、工程和農(nóng)用機(jī)械等[2-3]。

迄今為止，研究人員已對(duì)制動(dòng)器熱-機(jī)耦合做了大量研究。羅天洪等[4]考慮了溫度變化對(duì)摩擦因數(shù)的影響，分析了較高壓力條件下制動(dòng)器的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，但忽略了溫度變化對(duì)材料物理性能的影響。GAO和LIN[5]用三維熱-力耦合模型分析了固體制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布和熱疲勞斷裂的原因。DAY等[6]和HASSAN等[7]簡(jiǎn)化了耦合計(jì)算模型，考慮應(yīng)力與溫度的耦合，計(jì)算了制動(dòng)盤的熱效應(yīng)和壓力分布。WANG和TANG[8]提出了一種多物理場(chǎng)耦合方法，利用ABAQUS和FLUENT軟件數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和氣流場(chǎng)同時(shí)計(jì)算，但未考慮摩擦因數(shù)在制動(dòng)過(guò)程中的變化。黃曉婷等[9]將制動(dòng)器系統(tǒng)的摩擦因素、制動(dòng)壓力、材料和幾何屬性參數(shù)處理為不確定性參數(shù)，并從不確定性角度探討改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)措施。VALVANO和LEE[10]利用計(jì)算得到的溫度作為應(yīng)力場(chǎng)初始條件，采用解析法對(duì)制動(dòng)盤的熱變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)，但該研究忽略了應(yīng)力與溫度的相互影響。陳東等人[11]仿真了緊急制動(dòng)下摩擦片接觸壓力和溫度分布，得出接觸壓力和溫度分布并不是均勻的。ALTUZARRA等[12]通過(guò)研究緊急制動(dòng)汽車盤熱-機(jī)耦合特性，確定了制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤最容易發(fā)生疲勞失效的區(qū)域。HWANG等[13]采用局部三維模型對(duì)通風(fēng)制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)和熱變形進(jìn)行了研究。

上述研究在一定程度上分析了制動(dòng)盤在制動(dòng)時(shí)的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)變化，但未能進(jìn)一步分析制動(dòng)盤內(nèi)部的熱-機(jī)耦合特性。為使計(jì)算結(jié)果更加精確，切合真實(shí)的制動(dòng)狀況，本文作者考慮制動(dòng)溫度變化對(duì)材料的物理參數(shù)和摩擦因數(shù)的影響，研究了不同制動(dòng)初速度和制動(dòng)比壓對(duì)制動(dòng)盤溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響，并從制動(dòng)盤表面徑向、周向及軸向多個(gè)維度深入分析其熱-機(jī)耦合特性，為制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供理論支持。

1 盤式制動(dòng)器熱-機(jī)耦合模型構(gòu)建

1.1 模型條件假設(shè)

為了盡可能模擬實(shí)際制動(dòng)工況，保證計(jì)算精度，提高計(jì)算效率，采用熱-機(jī)耦合方式方法建立分析時(shí)，做出如下假設(shè)：

(1) 制動(dòng)時(shí)摩擦片受力均勻；

(2)材料為各向同性的彈性材料，制動(dòng)過(guò)程動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化成熱能；

(3)制動(dòng)過(guò)程只考慮熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，忽視熱輻射；

(4)制動(dòng)過(guò)程中不考慮車輪的抱死情況；

(5)制動(dòng)接觸面為理想平面，制動(dòng)初始溫度T0=20 ℃。

1.2 耦合模型理論計(jì)算

1.2.1 熱傳導(dǎo)理論

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)，得到柱坐標(biāo)系下三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程：

(1)

式中：λd為制動(dòng)盤導(dǎo)熱系數(shù)；ρd為制動(dòng)盤密度；cd為制動(dòng)盤比熱容；Td為制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度;r、θ分別為徑向坐標(biāo)和周向坐標(biāo)；t為制動(dòng)時(shí)間;Ω為解域。

該微分方程主要描述某個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度隨時(shí)間的特點(diǎn)，有限元計(jì)算的初始條件和邊界條件如下:

