材料匹配性对盘式制动器摩擦温度场的影响_图文

1、2008年3月 第33卷第3期润滑与密封LUBRICATION ENGINEERINGMat.2008 V01.33No.3材料匹配性对盘式制动器摩擦温度场的影响朱爱强刘佐民(武汉理工大学摩擦学研究所湖北武汉430070摘要:采用有限元法模拟盘式制动器制动过程瞬态温度场,研究了材料匹配性对制动器温度场的影响。研究表明:匹配性对摩擦表面温度场的影响主要反映在材料密度、比热容和热导率方面,即使同类铸铁制动盘,其材料密度、比热 容和热导率不同,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;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:摩擦匹配

2、性;导热系数;制动器;温度场中图分类号:U463.512文献标识码:A文章编号: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盘式制动器广泛地应用在汽车和摩托车中,盘式 制动器的性能直接影响到车辆的行驶安全性。由于制 动过程所产生的摩擦热引起的热衰退直接影响到制动 片的摩阻性能,因此,制动器的摩擦性能是工程界长 期关心的问题。但目前的研究大多集中在制动器本身 的性能上。21,或某一特定制动

6、片在制动过程中制动 盘表面的温度分布口。51,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。为了讨论盘式制动器材料匹配性对温度场的影 响,本文作者以目前常用的盘式制动片材料为对象, 探讨了不同匹配情况下的摩擦热影响。1摩擦热匹配性理论基金项目:上海通用五菱(SGMW资助项目(N2000. 收稿日期:200710一18联系人:朱爱强,E-mail:zaqxiangsina.toni.当摩擦副工作时,理论

7、上2个滑动接触物体表面 产生的最大接触温度是最大闪温与体积温度之和, 即:疋=死+咒 (1 式中:t为最大接触温度;瓦为最大闪温;气为体 积温度。对于制动器而言,制动前的制动盘与摩擦片温度 为室温,因此,制动过程中吒可忽略不计,此时, 疋=t。最大闪温在理论上可由下式得出垆o:耻j等小 (2 式中:f为时间,在该时间内滑动表面的所有接触点是处在热源中;|为材料的热传导率;P为材料的密 度;c为材料的比热容;f为系数,其值取决于在热 源宽度上热通量的分布形式;p为摩擦因数;7为隔 热系数;仃。为根据赫兹理论计算出的平均接触压力; q为两表面的相对滑动速度。式(2表明,接触温度与材料的密度、比热

8、容、热传导系数等物理特性参数有关。而式(2中 时间和滑动速度的乘积可以反映出制动过程中摩擦副 2008年第3期 朱爱强等:材料匹配性对盘式制动器摩擦温度场的影响 63间的滑动距离,材料的热常数也直接影响到摩擦因 数,因此,制动盘与制动片中摩擦产生的表面热又可 通过摩擦功职来表示,即:职=/.tF。d式中:p为摩擦因数;F。为法向压力;d为摩擦路 程。该摩擦功转换的热量一部分被制动盘吸收,一部 分被制动片吸收。基于热传导理论,可引用热传导微 分方程描述制动过程热传导过程口芦棚1,即:V2瓦=丢鲁 1,2 (3 vz疋:誓+磐+孕 (4d互 oy dz 式中:V20为表面温度0的拉普拉斯运算符;d

9、为 导温系数,n=k/(pc(in2/s。 度、比热容、热传导系数越大的材料,其摩擦表面温 度越低,反之越高。由式(3可知:在相同的制动工况下,密度、 比热容越小,热传导系数越大的物体吸收热量越少, 反之越多。式(4则反映出摩擦表面温度在不同方 向的传递速度,而由于摩擦瞬时在摩擦副接触点上的 温度是相同的,即:L,(算,Y,0,t=巳.(z,0,f (5 因此,式(4中摩擦表面温度在不同方向的传 递速度取决于材料的热导性能,材料的热传导系数越 高,摩擦热传递速度越快,摩擦表面的温升也越低。 以上理论表明,制动器摩擦副材料的物理性能, 特别是材料的热常数将汲大地影响摩擦表面温度。 2摩擦副材料匹

10、配性能 :为了计算方便,将配对材料有关性能参数列于表由式(2可以看出:在相同的制动工况下,密 1中。而匹配副参数列于表2中。 表1制动器匹配材料参数Table 1Matching material parameters of braker ,注:铸铁制动盘材料编号是基于常用在制动器中的铸铁牌号性能数据。表2制动器摩擦副匹配参数Table 2Matching parameters of brake pair制动工况:背板集中力为20720N,汽车刹车时 初始速度为14r/s,制动时间为3.5s。3计算结果分析3.1计算模型及边界条件10一基于以上理论分析,将与材料有关的边界条件进 行如下假设:(

