（车辆工程专业论文）制动器的有限元分析.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 汽车制动器的制动涉及三维多体耦合、热、摩擦、接触问题，包括结构、温 度、接触压力等方面，过程极为复杂多变。有限元方法是进行结构分析的一种重 要方法，可以实现对制动器这类比较复杂的大型结构进行较为精确的研究。 在对目前常用的制动器结构和工作原理进行分析的基础上，运用有限元工程 分析a n s y s 对制动器进行模拟仿真，应用了从制动器三维实体造型、有限元网 格自动划分到有限元分析计算、改进设计等全部过程的方法。本课题的研究以冲 焊鼓式制动器和通风盘式制动器作为研究对象。在建立了相应的结构模型后，冲 焊鼓式制动器的分析根据载荷划分的几个载荷步进行了有限元计算分析。就制动 时的受力与传热进行了三维有限元计算研究，模拟出鼓式制动器三维温度场、三 维应力场及基础压力分布的数据，得出相应的分布规律；同时在前人工作的基础 上进行了通风盘式制动器的制动盘与摩擦片的实际几何尺寸，建立了具有速度可 变效应的三维瞬态温度有限元模型和结构应力有限元模型，利用非线性有限元方 法，较真实地模拟了制动器的制动过程。 研究的计算分析结果为进一步研究通风盘式制动器及冲焊鼓式制动器的摩擦 材料及其制动器的热破坏，摩擦复合材料磨损机理，开发高性能摩擦材料、研制 高性能制动器打下了良好的基础。 关键字通风盘式制动器；冲焊鼓式制动器；耦合；温度；结构；有限元分析 重墅矍三奎耋三堂堡圭耋堡鎏塞 a b s t r a c t 1 1 l eb r a k i n go f v e h i c l e si sap r o b l e mo f 3 dh e a tc o m b i n e dw i t hf r i c t i o n ，i nv o l v i n g f o r c e ，t e m p e r a t u r ea n dc o n t a c tp r e s s ，a n di ti sac o m p o l e xa n dc h a n g e a b l ep r o c e s s f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i si sa ni m p o r t a n tw a yt os t r u c t u r ea n a l y s i sa n dc a nb eu s e dt os t u d yd r u m b r a k e se x a c t l y i nt h i sp a p e r , t h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n dm e t h o d so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa r e i n t r o d u c e d t h eb r a k em o d e li ss e tu pu s i n gt h eg e n e r a lf e as o f t w a r ea n s y so nt h e b a s eo fg e n e r a ld e s i g nm e t h o d s as e to fs c h e m e si n v o l v i n gt h r e ed i m e n s i o n a lb r a k e e n t i t ym o d e l i n g ，f em e s ha u t o g e n e r a t i o n ，f e aa n do p t i m u md e s i g na r eu s e d w i t h w e l d e dd r u mb r a k ea n dv e n t i l a t e dd i s cb r a k ea st h es t u d yo b j e c lt h e ne f e c t i v e n e s so f s t r u c t u r es c h e m e sa r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d b a s e do nt h e s e ，t h ea n a l y s i so fw e l d e d d r u mb r a k ef o l l o w i n gt h r e el o a ds t e p s ，t h r e ed i m e n s i o n a ls t r e s sf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， a n dc o n t a c tp r e s so ft h eb r a k eu n d e rt h ei m p a c to fl o a d si nb r a k i n go fh e a v yo fr o a d v e h i c l ea r ee s t a b l i s h e da c t u a l l yb ym a k i n gu s eo ft h r e e d i m e n s i o nf e a n a l y s i s a n