Td(r,θ,z,t)=T0t=0

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(?Td/(?ni)=0(Ω4)

(7)

(?Td)/(?z)=0(Ω5)

(8)

式中:T0為環(huán)境溫度；qd為圓盤吸收的熱流密度；hdi為邊界面上的換熱系數(shù)；Ωi(i=1,2,3)為邊界求解域；ni為面外法向方向余弦;z為柱坐標(biāo)下Z向坐標(biāo)。

1.2.2 熱通量

汽車的制動(dòng)過(guò)程，實(shí)質(zhì)就是汽車制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能，通過(guò)制動(dòng)盤與摩擦片相互作用轉(zhuǎn)化成熱能的過(guò)程。制動(dòng)盤與摩擦片之間存在熱流輸入和自然傳熱，熱流密度分別為

(9)

式中：f(t)為不同時(shí)刻的摩擦因數(shù)；p為接觸壓力；v為制動(dòng)盤與摩擦片相對(duì)滑動(dòng)速度；kd為制動(dòng)盤熱流分派系數(shù)；kp為摩擦片熱流分配系數(shù)。

其中kd和kp滿足以下關(guān)系：

(10)

式中：ρ為密度；c為比熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；下標(biāo)d、p表示制動(dòng)盤和摩擦片。

1.2.3 應(yīng)力場(chǎng)分析理論

由溫度引起的線應(yīng)變?yōu)?/p>

ε=αΔT=α(T-T0)

(11)

在存在初始應(yīng)變，由溫度引起的應(yīng)力計(jì)算公式為

σ=D(ε-Δε)

(12)

Δε=α(ΔT)[1 1 1 0 0 0]

(13)

式中：σ為應(yīng)力矩陣；D為材料彈性矩陣；Δε為熱變形引起的熱應(yīng)變。

1.2.4 邊界條件

圓盤的換熱主要是對(duì)流換熱，圓盤表面的對(duì)流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

(14)

式中：Re=ωdρa(bǔ)dd/(3.6μa)為雷諾數(shù)；μa為空氣黏度；λa為空氣傳熱系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；ωd為制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速；dd為制動(dòng)盤外徑。

根據(jù)車輛制動(dòng)的實(shí)際工況，設(shè)定摩擦片不動(dòng)，制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)過(guò)程中，摩擦片受到制動(dòng)力的作用夾緊，在摩擦片上施加x、y方向的固定約束。

1.3 ANSYS Workbench模型預(yù)處理與分析

1.3.1 制動(dòng)器有限元網(wǎng)格模型

采用SolidWorks建立雙層通風(fēng)摩擦副簡(jiǎn)化模型，如圖1所示，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，保證計(jì)算效率和收斂性，去除制動(dòng)盤模型中對(duì)熱-機(jī)耦合影響很小的特征，將制動(dòng)盤切分為多個(gè)小模塊(每個(gè)通風(fēng)板筋為一個(gè)模塊)，以便網(wǎng)格劃分時(shí)實(shí)現(xiàn)局部?jī)?yōu)化。采用Sweep Method和Face Meshing方式對(duì)模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終得到單元數(shù)為21 030，節(jié)點(diǎn)數(shù)為31 017。網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 通風(fēng)摩擦副三維簡(jiǎn)化模型

圖2 摩擦副有限元模型

1.3.2 摩擦副相關(guān)參數(shù)

制動(dòng)器摩擦副的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 摩擦副的幾何尺寸

假設(shè)整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，摩擦副材料的密度和泊松比為恒定值，基本參數(shù)如表2所示。

表2 摩擦副材料及參數(shù)

材料的物理性能參數(shù)具有溫度敏感性，按文獻(xiàn)[14]給出TH250和復(fù)合材料不同溫度下的材料特性,如表3所示。

表3 不同溫度下摩擦副的材料性能

按文獻(xiàn)[4]，不同制動(dòng)溫度下無(wú)石棉復(fù)合材料的摩擦因數(shù)如表4所示。

表4 不同制動(dòng)溫度下無(wú)石棉復(fù)合材料的摩擦因數(shù)

1.3.3 模型主要參數(shù)

