蹄鼓式制动器瞬态温度场的仿真分析

蹄鼓式制动器瞬态温度场的仿真分析马迅朱前进（湖北汽车工业学院汽车系，十堰４４２００２）ＴｒａｎｓｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｂｒａｋｉｎｇｄｒｕｍＭＡＸｕｎ，ＺＨＵＱｉａｎ－ｊｉｎ（ＨｕｂｅｉＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＤｅｐｔ，Ｓｈｉｙａｎ４４２００２，Ｃｈｉｎａ）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!"【摘要】以某货车后轮鼓式制动器为对象，利用ＡＮＳＹＳ１１．０对其制动鼓在各种制动工况下的温升过程进行了仿真分析，得出了随时间变化的制动鼓的三维温度场分布图，并研究了制动鼓壁厚对温度场的影响。

通过对计算结果进行的详细分析，得到一些有价值的结论。

关键词：鼓式制动器；温度场；ＡＮＳＹＳ１１．０；仿真【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｒｅａｒｄｒｕｍｂｒａｋｅａｓｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，ＡＮＳＹＳ１１．０ｗａｓｕｓｅｄｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｂｒａｋｉｎｇｄｒｕｍｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｒｕｍｉｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｄｒｕｍｂｒａｋｅ＇ｓｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｓｏｍｅｖａｌｕａｂｌｅｃｏｎ－ｃｌｕｓｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｒｕｍｂｒａｋｅ；Ｔｈｅｒｍａｌｆｉｅｌｄ；ＡＮＳＹＳ１１．０；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ中图分类号：ＴＨ１２，ＴＨ１３２文献标识码：Ａ＊来稿日期：２００７－０９－１９文章编号：１００１－３９９７（２００８）０６－００７１－０３１引言鼓式制动器的温度场分析对于制动器的制动效能乃至汽车的安全性能尤为关键，是制动器设计过程中所要考虑的重要因素。

设计良好的制动器能使车辆在不同制动工况下都具有很好的方向稳定性、转向操纵能力和抗热衰退能力。

因此通过有限元分析的方法进行制动鼓的温度场仿真，提出供设计参考的温度场分布模型，对提高车辆安全性能方面有着现实意义。

２制动鼓有限元模型的建立２．１制动器材料的选取以某货车的后轮制动器为研究对象，制动鼓的材料为铸铁。

材料参数，如表１所示。

表１铸铁的材料参数２．２热边界条件的确定鼓式制动器工作时热量产生于制动蹄与制动鼓内表面的摩擦，这部分热量一部分通过各种途径散发出去，剩余部分在制动鼓和制动蹄内部积累，使其含热量增加，从而使温度升高。

从传热学角度来说，有三种基本的热传递方式，即热传导、热对流和热辐射。

这三种传热方式在制动器的散热过程中同时存在。

鼓式制动器的工作环境涉及空间、温度、力等载荷，求解制动鼓的温度场应用到的热载荷包括热流密度、温度、对流散热系数和辐射散热系数。

由于制动摩擦作用，在制动鼓内表面和摩擦衬片之间存在挤压、滑移，因此产生大量的热，假设产生的热量全部被制动鼓吸收，导致制动鼓的温升，因此必然存在温度载荷的分布：（１）摩擦产生的热流载荷；（２）制动鼓和外部环境的初始温度载荷；（３）在制动鼓的边界上，由于温升的关系，使得制动鼓和外部空间存在温度差，所以存在热交换。

２．３制动鼓有限元模型的建立采用热分析单元ＳＯＬＩＤ８７对制动鼓进行结构离散，并利用表面效应单元ＳＵＲＦ１５２实现热载荷的施加。

模型的总单元数为２８５５，节点数为６１６６，如图１所示。

图１制动鼓网格模型示意图３边界条件的施加与求解对制动鼓进行了的稳态和瞬态温度场分析。

对于稳态分析，１．１ｅ＋０１１Ｐａ０．２８７２００．０ｋｇ／ｍ３１．１ｅ－００５１／°Ｃ２．４ｅ＋００８Ｐａ８．２ｅ＋００８Ｐａ５２．０Ｗ／ｍ・°Ｃ４４７．０Ｊ／ｋｇ・°Ｃ弹性模量泊松比密度热膨胀系数拉伸强度极限压缩强度极限导热系数比热第６期２００８年６月－７１－ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ机械设计与制造施加的载荷有环境温度、制动鼓内壁的温度和制动鼓外表面的对流换热系数和辐射换热系数等。