dt h e r u l e so fd i s t r i b u t i o nf o ra l lt h e s ed a t aa r ed e s c r i b e d m e a n w h i l et h et h r e ed i m e n s i o n a l t r a n s i e n tt h e r m a la n ds t r u c t u r es t r e s sf e mm o d e l so ft h ev e n t i l a t e dd i s cb r a k ew i t h t r a n s f o r m a b l ev e l o c i t ye f f e c tw h i c hc o n f i r mt ot h et r u es i z eo ft h ed i s ca n dp a da r e e s t a b l i s h e d , o nt h eb a s i so ft h a t t h ec o u r s eo ft h eb r a k i n gi ss i m u l a t e dw i t ht h e n o n l i n e a rf e m n l er e s u l to ft h i ss t u d yi st h eb a s i sf o rt h ev e n t i l a t e dd i s cb r a k ea n dw e l d e dd r u m b r a k ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h et h e r m a ls t r e s s ，t h et h e r m a ld e s t r o yo ft h eb r a k ea n dt h e w e a rm e c h a n i s m so ft h ef r i c t i o n a lc o m p o s i t em a t e r i a l i th e l p st od e v e l o pt h ee x c e l l e n t f r i c t i o n a lm a t e d a la n dt h eb r a k e k e yw o r dv e n t i l a t e dd i s cb r a k e ：w e l d e dd r u mb r a k e ；c o u p l e ；t e m p e r a t u r e ；s t r u c t u r e ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 制动器是产生制动力并进行能量转换的机构，具有结构简单、工作可靠的优 点，早己经广泛的应用于各种机械设备中。飞机的着陆、火车的减速等都是通过 制动器中的制动鼓( 盘) 与蹄片( 衬片) 之间的摩擦阻力而实现的。实际上，制动器 具有使各种物体的运动能够被合理的调节、控制，并达到保障各项设备安全工作 的功能。 在2 1 世纪的今天，世界汽车工业在适应高速、重载发展的基础上，又进一步 提出了“两低”( 低能耗、低公害) 、“三化”( 车身轻量化、控制电子化、动力多 样化) 和“四性”( 行驶安全性、耐久性、乘坐舒适性、操作方便性) 的要求【1 1 1 2 0 1 。 为此，人们在改善汽车结构与提高性能方面进行了不懈的努力，取得了明显的效 果，对制动器的不断改进，以及对制动器的电子控制及电子防抱死系统( a b s ) 的应用等【4 】。 摩擦制动器实质就是能量转换器，它是利用摩擦将运动机构的动能转换为热 能，并通过制动器与外界的热交换来散热。制动器反复的制动必然使得摩擦表面 因受到反复摩擦热的加热和冷却循环作用而产生热疲劳，瞬时制动时表面的急剧 加热和冷却而出现热冲击作用将导致制动副表面的损伤，出现热裂纹。同时温升 将会导致制动器设备的膨胀和影响摩擦材料的摩擦系数等物理参数，最终导致制 动性能的下降。因此，制动器的结构设计，在强度上，就是要保证制动器在使用 寿命期内不会失效；在温度上，就是保障制动过程中产生的大量摩擦热导致的温 升对制动性能的影响不会太大，热流能够尽量的散出，从而保证制动器长期在正 常的工作环境下工作。可以说，作为汽车中的基础安全部件，对制动器的要求不 仅仅是强度要求，还包括性能、舒适、高保养和高使用寿命等。 制动器是汽车中涉及行驶安全性的关键部件，它直接影响汽车行驶的安全性、 耐久性和乘坐舒适性。随着汽车工业的发展，车速越来越高，载荷越来越大，而 对制动器的尺寸要求越来越小，这意味着制动器部件单位面积所承受的载荷及吸 收的能量会大大增加，因此对制动器材料的要求也越来越苛刻。大量的理论及试 青岛理工大学工学硕士学位论文 验研究表明：摩擦片的各种形式的损坏，其主要原因是摩擦所产生的热量超过了 摩擦材料所能承受的极限热容量。因此要使制动器稳定可靠地工作，就必须保证 制动器具有足够的能容量，而制动器的能容量受限于其摩擦表面的温度5 】【6 】。事实 上，接触温度集中反映了载荷、速度、摩擦系数、材料的热物理特性及耐久性、 摩擦部件的设计尺寸和工作环境等因素的影响【7 】【8 l 。摩擦表面的温度过高会引起摩 擦表面一系列的物理、化学变化( 如热弹性不稳定性、材料的热降解等) ，导致制 动器的性能变差，设备的安全性能得不到保证。