根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行狀況，選取車輛行駛速度為80、100、120 km/h作為制動(dòng)仿真初速度進(jìn)行仿真分析。為了滿足制動(dòng)的要求，目前多數(shù)車輛都安裝自帶空氣泵的氣剎裝置，制動(dòng)系統(tǒng)可以利用空氣泵，通過(guò)加壓裝置作用提高制動(dòng)壓力，文中選取制動(dòng)壓力為4.5、5、5.5 MPa進(jìn)行制動(dòng)模擬仿真分析。

采用直接耦合的方式建立分析步驟，為使計(jì)算收斂，提高計(jì)算效率，仿真緊急制動(dòng)時(shí)間為4 s，制動(dòng)比壓施加完成時(shí)間為0.1 s，計(jì)算初始步時(shí)為0.01，最小步時(shí)為0.001，熱流密度和換熱系數(shù)分別由式(9)和式(14)計(jì)算。

2 熱-機(jī)耦合仿真與結(jié)果分析

2.1 制動(dòng)初速度

制動(dòng)比壓p=5 MPa,緊急制動(dòng)初速度分別為80、100、120 km/h，仿真制動(dòng)時(shí)間為4 s時(shí)，制動(dòng)盤溫度、應(yīng)力的變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 不同制動(dòng)初速度下溫度隨時(shí)間變化曲線

圖4 不同制動(dòng)初速度下應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖3所示為不同制動(dòng)初速度下摩擦副溫度變化曲線，曲線總體呈現(xiàn)鋸齒狀先上升后下降的變化趨勢(shì)，在0.5 s內(nèi)，3條溫度曲線基本重合，表明壓力在施加完成初期，制動(dòng)初速度對(duì)制動(dòng)盤溫度的影響很?。怀^(guò)0.5 s時(shí)，3條曲線變化趨勢(shì)明顯不同，制動(dòng)前初速度對(duì)制動(dòng)盤整體溫度影響較大，制動(dòng)初速度為80、100、120 km/h到達(dá)最高溫度的時(shí)間分別為1.99、2.13、2.22 s，最高溫度分別為225.06、251.51、280.49 ℃。由此可知制動(dòng)初速度不同，溫度達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)間不同，初速度越大，溫度達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖4所示為不同制動(dòng)初速度下應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線， 0.1 s內(nèi)壓力施加過(guò)程，3條應(yīng)力曲線都快速上升，壓力施加完成后，增長(zhǎng)變緩，隨后緩慢上升到最高點(diǎn)。制動(dòng)初速度為80、100、120 km/h到達(dá)最高應(yīng)力的時(shí)間分別為2.29、2.37、2.47 s，最大應(yīng)力值分別為160.98、182.46、206.69 MPa。從應(yīng)力與溫度達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)間來(lái)看，應(yīng)力的最大值總體滯后于溫度的最大值，表明二者具有耦合特性，符合公式(11)和(12)應(yīng)力與溫度呈線性變化的關(guān)系。但是該公式表征溫度導(dǎo)致的應(yīng)力變化，是單向的，文中采用了直接耦合的方式，即應(yīng)力與溫度相互作用，因此應(yīng)力變化曲線與溫度變化曲線并不完全相同。

2.2 制動(dòng)比壓

制動(dòng)前初速度v=80 km/h，制動(dòng)比壓分別為4.5、5、5.5 MPa，仿真制動(dòng)時(shí)間為4 s時(shí)，制動(dòng)盤溫度、應(yīng)力變化曲線如圖5、圖6所示。

圖6 不同制動(dòng)壓力下應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖5所示為不同制動(dòng)比壓下摩擦副溫度變化曲線?？芍苿?dòng)壓力越大，制動(dòng)盤溫升越快，溫度越高，到達(dá)溫度最高點(diǎn)的時(shí)間越短，短時(shí)間內(nèi)摩擦生熱遠(yuǎn)大于對(duì)流換熱作用，符合式(9)中當(dāng)制動(dòng)壓力變大時(shí)，熱流輸入變大的關(guān)系。制動(dòng)壓力為4.5、5、5.5 MPa時(shí)，制動(dòng)最高溫度分別為192.14、251.51、274.99 ℃，可知制動(dòng)壓力對(duì)摩擦副最高溫度影響巨大，制動(dòng)比壓越大，制動(dòng)盤失效的概率就會(huì)越高。

