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封闭 封锁 湿式多盘 停车 泊车 制动器 设计 资料

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文 章 编 号 :1004 - 2539 (2007) 03 - 0024 - 02矿 用 汽 车 湿 式 多 片 制 动 器 有 限 元 分 析赵 秀 婷 1 ,2 张 文 明 1 申 焱 华 1(1 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 学 院 ,北 京 100083)(2 洛 阳 大 学 机 电 学 院 , 河 南 洛 阳 471023)摘 要 矿 用 汽 车 湿 式 多 片 制 动 器 进 行 热 结 构 耦 合 分 析 过 程 中 ,运 用 行 瞬 态 分 析 时 ,动 态边 界 条 件 加 载 是 关 键 。 介 绍 了 采 用 行 加 载 热 边 界 条 件 的 方 法 。 在 保 证 温 度 连 续 性 条 件 时 ,采用 了 耦 合 节 点 温 度 自 由 度 方 法 。关 键 词 动 态 边 界 条 件 湿 式 多 片 制 动 器 免 受 外 界 湿 度 及 粉 尘 的 影 响 ,工作 性 能 稳 定 。 环 形 工 作 面 积 较 大 ,采 用 多 片 式 结 构 ,可在 较 小 衬 片 压 力 下 获 得 较 大 制 动 力 矩 。 散 热 冷 却 效 果好 ,可 显 著 降 低 工 作 温 度 ,使 用 寿 命 长 ,一 般 为 干 式 制动 器 的 3 4 倍 。 因 此 工 程 机 械 越 来 越 多 的 制 动 系 统采 用 湿 式 多 片 制 动 器 。对 于 湿 式 多 片 制 动 器 进 行 分 析 时 ,采 用 件 进 行 ,其 中 边 界 条 件 的 加 载 是 非 常 重 要 的 一 个 环 节 ,它 直 接 影 响 到 模 拟 结 果 的 精 度 。 对 于 边 界 条 件 不 随 时间 变 化 的 稳 态 分 析 ,一 般 来 说 其 边 界 条 件 的 加 载 比 较容 易 ,但 要 施 加 随 时 间 变 化 的 动 态 载 荷 就 会 遇 到 一 定的 困 难 ,加 载 这 类 载 荷 时 可 以 利 用 供 编 写 子 程 序 进 行 。1 有 限 元 模 型 建 立湿 式 多 片 制 动 器 结 构 有 限 元 分 析 的 最 显 著 特 点 在于 其 摩 擦 副 之 间 存 在 间 隙 。 对 于 这 种 多 层 有 间 隙 结 构的 热 应 力 场 有 限 元 分 析 模 型 ,当 间 隙 值 为 零 ,即 摩 擦 衬片 与 对 偶 钢 盘 压 紧 而 接 触 时 ,其 间 热 流 密 度 随 衬 片 压力 值 的 增 加 而 增 大 ,随 其 降 低 而 减 小 ;当 间 隙 值 大 于 零时 ,摩 擦 衬 片 与 对 偶 钢 盘 分 离 ,摩 擦 衬 片 压 力 值 为 零 ,此 时 摩 擦 副 间 热 流 密 度 值 亦 为 零 。 模 型 采 用 二 维 轴 对称 模 型 , 不 考 虑 油 槽 。 采 用 热 - 结 构 耦 合 单 元面 - 面 接 触 单 元 分 别 采 用 元 ,通 过 接 触 单 元 的 变 形 协 调 条 件 计 算接 触 压 力 ,保 证 变 形 与 接 触 压 力 的 协 调 。 同 时 在 网 格划 分 时 必 须 保 证 网 格 对 齐 ,如 图 1 ,便 于 施 加 耦 合 的 温度 自 由 度 。 对 湿 式 多 片 制 动 器 进 行 热 - 结 构 耦 合 分 析的 主 要 问 题 在 于 确 定 接 触 面 间 复 杂 的 边 界 条 件 接触 压 力 和 热 流 密 度 ,以 下 就 直 接 耦 合 分 析 方 法 进 行 分析 。2 数 学 模 型对 于 制 动 过 程 中 的 摩 擦 片 ,热 的 传 导 是 瞬 态 的 ,接触 表 面 的 热 量 输 入 用 热 流 密 度 表 示q ( r , t) = p ( r , t) ( t) r (1)图 1 有 限 元 网 格 划 分式 中 , 为 摩 擦 系 数 , p ( r , t) 为 两 接 触 面 间 的 接 触 压力 , ( t) 为 摩 擦 片 的 角 速 度 , r 为 接 触 半 径 。 接 触 表 面上 的 内 部 边 界 条 件 是 温 度 的 连 续 性 1 t , z) | z = t , z) | z = 2)式 (2) 成 立 的 条 件 是 两 接 触 面 间 的 接 触 压 力 p ( r) 0。