因此，制动器摩擦热温度场的研 究是一个不可忽视的问题。计算制动摩擦副的温度场已成为制动器设计的重要内 容和选择摩擦副材料的重要理论依据【5 】o 目前大多数汽车采用摩擦制动器，即以摩擦力作为制动力，使运动物体达到减 速，停止的目的。因此，制动器的质量与制动副摩擦性能的关系很大，为保证制 动的安全可靠性和寿命，就应该保持和稳定一定的摩擦力和制动副表面的耐磨性。 凡是影响制动副摩擦磨损性能的因素，均会影响其制动性能的改变及变化规律， 尤其以制动过程中动能转变为热能，使摩擦表面温度急剧上升的影响最大，制动 副材质的选配及相应的结构参数设计都与此有关。 而制动器的主要功能在于调速和终止运动，它的基本要求是搠： ( 1 ) 应该有足够的摩擦制动力矩，因为这是保证安全可靠性的基本条件。 无论是起重机升降还是车辆行驶，这个条件都是必需的，所需的摩擦阻力矩是由车 辆行驶速度和载重量来确定。 ( 2 )制动副所产生的摩擦阻力力矩稳定性好、即受外界条件的变化( 速度， 温度，湿度，驱动力等) 影响小。 ( 3 ) 制动器结构简单，散热性好，操作维修方便 ( 4 ) 噪音低，污染少。 工作原理： 内张蹄式制动器主要由制动鼓、制动蹄、传力杠杆和驱动装置组成，带摩擦 片的制动蹄作为固定元件。当对称布置的制动蹄的一端承受驱动力时，可绕其另 一端的支点向外旋转，压靠到制动鼓内圆面上而产生摩擦力矩。故内张蹄式制动 器以内圆柱面为工作表面。 鼓式制动器包括内张型和外束型两种，其中内张型鼓式制动器广泛应用于汽 车，轮式拖拉机、电力牵引和拖挂等运输工具的制动系中。因此，针对鼓式制动 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 器的研究和分析显得犹为重要，而且本人研究的鼓式制动器其结构上又属于冲焊 鼓式制动器，由于其自身结构方面的一些优势，因此在各方面的使用中占有一定 的比例而且目前国内针对冲焊鼓式制动器的研究还没有多少，因此说明对冲焊 鼓式制动器的研究和分析不仅具有实际意义，还有广泛的发展空间。 通风盘式制动器是在普通盘式制动器的基础上在制动盘的中间部位设置了通 风孔，这样就可以使盘式制动器的制动效果受温度的影响更小。同时对结构影响 不大。这也是目前通风盘式制动器普遍适用的重要原因。 此外，在影响鼓( 盘) 式制动器制动性能的诸多因素中，接触表面的压力也 是最基本的因素之一。因为压力分布不但影响制动器的制动转矩容量、热容、磨 损等，而且直接影响表面的工作温度，从而影响一系列的制动性能( 如：热衰退、 热不稳定性及热裂纹等) ，所以接触表面的压力分布一直是工程界和学术界关注的 热点之一。在鲁道夫编著的汽车理论教科书中【7 1 ，计算制动转矩时都假设接触压力 均匀分布且摩擦片与制动鼓( 制动盘) 之间完全接触，而实际上摩擦片与制动盘 之间不可能完全接触，接触压力更不是均匀分布的。 1 2 制动器数值模拟的研究现状 1 2 1 制动器的发展历史简介 在过去1 0 0 年间，制动器的发展经历了以下几个阶段：( 1 ) 早期的机械制动 器时代；( 2 ) 液压制动器时代；( 3 ) 盘式制动器时代；盘式制动器的出现使的汽 车制动性能方面有了质的飞跃，随后盘式制动器不断的得到改进，出现了通风盘 式制动器。1 9 6 5 年批量生产的国外名牌轿车如福特、雷鸟、雪佛莱等采用了盘式 制动器；( 4 ) 电子制动器装置时代；电子制动控制包括a b s ( 防抱死系统) 和t c s ( 牵引控制系统) 的广泛应用，随着制动器的发展及功能的完善，目前，开发商 提出了未来a b s t c s 和v d c ( 车辆动态控制) 与智能化运输系统一体化的构想。 目前国内的小型轿车大都采用通风盘式制动器，由于通风盘式制动器轴向受 力，制动轴不受弯矩，结构简单，制动稳定性及散热性好，所以通风盘式制动器 得到了非常广泛的应用。 鼓式制动器广泛应用于重型汽车，起重机提升机械，各种运输工程机械，建 筑机械，起重运输机械的制动系中。其优点是结构简单，工作可靠，动作快，并 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 可在方向有效制动。 1 2 2 研究现状 近代力学的基本理论和基本方程在1 9 世纪末2 0 世纪初已基本完备了。后来 的科学家大多致力于寻求各种具体问题的解，但由于许多实际问题相当复杂，很 难获得具有较高精度的解析解，同时用数值方法求解也遇到计算工作量过于庞大 的困难。通常只能通过各种假设把问题简化到可以处理的程度，以得到某种近似 的解答，或是借助于实验手段来谋求问题的解决。 制动器是三维复杂结构，属于非线性结构分析的领域，同样受到了相同的限 制。制动器的分析都是在理论和经验的基础上，通过一定的假设和简化进行的， 如被大量采用的k o e s s l e r t s ) 的关于鼓式制动器接触压力成余弦分布这一假设等。这 是传统结构分的理论研究中的主要形式，应用极为广泛，如： 考虑在通常的制动情况下，制动产生的热能在制动摩擦时的损失的问题。 o l e s i a k 等的关于制动期间的温度和磨损的问题，研究中包括了大量的理论 公式和经验公式，最后推导出相应的温度方程和磨损方程。但非常复杂，不利于 数学计算f 9 1 。 k o n g 和a s h b y 提出的是关于制动摩擦产生的热能导致的制动器温升包括名 义温度和闪点温度的设定，从而开辟了一条新的分析途径，并且他们就一半空间面 和平面的接触关系来决定闪点温度的问题进行了研究【1 0 l 。 