（机械制造及其自动化专业论文）盘式制动器材料匹配性对温度场影响的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 制动器摩擦副的温度场分析是制动器设计的技术关键和选择摩擦副材料的 重要理论依据。针对目前的研究大多集中在制动器本身的性能而忽略匹配性对 其影响的研究现状，本文开展了摩擦副匹配性对制动器温度影响的研究。 文中基于制动器工作原理，分析了摩擦副的生热机理与摩擦界面的传热规 律。并依据能量分配原理，探讨了制动过程中摩擦片与对制动盘之间的温度差 现象。研究表明：摩擦片与制动盘的最高温度和达到最高温度的时间都不一样。 依据能量守恒定律和制动摩擦热量产生机理及泛函变分原理，推导出温度 场泛函方程及其求解方法。该方程为分析三维非稳态盘式制动器摩擦副的温度 场提供了理论依据。 基于热一结构耦合原理，建立了盘式制动器制动过程中摩擦温度场有限元分 析模型，该模型可有效地分析不同材料制动器摩擦配对副的温度场分布情况。 为了对制动过程温度场进行了动态模拟，应用有限元方法分析了不同材料 匹配摩擦副的温度场分布形态。结果表明：匹配性对摩擦表面温度场的影响主 要因素是材料密度、比热和热导率；即使是同类铸铁制动盘，其材料密度、比 热和热导率不同，摩擦表面温度也不同：铸铁材料密度越低，则摩擦表面温度 越低，且温度分布较均匀。此外，就配对副而言，制动片性能参数对摩擦表面 温度的贡献要比制动盘的大。 关键词：盘式制动器材料匹配性温度场导热系数 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i so fa u t o m o t i v eb r a k el sv e r yi m p o r t a n tf o rb o t ht h e b r a k ed e s i g na n di t sm a t e r i a l sc h o i c e a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c h e si nt h ef i e l da r e m a i n l yf o c u s eo nt h ep r o p e r t i e so fb r a k ei n s t e a do fm a t e r i a lm a t c h i n gp r o p e r t i e s t h e p o u p o s eo ft h et h e s i si st os d u t yt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ea u t o m o t i v eb r a k e rb a s e d o ni t sm a t e r i a lm a t c h i n gp r o p e r t i e s t h eh e a tg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ff r i c t i o np a i ro ft h eb r a k ea n di t sh e a tt r a n s p o r t d i s c i p l i n e o ni n t e r f a c ei ss d u t i e db a s e do nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n dt h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nb r a k i n gd i s ca n db l o c ki nb r a k i n gp r o c e s si sa l s o a n a l y z e da c c o r d i n gt oe n e r g ya l l o c a t i o np r i n c i p l e t 1 1 er e s u l ts h o wt h a tt h em a t c h i n g p a i rg r e a t l ya f f e c t sb r a k i n gt e m p e r a t u r e ，e s p e c i a l l yt h er a i s i n gt i m eo ft h ef r i c t i o n a l h e a t ，t h a ti st h ed i f f e r e n c yo fr m s i n gt i m e a c c o r d i n gt oc o n s e r v a t i o nl a wo fe n e r g ya n dg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ff r i c t i o n a l h e a ta sw e l lf u n c t i o n a la n a l y s i sa p p r o a c h ，at e m p e r a t u r ef i e l de q u