盘式制动器制动过程能量分析

(1
-
s)
(5)
式中, Β 为制动力在前后轴之间的分配系数。
2 制动器摩擦热量产生的机理 制动器吸收的制动能量几乎全部转换为热量。制动器
的热量产生的过程和机理对制动器摩擦表面摩擦学性能有 重要影响。在盘式制动器中, 制动块在管路压力的作用下压 紧在制动盘上, 当盘与制动块作相对运动时, 接触的表面产 生摩擦力, 摩擦力所做的功转化为热量, 即在摩擦表面产生 热量。因此, 摩擦力的产生机理直接决定了摩擦热的产生。 两个粗糙表面在干摩擦状态下, 摩擦力主要由三部分构成: 一是在摩擦副相对运动时, 双方微凸体顶峰的相互切削阻 力; 二是在一定的压应力和局部高温条件下, 摩擦副微凸体 接触点瞬时冷焊成为一体, 由于摩擦副的相对运动, 使这些 局部粘结点分离, 克服结点粘结的阻力便形成了摩擦力的 一部分; 三是存在于摩擦面的磨损物在随同摩擦运动过程 中, 一方面有可能重新压入摩擦面而形成新的微凸峰而产 生切削阻力, 另一方面这些磨粒在摩擦面上以滑动和滚动 形式运动过程中, 不断对摩擦副表面产生切削也构成了摩 擦力的一部分。其中摩擦界面粘结的形成和断裂对摩擦力
3. 1 紧急制动工况
紧急制动工况是以停车为目的的制动工况, 其特点是
在极短的时间内产生大量的摩擦热, 这些热量在极短的时
间内来不及传导和对流而几乎全部由摩擦片和摩擦盘吸
收, 使其温度急剧升高。
取集总体 P 为摩擦片 (不 包括摩擦片背板) ; 集总体 C 为 制动钳; 制动盘颈部温度随输
入热流的变化很大, 而冠部温
3 王 涛, 朱文采. 摩擦制动器. 广州: 华南理工大学出版 社, 1992
A Study on the Energy D iss ipa tion of D isc-brake w ith in Brak ing
900, J kg K 摩擦盘有效尺寸: 内径: d i= 321mm ; 外径: d o= 362mm 制动初速度: Ξ= 38rad s; 制动末速度: Ξ= 5. 42rad s;
制动减速度: a= 10. 86rad s2; 制动力: P = 13. 0kN ; 摩擦系数: f = 0. 30; 制动时间: tb
(9)
式中, Χd 为热扩散系数, Χd = Χd Θd cd; d 为摩擦盘等效摩擦
直径, d≈ (d i+ d o) 2。
在初始温度为25℃的情况下, 由式 (9) 计算所得摩擦材
料和摩擦盘表面平均温度为177℃。采用有限元法进行制动
过程数值模拟, 在同样的起始温度下, 摩擦材料表面温度为
230℃, 摩擦盘表面温度为为127℃。由计算结果可知, 由于
为了比较传统的热流分配与文中的二次分配模型的不
同, 现以紧急制动为例进行计算。摩擦副采用有机石棉摩擦
材料与钢盘对偶, 其热物理性能参数如下:
钢: Κd = 39,W m K; Θd = 7. 8×103, kg m 3; cd = 400, J
kg K 摩擦材料: Κf = 0. 65,W m K; Θf = 2×103, kg m 3; cf =
·876·
机械科学与技术
第17卷
有较大的影响, 所以, 也直接影响到摩擦热量。由机械切削 作用而造成的接触区域的塑性变形对摩擦热有很大的影 响。研究表明, 消耗在亚表层材料内的能量远大于接触面上 的能量, 占摩擦热的绝大部分, 且大部分转化为热量而被摩 擦偶件吸收。构成摩擦热量的另一部分是树脂基有机复合 摩擦材料在一定温度下产生的化学变化。树脂基有机复合 摩擦材料在一定温度下发生化学反应而降解, 降解产物包 括固体、液体、和气体。
考虑了接触界面热阻, 摩擦副两表面的温度并不相等, 这与
实际工况下测量结果是相符的。摩擦材料表面的温度高于
摩擦盘表面的温度, 其主要原因: 一是由于摩擦热产生于摩
擦材料的表层, 而摩擦盘的热量要通过界面第三体的热阻
传递; 二是由于摩擦盘的导热性能远远大于摩擦材料的导
热性能。和摩擦表面温度相等的假设相比, 摩擦材料的温度
图3 重复制动热模型
其热交换模型可用
图3表示。