r o w s o n t ”1 考虑的则是制动的热能如何进入摩擦的表面的问题。这其中，他 通过假设制动减速度为恒定的这一设想来达到简化模型的目的。 同样的还包括m a t y s i a k 等就多层摩擦衬片的摩擦特性( 温度、磨损量等) 进 行的研究，其立足点也是己经发展的具有相当精度的理论【1 2 】。 这些方法都有一个共同的特点，就是不可避免的在推导时需要对模型进行一定 的简化，但他们所获得的结果却又重新累计为复杂的模型，缺乏有效的使用性。这 是数学推导中很难避免的现象。因为理论模型采用的一般都是连续性的近似曲线公 式，而现实中的数据大多是离散的，是宏观上的有规律性和微观上的无规律性的对 立统一。因此，理论分析的对象始终受到了技术上的限制而无法扩展到更加复杂的 研究领域； h o h m a n 等利用a d i n a 对鼓式制动器和盘式制动器进行结构分析，就应力 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 场和接触压力的分布特点与初始的传统理论假设进行对比，并就不完全一致的问 题进行了研究【”1 ； 制动器的各个部件制动蹄、制动鼓、摩擦衬片整体考虑进行模拟研究，并利 用s a p 5 程序进行应力计算，整个分析的基础在于跨过了摩擦片研究这一复杂领 域，直接在整体的基础上进行了制动器强度分析； 将实验和有限元计算相结合，对鼓式制动器进行模态参数识别，以计算模态 分析析为主，通过实验来检验结果； 首先建立制动器的力学模型，再通过有限元法计算摩擦衬片在力场和温度场 中的应力分布，并与实际情况进行对比，结果完全一致 这些，都表明了工程分析软件在对具体问题中应用的优越性，它跨越了进行理 论分析所需的大量复杂公式的推理、诸多的简化，乃至必须的某些特定理论知识， 从而扩展了研究者和研究对象的范围。 但是，这并不表明理论研究是不重要的，毕竟它们是进行各类研究的基础， 甚至是这些工程分析软件的核心。这两种分析模式实际上是互补的，理论分析适 用于对通用理论进行的研究，可以立足于有限元分析所获得的各项数据和规律， 而工程分析软件的应用需要大量的真实数据的输入，所以比较适用于对具体问题 的研究和解决。并且在研究中，后者可以立足于己有的理论知识来建立对象的实 体模型和相应的环境设置。 随着汽车工业的发展，制动器制动鼓( 摩擦片) 将在更加苛刻的条件下工作， 摩擦热导致摩擦衬片温度的升高，摩擦系数的变化和磨损加剧以及制动力矩波动 使得制动不稳等问题仍未解决。几十年来，各国摩擦学和材料学者从配方选择、 工艺改良、材料变革诸方面做了大量工作。如苏联学者b h b a o c o b 从导热微分方 程出发推导出计算摩擦系数的方程1 4 1 ，考虑发热与散热诸条件，但是求解微分方 程采用解析方法，使的求解能力受到限制。a z a r k h i n 和b a r b d l 5 】【1 6 】用g r e e n 公式 和傅立叶变换相结合的方法求解了h e r t z 接触的瞬态热弹性问题，但他们假设其中 一个物体是绝热的。e z a f u o d z k i l l 刀利用有限差分法计算了多片制动器( 和离合器) 的瞬态温度场及准稳态下的熟应力分布情况。由于所建立的模型为轴对称模型， 不存在移动热源问题。 之前有不少学者采用很多近似办法，将制动器简化为二维模型计算制动盘温 度场和应力场。这种分析方法简单、易行，不仅能够模拟制动器的结构，温度场 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 的情况，还可以模拟出制动器的结构一热耦合场的情况。但是这种方法过于简化， 模拟的结构只能够参考，实际应用价值不高。 同时，国内也针对盘( 鼓) 式制动器的数值模拟分析方面也作了一定的工作， 在针对制动器的温度及结构分析方面做出了一部分成果。 国内的一些高校如：武汉理工，长安大学，华中科技大学等都对制动器的数 值研究和模拟作了一定的工作，分别针对制动器的温度场，结构分析，以及噪声 和振动等制动因素做出了大量的分析。北京科技大学的张文明n 8 1 对湿式制动器的 制动过程和摩擦温度场进行了研究，姚安佑建立热传导模型【1 9 】，武汉理工大学的 程亚军口”对盘式制动器的温度场进行了试验研究，华中科技大学【2 l i ，长安大学的 袁伟 2 2 1 ，武汉大学的马迅p 3 等对鼓式制动器进行了一定的研究，但他们主要针对 制动盘或传统的鼓式制动器进行研究，对于通风盘式制动器以及冲焊鼓式制动器 的没有做深入研究，未能对其制动规律做出很好的研究。 一些汽车企业也针对自己的需要，对不同类型的制动器做了一些分析，如青 岛重汽集团等，他们所做的工作大部分局限于简单单物理场的分析，即一般都是 进行一些普通的结构应力上的分析。 随着电子计算机技术和有限元方法的发展，为计算制动器温度场和应力场提 供了有力的手段。因此分析中采用理论分析及有限元方法，对通风盘式制动器的 摩擦片本体温度场的导热方程及其等价泛函进行分析，对摩擦片复杂的温度场边 界条件进行合理简化，建立摩擦片本体温度场及表面压力场的有限元数学分析模 型，计算出摩擦片的本体温度场及表面压力场。同时对冲焊鼓式制动器进行结构 上及摩擦热的理论基础进行阐述，然后在理论的基础上进行合理的有限元分析。 目前，a b s 广泛应用在汽车上用于改善操纵性和转向性，提高制动效能。