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南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 1 页 共 14 页 多个圆盘湿制动器在润滑的环境下的设计方法的研究秦大同 孙东叶( 重庆大学 机械传动国家中心实验室，中国重庆 400044 )摘要:在摩擦副之间发生的机械热现象极大地改变多个湿制动器圆盘的衬套压力和摩擦表面温度的分配。 它已经成为制动失败的主要因素之一。 为了了解这些机械热现象, 很多设计和对机械热现象有很大影响的物质因素，例如热转移系数，摩擦因素, 滑动速度, 最初的衬套压力等等都应分析。等温的设计方法是计划设计一个多个湿制动器圆盘关键字: 湿制动器 机械热现象 热转移系数 摩擦因素0 介绍多个湿制动器圆盘主要地有摩擦副, 一个反对板块和一个活塞。每一个摩擦副包括一个摩擦片和一个钢片。摩擦片是圆盘中在摩擦材料的两边排成一行的金属轴。正常湿制动器的结构如图1所示。图 1 多个圆盘湿制动器机械热现象由非均匀的 垫片热变形所引起的。因为在径向的热发散，热转移系数和摩擦因素的分布不均匀, 所以在湿制动的啮合期间摩擦表面温度将会以不同的比率增加。 在较高温度的分布区中，比较大的垫片热变形将会见到。 即使最初的热发散是均匀分布的。由于热移动系数和摩擦因素效果的变化，变形将变的不均匀。 在变形较高的局部区域，必然产生较大的压力。 依次，由于在这些区域的热膨胀，从而引起较高的温度上升和促进局部压力的增加。 这个过程叫做 机械热现象。 这个现象将会导致实连接区域的减少, 表面温度和摩擦片损坏率的增加。机械热现象主要是由于湿制动的失败而造成的。南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 2 页 共 14 页 通过将摩擦衬套的压力分布的最佳化来减少机械热现象的效果。 基于有限的元素分析, 等温的设计方法是计划设计一个多个湿制动器圆盘。1 机械热现象的影响因素1.1 摩擦因素的影响摩擦片和钢板之间的动摩擦因素在机械热现象 上是影响因素之一。 当滑动速度 v和衬套压力 p 是常数的时候，热发散 q 可能随着摩擦因素 f的改变而不同。 因此 , 一个非均匀的热垫片将会产生变形。 根据他们的构成，用于湿制动器的摩擦材料分为多个类型, 例如sintered青铜-, 石墨- 和以纸为基础的材料。材料的改变在啮合期间能极大的影响平均动摩擦因素。 即使相同类型的摩擦材料, 随着摩擦表面温度 t , 滑动速度v 和衬套压力 p的改变，平均动摩擦因素 f 将会极大的不同。以纸为基础的摩擦材料在于研究纸。 纸 以它的高动摩擦因素和极低的静态的/动态的系数比而闻名。 这个特征使得以纸为基础的摩擦材料在制动期间非常的平滑和安静。为了获得随着温度 t变化的摩擦因素, 速度v 和压力 p 的规律性, 以纸为基础的摩擦材料的正交实验完成的是一个 LBA0049 惯性力。在这实验中，摩擦因素被定义为客观的数值。 像温度 t, 速度 v 和压力 p 这样的叁数,以一个多线形的衰退方法被分析。 标准的正交表格 L 被采用。参数 x， y， z,k和m 被定义为上限、下限、零界限、变化范围和可变代码。所有的叁数的变化范围如表 1 所示。代码变量只能从 -1 到 +1变化.(1)2)(120iiiZ(2)iii(3)iiiiX)(0表 1 代码变量计划变量 温度（Z1）t/ 速度（Z2）v/(ms -1） 压强（Z3）p/MPa- 80 0.3 0.7)1(tZ90 0.4 0.92t南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 3 页 共 14 页 85 0.35 0.8tZ05 0.05 0.1t函数 18/xz20.35/.xz30.8/1xz摩擦因素的衰减方程由以下方程给出：(4)ijijiixbxbf310(5)MNfBbApn10这里 ， ， -衰减系数0biji表 2 摩擦因素的多线性变量衰退分析i=1,2,3 (6)MNfxBbpiii 1ji (7)fxppjijiji 1)(这里 N-实验数字，N=8南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 4 页 共 14 页 M-相同实验 中的重复数字， M=3衰减方程系数的测试通过以下方程获得： (8) ekKkfSF),(ekaf(9)()(12112 pvtSptyMNy kkijijNijije 摩擦因素的衰减方程为： (10)3232121 03.58.03. xxxf 如果温度t,速度v,压强p代替以变量,则得到摩擦因素新的方程 ：(11)vptpvtf .0.6.21. 1.2 热转移系数的影响摩擦材料的表面有允许冷却液流动的凹槽。 热转移系数分布将会随着凹槽式样和径向的位置而极大的改变。 