瞬态分析中，制动鼓内表面的热流密度和外表面的对流换热系数都是车速的函数，而在制动过程中车速是随时间变化的。

３．１制动鼓温度场稳态仿真分析在制动鼓内壁施加温度为１００℃，对流散热系数设为６２．３Ｗ／ｍ２℃［２］。

辐射换热系数设为０．５４。

设置环境温度为２０℃（图略）。

由图２可以看出，制动鼓吸收的能量远大于因传导、对流换热而散发的能量，故制动鼓摩擦区域部分温度很高，远离摩擦区域的部分温度降低，呈依次递减的趋势。

制动鼓内表面的温度为施加的１００℃，因为制动鼓外表面与空气之间存在对流换热和辐射换热，外表面各点温度均低于１００℃。

由于热传导现象，在制动底板附近，温度约为６５．５℃。

图２稳态分析中制动鼓内外表面的温度分布３．２制动鼓温度场瞬态仿真分析根据能量守恒定律有：Ｑ１＝１２ｍｖ１２－１２ｍｖ２２＋ｍｇ（±ｉ－ｆ）Ｓ（１）ｑ１＝Ｑ１＇＝１２ｍ（ｖ１２－ｖ２２）＋ｍｇ（±ｉ－ｆ）!"Ｓ＇＝［ｍａＳ＋ｍｇ（±ｉ－ｆ）Ｓ］＇＝ｍａｖ＋ｍｇ（±ｉ－ｆ）ｖ（２）式中：Ｑ１—整车制动过程中制动器总生热量，Ｊ；ｍ—汽车总质量，ｋｇ；ｖ１—汽车制动过程的初始速度，ｍ／ｓ；ｖ２—汽车制动过程的末速度，ｍ／ｓ；ｇ—重力加速度，９．８ｍ／ｓ２；ｉ—道路纵向坡度，下坡路段取正，上坡路段取负；ｆ—滚动阻力系数；Ｓ—制动距离，ｍ；ａ—汽车的制动减速度，ｍ／ｓ２；ｖ—汽车的瞬时速度，ｍ／ｓ；ｑ１—整车制动过程中制动器总生热热流率，Ｗ；考虑制动力分配系数算出单个后轮的升热热流率。

鼓式制动器的对流换热系数接近于下列形式的函数关系：ｈＲ＝０．９２＋!ｖ×ｅｘｐ（－ｖ／３２８）（３）式中：ｖ—车速，ｍ／ｓ；!—经验公式系数，前轮制动鼓取０．７，后轮制动鼓取０．３，Ｂｔｕ・ｓ／ｈ・"Ｆ・ｆｔ２（其中１Ｂｔｕ・ｓ／ｈ・"Ｆ・ｆｔ２＝５．６７８２６Ｗ／ｍ２Ｋ）；３．２．１一次紧急制动工况下制动鼓温升仿真分析一次紧急制动时车速随时间的变化，如图３所示。

图３一次紧急制动时车速随时间变化示意图设定初始制动车速ｖ０＝８０ｋｍ／ｈ、制动时间ｔ１＝８ｓ，分别利用公式（１）、（２）和（３）求得制动过程中随时间变化的热流密度和对流散热系数，如图４所示。

图４一次紧急制动工况下热流密度和对流系数随时间的变化曲线从图５以看出，一次紧急制动工况，满载情况下进行制动，制动鼓内表面受到摩擦热量的影响而使制动鼓温度升高，热量在制动鼓内以热传导的方式迅速扩展，从而使整个制动鼓温度都得到不同程度的升高。

图５一次紧急制动工况终了制动鼓温度分布图从制动鼓内表面到制动鼓外表面的温度大致是逐渐降低的，当制动３．８４ｓ时制动鼓最高温度达到峰值为７５．１６８℃，然后开始缓慢下降，制动终了温度达到６２．９６６℃。