由于 制动元件及制动管路的弹性等多因素的影响，制动器输出的压力周期性波动，因 此增加制动过程研究的难度，而同时考虑装有a j 3 s 的制动器温度场的理论求解和 数值模拟的研究未见报道，本文对此也不做研究。 1 3 制动器数值模拟存在的问题 目前对盘式制动器的研究大多限于对实心盘式制动器，鉴于通风盘式制动器 和实心盘式制动器存在着结构上的差异，对实心盘的数值模拟结果并不能代替通 风盘式制动器的结果来使用。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 通风盘式制动器与实心盘式制动器的主差别主要在于结构上的差别，顾名思 义具有透风功效，指的是汽车在行使当中产生的离心力能使空气对流，达到散热 的目的，这是由盘式碟片的特殊构造决定的。从外表看，它在圆周上有许多通向 圆心的空洞，这些空洞是经一种特殊工艺( s l o t t e d e d & d r i l l e d ) 制造而成，因此比普 通盘式制动器散热效果要好许多。 通风盘式制动器的数值模拟分析包括其温度场和结构场的研究，制动摩擦表 面温度场的研究不仅仅包含了一般滑动副表面温度瞬态分布的固体热传导研究、 接触表面模型的研究和摩擦接触界面传热规律的研究，还牵涉到重复作用的移动 热源对表面温度场的影响。对制动摩擦副表面进行热分析不仅要解决速度可变效 应问题，还要解决摩擦片与制动盘之间的温度场和压力分布的问题。因此，全面 地研究制动摩擦副表面温度瞬态分布是一项庞大而复杂的工作。同时由于通风盘 式制动器的优点在于其良好的散热性，因此通风盘的温度场分析主要还是同实心 盘式制动器的对比，以检验二者之间的散热差别。虽然各国研究人员在计算方法 方面进行了大量的工作，但数值模拟结果与实际情况仍有不小出入。 针对目前研究出现的问题，本文主要是针对通风盘式制动器同实心盘式制动 器的对比分析问题，由于实心盘的结构场的分析主要是针对制动盘与摩擦片的接 触摩擦应力，而通风盘由于同实心盘的结构差别，同时还要考虑通风盘受到压力 后盘片同盘中间条幅接触处的应力大小。 对于鼓式制动器来说目前国内大多数的研究限于纯粹的单物理场的研究，或 者是由于热引起的热应力变化，并没有多少真正是模拟实际情况的由于结构上的 摩擦产生的热变化来进行研究的。鼓式制动器结构场的的研究主要是针对过去一 些普通的单片摩擦片同制动鼓之间的接触摩擦，研究的对象主要过去的鼓式制动 器，一般重量较大，结构相对比较简单。目前国内做的工作也不多，有些只是针 对小转动，小位移变化的摩擦热的研究。主要是通过先让摩擦片同制动鼓相接触， 然后对制动鼓旌加一个小转动来实现结构一热耦合场的研究，这种方法能够体现 鼓式制动器的生热趋势，但是过于简化，不符合实际的运动情况，不具备真正的 实用价值。 综上所述，对通风盘式制动器和鼓式制动器的的研究还有许多工作需要深入 进行。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 研究通风盘式制动器和鼓式制动器的实际意义 对于通风盘式制动器的应用越来越广泛，其良好的散热性能和制动性能越来 越多的使用于汽车上。但是针对通风盘式制动器的研究就目前来说还是不多，因 此就越有必要对其进行研究。众所周知，通风盘式制动器的散热性能是其优于实 心盘式制动器的重要因素，其散热性能好了，由热引起的结构应力对制动性能的 影响也会相应的降低，使通风盘式制动器的制动性能也相应得到提升。但是具体 的影响是如何降低的，其散热性能与实心盘式制动器相比提升了多少，并没有人 能够提出，因此就越有必要对其进行研究。针对通风盘式制动器的温度场和结构 场的研究对制动振动和噪声的研究、高性能制动器的设计以及最佳制动摩擦材料 的搭配选择，具有很好的工程应用价值和理论指导意义 2 4 1 1 2 5 1 。 鼓式制动器也称内蹄式制动器【6 】，它广泛应用于各种运输工具的制动系中。因 此针对鼓式制动器的研究和分析显得犹为重要，而且本人研究的鼓式制动器其结 构上又属于冲焊鼓式制动器，由于其自身结构方面的一些优势，因此在各方面的 使用中占有一定的比例。而且目前国内针对冲焊鼓式制动器的研究还没有多少， 因此说明对冲焊鼓式制动器的研究和分析不仅具有实际意义，还有广泛的发展空 间。 冲焊式的鼓式制动器主要应用于大型车上的制动系统中，因此是一个非常具 体的实际问题，所以采用工程分析软件来进行有限元分析，同时应用必要的理论 来设定分析的环境、合理的约束条件和边界载荷。 1 5 本课题研究的主要内容 1 5 1 冲焊鼓式制动器 普通的鼓式制动器的制动蹄片是等厚的，冲焊鼓式制动器采取了不等厚的制 动蹄，达到和制动鼓的更加完全接触的目的，进而产生更大的制动力，达到更好 的制动效果。结构方面，普通的鼓式制动器一般是整体式的，而冲焊式制动器是 分离式的，它们的连结方式是制动蹄的筋体和制动蹄块通过几个焊点焊接在一起 的，重量上比一般的鼓式制动器轻一些，制动效果更加明显。 研究的主要内容： ( 1 ) 冲焊鼓式制动器有其自身的特点，而它与普通制动器最明显的区别就是具 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 备了更好的制动效果，归根结底就是因为冲焊鼓式制动器的不等厚蹄片。同时产 生了大量的问题由于制动蹄片与制动鼓接触的更加完全，因而产生了更多的热量， 接触过程中产生了更多的问题。