图中热量由摩擦片表面产生, 通过界面热阻 R PR 将热 量传递给集总体 R。由于制动时间长, 所以, 摩擦片与制动 钳之间以传导方式传递热量 Q PC, 其间热阻为 R PC; 摩擦盘 与集总体 U 之间以同样方式传递热量 Q RU , 其间热阻为 R RU; 制动钳 C 与集总体 U 之间也有足够时间以热传导方 式传递热量 Q UC , 其间热阻为 R UC。与此同时, 各集总体与周 围空气之间对对流方式传递热量 Q CON V P、Q CON V C、Q CON V R、 Q CON VU。由于重复制动是制动与放松相间隔的制动方式, 因 此, 在制动时有摩擦热量的产生, 而在非制动期内没有摩擦
取决于轮胎滑移率。当制动器极限制动转矩远小于地面最
大附着能力决定的制动力时, 大部分制动能量将由制动器
吸收和耗散[ 1 ]。制动能量在轮胎与制动器间的分配定义为
制动能量的一次分配。
设质量为m 的车辆以初速度 v i 运动, 在 tb 时间内通过 制动作用速度减为 v t, 则 tb 时间内总制动能量为
及在制动器中的传递与耗散, 从而建立了制动器温度场分析模型
关键词 制动 摩擦 热传递
中图号 U 462. 32
引 言 从能量的观点出发, 车辆的制动过程是将车辆的能 (动
能和势能) 的一部分转变为热能而耗散的过程。这些热量一 部分通过热传导而使制动器零部件的温度升高; 一部分通 过对流而散发于大气中。制动器摩擦表面的温度过高会引 起摩擦表面一系列的物理、化学变化, 导致制动器性能变 差, 使车辆的安全性能得不到保证。因此, 必须对能量的转 换、热量的产生与耗散过程进行深入的研究, 才能正确认识 制动器制动的全过程, 从而建立起正确的制动器设计理论 基础。
= 3s; 对流换热系数: hR = 100W m 2 K 按式 (6) 进行热流分配则, qd = 8. 3qf , 由式 (7) 得: qd =
0. 893q, qf = 0. 107q。摩擦盘表面温度可由下式计算[2]:
Η=
Χd qd d Κd
t 1-
t 2 tb
+
d2 3Χd
1-
t tb
+
d4 45Χd2 tb
参 考 文 献
1 鲁道夫. 汽车制动系统的分析与设计. 北京: 机械工业出 版社, 1985
2 D dy A J. T he d issip a tion of frictiona l energy from the in terface of an annu la r d isc b rake. M ech E , vo l, 1980, N o. 11
分配系数带来的偏差, 在分析中采用了如图1所示的模型, 即摩擦热产生于摩擦材料的表层。对摩擦材料而言, 热流直 接进入其体内; 对摩擦盘而言, 则通过界面膜构成的一定热 阻经热传导进入体内。进入盘内的热流由界面膜的热物理
特性和厚度决定。这样既避免了人为的温度连续的假定, 又 考虑了接触界面间的热阻, 同时无需人为地对热流密度进 行分配。
第17卷 第6期 1998年 11月
Ξ
机械科学与技术 M ECHAN ICAL SC IEN CE AND T ECHNOLO GY
V o l. 17 N o. 6 N ov 1998
盘式制动器制动过程能量分析
马保吉 朱 均
(西安交通大学 西安 710049)
马保吉
摘 要 从能量传递的角度分析了盘式制动器制动过程能量的转换, 摩擦热量的产生机理以
cf 、Θf 分别为摩擦片的导热系数、比热容、密度。
q = qd + qf
(7)
联立式 (6) 和 (7) 可得
qf =
1
Biblioteka Baiduq +
K
,
q
qd
=
K qq 1+ Kq
(8)
实际上由于两粗糙接触表面间存在一定的接触热阻,
按照这种假设计算所得到的摩擦表面平均温度与实际测量
得到的结果有一定差距。
为了避免人为假设摩擦表面温度连续和预先给定热流
s
(3)
制动器吸收的能量:
QB = Q (1 -
s) =
m 2
(
v 3.
i) 6
2
-
( vt )2 3. 6
(1 -
s) (4)
考虑到制动能量在前后轴的分配, 则单个前轮制动器
吸收的能量为
Qi =
QB 4
Β
=
m 2
(
v 3.