造成制动鼓温度急剧上升的原因是：制动开始时，制动鼓内表面吸收的热量还没来得及向四周扩散，导致其内表面温度急剧上升。

达到最高值后，温度开始逐渐下降，下降的原因是：随着制动时间的延长，制动鼓转速不断降低，其吸收的热流密度不断减少，而其热量以热传时间（ｔ）车速（ｖ０）－７２－第６期马迅等：蹄鼓式制动器瞬态温度场的仿真分析５０００００４５００００４０００００３５００００３０００００２５００００２０００００１５００００１０００００５００００００１２３４５６７８时间（ｔ）热流密度１２０１００８０６０４０２０００１２３４５６７８时间（ｔ）对流散热系数导的方式持续向四周散发，所以导致制动鼓温度不断下降。

３．２．２两次紧急制动工况下制动鼓温升仿真分析两次紧急制动时车速随时间的变化，如图６所示。

图６两次紧急制动时车速随时间变化示意图设定初始制动车速ｖ０＝８０ｋｍ／ｈ、该工况下各阶段时间ｔ１＝８ｓ，ｔ２＝５ｓ，ｔ３＝１０ｓ，ｔ４＝５ｓ，ｔ５＝８ｓ，分别利用公式（３．１）、（３．２）和（３．３）求得制动过程中随时间变化的热流密度和对流散热系数。

如图７所示，是二次紧急制动工况下制动鼓的温度分布情况和最高温度随时间变化的曲线（图略）。

图７两次紧急制动工况终了制动鼓温度分布图从图７可以看出，经过两次紧急制动后，制动鼓内表面的最高温度在３１．５４ｓ时达到１０９．１７℃，从制动鼓内表面到制动鼓外表面温度大致呈依次递减趋势。

在两次制动终了最高温度仍高于９０℃。

造成这种现象的原因是制动鼓内表面吸收的热量在制动鼓内表面到外表面以热传导的方式迅速扩散，扩散到外表面的时候一部分热量又以对流和辐射散热的方式扩散到环境中。

由曲线图比较可知，一次紧急制动与两次紧急制动的温度变化趋势是相同的，而且二次制动中的第一次温度变化情况与一次制动时完全相同。

在两次制动之间温度有一个缓慢下降的过程，这主要是因为在此期间制动鼓仍在散热，而由于没有制动，制动鼓不存在摩擦，输入的热流密度为零的缘故。

另外制动鼓的温度峰值均出现在每次制动发生后的一段时间。

３．２．３持续制动工况下的制动鼓温升仿真分析持续制动时车速随时间的变化，如图８所示。

图８持续制动时车速随时间变化示意图设定初始制动车速ｖ０＝２０ｋｍ／ｈ、制动时间ｔ１＝２０ｓ，分别利用公式（１）、（２）和（３）求得制动过程中的热流密度和对流散热系数。

二次紧急制动工况下制动鼓的温度分布情况和最高温度变化随时间变化的曲线图略。

从图中可以看出，经历持续制动后，制动鼓内表面最高温度达到７５．２６７℃，制动热量进一步向四周扩散，热量主要集中在制动鼓内表面摩擦区域的中部。

持续制动过程中，制动鼓的温度变化趋势是随着制动时间的延长温度不断升高，这是因为在持续制动过程中产生的摩擦热量是常量，而且其吸收的热量总是大于其散失的热量，从而导致制动鼓温度不断升高。

与前两种制动工况有所不同的是，制动鼓的最高温度发生在制动结束时，而不是在制动结束前。

４制动鼓壁厚对温度场的影响由于在日常中经常会出现由于制动导致制动鼓热衰退，从而引发交通事故的现象。

为了更好的分析制动鼓的温度场，有效的避免热衰退，研究了制动鼓厚度的变化对制动鼓温度场的影响。

将制动鼓壁厚分别加厚２．５ｍｍ和５ｍｍ，经计算得出三种工况下制动鼓壁厚的变化对温度的影响结果。

壁厚增加的制动鼓在两次紧急制动工况下的温度场分布图略。

将相同工况下未改变壁厚的制动鼓的温度分布图及最高温度变化情况进行对比，发现制动鼓壁厚变化后，制动鼓温度变化的趋势保持不变，但是随着壁厚的增加，制动鼓在制动过程中任何相对应的时刻，最高温度都有所降低。