a t i o na n di t ss o l v i n g m e t h o dh a v eb e e nd e d u c e do u t t h ee q u a t i o np r o v i d e dt h et h e o r yf o u n d a t i o nf o r a n a l y z i n g t h ea u t o m o t i v eb r a k ea n dd u a l t e m p e r a t u r ef i e l d ， w h i c hp r e s e n t s t h r e e d i m e n s i o n a lu n s t a b l i l i t y f o r s t u d y i n gt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ef i e l do nt h eb r a k ep r o c e s s ，af i n i t em o d e l h a sb e e ne s t a b l i s e da n du s e dt oa n a l y z i n gt h em a t c h i n gp r o p e r t i e so ft h eb r a k e r m a t e r i a l sb a s e do nt h eh e a t s t r u c t u r ec o u p l i n gp r i n c i p l e i nt h et h e s i s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h eb r a k i n gp r o c e s sh a sb e e ns i m u l a t e d d y n a m i c a l l yb ya d o p t i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n f o r m sf o rd i f f e r e n tm a t c h i n gm a t e r i a l sh a v ea l s ob e e na c h i e v e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee f f e c to ft h em a t c h i n gp a i ro nt e m p e r a t u r em a i nr e f l e c t so nt h em a t e r i a l sd e n s i t y , s p e c i f i ch e a ta n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y e v e nf o rt h es a m ei r o nb r a k ed i s c ，t h es u r f a c e f r i c t i o nh o ti sa l s od i f f e r e n td u et ot h ed i f f e r e n c ya m o n gd e n s i t y , s p e c i f i ch e a ta n d t h e r m a lc o n d u c t i v i t y g e n e r a l l y ，t h em o r el o wt h ed e n s i t yi s ，t h em o r el o wt h ef r i c t i o n t e m p e r a t u r ei s ，a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d sa l s oe x i s t sb e t t e rd i s t r i b u t i o n f o rt h e m a t c h i n gp a i ro ft h eb r a k e ，t h ee f f e c to ft h eb r a k e b l o c kh a sg r e a t e rc o n t r i b u t i o nt h a n b r a k ed i s c k e yw o r d s ：t h ed i s cb r a k e ， m a t e r i a lm a t c h i n gp r o p e r t i e s ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， t h e r m a lc o n d u c t i v i t y i i 此页若属实，请研究生及导师签名并装订在学位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成采，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 盎璺l 堡 日期塑垒塑9 堡j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：j 阻导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百 了匕 摩擦制动器的功用是将汽车运动时的动能和势能转化为热能，从而达到使 汽车减速或停车的目的。