制动盘的热分析

制动盘的热分析

摘要

制动是一个把车辆的动能转变成机械能并必将以热的形式耗散的过程。制动时，在制动盘和衬垫间产生的摩擦热可导致过高的温度。更重要的是在接触过程中切向压力和相对滑动速度是很重要的。本次主要通过ANSYS分析了制动盘的全热行为。盘式制动器的温度分布的建模是用来确认在制动操作时所涉及到的所有的因数和输入参数，例如制动类型，制动盘的几何设计和常用的材料。通过仿真所得到的结果是比较满意的。

关键词：干接触，制动盘，热流，传热系数

1．简介

在制动系统的研究中，热分析还处在一种原始阶段。在制动阶段，温度和热梯度很高，这会产生压力和变形，这种影响会在外观和裂缝的加重上显示出来[1,2]。然后很重要的是在盘式制动器中精确地确定温度场。

停车制动时，温度没有时间来被稳定在制动盘。一个瞬态分析是必要的。这对鉴定热梯度也是必不可少的，这就是需要三维建模的问题了。热负荷表现在热通量进入制动盘通过刹车衬垫。在制动盘和衬垫的接触面产生的大量的热量毫无疑问的引起了在域内对转子的不均匀的温度分布，然而衬垫的的环境在相互的滑动中被不断的加热[3].这种在盘式制动器的接触表面确定温度分布的瞬态热分析方法被执行了。这种制动盘和固定衬垫相互滑动所产生的摩擦热效应分布不均匀的问题使用有限元力学模型试验有几种可能发生在汽车的应用传热系数上。对在制动盘循环制动时的温度分布能够有一个比较，在制动过程中每一种情况分析下的能量转化在最后释放时的周期是相等的。

程序的改变是用来发展移动热源，就像热流对流冷却的分界线。在转子旋转时准确模拟它的加热的困难通过使用代码而被忽略，这可以保证使成型的曲线负责让热通量在随后的某个时刻进入制动盘[4]。在本次研究中，我们将会在

三维空间呈现出一个数值模拟来分析全热行为和通风的盘式刹车。基于有限元计算方法的热量的计算将利用软件ANSYS 11。

2.热量进入制动盘

e

i n g

a r

e g

o o

d 图1.钳盘式衬垫的装配和力的应用

符号名称

T 温度，K

车辆减速度，m/s 2

{T}

节点温度，K 矩阵

∙

加权函数

d

n

a

e

m

T （[C]

+[K] -=0 (12)

{

}*

T {}

T ∙

{

}T {}F 这里

[C] [N]T [N]d V

（13）

p C v

ρ⎰[K]= [λ] [B]d V +[N]T [N]d S

(14)[]T

B v

⎰S h ϕ

⎰=qd V +(S φ+hT f + εσ (-T 4))d S

(15){}F []

T

N v

⎰[]T

S N ϕ

⎰4T ∞[C]：热容量矩阵（J/K ），[K]：导热系数矩阵（W/K ），：节点热量矢

{}F 量(W)，：节点温度矢量（K ）。{}T 3.2.初始条件

我们假设制动盘的初始温度是不变的。

在时间 t = 0 时 T(x,y,z,t) = 60℃ (16)

3.3.边界条件

这是一个瞬态的边界热问题：

●一个热通量进入制动盘局限在两边的钳盘式衬垫的接触带。

●

在制动盘的自由表面的对流热传递的交流系数h 取决于时间，因为圆盘的旋转速度随时间的变化而变化。

每个制动盘表面的的换热系数h 是利用有限元分析软件ANSYS CFX 模块来

进行计算和输入的。

4.计算机软件ANSYS 的简介

ANSYS 软件程序由美国在1970年所创造；它的模块程序是利用有限元方法

来解决模型的预先离散。它用于本次研究的模块是：

● ANSYS 工作台：这个平台提供了一个不同的用于原始的计算机代码ANSYS 的

构造模型的方法[12]。它特别适用于处理那些复杂的几何体和没有认可的使用者的情况。在这种环境下，使用者是在几何体上工作而不是模型。在开始解决方案之前，使用者可以通过这个平台将这些数据转化并引入进软件ANSYS 。生成

l l t h i n

g s

i n

t h

e i r

b e

i n g

a r

e g

的有限元模型通过插入特定的ANSYS 命令代码来处理。

● 有限元分析软件ICEM CFD ：这是网络生成的软件，应用在流体力学和机械结构。

● 有限元分析软件CFX ：本软件是设计用来执行流体力学的模拟仿真的。

● 有限元分析软件Metaphysics ：本产品含有ANSYS 仿真代码的所有模块。

图3显示了在工作台上用有限元分析软件CFX 模拟的阶段。

图3 软件CFX 的仿真步骤[12]

5.对流交换系数(h)的确定5.1.简介

热分析系统需要对由摩擦所产生的热量有一个精确的测定和这些能量在制动盘和刹车衬套之间的分布。紧急刹车时，所有的在接触面产生的热量和被制

动盘和刹车衬套吸收的热量相等。当一辆汽车在刹了车，一部分的摩擦热通过

对流和放射而逸散到了周围的空气中。因此，传热系数的确定是非常必要的。

然而它们的计算是相当困难的，因为这些系数是由地点、制动系统的构造、车辆的速度和空气流通的结果所决定的。由于热量的放射的过程不是太重要，我们将决定使用软件ANSYS CFX ，但是只对制动盘的对流系数。这个系数将用来确定制动盘温度的三维分布。