主要研究的目标就是围绕着冲焊鼓式制动器的不 等厚制动蹄片进行一系列的研究。 ( 2 ) 研究摩擦界面间耦合场、应力场问题，对整个制动器进行结构和摩擦热分 析，用图表直观地表示出制动器摩擦热导致地温度场以及应力场地分布状况，分 析研究制动摩擦表面温度场和应力场分布以及对制动器设计的影响，得出一些对 后继工作有参考价值的结论，为探讨摩擦制动器热疲劳破坏、制动噪声打个基础。 1 5 2 通风盘式制动器方面 本课题在实心盘式制动器的基础上对通风盘式制动器的制动过程进行研究， 主要研究内容包括以下三个方面： ( 1 ) 根据传热学的基本理论，推出制动盘及摩擦片瞬态温度场的导热微分方程， 并提出针对通风盘式制动器非稳态温度场的计算和分析方法。 ( 2 ) 应用有限元方法，利用a n s y s 软件建立模型，计算通风盘式制动器具有移 动热源且速度可变效应的非轴对称三维瞬态温度场，并对温度场的分布规律 进行分析、讨论。 ( 3 ) 借助a n s y s 软件，对通风盘式制动器的工作过程进行模拟，计算出制动器 的应力场分布，并对应力分布规律和制动规律进行分析、讨论。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章冲焊鼓式制动器结构场的有限元分析 2 1 冲焊鼓式制动器的特性 图2 - 1 鼓式制动器模型简图 典型的鼓式制动器( 如图2 - 1 ) 主要由底板、制动鼓、制动蹄、轮缸( 制动分 泵) 、回位弹簧、定位销等零部件组成。底板安装在车轴的固定位置上，它是固定 不动的，上面装有制动蹄、轮缸、回位弹簧、定位销，承受制动时的旋转扭力 2 e l 。 每一个鼓有一对制动蹄，制动蹄上有摩擦衬片。制动鼓则是安装在轮毂上，是随 车轮一起旋转的部件，它是由一定份量的铸铁做成，形状似圆鼓状。当制动时， 轮缸活塞推动制动蹄压迫制动鼓，制动鼓受到摩擦减速，迫使车轮停止转动。 在制动时轮缸受到来自总泵的液压后，轮缸两端活塞会同时顶向左右制动蹄 的蹄端，作用力相等。但由于车轮是旋转的，制动鼓作用于制动蹄的压力左右不 对称，造成自行增力或自行减力的作用。因此，业内将自行增力的一侧制动蹄称 为领蹄，自行减力的一侧制动蹄称为从蹄，领蹄的摩擦力矩是从蹄的2 2 5 倍， 两制动蹄摩擦衬片的磨损程度也就不一样。 为了保持良好的制动效率，制动蹄与制动鼓之间要有一个最佳间隙值。随着 摩擦衬片磨损，制动蹄与制动鼓之间的间隙增大，需要有一个调整间隙的机构。 过去的鼓式制动器间隙需要人工调整，用塞尺调整间隙。现在车上的鼓式制动器 都是采用自动调整方式，摩擦衬片磨损后会自动调整与制动鼓的间隙。当间隙增 大时，制动蹄推出量超过一定范围时，调整间隙机构会将调整杆拉到与调整齿下 l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 一个齿接合的位置，从而增加连杆的长度，使制动蹄位置位移，恢复正常间隙。 这是一个机械系统，它完全与车上制动液压系统是分离的：利用手操纵杆或 驻车踏板( 美式车) 拉紧钢拉索，操纵鼓式制动器的制动蹄，起到停车制动作用， 使得汽车不会溜动；松开钢拉索，回位弹簧使制动蹄恢复原位，制动力消失。 本文的分析的冲焊鼓式制动器的特点在于其不等厚的摩擦片，制动蹄板的轻 量化，转动惯量较小，同时也能够保证其良好的制动性，广泛的应用于各种重型 车辆上。 2 2 冲焊鼓式制动器结构场的理论基础 2 2 1 冲焊鼓式制动器的运动分析 设质量为m 的汽车制动时，受到制动力f ，速度v 随时间t 变化。汽车制动 的微分方程可以表示为【2 _ 7 】 2 8 1 ： m 拿= f ( 2 - 1 ) 当汽车所有车轮抱死时，附着系数都等于滑动附着系数，得 垂：一g 妒( 2 _ 2 ) 万一g 伊 。2 _ 2 即为汽车车轮抱死滑动阶段的运动微分方程。从式( 2 2 ) 中可以看出，制动减速 度与汽车参数无关。 由于制动鼓受制动力作用，作减速运动。整个制动时间t ，分为载荷由0 增长 至最大值的时间0 和载荷稳定作用时间f o 。v o 为初始速度，m 为汽车质量，m 为 制动力距，口为转动角度，根据o l e s i a k 1 1 】阐述的运动方程： 掣= 小号e x p ( 一捌 c h ， m o = m v 2 2 一m v 2 2( 2 _ 4 ) ；( g k m = 肌r 2 。一三【1 一e x p ( - f ) 】 ( 2 5 ) 考虑制动稳定阶段t f 。j t t o f 时，制动载荷趋于稳定，可视为作匀减速运动。 青岛理工大学工学硕士学位论文 制动鼓相对转动距离是指制动器开始起作用到制动蹄和制动鼓无相对运动这 段时间内，制动鼓内表面所走过的相对距离。考虑理想工况，以采用防抱死装置 的制动系统为分析对象。 由制动器开始动作，到车轮完全抱死的时间f l 为0 2 0 8 s ，将这段时间等分 为n 段，考虑制动热能最大情况，汽车车轮所走过的距离sf f g 2 9 ： s ：窆( 巧出一9 1 - - - 口t 阻) 2 ) ( 1 - - s t ) ( 2 1 式中k 一各等分段起始时车速； 啦一各等分段中点对应的制动减速度： 出一等分段时间差： s ，一各等分段滑移率。 从汽车开始制动到汽车完全停住时间内，汽车所走过的距离s ”为： = 是凡 ( 2 - 7 ) 轮转圈数n 为： = 囟+ s ”) 2 n r ( 2 - 一8 ) 由此可求得制动鼓相对转动距离： l = 2 a n r = p + s ”) _ r ( 2 q ) 对于制动鼓的运动，在理论分析中可用于计算滑动距离，并由此可大致推 导摩擦热流的大小。