作为汽车安全行驶重要保证的摩擦制动器的产生与发 展始终与汽车技术相生相伴，随着人们生活理念与汽车技术的不断发展，摩擦 制动器从结构到组成摩擦副的材料都发生了巨大的变化。 2 l 世纪汽车技术发展的趋势是高速、环保和节能，因此对摩擦制动器提出 了更高的要求。对车用盘式制动器而言，要求其具有高而稳定的制动力，尽可 能小的振动，较低的磨损率，特别是制动摩擦系数，必须在任何条件下保持稳 定性。而摩擦表面接触温度及温度梯度集中反映了载荷、速度、摩擦系数、材 料的热物理特性及耐久性、摩擦部件的设计尺寸和工作环境等因素的影响。因 此，有必要深入了解制动摩擦副的温度场、应力场分布状况及特点，分析导致 制动热弹性不稳定性的影响因素，完善其研究方法。制动摩擦热问题促使国内 外研究者进一步研究制动器中由摩擦热导致的热弹性不稳定问题n 1 ，其研究结果 对制动振动和噪声的研究、高性能制动器的设计以及最佳制动摩擦材料偶件的 搭配选择，具有很好的工程应用价值和理论指导意义口1 。同时发展了在干摩擦、 边界摩擦条件下，滑动副的摩擦学研究，丰富了摩擦、磨损热动力学的模拟技 术。为今后建立制动器虚拟测试系统奠定基础口，。 1 1 国内外研究现状及存在的问题 1 1 1 制动器研究现状 制动系统在汽车的安全运行中起着至关重要的作用。在过去的1 0 0 年间， 汽车制动器的发展大体经历了以下过程：从原始的机械装置过渡到拉索鼓式制 动器和杆件鼓式制动器，从最初是将制动器安装在后轮发展到全轮使用制动器， 继而又出现了采用液压系统和带真空加力器的制动器以及带有电控的盘式制动 器。 盘式制动器与传统的鼓式制动器比较，具有散热快、重量轻、构造简单、调 整方便、制动效果稳定、热稳定性好、高负载时耐高温性能好等优势，正越来越 广泛地应用于轿车、客车和重型载货车上。随着我国汽车工业技术的发展，特别 是轿车工业的发展，汽车上采用盘式制动器配置将逐步形成规模。特别是在提高 武汉理工大学硕士学位论文 整车性能、保障安全、提高乘车者的舒适性，满足人们不断提高的生活物质需求、 改善生活环境等方面都发挥着很大的作用。 长期以来独霸重卡汽车制动器领域的鼓式制动器，自从1 9 9 6 年戴一克装有 s c h m i t z 公司制造的盘式制动器的奔驰重卡( h c t r o s ) 货车问世以来，受到了严重 的挑战，已面临被淘汰的危险。为了降低自重和经营成本，盘式制动器不仅用于 主车的前、后桥上，而且也装配于挂车车桥。2 0 0 0 年，国外装配盘式制功器的车 桥已占到了所有车桥总成的一半以上。 欧、美、日等发达国家已把盘式制动器作为标准件装备在多级别的轿车、 客车、中型、重型汽车上。我国的轿车、微型车已广泛应用液压盘式制动器，但 现生产厂家产品单一，配套市场狭窄，国内目前真正形成规模化生产企业寥寥无 几。预计未来几年，盘式制动器在国内将会得到快速的推广和应用，开发应用盘 式制动器是现代汽车的发展趋势之一【4 ，。 1 1 2 制动器材料国内外研究现状 汽车摩擦材料是汽车制动器、离合器和摩擦传动装置中的关键材料，它的作 用是将汽车运动的动能转化为热能和其他形式的能量，从而使汽车制动，它的性 能好坏直接关系到汽车系统运行的可靠性和稳定性。作为汽车零配件之一的摩 擦材料，其发展与汽车工业的发展是紧密相关并且是同步发展的。 汽车摩擦材料的发展大致经历了以下3 个阶段：2 0 世纪7 0 年代中期以前 为第一时期，在这个时期汽车制动系统多为四轮鼓式，摩擦材料几乎全为石棉摩 擦材料。2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期为第二时期，因石棉摩擦材料的 性能已逐渐不能适应摩擦性能要求，以及1 9 7 2 年石棉被国际肿瘤学讨论会确认 属于影响人体健康的致癌物质，便出现了半金属摩擦材料、烧结摩擦材料、代用 纤维增强或聚合物粘结摩擦材料、混杂纤维摩擦材料等无石棉材料。2 0 世纪 8 0 年代中期至今，是摩擦材料发展的第三时期，盘式制动和新型摩擦材料大为发 展，已达到工业化生产及应用。各发达国家继续加强对第二时期推出的材料进行 改进，相继提出低导热率、低噪音等第二代和第三代半金属摩擦材料，以及具有 高弹性、耐高温、低噪音的粘结陶瓷型材料和具有耐高温、耐磨损、高摩擦稳 定性的烧结新型铁基材料，并同时开始批量生产且在新生产的汽车上装用这些 新型摩擦材料。 目前的摩擦片材料研究主要集中在如下方面： 1 、增强材料，以欧、美为代表的工业发达国家，生产摩擦材料用增强材料已 2 武汉理工大学硕士学位论文 大部分改为非石棉纤维。应用最为普遍的是金属纤维( 包括钢纤维、铜纤维和铝 纤维等) 、有机增强纤维( 包括芳族聚酰胺纤维及其浆粕、聚丙烯纤维及其浆粕、 碳纤维和木质素纤维) 和无机矿物增强材料( 包括玻璃纤维、矿棉纤维、钛酸钾 纤维、海泡石纤维、硅灰石纤维以及云母、蛭石等矿物) 。