1、2008年3月 第33卷第3期潤(rùn)滑與密封LUBRICATION ENGINEERINGMat.2008 V01.33No.3材料匹配性對(duì)盤式制動(dòng)器摩擦溫度場(chǎng)的影響朱愛強(qiáng)劉佐民(武漢理工大學(xué)摩擦學(xué)研究所湖北武漢430070摘要:采用有限元法模擬盤式制動(dòng)器制動(dòng)過程瞬態(tài)溫度場(chǎng),研究了材料匹配性對(duì)制動(dòng)器溫度場(chǎng)的影響。研究表明:匹配性對(duì)摩擦表面溫度場(chǎng)的影響主要反映在材料密度、比熱容和熱導(dǎo)率方面,即使同類鑄鐵制動(dòng)盤,其材料密度、比熱 容和熱導(dǎo)率不同,摩擦表面溫度也不同;鑄鐵材料密度越低,則摩擦表面溫度越低,且溫度分布較均勻;就配對(duì)副而 言,制動(dòng)片性能參數(shù)對(duì)摩擦表面溫度的貢獻(xiàn)要比制動(dòng)盤的大。關(guān)鍵詞:摩擦匹配

2、性;導(dǎo)熱系數(shù);制動(dòng)器;溫度場(chǎng)中圖分類號(hào):U463.512文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):02540150(20083一062-4The Effect of Materials Matching on FrictionTemperature Field of Disc BrakeZhu Aiqiang Liu Zuomin(Tribology Institute,Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070,ChinaAbstract:The effects of matching materials on the brake temperature

3、 of braker were investigated by using the finite ele-ment method to simulate tlle temperature transient process of disc brake.The results show that the effect of tlle matching on temperature main reflects on the materials density.specific heat and thermal conductivity.Even for a salile iron brake di

4、sc.the surface friction hot is different due to the difference of its density,specific heat and thermal conductivity.The more low the density is.the more low the friction temperature is,and the more uniforill of山e distribution of temperature fields.For the matching pair of the braker,the effect of t

5、he brake block has greater contribution to friction temperature than brake disc.Keywords:matching of friction;thermal conductivity coefficient;braker;temperature field盤式制動(dòng)器廣泛地應(yīng)用在汽車和摩托車中,盤式 制動(dòng)器的性能直接影響到車輛的行駛安全性。由于制 動(dòng)過程所產(chǎn)生的摩擦熱引起的熱衰退直接影響到制動(dòng) 片的摩阻性能,因此,制動(dòng)器的摩擦性能是工程界長(zhǎng) 期關(guān)心的問題。但目前的研究大多集中在制動(dòng)器本身 的性能上。21,或某一特定制動(dòng)

6、片在制動(dòng)過程中制動(dòng) 盤表面的溫度分布口。51,而研究其匹配性的文獻(xiàn)較 少。事實(shí)上。與大多數(shù)摩擦副一樣,制動(dòng)器摩擦副的 匹配性在很大程度上反映了制動(dòng)器的制動(dòng)性能,特別 是對(duì)于以粘膠為粘合劑的制動(dòng)片復(fù)合材料,過高的摩 擦熱將導(dǎo)致制動(dòng)片表面脫膠或焦化,甚至產(chǎn)生龜裂或 撓曲,致使制動(dòng)器制動(dòng)失效。為了討論盤式制動(dòng)器材料匹配性對(duì)溫度場(chǎng)的影 響,本文作者以目前常用的盤式制動(dòng)片材料為對(duì)象, 探討了不同匹配情況下的摩擦熱影響。1摩擦熱匹配性理論基金項(xiàng)目:上海通用五菱(SGMW資助項(xiàng)目(N2000. 收稿日期:200710一18聯(lián)系人:朱愛強(qiáng),E-mail:zaqxiangsina.toni.當(dāng)摩擦副工作時(shí),理論

7、上2個(gè)滑動(dòng)接觸物體表面 產(chǎn)生的最大接觸溫度是最大閃溫與體積溫度之和, 即:疋=死+咒 (1 式中:t為最大接觸溫度;瓦為最大閃溫;氣為體 積溫度。對(duì)于制動(dòng)器而言,制動(dòng)前的制動(dòng)盤與摩擦片溫度 為室溫,因此,制動(dòng)過程中吒可忽略不計(jì),此時(shí), 疋=t。最大閃溫在理論上可由下式得出壚o:恥j等小 (2 式中:f為時(shí)間,在該時(shí)間內(nèi)滑動(dòng)表面的所有接觸點(diǎn)是處在熱源中;|為材料的熱傳導(dǎo)率;P為材料的密 度;c為材料的比熱容;f為系數(shù),其值取決于在熱 源寬度上熱通量的分布形式;p為摩擦因數(shù);7為隔 熱系數(shù);仃。為根據(jù)赫茲理論計(jì)算出的平均接觸壓力; q為兩表面的相對(duì)滑動(dòng)速度。式(2表明,接觸溫度與材料的密度、比熱

