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差动变速器的设计,差动,变速器,设计
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对不同的通风热结构行为在制动盘上的应用的研究R Vignesh,R Suganthan, and K Prakasan*Department of Production Engineering, PSG College of Technology ,Peelamedu,Coimbatore,IndiaThe manuscript was received on 6 April 2012 and was accepted after revision for publication on 2 August 2012.摘要 一个制动盘有关的最常见的问题是经济过热，影响制动性能，尤其是在持续制动工况下的车辆。在制动盘通风应用可显著提高制动系统通过减少磁盘的加热性能。在这项研究中，使用三种不同结构的通风制动盘的热行为在热应力和热应力的有限元分析连续制动条件研究。结果进行了比较与固体盘。在坚实的制动盘减少到最大的通风应用24%热发电。实研研究表明，有限元温度分析结果在1.13%和10.87%之间的范围。不过，热应力的形成是较高的通风刹车盘与固体片的比较。关键词：制动盘；发热；热结构的行为；通风中的应用1.引言通风式制动盘或转子被称为高性能制动器，并通过凹陷或产生的槽（或两者）对不同形状的盘表面和侧边缘。通风制动盘的最初测试赛车在上世纪60年代的汽车，他们已经被广泛应用在汽车和火车使用不同的设计 1,2 。在制动过程中的动能转换成热。周围的90%的能量是由制动盘吸收，然后转移到周围的空气。固体的制动盘热消散较慢。因此，通风式制动盘，用于改善通过促进空气循环冷却 3，4 。他们一般具有对流换热系数约两倍那些实心圆盘 5 相关的大。有许多研究通风应用相关的在制动盘。尤伯和Heidenreich 6 制造三种不同的通风式制动盘的结构从碳纤维增强陶瓷基复合材料（CMC）和比较他们的优势。antanaitis和rifici 7 证明90洞交叉钻孔模式改进的散热能力该盘之间的8.8%和20.1%取决于车辆速度。aleksendric等人。 8 表现出的能力通风式制动盘转子散热的流动的有限有限元分析(FEA),文基塔汉姆和maharudrappa 9 进行了六种不同的流动和传热分析采用计算流体动力学的盘配置类型（CFD）和推荐的通风制动盘高速车辆。公园等。 10 设计了一个螺旋面内用于通风制动盘叶片。他们优化的雷诺兹（Re），普朗特（Pr），和努塞尔数（Nu）他们设计并取得的44%个最大的改进传热。改进的制动褪色性和更高的在潮湿的条件下的制动性能是其他一些有用的通风制动盘方面。然而，他们也有一些缺点。开裂，就是其中之一，这一现象这已与相关的应力在制动11。基姆等人。12显示的最大Von米塞斯应力的实际疲劳裂纹位于通风制动发电由热应力分析铁路车辆盘。同样的，巴尼奥利等人。 13 进行有限元分析，以确定温度分布和估计的von米塞斯应力分布在消防车制动产生的。黄吴 14 研究的温度和热应力在一个基于热机械耦合通风制动盘模型。降低制动温度和/或重新设计轮毂单元转子有相当的结论麦金等人。 15 消除制动转子裂纹。热一代也会影响制动热机械不稳定性盘 16 。 以前的文献主要集中在热应力的形成在这项研究中，有限元法研究了三种不同的热行为的通风刹车设计：交叉钻孔（CD），十字槽（CS），和横槽侧槽（CS-SG）盘。然后对结果进行比较固体（SL）盘。也进行的实验研究为了验证有限元分析结果。表1制动盘和焊盘的机械和热性能。图1有限元网格模型。2.热结构的有限元分析有限元三维（3D）的制动结构盘，刹车片，和装配设计建模在软件程序的1/1规模，然后导入到对于互动的热结构的另一个软件程序分析。制动盘和制动片为蓝本，采用二次六面体网格类型。二次六面体网格代被称为他们的精度和计算效率 17 。摩擦具有二次四边形单元式接触对接触盘垫之间的口定义。图1显示盘垫系统的网格模型。灰铸铁，一种常用的椎间盘材料，用于制动盘。的机械和热性能制动盘和垫在表1中给出。通风式制动盘是根据螺旋桨设计形孔和槽的位置的方法。为CD盘，设置为五和5.2mm直径的孔在相等的时间间隔上的长度为60.54mm的弧。这些孔被复制在20组在磁盘表面的。因此，共100孔盘表面上钻孔CD盘。对于CS盘，20通道（6.9毫米宽和长67.3毫米）被放置在一个坚实的盘表面。