研究表明，欧、美国 家习惯以钢纤维、木质素、芳族纤维相混合，生产半金属盘式刹车片：以玻璃纤 维、芳族纤维等，生产编织或缠绕离合器面片：而以矿棉、海泡石、硅灰石、钢 纤维、聚丙烯纤维浆粕等，单独或其中几种混合，生产其它摩擦材料。日本也在 大力开发研究非石棉摩擦材料，在非石棉摩擦材料专利技术中日本的专利占有 相当大的比例。据称，日本出口到国外的汽车，全部装配非石棉摩擦材料。目前， 除欧盟各国对含石棉摩擦材料完全禁止外，含石棉摩擦材料生产和使用仍占有 一定比例。可以看出，研究和开发非石棉摩擦材料是大势所趋，国内企业应引起 高度重视，只有加大开发研究力度，才能跟上国际发展潮流。 2 、粘结剂，过去主要以传统的纯酚醛树脂生产石棉摩擦材料，然而在改用许 多代用纤维增强材料后，就必然要对粘结剂加以改进，以弥补此类材料某些性能 的不足：即使生产含石棉产品，也因汽车工业的发展，对所使用的粘结剂亦提出 了更高的要求。国外采用的粘结剂主要有以下几类：橡胶改性酚醛树脂( 粉状液 态) ：环氧改性酚醛树脂：硅树脂改性硅树脂：腰果油改性树脂( y s m ) 。 3 、填料，由于摩擦材料是一种具有高性能要求的多元素组成的复合材料，其 性能往往由许多种材料性能互补、相互作用所决定，所以根据不同的性能要求， 研究人员必须通过大量的试验、对比，筛选适合的材料及组成配比。 国外所用填料同国内基本一致，主要有以下几类：硬质材料：硅石粉、碳化 硅、氮化硅和石榴石等几种，一般要求粒径多在1 0 0um 以下：金属及氧化物： 金属( 铝、铅、锌等) 粉：金属氧化物( 氧化镁、氧化锌、氧化钛、氧化钼及氧化 铝) ：矿物无机填料：云母、滑石、蛭石、重晶石、高岭土、绿泥石、硅藻土、 膨润土、白云石粉等：有机填料：主要为橡胶粉( 轮胎粉、丁腈橡胶粉等) 和摩 擦粉( 包括腰果油树脂粉) ：轻质填料：应用最为广泛的有轻质二氧化硅、多孔 陶球及海棉状铁粉等，这些材料的应用不仅降低了摩擦材料的密度，而且也改善 了它的多种性能。 4 、碳质材料，为了提高摩擦材料耐磨性、减轻噪音，国外在摩擦材料中应用 的另一重要原料是碳素和石墨质材料。主要包括天然无定型石墨和鳞片石墨、 合成石墨、石油焦炭和海煤、无烟煤和活性炭等碳素材料。一般要求此类材料 含碳量达9 7 以上，细度一般以2 0 i 0 0 目为佳。碳质材料具有高温润滑作用，能 3 武汉理工大学硕士学位论文 减缓摩擦片的性能衰退，提高高温摩擦系数，改善磨损性和不刮伤对偶等优点嘲。 1 1 3 制动器温度场研究的现状及发展 摩擦制动器的工作机制是利用摩擦副之间的摩擦来达到终止、减速或保持物 体运动的目的，它在工作中产生大量的摩擦热，可以使制动器的工作表面产生局 部高温、表面氧化，甚至热疲劳磨损，最终使摩擦制动器失效，所以研究温度对摩 擦制动器性能的影响有重要意义。 摩擦制动器温度是一个很复杂的问题，涉及的学科面很广，需要多学科综合 运用。特别是计算机、数学、物理、化学、材料学等学科的灵活运用。摩擦制 动器温度特性的研究在这些学科研究的带动下，取得的长足的发展 。然而， 随着社会的发展，人们对环境的要求越来越高。在满足性能的同时，同时必须 满足其他方面的要求，比如环保、节能等。这就对制动器的研究提出了新的更 高的要求。目前，摩擦制动器温度场研究主要涉及以下几个方面： ( 一) 摩擦副间热分配机制 ( 二) 制动过程的能量转换现象 ( 三) 温度场求解方式 ( 四) 热弹性不稳定问题 ( 五) 表面摩擦温度模型 ( 六) 温度和磨损的关系 ( 七) 表面接触模型 ( 八) 热生成模型 ( 九) 表面氧化膜对摩擦系数的影响 就温度场而言，一维和二维模型的研究报道较多，研究假设是温度场在角度 方向无变化；这种假设计算结果与实际差别较大。随着有限元技术的发展，使该 研究可拓宽三维模型，即可以三维热传导方程为基础，通过大型有限元软件中 的模块，分析三维瞬态热传导问题。 就研究对象而言，目前的研究大多集中在制动器本身的性能方面，或某一特 定制动片在制动过程中制动盘表面的温度分布；而研究其匹配性的文献较少。 事实上，与大多数摩擦副一样，制动器摩擦副的匹配性在很大程度上反映了制 动器的制动性能，特别是对于以粘胶为粘合剂的制动片复合材料，过高的摩擦 热将导致制动片表面脱胶或焦化，甚至产生龟裂或挠曲，致使制动器制动失效。 由于接触表面温度对摩擦系统的摩擦学性能有重大的影响，因此要以干摩擦及 4 武汉理工大学硕士学位论文 边界润滑摩擦磨损热动力学( h d f w ) 理论依据来选择摩擦副材料并进行制动器 结构设计哑。 1 、制动摩擦表面温度场计算模型 在大多数工程应用中，摩擦副表面温度的计算模型普遍采用b l o c k 提出的 典型模型，即半无限体表面承受单一集中热源。并提出了闪现温度的概念。接 着j a e g e r 发展了这一理论，阐述了矩形形状的移动热源作用在半无限体表面上 的数学模型阻1 。 由于b l o c k - j a e g e r 模型仅局限于研究单个点热源或线热源在半无限体表 面上滑动的情况，而对摩擦制动器而言，制动盘和摩擦衬片却是有限厚的，从 微观上看，摩擦热是由接触区域内许多微凸峰接触而产生的，所以此后的研究 主要集中在多热源以及热源之间的相互作用对接触表面瞬态温度场的影响。如 l i n g n 町运用表面形貌的随机模型来估算滑动表面的瞬时温升。