8、容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等物理特性參數(shù)有關(guān)。而式(2中 時(shí)間和滑動(dòng)速度的乘積可以反映出制動(dòng)過程中摩擦副 2008年第3期 朱愛強(qiáng)等:材料匹配性對(duì)盤式制動(dòng)器摩擦溫度場(chǎng)的影響 63間的滑動(dòng)距離,材料的熱常數(shù)也直接影響到摩擦因 數(shù),因此,制動(dòng)盤與制動(dòng)片中摩擦產(chǎn)生的表面熱又可 通過摩擦功職來表示,即:職=/.tF。d式中:p為摩擦因數(shù);F。為法向壓力;d為摩擦路 程。該摩擦功轉(zhuǎn)換的熱量一部分被制動(dòng)盤吸收,一部 分被制動(dòng)片吸收。基于熱傳導(dǎo)理論,可引用熱傳導(dǎo)微 分方程描述制動(dòng)過程熱傳導(dǎo)過程口蘆棚1,即:V2瓦=丟魯 1,2 (3 vz疋:誓+磐+孕 (4d互 oy dz 式中:V20為表面溫度0的拉普拉斯運(yùn)算符;d

9、為 導(dǎo)溫系數(shù),n=k/(pc(in2/s。 度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)越大的材料,其摩擦表面溫 度越低,反之越高。由式(3可知:在相同的制動(dòng)工況下,密度、 比熱容越小,熱傳導(dǎo)系數(shù)越大的物體吸收熱量越少, 反之越多。式(4則反映出摩擦表面溫度在不同方 向的傳遞速度,而由于摩擦瞬時(shí)在摩擦副接觸點(diǎn)上的 溫度是相同的,即:L,(算,Y,0,t=巳.(z,0,f (5 因此,式(4中摩擦表面溫度在不同方向的傳 遞速度取決于材料的熱導(dǎo)性能,材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)越 高,摩擦熱傳遞速度越快,摩擦表面的溫升也越低。 以上理論表明,制動(dòng)器摩擦副材料的物理性能, 特別是材料的熱常數(shù)將汲大地影響摩擦表面溫度。 2摩擦副材料匹

10、配性能 :為了計(jì)算方便,將配對(duì)材料有關(guān)性能參數(shù)列于表由式(2可以看出:在相同的制動(dòng)工況下,密 1中。而匹配副參數(shù)列于表2中。 表1制動(dòng)器匹配材料參數(shù)Table 1Matching material parameters of braker ,注:鑄鐵制動(dòng)盤材料編號(hào)是基于常用在制動(dòng)器中的鑄鐵牌號(hào)性能數(shù)據(jù)。表2制動(dòng)器摩擦副匹配參數(shù)Table 2Matching parameters of brake pair制動(dòng)工況:背板集中力為20720N,汽車剎車時(shí) 初始速度為14r/s,制動(dòng)時(shí)間為3.5s。3計(jì)算結(jié)果分析3.1計(jì)算模型及邊界條件10一基于以上理論分析,將與材料有關(guān)的邊界條件進(jìn) 行如下假設(shè):(

11、1制動(dòng)工作過程中的摩擦熱在摩擦副接觸表 面產(chǎn)生,并以熱流的方式輸入到制動(dòng)盤與摩擦片中; (2材料參數(shù)的性能線性化,即摩擦副材料的 密度、彈性模量、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及 摩擦因數(shù)不隨溫度而改變;(3材料為各向同性;(4制動(dòng)過程中動(dòng)能完全轉(zhuǎn)換為摩擦熱能。 3.2計(jì)算模型圖1制動(dòng)器摩擦副有限元模型Fig 1Finite element model of brake pair 潤(rùn)滑與密封 第33卷計(jì)算是采用LSDYNA 軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行建模,并 用八節(jié)點(diǎn)六面體單位將模 型劃分成如圖I所示網(wǎng)格, 其中將背板定義為剛體,ANSYS前處理.竺堅(jiān)蘭竺I 二二二二 LS-DYNA求解器求解制動(dòng)盤和制動(dòng)片

12、定義為彈Ibpnpost后處理查看結(jié)果 性體。在軟件中用參數(shù)表將隨時(shí)間變化的摩擦背板 結(jié)果分析求 解 失集中力和制動(dòng)盤瞬態(tài)變化 l圖2計(jì)算分析流程圖 的角速度加載。其它邊界 Fi92Analysis flow chart 條件按前文所討論的情況設(shè)置。計(jì)算分析流程如圖2所示。3.3計(jì)算結(jié)果與討論.3.3.1制動(dòng)片匹配性對(duì)溫度場(chǎng)的影響.圖3與鑄鐵制動(dòng)盤2配對(duì)的制動(dòng)片的溫度場(chǎng)( Fig 3Temperature field of the brake block mateht,.d withthe cast iron brake disc 2(aP1brake bl,ock;(bP-2brake bl