圖5 不同制動(dòng)壓力下溫度隨時(shí)間變化曲線

圖6所示為不同制動(dòng)比壓下制動(dòng)盤等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。可知，制動(dòng)比壓越大，制動(dòng)盤等效應(yīng)力也會(huì)越大，制動(dòng)壓力為4.5、5、5.5 MPa時(shí)，制動(dòng)盤最大應(yīng)力分別為129.31、182.62、201.16 MPa，制動(dòng)壓力5.5 MPa比4.5 MPa最大應(yīng)力高71.85 MPa，由此可知制動(dòng)壓力增加時(shí)對(duì)應(yīng)力的影響非常明顯。

2.3 制動(dòng)盤整體溫度與應(yīng)力分析

在緊急制動(dòng)初速度為120 km/h的制動(dòng)工況下，對(duì)制動(dòng)盤制動(dòng)特性進(jìn)行了分析，得到不同制動(dòng)時(shí)刻的溫度與應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 不同時(shí)刻溫度云圖

圖8 不同時(shí)刻應(yīng)力云圖

圖7所示為不同時(shí)刻制動(dòng)盤溫度云圖。當(dāng)t=0.101 s時(shí)，制動(dòng)比壓施加完成，摩擦副摩擦區(qū)迅速產(chǎn)生熱量，摩擦生熱大于對(duì)流換熱的作用，熱量來(lái)不及傳導(dǎo)和散熱，因此溫度輪廓呈現(xiàn)非軸對(duì)稱分布；當(dāng)t=2.155 s時(shí)，由于摩擦熱流的產(chǎn)生，制動(dòng)盤摩擦區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀高溫區(qū)，溫度在極短的時(shí)間內(nèi)難以傳遞到附近，從而導(dǎo)致制動(dòng)盤徑向形成較大的溫度梯度；制動(dòng)時(shí)間在2.15～4 s之間時(shí)，制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)速度逐漸降低，對(duì)流換熱的影響大于摩擦生熱，除摩擦片剛接觸表面溫度略大于未接觸表面溫度外，溫度輪廓呈現(xiàn)軸對(duì)稱。

圖8所示為不同時(shí)刻制動(dòng)盤應(yīng)力云圖。對(duì)比溫度云圖可知，應(yīng)力的變化趨勢(shì)與溫度基本一致，都呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。制動(dòng)時(shí)間為1.267 s時(shí)，可以清晰看到摩擦面外圈附近的應(yīng)力明顯大于制動(dòng)盤通風(fēng)處的應(yīng)力，靠近肋板處制動(dòng)盤出現(xiàn)高應(yīng)力點(diǎn)，主要因?yàn)槟Σ撩嫱L(fēng)口處的位置對(duì)流散熱能力較強(qiáng)，溫度降低速度較快，低溫度引起低應(yīng)力；制動(dòng)時(shí)間為4 s時(shí)，應(yīng)力逐漸降低，摩擦盤上高應(yīng)力點(diǎn)消失，肋板處的應(yīng)力與摩擦盤通風(fēng)處的應(yīng)力趨于一致。

2.4 制動(dòng)盤不同維度溫度與應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步分析制動(dòng)盤內(nèi)部的溫度、應(yīng)力分布規(guī)律，選取制動(dòng)盤不同路徑作為研究對(duì)象，如圖9所示。