w a n gs t m 则对具 有分形特征的粗糙表面的滑动摩擦局部温升进行了研究，提出了界面温度分布 的分形理论。 文献 9 中提到c h i c h i n a d z 等建立的制动系统摩擦表面温度场计算模型， 认为最大表面温度等于体积温度、名义摩擦面积的平均温升( 当热流均匀分布 于表面上时) 与闪现温升之和： t 一= t o + l + t + t c ( 1 1 ) 式中：k 最大表面温度、t o 一一初始温度、t v 体积温度、t 闪 现温升、l 摩擦表面平均温度。 t i a n 和k e n n e d y 的研究n 2 1 指出，实际的滑动接触都是多点离散接触且滑动 副物体尺寸都是有限的，在接触微凸体处除了有局部闪现温升作用外，还有名 义表面温升的作用。这要求考虑物体的有限形状，滑动接触的重复特性以及物 体间总的“热量平衡 。根据h o l m 发展的理论：在接触界面处的温度的变化是 由于真实接触面积处或其附近热流约束引起的。由此他们提出了短程热流约束 与长程热流约束( s m a l ls c a l ea n dl a r g s c a l eh e a t f l o wr e s t r i c t i o n s ) 的 概念( 也有的学者翻译成局部热流和整体热流) ，认为短程热流约束引起局部 闪现温升，长程热流约束引起名义表面温升。总的温升t ，可用式子如下表示： a t , = a t ，+ a l + t 6 。蛔俐d ( 卜2 ) 式中：a t , 一闪现温升、a t 一名义表面温升、1 乙蛔。耐一体积温度 仿照圣维南原理，建立多热源接触的计算模型，并讨论了多热源之间的相互影 5 武汉理工大学硕士学位论文 响。把摩擦产生的热流等量转化为平均分布在所滑动过的累加表面面积上的热 流密度，以此作为一虚拟热源对名义表面温升进行计算，用实验验证了计算结 果。马保吉等n 3 ，就利用这一理论建立了摩擦制动器名义表面温升计算模型。 2 、动摩擦表面温度场计算方法 由上述可知，制动摩擦温度场问题是典型的非线性问题，滑动摩擦表面的 温升由名义表面温升和局部表面温升( 闪现温度) 组成。名义表面温升可用瞬 态热传导方程及几何和散热边界条件来描述。求解这类问题的方法一般有解析 法、数值法和试验法。 解析法对边界条件要求十分苛刻，方程求解十分困难，仅适用于特别简单 的几何形状和边界条件。此外它也无法考虑到整个制动过程中制动盘与制动衬 片之间的热流耦合问题，多数采用的方法是：要么认为制动热全部由制动盘吸 收，要么按照理论分析( 或某个实验数据) 得出一个确定的热流分配系数。实 际上，制动过程中摩擦表面上产生的热量在零件问的分配是变化的n 引，与物体 的尺寸大小，材料的热物理性能及制动时间有关，并随材料的导热性与接触表 面处的温度梯度之比值而定n 习，因此，解析法在应用中受到较大的限制。 数值法是目前广泛使用的求解摩擦温度场的方法，其中常用的有差分法、 有限元法和边界元法，其中有限元在研究中得到广泛应用。然而在进行制动热 分析时，由于单元p e c l e t 常数较高，采用经典有限元法时会导致数值收敛性问 题，为此必须沿运动方向划分较小的单元n 们，但由此会造成计算量的增大，计 算效率低。为了简化计算和降低计算成本，通常将问题简化为二维轴对称问题。 但研究表明这一简化说明接触条件及热流传输与坐标0 无关，将导致弹性变形 错误及接触条件失真n7 i 。为克服单元p e c l e t 常数太大引起数值振荡问题， f c o l i nu 阳等提出有限元法与积分法结合在一起的计算方法h y b r i d 法，即 对机构运动部分的热分析采用积分法，对固定部件则采用有限元法计算。 a f l o q u e t 和m c d u b o u r g n 钉啪1 ，针对制动盘受热特点，提出在非轴对称热流密 度作用下运动的轴对称物体进行热分析的混合方法( f f t - - f e m ) 。用快速傅立 叶变换对傅立叶吉尔希浩夫方程进行变换( 对空间坐标。进行快速傅立叶 变换) ，对变换后获得的表达式，再利用有限元技术进行计算。从而解决了上 述问题。 在制动摩擦名义表面温升计算的热模型中，名义接触表面摩擦热流边界条 件的确定是建立和求解的关键。绝大多数的计算中都将制动过程看成是不变制 动力矩的匀减速过程。m t i r o v i c 口n 和a j d a y 伫2 3 在详细地研究了盘式制动器的 6 武汉理工大学硕士学位论文 压力分布情况后，认为摩擦制动器的摩擦衬片与对偶件表面之间产生的摩擦热 并不是均匀地分布在滑动表面上的，而是取决于局部应力的分布情况。影响界 面压力分布的热效应可分成两个部分体积温度效应( 造成整体热膨胀) 和宏观 热效应( 造成热点和表面热裂纹) 。 实际上，物体的几何尺寸是有限的，其接触表面是粗糙表面，真实接触面 积是由名义接触区域内许多微突体相接触而产生的。因此，此后的热分析研究 考虑到了摩擦副表面的接触模型，并在此基础上研究了多微凸体热源以及各热 源之间的相互作用对接触表面瞬态温度场的影响，并相继有很多闪现温度模型 的研究报道。这些研究把j a e g e r 的理论拓展到在接触稳态条件下，各种热源形 状和多热源接触情形。