13、ock;(cP-3brake block圖3為計(jì)算得到的與鑄鐵制動(dòng)盤2配對(duì)的3種制 動(dòng)片溫度場(chǎng)分布。從圖3(B可以看出,P-l摩擦副 表面溫度聚積相對(duì)較集中,其原因是該制動(dòng)片材料的 熱傳導(dǎo)系數(shù)較低(表1中制動(dòng)片材料l的熱傳導(dǎo)系數(shù) 為1.01w/(moC,使制動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦熱 大部分聚積在表面上。顯然,如果多次制動(dòng),表面會(huì) 因?yàn)榫鄯e過高溫度而產(chǎn)生脫膠、撓曲等情況,影響制 動(dòng)性能。在圖3(b、(c中,由于制動(dòng)片材料2和3的熱傳導(dǎo)系數(shù)比制動(dòng)片材料1的高,因此,熱導(dǎo)性 能較好。雖然此時(shí)制動(dòng)片材料表面離散溫度比圖3 (a中的要高,但其表面溫度聚積情況不嚴(yán)重,熱 量能迅速進(jìn)行傳導(dǎo)而使其分布較均勻。由此

14、可知,制 動(dòng)片因熱傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響比較顯 著,制動(dòng)器匹配時(shí)應(yīng)選擇比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)大的制 動(dòng)片。圖4為相同鑄鐵制硼動(dòng)盤2與不同材料性能筆i的制動(dòng)片配對(duì)時(shí)制動(dòng)盤l卯表面摩擦溫度曲線,從拿l加圖中能看出:配對(duì)副P.1娜的摩擦溫度上升最快, 。而P-3整個(gè)過程溫度較一低。對(duì)照表1和表2,可。知:雖然配對(duì)中制動(dòng)片l“。4與制動(dòng)片3的熱常數(shù)性能相近,但由于Pl配對(duì)中制動(dòng)片1的材料密Timeds與同一制動(dòng)片匹配的制 動(dòng)盤上表面溫度曲線 Surface temperature ctlives of the brake di8c matched witII tlle same brake blo

15、ck度遠(yuǎn)高于制動(dòng)片3,從而使制動(dòng)盤摩擦溫度升高。因此 在材料匹配中,選擇材料密度較低的制動(dòng)片對(duì)降低摩 擦熱有利。上述結(jié)果表明,就制動(dòng)片而言,在制動(dòng)器摩擦副 中,應(yīng)選擇密度低、比熱容高、熱傳導(dǎo)系數(shù)大的制動(dòng) 片就料o3.3.2不同材質(zhì)制動(dòng)盤對(duì)溫度的影響盤。彈性為了分析材質(zhì)對(duì)制動(dòng)器摩擦溫度的影響,采用常用的鍛鋼制動(dòng)盤材料與鑄鐵制動(dòng)盤進(jìn)行了配對(duì)比較,結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,鋼盤表面溫度比鑄鐵要低。對(duì)照這2種材料物理性能,可看出:鋼盤l盞50/r。、k/. ,廣、 /+P.4 /+P一5 00.5l 1522533.5 Time/s圖5鍛鋼盤與鑄鐵盤 的表面溫度曲線 Fig 5Surface t

16、emperature curv船of forged Steel disc and cast iron disc 密度大,比熱容小,熱傳導(dǎo)系數(shù)較大,因此,熱傳導(dǎo) 較快,能迅速將接觸面的摩擦熱向基體傳遞,而使摩 擦表面溫度較低。3.3.3材料性能參數(shù)對(duì)配對(duì)副溫度分布的影響對(duì)于相同材質(zhì),但由于材料牌號(hào)不同,熱常數(shù)有 差別,因此,摩擦配對(duì)時(shí)的表面溫度差別也較大。當(dāng) 選用制動(dòng)片材料3。與不同牌號(hào)的鑄鐵制動(dòng)盤配對(duì)時(shí), 2008年第3期 朱愛強(qiáng)等:材料匹配性對(duì)盤式制動(dòng)器摩擦溫度場(chǎng)的影響制動(dòng)鑄鐵盤的密度越低,則表面溫度越低。應(yīng)當(dāng)指出的是,由于鑄鐵盤的比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)較相近,參照表達(dá)式(4可知道,此時(shí)的熱傳播速

17、度也應(yīng)相近;當(dāng)其與相同的制動(dòng)片配對(duì)時(shí),分配在制動(dòng)片上的熱流也相近,而使制動(dòng)片的溫度變化不明顯(如圖6、7所示。圖6P-5制動(dòng)片溫度 場(chǎng)分布( Fig 6Temperature distribution 0f P-5briike block圖7P-6制動(dòng)片溫度場(chǎng)分布(Fig 7Temperature distribution0f P一6brake block廠以:、/一、矽/+-,-,Ij-/一P一6J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(6:8586.Li Heng,Guo Hongqiang,Guo Shiyong.The Finite Element Analysis of Disc BrakeJ.

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