但在本课题中，首先是在a n s y s 软件中进行冲焊鼓式制动器 的结构场有限元分析。之后的摩擦生热过程在l s _ d y n a 中进行模拟仿真。 2 2 2 基本参数对制动的影响 ( 1 ) 制动器制动力增长速率 随着制动力增长速率地增加，车轮抱死前的制动时间r 减小，s l 得到有效的控 制；相对的s ”有所增加，但总的制动距离减小。因此，增加制动器制动力增长速 率是缩短制动距离的一个有效途径，这是制动系统设计的一个基本条件但由于汽 车的动态特性本身的约束，最终t 和s 的变化幅度会越来越小。因此对于制动器制 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 动力增长速率的提高应有一定的限制，没有必要提高太多，否则效果不明显，反 而增加了制动系统设计制造的难度1 3 0 1 。 ( 2 ) 整车质量m 汽车的制动距离随汽车质量的增加而增长。整个质量对t 和s 的影响较大，对 s ”的影响较小。这些影响的原因是，当整车质量增加时，地面制动力也增加，从而 延长了t 。因此，对于重型车来说，即使制动器的制动力够大，它的制动距离一般 都要比轻型车长一些。 ( 3 )车速v 车速对制动距离的影响很大，随着车速的提高，s 、s ”均有所增加，但是相对 的s ”的增长很快，抱死时间由于车轮动量矩的改变也有增加。 ( 4 ) 地面附着系数驴 随着地面附着系数的减小，虽然r 和s 减小，但s ”增加很快，所以整个制动距 离增加，而且幅度较大。原因在于地面最大制动力的下降，当附着系数比较小时， s ”在整个制动距离中所占比例大，不利于对汽车制动距离的控制。 ( 5 )坡度 坡度对制动抱死时间的影响不大，仅当坡度较大时，才需要考虑。因为制动抱 死时间与地面附着力有关，而地面附着最大附着力在坡度不大时，变化不大。但 坡度对制动距离的影响比较明显，尤其对s ”的影响，主要由于下滑力对制动力进 行了弱化。在本课题的研究中，仅考虑坡度为零时的制动，因此可以忽略坡度的 影响。 2 3 冲焊鼓式制动器的模型 2 3 1 能量转换 汽车制动时其动能通过汽车轮胎与地面之间的摩擦，以及制动鼓之间的摩擦 转化为热能。在分析制动鼓与制动蹄之间摩擦所消耗的能量时，从能量平衡的角 度提出热流的计算方法。 在汽车制动过程中，制动蹄摩擦衬片对制动鼓作用一个制动力矩，在该力矩 的作用下，制动鼓的转速逐渐降低，直到停止。此时，摩擦力矩与制动鼓所转过 的圈数之积即为摩擦力矩所做的功( 采用制动力与制动鼓的相对转动距离表示) 。这 1 3 青岛理工大学工学硕学位论文 部分功均转变为热能，其大部分被传递给制动鼓，导致其内表面温度升高 2 5 1 3 q 3 2 1 。 制动产生的热能归根结底来源于汽车的动能e ，总的制动能量由制动器吸收能 量g 和轮胎摩擦消耗能量学g 组成，q = 儿。 这表明在动能一热能这一总量平衡的能量转换中的能量总和，可以用来计算 在特定的制动力条件下，理论上制动器温升的大致范围和汽车制动的大概距离。 2 3 2 冲焊鼓式制动器的力学模型 整个制动器可划分为转动部分( 制动鼓) 和非转动部分( 制动蹄) 。其中的转动部 分属于动力学范畴，而非转动部分可以通过最基本的静力学进行分析。转动部分 和非转动部分之间则存在着接触摩擦。 图2 - 2 即为制动器的力学模型图，清楚的表示了制动蹄上的受力情况。 z t 图2 - 2 制动蹄的力学模型 2 3 3 制动鼓及摩擦片上的接触压力 在早期的制动器分析计算中，曾经假设制动蹄和制动鼓之间的单位压力是沿 周向均匀分布的。这一假设与实际情况相差较远，据此计算出来的制动力矩较实 际值为大。目前计算中广为应用的理论单位压力分布规律是余弦分布规律。制动 时，径向压力的大小，与制动蹄板的径向位移有密切关系。然而，制动蹄板作为 弹性体存在受力后会发生变形的情况。制动蹄板在压迫摩擦片与制动鼓接触的同 时，本身也受到一个反作用力而发生变形。这又反过来影响了摩擦片表面的压力。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 因此，探讨摩擦片表面压力的分布必须从制动器本身的结构和制动蹄板的变形两 个方面来进行研究。最有效的方法就是利用有限元法并结合摩擦理论，可计算出 各单元节点上的径向压力和摩擦力。再进一步研究整个摩擦片表面的分布压力1 3 。 因制动鼓的刚度与制动蹄相比较大，计算时可认为制动鼓不变形。此时摩擦 片在与制动鼓接触的表面只有切向位移而无径向位移。设正压力p ，转角0 ，摩擦 系数厂，摩擦点的位移为： 缸= - c o t o 缈 摩擦点的摩擦力为： 巧= u c o s o s i n o ) r 乙= 一( c o s # + f s i n o ) r ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) t = f r( 2 1 3 ) 通过有限元基本公式皿 = 扩) ，即可得单个摩擦点的有限元矩阵公式，解 之即得节点处的正压力，若有n 个摩擦接触点，用上述方法即可得n 个压力值咖。 2 3 4 制动蹄上制动力矩 效能因子k 之所以成为评价制动器效能的主要指标，是因为它表征了制动器 把一定大小的制动蹄促动力f 转化为制动器制动力矩并进而转化为制动力的能力。 