如l i n g 运用了表面形貌的随机模型来估算滑动表面的瞬 时温升，认为实际接触点的温度要比名义接触面积的温度高得多；在线性热传 导的假设前提下，对所测得的两接触体的次表面的温度值进行外推，从而得出： 在横跨接触界面的两边，有温度突变现象这一结论。b a r b e r 删则考虑了两接触 体主体温度的不同对接触表面温升的影响，提出了名义表面温升的概念，并把 分析推广到有多个微凸体接触点对的场合，以此来计算多个热源相互作用时摩 擦表面的温度场。该模型被用来解释l i n g 所述的接触界面的两边温度突变现象。 k f r i d r i c h 口钔 2 5 1 等计算复合材料一钢滑动副表面的接触闪现温度时，考虑了复 合材料物理特性的各向异性的因素，提出了复合材料的p e l e c t 常数的定义。认 为当p e l e c 常数p ，0 5 ，为“低速滑动”问题，可用稳态热传导解法；当p e l e c t 常数p 。 5 则为“高速滑动问题，可用瞬态有限元方法来解决。他建立了单个 钢微凸体在p e e k 或碳纤维- - p e e k 复合材料上滑动的模型，该模型假设单位面积 上所产生的摩擦热取决于接触应力p ”摩擦系数和滑动速度d 。如果摩擦能 量全部转化为作用在真实接触点处的单位热源，则在接触点( f ，) 处小区域内 的热源强度口打可表达为： q u 。t o p i s ( 1 - 3 ) 在求解完接触问题后，从影响矩阵理论的基础上来计算接触温度。对于各 项异性材料，其真实接触面内的每一节点对处，热分配系数并不等于常数，因 此需用迭代技术来满足在接触面积内，每一接触点对处的温度相等这一条件。 ( 由于是求解微凸体闪现温度，这一点在半无限体接触的假设前提下不难做到) 由此得出在不同速度、相对于纤维走向的三种不同滑动方向下，滑动界面的温 度场及微凸体之间热流分配的变化情况。 制动器在制动过程中温度场分布不均，这将引起两接触体的热弹性变形， 7 武汉理工大学硕士学位论文 从而改变了接触面之间的压力分布，反过来，接触界面之间的压力分布不均匀， 使制动器温度场分布更加不均匀，形成了一种恶性的循环，这种现象被称作热 弹性不稳定( t e i ) 。据j a c o b s s o n 汹1 研究表明制动器的磨损，制动时产生的尖 叫声，以及低频振动都和t e i 有着很大的关系。因此摩擦界面间的温度场分布 与应力场分布是相互耦合的，有限元计算技术的发展使得在同一模型的基础上 进行不同物理场的计算成为可能，因此热结构耦合分析方法开始得到研究 人员的重视和应用。k e n n e d y 和l i n g 瞳刀最早运用数值模拟的方法研究盘式制动 器的热弹性不稳定现象，但他的模型是轴对称的。a z a r k h i n 和b a r b e r 啦町h 制用 g r e e n 公式和傅立叶变换相结合的方法求解了h e r t z 接触的瞬态热弹性问题，但 他们假设其中一个物体是绝热的。z a g r o d z k i b 则用轴对称的方法求解了多片离 合器的瞬态热弹性问题。c h u n gk y u nk i m 璐订等在研究高速列车全盘式制动器时 ( 二维轴对称模型) ，利用k 4 r c 非线性有限元分析程序来计算制动盘和片的温 度分布、热变形和接触应力。但是，该文献仅考虑初始应力场对温度场的影响， 而并没有进一步考虑因温度场分布的不均匀而导致接触应力场发生的变化，对 盘片之间的热流分配也还是采用理论分析来确定。p z a g r o d z k i 口2 1 利用 a b a q u s h k s 非线性有限元分析软件计算了二维情况下的瞬态摩擦生热引起热弹 性接触问题。 p z a f u o d z k i 口3 1 利用有限差分法计算了多片制动器( 和离合器) 的瞬态温度 场及准稳态下的热应力分布情况。由于所建立的模型为轴对称模型，不存在移 动热源问题，在处理摩擦界面热耦合问题时，也是认为对应节点对处的温度相 等且流入两摩擦体的热流之和等于摩擦所产生的总热量。 可见，制动器热弹性接触分析有必要进行更进一步的研究，更准确地考虑 热传导瞬态过程，解决热源移动速度可变效应对制动盘热应力分布影响的问题、 盘片之间热流耦合问题。摩擦界面间温度场和应力场相互耦合问题是目前摩擦 磨损热动力学研究的发展趋势和技术模拟摩擦磨损的更高发展阶段；也是进一 步研究制动副金属偶件热破坏、摩擦复合材料磨损机理，开发高性能摩擦材料、 研制高性能制动器的必由之路。 1 2 制动器温度场研究中存在的问题 摩擦制动器形式多样，用途广泛。有关摩擦制动器温度场的研究虽然取得 了很大的进步，但是仍然存在以下问题：首先，在研究内容上，以往的研究大 8 武汉理工大学硕士学位论文 都把重点放在制动器本身的性能上，或某一特定制动片在制动过程中制动盘表 面的温度分布，在材料匹配方面对温度场影响的研究几乎没有。事实上，与大 多数摩擦副一样，制动器摩擦副的匹配性在很大程度上反映了制动器的制动性 能，特别是对于以粘胶为粘合剂的制动片复合材料，过高的摩擦热将导致制动 片表面脱胶或焦化，甚至产生龟裂或挠曲，致使制动器制动失效。这也是本课 题研究的内容和目的。其次，在研究方法上，第一：实验和理论研究结合问题。 建立理论模型后，无论是边界条件还是一些假设条件，要验证它们的合理性的 唯一途径就是和实验结果进行比较，也就是研究摩擦制动器温度场，如何将实 验和理论相结合。