即使热发散的分布在沿着径向是均匀的, 热垫片的变形由于热转移系数的变化，也将会是非均匀的。 因此在冷却液和钢板之间的热转移系数也是机械热现象影响因素之一。 首先, 抛物线的流程需要被定义。如果在那里存在一个三维空间流量的主方向 , 动力的散布,热,质量，等等，能在这些方向被疏忽。 如果没相反的流程,这个流程叫做抛物线的流程。在引进在凹槽热转移问题上的数学方程之前，确定简单假定的描述将会单个凹槽的层流流动和热转移的数学分析中给出（图2）。南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 5 页 共 14 页 图 2 (1) 在主要的流动方向, 热发散和重量都被疏忽，而且对流是冷却液流动和板块之间的热传递的主要因素。(2)因为在钢板和以纸为基础的摩擦片之间的热传导率极大的不同, 所以大部份在制动期间产生的热被钢板吸收。 在摩擦片和冷却液之间的热传导率能被认为等于零。上述的假定能减少订单数目的计算量。 三维空间的流程将会被转化为一系列的二维空间的流程。 在笛卡尔坐标系 中x ， y, z（图 2） 被解决如下。连续性(12)0yvxuNavier-stokes 方程： 2yuxpXyuvxf2vyYf在 x=0 , 0yd; u=0,v=0在 x=b , 0yd; u=0,v=0在 y=0 , 0xb; u=0,v=0南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 6 页 共 14 页 在 y=d , 0xb; u=0,v=0 (13)这里 u,v,w -在x,y,z方向的速度的组成b,d,l -凹槽的宽度，深度和长度 -油液密度 -动态黏度pf -液流压强X,Y,Z -在x,y,z方向的重力u和 v 的结果能通过使用有限的不同方法的数字解决而获得。速度 w 的整个分布能从下列方程式中获得。(14)0zw02z22ywxypXyvxuf在 x=0 或 x=b, 0yd; w=0在 y=0 或 y=d, 0xb; w=0 (15)当第一个假设满足，则 等于零。 温度分布能从以下方程式中获得。2zt2ytxctwyvxtupf在 y=d, 0xb; t=t m在 y=0, 0xb; =0tn在 x=0, 0yd; =0在 x=b, 0xb; =0t在 z=0, 0xb 0yd; t= (16)0t南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 7 页 共 14 页 这里 -钢板的温度mt-冷却液的初始温度0-平常温度的斜率tn-液体的具体的热度pc-冷却液的导热 率f基于冷却液的速度场能通过方程 （12） 到 （15）而得到, 每一个相连部分的温度分布能藉着有限不同方法通过方程（16）获得。 根据在表 3 所显示出的参数, 当 z 等于 35.5 毫米和 71 毫米的时候。 结果如图 3 所示。在正常的钢板和冷却液之间方向的平均温度的梯度是由下列图表给定的。图 3 在z = 35.5 mm和z = 71 mm时的温度域(17) bdxytxnt0表 3 结构和物理参数摩擦片的内部半径 /mm 160.51r摩擦片的内部半径 /mm 231.50南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 8 页 共 14 页 油液凹槽的宽度 b/mm 3.18油液凹槽的深度 d/mm 0.64油液凹槽的长度 l/mm 71在单个凹槽中的油液质量流动率m/(kgs -1 ) 3.24 310冷却液的初始温度 500/tc液体的具体的热度 21771()pjkg-冷却液的导热率 0.126/fWmK最后，热传递系数 沿着径向通过方程 (18) 计算的:(18)bdsyttmf0被定义为如性质上的温度并通过下列方程计算:t(19)dbwxytt0图 4 举例说 明在径向的多个平行的凹槽热移动系数的分布。 它显示在摩擦片的内部附近的冷却效果显然地是比较好的超过一在外部附近。 在设计一个湿制动器时，巨大的热发散应该在内部附近产生来确保沿着板块的径向垫片的热变形是均匀的。南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 9 页 共 14 页 图 4 制动器的几何和材料参数2 机械热现象的 FEA 模型 在图 1 所示的方案能在图 5描述。它主要地包括摩擦片，钢板，一个 对立板块和一个活塞。为了要建立有关的 FEA 模型,下列的关键点需要被考虑。(1) 多个圆盘湿制动器的最重要的结构特征是摩擦片和钢板之间的间隙。 为了计算在摩擦副之间的压力分布, 间隙被使用。 有间隙的 FEA 模型会成为一个非线性模型。(2) 摩擦因素不是常数。 它将会随着像板块的表面温度 t ，滑动速度v 和衬套压力 p 不同的使用条件而改变。(3)在冷却液和钢板之间的热转移系数在径向不是一个常数。在 FEA 模型中，每个部分被假设成一个线性弹性物体。