其中的关系为 3 5 1 3 6 1 ： m = k f r( 2 1 4 ) 式中的效能因数可根据我国汽车行业广泛采用的计算公式计算。 2 3 5 制动蹄力学分析 鼓式制动器的理论分析是基于制动鼓和制动蹄片之间的接触正压力成余弦分 布的理论。这一理论的立足点在于制动鼓和制动蹄片具有相同的曲率分布。并且 在接触面的任意一点，摩擦系数均保持一致，制动摩擦力d f = 臼p 。制动力矩 通过对接触点的摩擦力对旋转中心求矩来获得。制动前蹄和后蹄产生的摩擦力与 制动鼓旋转方向相反。制动缸的促动力压强f 成水平方向，作用面积为s ，并与蹄 片所受到的正压力、摩擦力及支撑轴反力r 相互平衡，如图2 2 。 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 接触面压力为p = ，k ( t o s s - 力，名。为制动鼓和制动摩擦片之间的最大压 力，口为蹄片上某一点和0 点连线与石。轴夹角，妒为最大压力线与蜀夹角。由静 力学平衡方程【3 7 】得： f s s i n a o + rs i n & i n + c 。s & i n r s i n j = o ( 卜1 5 ) 网c 。s 岛一e c 。s & i n + e s i n & i n + r c o s 万= o ( 2 1 6 ) f s i ，一f 2 r f a n r 1 ，c o s 6 = o ( 2 1 7 ) 领蹄的力学模型与从蹄类似，摩擦片包角q + 岛= 1 1 9 ，制动摩擦力是由制动 缸的促动力对制动蹄作用而产生。 促动力压强为30 0 00 0 0 帕，可以作为a n s y s 分析中的载荷参数输入，表征 制动活塞对制动蹄施加制动力矩的来源。 2 3 6 力场作用下单元三维空间内有限单元分析 由于制动器结构的复杂，受力的不均，无法有效地简化为平面问题或轴对称 问题，因此，按照空间问题求解是对鼓式制动器进行有限元工程分析的基本方法。 对于八节点的六面体单元，在空间问题中有2 4 个节点位移鸬，q ( i = l ，8 ) ，在 求解空间问题时都是基本未知量，可表示为1 3 8 1 【3 9 1 ： 扩 = 【】p 8 ( 2 1 8 ) 式中【n 】形函数矩阵 p r 单元位移列阵 则单元的应变可用其节点位移表示为： p = 陋p r = 函岛最弦广 ( 2 一1 9 ) 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 式中p 。】： o o o n x ；v d 三 o o n x z d v o n y z a 工 斜= k ，占，以r 由三维物理方程，得应力p ) = 【d = 【d 1 8 】p r p = k ，1 7 ，吒，k ，k ) ， 【d】=硐e(1-u) l 生 1 1 一t 生1 1 一社1 一耻 000 土兰生 2 ( 1 一) 0000 土兰生 2 ( 1 一) oo o o0 兰生 2 ( i 一) ( 2 - 2 0 ) 单兀刚度矩阵为： m = m 旧 d i b d v ( 2 _ 2 1 ) 将单元载荷移植到节点上，则： 陋拦= i n r p ) ( 2 _ 2 2 ) 然后，将单元刚度矩阵组集成总刚度矩阵医】，将单元载荷列阵组集成总节点 载荷列阵皿】，便得到线性代数方程组k 弦) = 陋】，从而求得) ，进一步求得应 力p 。 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法：选择节点力 1 7 。堕砂。啦f呖f。 a a a 一 等。等。等 青岛理工大学工学硕士学位论文 作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量 时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用 范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物 理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采 用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为 坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。以上的矩阵模式就是 有限元分析中通常采用的位移法的表示形式，即工程分析软件的通用算法的原型。 2 4 冲焊鼓式制动器的结构场有限元分析 2 4 1 分析过程 整个冲焊鼓式制动器的分析过程按照a n s y s 的工作流程可分为前处理阶段、 加载、求解阶段和后处理阶段【4 0 1 4 1 1 。 ( 1 ) 前处理，即有限元建模。利用a n s y s 前处理程序p r e p 7 ，经过单元类型选 择、材料参数确定的有限元模型、几何建模、网格的划分、单元生成等步骤 建立鼓式制动器分析。 ( 2 ) 加载和求解。利用a n s y s 求解程序s o l u t i o n ，经过定义分析类型和选择 项、约束与加载及激活有限元单元求解器。并就分析的问题设定分析的模式 ( 稳态、瞬态等) 、载荷步的数目和时间、每个载荷步中子步的数量和分配， 随后就会按照所设定的条件进行求解等。 ( 3 ) 后处理。利用后处理程序p o