11、1制动工作过程中的摩擦热在摩擦副接触表 面产生,并以热流的方式输入到制动盘与摩擦片中; (2材料参数的性能线性化,即摩擦副材料的 密度、弹性模量、比热容、导热系数、热膨胀系数及 摩擦因数不随温度而改变;(3材料为各向同性;(4制动过程中动能完全转换为摩擦热能。 3.2计算模型图1制动器摩擦副有限元模型Fig 1Finite element model of brake pair 润滑与密封 第33卷计算是采用LSDYNA 软件为基础进行建模,并 用八节点六面体单位将模 型划分成如图I所示网格, 其中将背板定义为刚体,ANSYS前处理.竺坚兰竺I 二二二二 LS-DYNA求解器求解制动盘和制动片

12、定义为弹Ibpnpost后处理查看结果 性体。在软件中用参数表将随时间变化的摩擦背板 结果分析求 解 失集中力和制动盘瞬态变化 l图2计算分析流程图 的角速度加载。其它边界 Fi92Analysis flow chart 条件按前文所讨论的情况设置。计算分析流程如图2所示。3.3计算结果与讨论.3.3.1制动片匹配性对温度场的影响.图3与铸铁制动盘2配对的制动片的温度场( 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图3为计算得到的与铸铁制动盘2配对的3种制 动片温度场分布。从图3(B可以看出,P-l摩擦副 表面温度聚积相对较集中,其原因是该制动片材料的 热传导系数较低(表1中制动片材料l的热传导系数 为1.01w/(moC,使制动过程中产生的摩擦热 大部分聚积在表面上。显然,如果多次制动,表面会 因为聚积过高温度而产生脱胶、挠曲等情况,影响制 动性能。在图3(b、(c中,由于制动片材料2和3的热传导系数比制动片材料1的高,因此,热导性 能较好。虽然此时制动片材料表面离散温度比图3 (a中的要高,但其表面温度聚积情况不严重,热 量能迅速进行传导而使其分布较均匀。由此

14、可知,制 动片因热传导系数等参数对其温度场的影响比较显 著,制动器匹配时应选择比热容和热传导系数大的制 动片。图4为相同铸铁制硼动盘2与不同材料性能笔i的制动片配对时制动盘l卯表面摩擦温度曲线,从拿l加图中能看出:配对副P.1娜的摩擦温度上升最快, 。而P-3整个过程温度较一低。对照表1和表2,可。知:虽然配对中制动片l“。4与制动片3的热常数性能相近,但由于Pl配对中制动片1的材料密Timeds与同一制动片匹配的制 动盘上表面温度曲线 Surface temperature ctlives of the brake di8c matched witII tlle same brake blo

15、ck度远高于制动片3,从而使制动盘摩擦温度升高。因此 在材料匹配中,选择材料密度较低的制动片对降低摩 擦热有利。上述结果表明,就制动片而言,在制动器摩擦副 中,应选择密度低、比热容高、热传导系数大的制动 片就料o3.3.2不同材质制动盘对温度的影响盘。弹性为了分析材质对制动器摩擦温度的影响,采用常用的锻钢制动盘材料与铸铁制动盘进行了配对比较,结果如图5所示。由图5可以看出,钢盘表面温度比铸铁要低。对照这2种材料物理性能,可看出:钢盘l盏50/r。、k/. ,广、 /+P.4 /+P一5 00.5l 1522533.5 Time/s图5锻钢盘与铸铁盘 的表面温度曲线 Fig 5Surface t

16、emperature curv船of forged Steel disc and cast iron disc 密度大,比热容小,热传导系数较大,因此,热传导 较快,能迅速将接触面的摩擦热向基体传递,而使摩 擦表面温度较低。3.3.3材料性能参数对配对副温度分布的影响对于相同材质,但由于材料牌号不同,热常数有 差别,因此,摩擦配对时的表面温度差别也较大。当 选用制动片材料3。与不同牌号的铸铁制动盘配对时, 2008年第3期 朱爱强等:材料匹配性对盘式制动器摩擦温度场的影响制动铸铁盘的密度越低,则表面温度越低。应当指出的是,由于铸铁盘的比热和热传导系数较相近,参照表达式(4可知道,此时的热传播速

17、度也应相近;当其与相同的制动片配对时,分配在制动片上的热流也相近,而使制动片的温度变化不明显(如图6、7所示。图6P-5制动片温度 场分布( Fig 6Temperature distribution 0f P-5briike block图7P-6制动片温度场分布(Fig 7Temperature distribution0f P一6brake block厂以:、/一、矽/+-,-,Ij-/一P一6J.机械设计与制造,2007(6:8586.Li Heng,Guo Hongqiang,Guo Shiyong.The Finite Element Analysis of Disc BrakeJ.

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