圖9 制動(dòng)盤研究路經(jīng)定義

2.4.1 制動(dòng)盤徑向分析

圖10所示為制動(dòng)盤表面徑向節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。可知，徑向不同節(jié)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本一致，均為先快速升溫至溫度最高點(diǎn)，然后緩慢持續(xù)降溫的過(guò)程。節(jié)點(diǎn)溫度曲線都呈明顯的鋸齒狀，鋸齒狀的形成主要是制動(dòng)盤受摩擦片的交替沖擊和對(duì)流換熱影響。當(dāng)摩擦片壓過(guò)制動(dòng)盤該節(jié)點(diǎn)時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)大于對(duì)流換熱的影響，溫度呈快速上升趨勢(shì)；當(dāng)摩擦片離開節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)流換熱影響導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)溫度降低。從剛開始形成鋸齒狀的時(shí)間較短，隨著制動(dòng)時(shí)間的推移，形成鋸齒狀的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，主要是制動(dòng)過(guò)程速度不斷減小造成的。6個(gè)節(jié)點(diǎn)制動(dòng)溫度為T4>T3>T2>T5>T1>T6。由式(9)可知，制動(dòng)速度越大，摩擦產(chǎn)熱越大，從理論方面分析，節(jié)點(diǎn)6的溫度最高，但是制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)熱-機(jī)耦合的過(guò)程，由于節(jié)點(diǎn)6處在制動(dòng)盤邊緣，制動(dòng)接觸壓力較小，對(duì)流散熱強(qiáng)，因此溫度較低；節(jié)點(diǎn)1處于接觸摩擦區(qū)域外，溫度較低。

圖10 制動(dòng)盤表面徑向節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖11所示制動(dòng)盤表面徑向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。應(yīng)力變化曲線與溫度曲線有相似的特征，應(yīng)力大小σ4>σ3>σ2>σ5>σ6>σ1，相對(duì)于溫度變化，雖然節(jié)點(diǎn)6的溫度比節(jié)點(diǎn)1低，但是節(jié)點(diǎn)6由于處在通風(fēng)口處，變形量較大，機(jī)械應(yīng)力變化更加明顯，導(dǎo)致等效應(yīng)力比節(jié)點(diǎn)1大；節(jié)點(diǎn)3和4既處于摩擦片中心位置，溫升較大，熱應(yīng)力變大，同時(shí)又處于壓力中心，受到較大的機(jī)械壓力，因此等效應(yīng)力最大。

圖11 制動(dòng)盤表面徑向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

2.4.2 制動(dòng)盤周向分析

圖12所示為制動(dòng)盤表面周向節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線?？芍?，各節(jié)點(diǎn)整體溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；各節(jié)點(diǎn)溫度曲線比較接近，溫度梯度較小，但各節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)間不同。點(diǎn)a制動(dòng)時(shí)間為1.902 s時(shí)曲線達(dá)到最高溫度276.07 ℃，點(diǎn)f制動(dòng)時(shí)間為2.125 s時(shí)達(dá)到最高溫度275.74 ℃，兩者差距較小。

圖12 制動(dòng)盤表面周向節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖13所示為制動(dòng)盤表面周向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。可知,單個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻應(yīng)力變化起伏較大，如點(diǎn)a在1.86 s內(nèi)，應(yīng)力從0上升到最高點(diǎn)196.56 MPa，應(yīng)力存在較大的差異，即使在同一時(shí)間點(diǎn)，圓周上不同節(jié)點(diǎn)也存在應(yīng)力差，但是差異較小。

圖13 制動(dòng)盤表面周向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

2.4.3 制動(dòng)盤軸向分析

圖14所示為制動(dòng)盤軸向節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線。Node1和Node4處在制動(dòng)盤外表面，制動(dòng)開始時(shí)溫度快速升高，受摩擦生熱和對(duì)流換熱的交替影響，曲線呈明顯的鋸齒狀。Node1在1.902 s時(shí)到達(dá)279.3 ℃，然后溫度呈鋸齒狀逐漸降低。對(duì)于Node2和Node3，溫度從制動(dòng)開始到1.5 s內(nèi)，溫度基本無(wú)變化，隨后溫度增長(zhǎng)變快，且持續(xù)增長(zhǎng)；4 s時(shí)，Node2內(nèi)部溫度為68.29 ℃，比Node1 157.9 ℃低86.61 ℃，主要是Node2和Node3處在制動(dòng)盤內(nèi)表面，溫度升高主要是受熱傳導(dǎo)影響。從時(shí)間歷程來(lái)看，熱傳導(dǎo)比較緩慢，具有延遲性，從而在制動(dòng)盤軸向形成巨大的溫度梯度。