第二：多学科的交叉问题。从摩擦制动器温度场研究趋势来看， 未来的趋势是各种手段的综合运用以及越来越向多学科交叉方向发展。这就要 求研究者不仅仅需要一门知识的背景，常常需要其他学科的支持，这就对研究 提出了新的要求。特别是数学、热力学、计算机、摩擦学、化学、材料学等的 综合。第三：运用计算机仿真技术来研究温度场问题。计算机技术的发展带动了 计算机仿真的发展。计算机仿真这个技术在科学研究中有很大的优势。可以大 大缩短科研的时间和节约资金。但是它也有它的缺点，比如结果对模型的依赖 性很强不同模型结果往往差别很大。还有就是结果的收敛问题。如何扬长避短， 利用计算机仿真来研究摩擦制动器温度场是我们迫切要解决的问题。 1 3 本课题研究内容及意义 随着汽车向高速化和可靠性发展，汽车工业对制动摩擦材料及结构设计的 要求也越来越高。目前国内汽车用的摩擦制动系统面临越来越大的压力，温度 对摩擦副的摩擦学特性有重要的影响，并直接影响摩擦制动器的性能；由于摩 擦热与其材料匹配性有关，因此，基于材料匹配性分析制动器温度分布，不仅 有助于制动材料选择，而且可为对制动器结构设计提供依据，从而提高制动系 统的整体性能。 本课题的研究内容主要包括以下几个方面： l 、根据能量守衡定律和汽车盘式制动器的工作条件，探讨盘式制动器制动过程 的热量产生机理并建立能量分配模型。 2 、根据传热学的基本理论，推出摩擦副瞬态温度场的导热微分方程及摩擦副温 度场的等价泛函，并较详细的讨论针对摩擦副的温度泛函的求解方法。 3 、应用有限元方法，利用计算机软件建立模型计算得到盘式制动器摩擦副的温 9 武汉理工大学硕士学位论文 度场，并通过对不同材料的摩擦片和对偶盘进行匹配，对材料匹配性对温度 场的影响进行了讨论研究，为进一步分析提出建议。 1 4 项目来源 上海通用五菱( s g m w ) 资助项目。 l o 武汉理j 。大学硕士学位论文 第二章制动器摩擦副热流研究 从能量的角度来讲，制动的过程是一个能量转化过程，当制动器在制动过 程中，制动引起的热能将扩散至制动器的各工作部件，从而导致其接触表面发 生一系列的物理、化学变化影响摩擦副的摩擦磨损性能和导致制动性能下降。 因此，了解摩擦热量的产生机理及能量的分配情况对改进制动器蹬计具有重要 意义。 本章从制动器的工作原理出发，深入探讨制动过程热量产生机理，并建立 能量分配模型为进一步的分析计算提供理论基础。 2 1 盘式制动器工作原理 图2 - 1 是盘式制动器示意图，它主要由活塞、进油口、导向销、车桥、制 动盘、制动块和制动钳体组成。当制动器工作的时候，制动块3 在液压油的作 用下压向制动盘1 ，通过摩擦阻力迫使制动盘速度减少直至停止。在这个过程中， 会产生大量的摩擦热，可能使制动盘产生热疲劳磨损，最终使得整个摩擦制动 器失效，造成安全事故。 5 进油 圈2 - 1 制动器示意幽 武汉理工大学硕士学位论文 制动器制动过程是一个典型的摩擦过程，要研究制动器温度场，首先必须 了解摩擦生热原理。当两物体接触表面产生相对运动时，需要消耗机械能去克 服接触区的摩擦阻力，摩擦热是这种机械能转换成热能的一种形式。 2 2 摩擦制动热量产生机理 2 2 1 制动过程的摩擦能量模型 制动器吸收的制动能量几乎全部转换成为热能。在盘式制动器中盘片作相 对运动，摩擦接触的表面产生了摩擦力，摩擦力所做的功转化为热量。 海曼( h e il m a n n ) 和里格涅( r i g n e y ) 提出了摩擦的能量模型。在这个模 型中，假定一个材料比另一个材料硬，硬材料的塑性变形可以忽略不计，在软 材料表面则会形成一层组织很细的高度变形层，这时在摩擦过程中消耗的塑性 变形能为m 1 ： 。j 五a y d o ( 2 一1 ) 式中：r 一表面剪应力； a y 一剪应力的增量； 0 一塑性变形冉皂。 假定摩擦功等于塑性变形能，则 = o ) t r o n ( 2 2 ) 式中国一变形区的平均宽度； f 一一高度变形层的厚度； 气一稳定状态时的剪应变。 在这个表达式中，国，f ，气与7 。都是和材料的组织结构与性能密切相关的。也 就是说，这个摩擦的能量模型中包含了一系列的材料参数如弹性模量，材料的 强度与硬度等。大量的事实证明：摩擦系数还受到很多其他因素的影响，如环 境、载荷、速度、润滑条件及温度等。所有这些情况表明：摩擦现象是一个非 常复杂的系统问题。摩擦系数也并非材料的固有属性，只有当材料在其他条件 完全固定的情况下，摩擦系数才有可能是一个常数。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 制动过程的热量产生机理及热源模型 在制动过程中，摩擦副的接触运动多处于干摩擦的滑动状态，接触产生的 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 粘着，进一步运动时，粘结点分离的剪切阻力：三是存在于摩擦面的磨粒在随 同摩擦运动过程中，不断对摩擦副表面产生切削也构成了摩擦力的一部分。 在制动时的相互摩擦过程中，制动摩擦力所作的功主要消耗在摩擦表面接 触区域内材料塑性变形以及接触点的粘着与剪切，摩擦表面粘结的形成和断裂 将消耗很大的能量，这些能量的大部分转变成热，然后以热的形式散失，占摩 擦能量的主要部分。