最后，本CS-SG盘的凹槽设计（4mm宽15mm深）在另一个CS圆盘的边缘。因此，路径开放外盘侧边得到提供更好的空气流通。2.1热分析 环境温度为在22盘的表面温度为100前制动的热分析，并与冷制动性能相关的8。目前的研究认为，热耗散从制动盘的气氛是通过对流，也被称为牛顿冷却定律。对流管由式（1），其中Q是传热速率（W），H对流换热系数，一个是表面面积的转子（），TS是制动表面温度转子（），和T是环境空气温度（）。的对流换热系数应用到人体制动盘的边界条件。因此，增加从传热的制动盘和减少光盘表面在制动盘的总表面面积的温度，的传热系数采用逐渐增加通风中的应用。 （1）层流的传热系数固体或非通风由被制动盘（2）（）5，其中d的外径光盘（mm），再是雷诺兹数，和是热空气的导电率（/）。 (2)同时，与传热系数通风制动盘层流近似方程（3）（层流状态，） 5 ，在哪里普朗特数，的液压直径（mm），是的冷却叶片的长度（mm）。水力直径（）被定义为四倍的横截面的比率流动区域（润湿面积）的孔和槽通风制动盘的润湿周长除以所示图2。 (3)在这种情况下，雷诺数与速度有关的在孔和槽形叶片，目前的空气流由式（4），其中一个是空气的密度（），马是空气质量流量（），和vaverage是平均速度（）。(4)平均速度可以计算由式（5），NT在哪里每分钟转数（，），D是外径该盘（mm），d盘的内直径（mm），是孔或槽状的叶片面积（）的出口区域，和是孔或槽状的叶片面积（）的入口区域。 （5）此外，空气流量马是由方程（6）：（6）图2。湿润地区（水力直径，DH），长孔和槽形冷却叶片，和入口和出口地区的空气流通风在这项研究中使用的制动盘。图3。制动卡钳和制动盘。2.1.1实验研究实验研究进行了检查，温度在光盘表面的变化。为了这个目的，通风制动盘是从艾尔弗雷德特维斯制造（ATE）固态盘获得他们的设计特点。的CD和CS的光盘上的三轴数控加工立式加工中心。为CS-SG侧槽盘是在数控车削中心。盘温度在制动测试系统测量了输出。本系统由一个钳机制如图3中看到的，压电晶体的力测量系统的踏板和制动力的变化，驱动发动机，变速箱，和指标制动踏板力和温度。 对于温度的测量，热电偶的安装在尺系统的应用。电机的功率为4千瓦。光盘的旋转是顺时针方向。ATE501FF的刹车片是用于试验。实验连续制动条件下进行在250 N个固定踏板力，和八周期制动温度的测量被执行在30，60，90，120，150，180，210和240s。图4。结构的制动盘模型。2.2结构分析盘温度的热分析得到的是进口的在结构分析模型的边界条件。在结构分析中，相当于250 N 到9689 N踏板力对制动片每顶面在60的转速（或角速度52.56）如图4。该盘的率被认为是常数和所需的时间完全停止240s。通过被踏板力的值（7）18，是每个前缸活塞的力，F是在脚下的踏板力，的横截面积前活塞队，是主缸的横截面积，是活塞的数量，2.3是踏板杠杆比，和2.75是伺服单元的影响。 （7） 这个计算是根据试验设备进行了用于实验研究。踏板力杠杆比率与伺服单元效果的测试设备的价值。根据等效模拟分析（冯米塞斯）的应力分布。表2。盘温度的实验和有限元分析结果。图5。对不同类型的制动盘热发电。3.结果与讨论3.1热发电实验和有限元分析结果在表2中给出的在光盘表面生成热。盘的表面温度随着制动时间为所有的阀瓣结构，增加。然而，所产生的热量，显著降低通风中的应用。之间的摩擦系数刹车垫和盘表面，减少取决于温度涨 19，20 。因此，保持摩擦性能在高温下垫了自我通风可能是在持续制动条件下的盘。图5显示了在光盘表面的温度分布用有限元法在240年代末的最大温度代发生在所有的阀瓣结构，中部地区，与相关的研究类似 12，14。然而，该温度范围从盘的中部地区的内部区域由于在冷却的附加侧CS-SG盘配置。最大热发电固态盘表面约4%的CD盘的设计减少了。另一方面，而最大热发电固态盘表面是在CS设计减少19%，它大约是在CS-SG设计减少24%。因此，它是有益的探讨这些设计的热应力行为。3.2热应力图6显示了热应力的分布在光盘表面采用有限元分析。通风应用的增加的热应力在制动盘。热应力的最大值位于对固态盘的内、外表面边角。在CD盘配置的情况下，最大应力位于该孔内表面的。对于CS和CS-SG盘配置，最大应力的形成主要局限在槽内和表面接近该盘的外点。因此，特定的地区，在那里最大应力出现，应加强预防潜在的裂纹和疲劳问题。一个可能的解决方案不同的是散热表面的设计通风式制动盘。因此，更均匀的热从转子对流可供盘表面。图6。热结构行为的不同种类的通风固体的制动盘。图7。