圖14 軸向節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖15所示為制動(dòng)盤軸向節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力變化曲線。Node1和Node4受溫度的影響比較明顯，與溫度變化趨勢(shì)基本一致，2.34 s時(shí)Node1應(yīng)力值為205.23 MPa。應(yīng)力的最高值同樣滯后于溫度最高值，Node1應(yīng)力在溫度下降期間都保持較高的數(shù)值，表明溫度對(duì)應(yīng)力影響較大。Node2和Node3從制動(dòng)開始一直呈“鋸齒”狀增長(zhǎng)趨勢(shì)，制動(dòng)前期，對(duì)比Node2和Node3溫升曲線，等效應(yīng)力在制動(dòng)前期受溫度影響較小，鋸齒狀的形成主要受機(jī)械壓力的影響，當(dāng)摩擦片沖擊制動(dòng)盤軸向節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力曲線形成明顯的尖波狀，摩擦片離開制動(dòng)盤軸向節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力曲線基本無(wú)變化。在制動(dòng)后期，摩擦片離開制動(dòng)盤軸向節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力曲線仍有上升趨勢(shì)，表明在制動(dòng)后期，等效應(yīng)力受溫度和機(jī)械壓力的雙重影響。

圖15 軸向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

3 模型驗(yàn)證

利用文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)文中結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[15-16]建立模型與文中建立模型皆為通風(fēng)制動(dòng)盤，且制動(dòng)盤材料都采用TH250。文獻(xiàn)[15]以90 km/h制動(dòng)初速度為例，制動(dòng)2 s時(shí)，制動(dòng)盤溫度為250 ℃。文中以80、100 km/h為制動(dòng)初速度，制動(dòng)2 s時(shí)制動(dòng)最高溫度分別為225.06、251.51 ℃，取其兩者中間值作為90 km/h制動(dòng)最高溫度進(jìn)行分析，則溫度為238 ℃左右。文中結(jié)果與文獻(xiàn)[15]結(jié)果的平均偏差為4.8%。文獻(xiàn)[16]摩擦片材料略有不同，制動(dòng)壓力為4.98 MPa，制動(dòng)初速度為108 km/h，其最高溫升為235.8 ℃。文中以100、120 km/h為制動(dòng)初速度，最高溫升分別為260.49、231.51 ℃，取其兩者的中間值作為108 km/h制動(dòng)的最大溫升，則溫度為246 ℃左右。文中結(jié)果與文獻(xiàn)[16]結(jié)果的平均偏差為4.6%。

由于對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)的施加參數(shù)存在差異，且文中將不同溫度下的物理參數(shù)也加入其中進(jìn)行了計(jì)算，所以與文獻(xiàn)[15-16]存在一定的偏差，但在合理的范圍內(nèi)，表明基于ANSYS Workbench的盤式制動(dòng)器熱-機(jī)耦合分析方案具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

(1)盤式制動(dòng)器在緊急制動(dòng)過(guò)程中，溫度和應(yīng)力的最大值與制動(dòng)初速度和制動(dòng)比壓成正相關(guān)，其中制動(dòng)壓力對(duì)制動(dòng)盤溫度和應(yīng)力最大值的影響比制動(dòng)初速度更加明顯。

(2)制動(dòng)盤溫度與等效應(yīng)力在圓周上都呈環(huán)帶狀分布，二者具有一致性，等效應(yīng)力的最高值滯后于溫度的最高值，表明在制動(dòng)盤熱-機(jī)耦合過(guò)程中，溫度與應(yīng)力二者具有相互耦合特性。

(3)摩擦接觸擠壓區(qū)域產(chǎn)生大量熱量，熱傳導(dǎo)具有延遲性，熱量在短時(shí)內(nèi)來(lái)不及向周圍傳導(dǎo)，導(dǎo)致越靠近摩擦區(qū)域溫度越高，在制動(dòng)盤徑向和軸向上形成較大的溫度梯度，并引起較大的應(yīng)力梯度。