另一部分，则以内部势能的形式积累在材料内部( 据文献 3 5 3 估计这部分能量为9 - 1 6 ) 。当这部分能量积累达到单位何种的最大储备内 能时，则会造成材料的破坏，如磨粒剥落等等。除此之外，对于聚合物基摩擦 材料，在一定温度下会发生化学反应而降解，在大气环境下，热降解过程是一 种放热过程，所以这也构成摩擦制动产生热量的一部分，但有研究表明n 鲫，对于 中等负载的制动过程，这部分热量仅占总摩擦能力的2 ，所以在分析中一般忽 略不计。 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。金属对偶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一定厚度的表层。故可认为，摩擦热量产生在摩 擦材料表层，通过接触表面传递到对偶盘中，因此可以认为制动摩擦热是一种 体积热量，而不是表面热流。则其值： g - - - p d h ( 2 - 3 ) 式中 q f 一摩擦热量，w ； 一一摩擦系数，= 4 ，f ) ： p 一一接触压强，p = p ( r ，t ) ，n m 2 ： u 一一盘片相对运动线速度，u = v ( r ，f ) ，m s ； h 一参与生热的表面体积，m 3 ； 如果 ，一一半径变量，m ： f 一- 一一时间变量，j 。 则( 2 3 ) 变为： 武汉理工大学硕士学位论文 q r = y ( r ，f ) p ( r ，f ) o ( r ，f ) h ( 2 4 ) 考虑到接触的不均匀性，接触比压p ( r ，t ) 沿径向与，成正比，由此推导得： 删圭毪群p m ( f ， 倍5 ) 式中：巧，摩擦片内、外半径，m ； p 。) 一一摩擦片平均比压，n m 2 ； 一摩擦片比压分布系数；= p 一p 廊，对于金属型摩擦片 1 ；非金属型摩擦片= 1 。 平均比压p 。o ) 为摩擦片压紧力f 除以实际接触面积。 e m ( 垆嚣= 最= 器 浯6 ) 式中，r ( f ) - n 动摩擦转矩，n m ； p ( f ) 一制动摩擦力，n ； 缸一一面积利用系数； s 一单个摩擦面名义面积，m 2 ； 心一轮胎半径，m ； r ，一有效半径，朋。 对偶盘的速度变化规律为： c o ( t ) = c o o ( 1 一) ( 2 7 ) 式中，t 一时间，s ； t 。一伟0 动时间，s ： ( 0 0 - - 一制动初始速度r a d s 。 将式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 代入式( 2 - 4 ) ，得聚合物基摩擦材料一铸铁对 偶的摩擦制动生热量 晰) = 等 ( 2 - 8 ) 上式即为摩擦制动器的热源模型，可见摩擦产生热量与制动力p ( t ) 、c o ( t ) 成正 比，同时与沿径向的半径以及参与生热的表面积日也成正比，而且在制动过程 中随p ( f ) 和c o ( t ) 的变化而变化。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 摩擦界面的传热规律 对在制动过程中摩擦力和摩擦热产生机理的分析表明，由于摩擦界面粘着 结点的粘着撕裂对摩擦力有较大的影响，也直接影响到摩擦热量的大小。 而粘附仅在表面上产生，因此粘着撕裂具有一种表面效应。另一方面由于 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 生在摩擦片材料的表层，而不是在摩擦盘的表层。即由切削变形所产生的摩擦 热量是发生在摩擦材料的表层，并通过接触界面传递到摩擦盘中。因此在对制 动盘进行摩擦热温度场研究时，可以把摩擦热作为边界热流输入；而对于制动 片，由于现有把摩擦热当成对体积生热的量化研究还尚未成熟，故还是采用把 摩擦热作为边界热流输入来处理。 摩擦制动表面温度场属于典型的不稳定温度场，摩擦副间的热流分配系数 是不断变化的，对于各向异性材料，其变化更为复杂。热流分配系数不仅与材 料的热物理特性、物体的尺寸大小有关，而且随材料的导热性与接触表面处的 温度梯度之比值而变化。 在一般的制动热分析中，都假定接触表面的平均温度相等且热流连续，制 动产生的摩擦热在界面间的分配直接与两摩擦表面的热阻有关。但定量上确定 摩擦界面间热阻存在困难，目前仅局限于研究接触面有摩擦热产生而无接触热 阻，边界条件大多描述为：在真实接触面积内，分属于物体( 1 ) 和物体( 2 ) 的接触点所组成每一接触点对，其温度一定相等，但在真实接触区域外，表面 温度不一定相等。即 t 1 = t 2 ( 删)像9 ) h + q 2 = q 。 式中：t t 、t + ：分别为接触区域处( 或是接触点对) 两侧的某一特征温度，有 的研究认为是平均表面温度，有的认为是微凸体接触表面最高温度啪3 或是微凸 体接触表面平均温度臼7 1 ；口，、g ：分别为接触面两侧的热流密度；q 为总的摩擦 热流密度。 由此可得热流分配系数1 ： r ：丝：( 塑) j ( 2 一1 0 ) q pk p c p p p 式中：p 一密度；c 一热容；k 一热传导系数；下标d 、p 分别表