系统的外力包括作用在活塞上的液体的压力 p和通 过在轴方向的浮液而作用在 对立板上的支承力。 液体的压力 p 依下列各项被定义无尺寸的量纲。南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 10 页 共 14 页 (20)FpA这里 F-作用于活塞的应力A-单个摩擦表面的接触面积P-衬 套压力图 5 多个圆盘湿制动器的组合图当多个圆盘湿制动器的几何学的和物质参数在表 4 中给出的时候.表 4 制动器的几何和材料参数钢板的厚度g/mm 2.4摩擦片的厚度g+2 /mm 2.74+21.18fg油管的实际半径 /mm 174r钢的弹性系数 200/sEGPa摩擦材料的弹性系数 2.1/f钢的关比率 0.3s摩擦材料的关比率 0.2f南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 11 页 共 14 页 油液压强 2.5/pMPa为了核对 FEA 模型, 在开始的衬套压力分布方面的 实验被完成。 有限元素的分析和实验的结果如图 6 所示。图 6 无纲量衬套压强的分布在现实的制动器中，活塞和对立板的几何参数是复杂的。 设计活塞和对立板的硬分配的率的方法学是在建立理想的起始压力分配方面检索表 。3 设计方法在湿制动器的操作方面，二个不同的模态可能被识别。 在紧急制动模态, 摩擦片和钢板在非常短的时间内彼此相互滑动。 它通常从 0.2秒到 2 秒之间变化。 在啮合期间被产生时期的磨擦热大都被和流动热转移的一个附属角色的凹槽的钢板吸收。 在持续不断的制动模态中，二个板 块的滑动时间可能长达10 秒到 20 秒。 在这一模态中，温度在板块延伸结局定态的各种不同的翎骨针在几秒之内评价。 在哪一个所有的被产生的热一定被在摩擦片的凹槽中流动的液移动之后。 热转移的价值 , 钢板和凹槽之间的液体系数将会决定制动器的稳定的温度水平。摩擦副和切线的上升温暖气流的温度 t 的强调分别地,相同钢的板块的 被显1示为持续不断的制动如图 7所示。南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 12 页 共 14 页 图 7 在持续制动中温度和切应力的斜坡曲线在紧急制动过程中，钢板的表面温度和切线压力被一个 LBA0049 惯性动力计的热和标准度量测量了。 热和标准度量沿着径向均匀的分布。 在实验的和有计划的结果之间的比较如图 8所示。图 8 测量和计算结果的对比虽然开始的衬套压力在内部的辐部 ( 在图 6 所示) ，图 7 和图 8 表所示的附近比较高高的电动压力和高的温度在外面的辐部附近这是局部热流出输入为什么在任何的翎骨是一个正常压力，摩擦因素和滑动速度。虽然湿制动器可能被设计到低的平均每单位衬套区域能源, 当地的高衬里压力地点南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 13 页 共 14 页 由于 热 可能引起摩擦衬里的表面烧-在摩擦双之间的机械不稳定。钢板通常在支援板块附近的活塞和最后的钢板块附近的第一钢板块被发现。 失败的主要因素是由于棒的温度不同而且热的毁坏。 因为二个钢的板块只有一个摩擦表面, 盘子失败可能是更多产生超过其他的板块。钢板的破裂失败由重复的刹周期的疲累损害所引起。 在一个啮合期间，表面的温度比钢板的主要身体剂量更加快速地上升。 它在被张应力平衡的钢板的外部者引诱压力在那比较冷的内部钢板块。 当这刹周期结束的时候，钢板的外部温度由于冷却油的效果将会变成比钢板的内部温度冷。 压力在钢板的外部者变成钢板是内部的在比较热人中被压力平衡的张力。 因此破裂可能在一个周期的无法欣然接受低数字中发生。概述这些分析, 为了要避免由局部高温和压力所引起的刹车损坏, 运行动态压力的有限元素计算和表面温度是必需的。 对于湿的刹车适当的设计程序能在下列的步骤被描述: 首先，光线的方向的开始的衬里压力分配在统一发情流出的情况之下被估计。其次，以热转移系数和摩擦因素的非均匀分布的影响力看来，开始的 衬套压力分布根据动态的压迫力和摩擦温度被校核。 第三, 为了要了解表面温度的均匀分布和 垫片的热变形, 活塞的结 构而且对立板最佳化。 这 是等温的设计方法。 它将会减少不宜的机械热现象。4 结论(1) 机械热现象由非理性的开始的衬套压力和热转移系数和摩擦因素的非均匀分布所引起。机械热现象导致局部高温和高压力是导致多个圆盘湿制动器失效的主要因素。(2) 在钢板的表面上的切线压力比径向的压力大。 因此钢板的表面损坏通南昌航空大学科技学院学士学位论文 航空与机械工程学院 第 14 页 共 14 页 常是在径向产生的。(3) 如何设计活塞的几何外型是多个圆盘湿制动器的重点。 活塞在摩擦副之间有在开始的衬套压力分布上比较大的影响。(4) 为
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