i) 6
2
-
( vt )2 3. 6
Β 4
热量的产生, 而处于自由散热阶段。
3. 3 长时间制动工况
长时间制动工况的热模型与重复制动工况的相同, 只
第6期
马保吉等: 盘式制动器制动过程能量分析
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是需要注意的是, 在长时间制动工况下, 从制动开始直到制 动结束都有摩擦热量的持续产生, 并且不存在自由散热冷 却阶段。
4 计算结果与讨论
空气发生强迫对流。其强迫对流换热系数为 hR , 对流热量 为 Q CON V R , 但不会通过摩擦盘的热传导与集总体 U 之间发 生热交换。
3. 2 重复制动工况
重复制动工况
的特点是每次制动
之间有一定间隔的
多次制动, 且制动
时间长。因此, 在这
种工况下, 各集总
体之间以及集总体
与周围空气之间都
存在着热传导和对 流 方 式 的 热 交 换。
度变化不大, 取盘的颈部作为 集总体 R ; C 与 R 之间包括制 图2 紧急制动工况热模型
动盘的冠部和法兰部、轮毂及
转向节等视为集总体 U 。那么, 紧急制动工况的热传递模型 可用图2表示。在摩擦表层产生制动热量, 一部分直接进入
摩擦片, 而另一部分通过接触热阻 R PR 传递到摩擦盘 R 上, 其传递的热量为 Q PR。由于摩擦片固定不动, 在极短时间内 热量不会传递给制动钳 C , 也不会与周围空气发生对流。而 摩擦盘 R 由于高速转动且大部分面积暴露于空气中, 将与
3 摩擦热量在制动器中二次分配的模型 在一般的制动热分析中, 假定相互接触表面的平均温
度相等且热流连续。设摩擦产生的热流密度为 q, 输入到摩 擦片和对偶摩擦盘热流密度为 qf 和 qd , 则 qf 和 qd 的关系 为[3 ]
1
Kq =
qd qf
=
Κd cd Θd 2 Κf cf Θf
(6)
式中, Κd、cd、Θd 分别为摩擦盘的导热系数、比热容、密度; Κf 、
1 制动能量的转换与一次分配
以一定速度运动的车辆在制动力矩的作用下, 在一定
的时间内降低速度从而达到制动的目的。在此过程中运动
车辆的动能和势能的一部分转化为热能而耗散。在制动器
能量耗散分析中, 有两个不同的部位, 即轮胎和制动器可以
产生摩擦和发热。制动热量一部分被制动器吸收; 一部分由
轮胎与地面之间的摩擦耗散。制动能量在两者之间的分配
由上述分析可知, 摩擦热量绝大部分是由机械切削作 用和接触区域的塑性变形而形成的。金属摩擦盘的硬度要 比摩擦材料的大得多, 因此, 机械切削和塑性变形大都发生 在摩擦材料的表层。磨损产物大都来自摩擦材料并附着在 其表面之上不随摩擦盘而转动, 故可认为, 摩擦热量产生在 摩擦材料表层, 通过接触界面传递到摩擦盘中。
要高出50℃。这意味着在紧急制动情况下, 摩擦材料吸收的
热量比由式 (9) 所确定的吸收热量多。
5 结论 制动过程中的机械能转换为热能而耗散, 这些能量一
部分由轮胎与路面之间的摩擦耗散; 另一部分由制动器吸 收而使制动器元件的温度升高。制动摩擦热主要由机械切 削和塑性变形产生。制动器吸收的能量在摩擦副对偶件间 存在着二次分配。摩擦热在摩擦材料与摩擦盘间分配取决 于偶件本身的热物理特性, 以及接触界面第三体的几何尺 寸及热物理特性, 计算和实际测量都表明摩擦材料表面温 度高于摩擦盘表面温度而并非相等。
R I- 界面接触热阻; RL - 摩擦片热阻; RD - 摩擦盘热阻 CL - 摩擦片热容; CD - 摩擦盘热容; q- 摩擦热流
图1 摩擦热量在制动器中的二次分配模型
摩擦热量经二次分配进入摩擦片和摩擦盘后, 通过热
传导和对流在制动器各元件及周围空气中耗散。热耗散的
程度直接影响制动器的温升, 且与制动工况密切相关。
Q=
m 2
(
v 3.
i) 6
2
-
( vt )2 3. 6
(1)
制动时间为
tb =
vi - vt 3. 6a
(2)
式中 a 为制动减速度。
假定轮胎与路面间的滑移率为 s。制动能量一次分配
为
Ξ 收稿日期: 1998 04 21
轮胎吸收的能量:
QT = Q
s=
m 2
(
v 3.
i) 6
2
-
( vt )2 3. 6