热应力的变化，根据盘的表面区域。这是证明了CS-SG设计在最大减少对通风制动盘应力的产生。在这项研究中，附加的热应力耗散对盘表面进行了研究。图7显示了耗散特征。散热孔和槽之间的表面弧的CD，确定检查CS和CS-SG盘应力分布密集的地方发生摩擦垫与盘。通风制动盘的最大应力的位置图6中看到的。热应力减小的光盘和垫表面向中心点间该盘的内侧和外侧的区域的表面的SL配置。然而，表面上的CD盘的应力分布更均匀的固态盘的比较。为CS盘配置，而应力降低摩擦表面，他们逐渐增加朝向内和光盘的外表面，与CS-SG相似盘配置。这些结果将导致一个稳定的磨损率在垫和SL和CD光盘的盘片表面。在另一方面，磨损率将与CS和不稳定CS-SG盘。4。结论 在这项研究中，三个不同的通风盘模型和他们的热结构行为研究。实验研究了热分析结果在光盘表面。得出以下结论： 降低了坚实的制动盘表面产生的热量通过通风应用到最大24%。实验研究验证有限元温度场分析在1.13%和10.87%之间的范围内的结果。这一结果将保持积极影响制动性能垫和盘表面之间的摩擦系数，和稳定的磨损率的垫表面，特别是连续制动条件下。热应力的形成与通风刹车更高光盘（CD，CS和CS-SG盘）在那些比较固态盘。然而，最大应力的形成减少到11%和19%在另一个CS-SG盘配置比较其他通风盘设计。因此，CS-SG光盘可以更有效地减少热量的产生和热在通风制动盘应力。在这项研究中，以增加从制动的热传递光盘和减少总盘的表面温度制动盘的表面面积，传热系数采用通风的应用逐渐增加。符号意义：转子表面的面积：交叉前活塞截面积：入口区的孔或槽形叶片：主缸的横截面积：出口面积的孔或槽形叶片：盘的外径：盘的内直径：水力直径：脚踏板力：每个前缸活塞力：对流换热系数：传热系数：空气的导热系数：冷却叶片的长度：空气质量流量：每分钟转数：活塞数：普朗特数：传热率：雷诺兹数：周围空气温度：表面温度：平均速度：空气密度参考文献1 T. C.查特莱夫人和M. P.麦克诺坦，铸铁制动盘的当前位置，业绩和未来趋势欧洲（1999）SAE 1999-108-1，505-514。2G. S.帕特里克，一种自我通风盘式转子刹车，国际申请在专利公布合作条约（PCT）（2002）和/ 2002 / 064992。3医学博士哈德森和R. L.鲁尔，通风式制动转子的空气流量调查，SAE，971033（1997）。4布鲁尔和H. K.账单，制动技术手册，第一英文版，SAE国际，warrandale，宾夕法尼亚，美国（2008）。5河利姆帕特，制动器的设计和安全，第二版，社会汽车工程师，公司沃伦代尔美国（1999）140-143.。6中国尤伯和B. Heidenreich的网状发展，通风制动盘在单一的制造方法件的设计，materialwissenschaft和werkstofftechnik，37（4）（2006）生物学。7D. B. antanaitis和A. rifici，转子crossdrilling效果对制动性能（2006）SAE，2006-01-0691，571596。8D. aleksendric，C.杜波卡，体育gotowicki，G. V.马里奥蒂五nigrelli，制动过程分析的一个钉翼通风盘式制动器转子，国际期刊的车辆系统建模和测试（2006）1，4，233-252。9G.文基塔汉姆和M. maharudrappa，流动和传热一个通风盘式制动器转子的CFD分析，SAE，2008-01-0822（2008）。10 S. B.公园，李家树和D. H. Lee，调查在一个通风式制动盘局部换热特性与螺旋形凹槽的表面，机械科学杂志技术，21（2007）2178-2187。11 y. Yildiz和M. Duzgun通风，应力分析与有限元法的制动盘，国际杂志汽车技术，11（1）（2010）133-138。12D. J.基姆，Y. M.李，J. S.公园和C. S. Seok，热一个考虑铁路车辆制动盘的应力分析在摩擦面上的压力分布，材料科学与工程（2008）483-484，456459。13 f.巴尼奥利，F. Dolce和M. Sandy Bernabei，热疲劳消防车的灰铸铁制动盘裂纹，工程失效分析，16（1）（2009）152-163。14p. Hwang和X. Wu，研究温度和基于三维热机械通风制动盘热应力耦合模型，力学学报技术，24（2010）81-84。15 T. J.麦金等人。，在盘断热裂解，工程失效分析，9（2002）63-76。1
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