式 中 , 两 个 接 触 表 面 的 温 度 分 布 ; p ( r) 为 接 触面 半 径 处 的 接 触 压 力 。 该 公 式 准 确 给 出 了 表 面 上 热 流密 度 的 分 配 ,无 需 再 假 定 两 个 表 面 之 间 的 热 流 分 配 比例 。3 热 边 界 条 件 处 理通 过 接 触 单 元 算 出 的 接 触 压 力 ,其 分 布 为 非 线 性 ,与 接 触 压 力 紧 密 联 系 的 热 流 密 度 分 布 也 呈 非 线 性 。 对于 非 线 性 载 荷 ,需 采 用 件 上 自 带 的 言 编 写 子 程 序 来 实 现 2 3 。 若 接 触 面 上 接 触 节 点 号 依次 为 1 ,2 , ,n - 1 ,n ,则 采 用 函 数 形 式 加 热 流 密 度 载荷 的 命 令 流 可 表 示 如 下 :3 p (i) ,n ! 定 义 表 格 数 组3 q (i) ,n3 x(i) , 机 械 传 动 2007 年3 i ,1 ,n3 q (i ,0 ,1) , i3 i ,1 ,n3 p (i ,0 ,1) , i3 i ,1 ,n3 x(i ,0 ,1) , i3 i ,1 ,n3 p (i) ,i , 得 到 节 点 接 触 压 力3 x(i) ,nx(i)3 q (i) ,p (i) 3 u 3 x(i) 3 w ! 热 流 密 度 定 义 根据 式 (1)3 s , , ,1 , q (1) ! 加 载 热 流 密 度 函 数0 ! 所 有 节 点 载 荷 增 量 为 0上 述 命 令 流 中 ,u ,w ,p (i) ,q (i) 和 r (i) 分 别 为 摩 擦系 数 、 摩 擦 片 角 速 度 、 节 点 i 处 的 接 触 压 力 、 热 流 密 度和 接 触 面 半 径 。在 解 决 热 流 密 度 分 配 的 问 题 上 ,根 据 式 (2)的 接 触面 温 度 连 续 性 条 件 ,在 件 上 可 采 取 耦 合 节 点温 度 自 由 度 的 方 法 进 行 实 现 ,即 根 据 节 点 的 接 触 压 力是 否 大 于 0 判 断 是 否 需 要 耦 合 该 节 点 的 温 度 自 由 度 。命 令 流 如 下 :3 i ,1 ,n3 p (i) ,0 ,i ,i) ,i)3 命 令 流 中 ,i) ,i)为 两 接 触 面 的 接触 节 点 。4 计 算 结 果以 2 型 制 动 器 为 例 计 算 。 由 于 热 流 密 度 载荷 计 算 的 需 要 ,即 先 在 不 加 热 流 密 度 载 荷 的 条 件 下 对模 型 进 行 第 一 次 计 算 ,求 出 接 触 压 力 如 图 2 ;再 根 据 接触 压 力 计 算 热 流 密 度 ,并 将 热 流 密 度 载 荷 添 加 到 模 型中 进 行 计 算 。 所 以 先 定 义 一 个 趋 于 0 的 初 始 时 刻 ,大小 应 比 瞬 态 分 析 中 第 一 个 时 间 步 小 2 - 3 个 数 量 级 ,计算 此 时 刻 的 接 触 压 力 。 模 型 在 每 次 进 行 求 解 时 ,首 先要 删 除 前 一 次 耦 合 的 温 度 自 由 度 ,然 后 根 据 接 触 节 点的 接 触 压 力 ,判 断 哪 些 节 点 需 要 耦 合 温 度 自 由 度 。 图3、 图 4 为 0. 1s 和 0. 2s 的 应 力 云 图 。图 2 初 始 接 触 压 力图 3 T = 0. 1s 的 应 力 云 图图 4 T = 0. 2s 的 应 力 云 图5 结 论(1) 利 用 件 进 行 模 拟 分 析 时 必 须 认 真考 虑 边 界 条 件 的 加 载 问 题 。 本 文 采 用 载 热 流密 度 ,但 该 方 法 完 全 可 以 应 用 于 其 他 动 态 载 荷 的 问 题 。(2) 从 计 算 结 果 来 看 ,由 摩 擦 产 生 的 热 引 起 摩 擦片 出 现 热 变 形 ,改 变 了 摩 擦 表 面 的 压 力 分 布 ,压 力 分 布又 决 定 了 产 生 摩 擦 热 分 布 ,这 种 相 互 关 系 将 变 的 不 稳定 ,在 压 力 较 高 的 区 域 ,产 生 局 部 热 膨 胀 ,引 起 压 力 集中 ,从 而 引 起 很 高 的 局 部 应 力 和 温 度 。 因 此 在 设 计 时应 该 充 分 考 虑 热 弹 性 失 稳 现 象 。参 考 文 献1 李 非 雪 . 湿 式 多 片 制 动 器 摩 擦 偶 件 压 力 分 布 与 温 度 场 的 分 析 博 士学 位 论 文 . 北 京 : 北 京 科 技 大 学 , 20012 陈 晓 霞 . 0 高 级 分 析 . 北 京 :机 械 工 业 出 版