材料匹配性對盤式制動器摩擦溫度場的影響

1、2008年3月 第33卷第3期潤滑與密封LUBRICATION ENGINEERING材料匹配性對盤式制動器摩擦溫度場的影響朱愛強劉佐民(武漢理工大學摩擦學研究所湖北武漢430070摘要:采用有限元法模擬盤式制動器制動過程瞬態(tài)溫度場,研究了材料匹配性對制動器溫度場的影響。研究表明:匹配性對摩擦表面溫度場的影響主要反映在材料密度、比熱容和熱導率方面,即使同類鑄鐵制動盤,其材料密度、比熱 容和熱導率不同,摩擦表面溫度也不同;鑄鐵材料密度越低,則摩擦表面溫度越低,且溫度分布較均勻;就配對副而 言,制動片性能參數(shù)對摩擦表面溫度的貢獻要比制動盤的大。關(guān)鍵詞:摩擦匹配性;導熱系數(shù);制動器;溫度場中圖分類號

2、:U463.512文獻標識碼:A文章編號: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 of braker were inv

3、estigated 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 disc.the surface fric

4、tion 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 the brake block has

5、greater contribution to friction temperature than brake disc.Keywords:matching of friction;thermal conductivity coefficient;braker;temperature field盤式制動器廣泛地應用在汽車和摩托車中,盤式 制動器的性能直接影響到車輛的行駛安全性。由于制 動過程所產(chǎn)生的摩擦熱引起的熱衰退直接影響到制動 片的摩阻性能,因此,制動器的摩擦性能是工程界長 期關(guān)心的問題。但目前的研究大多集中在制動器本身 的性能上¨。21,或某一特定制動片在制動過程中制動 盤表面

6、的溫度分布口。51,而研究其匹配性的文獻較 少。事實上。與大多數(shù)摩擦副一樣,制動器摩擦副的 匹配性在很大程度上反映了制動器的制動性能,特別 是對于以粘膠為粘合劑的制動片復合材料,過高的摩 擦熱將導致制動片表面脫膠或焦化,甚至產(chǎn)生龜裂或 撓曲,致使制動器制動失效。為了討論盤式制動器材料匹配性對溫度場的影 響,本文作者以目前常用的盤式制動片材料為對象, 探討了不同匹配情況下的摩擦熱影響。1摩擦熱匹配性理論基金項目:上海通用五菱(SGMW資助項目(N2000. 收稿日期:200710一18聯(lián)系人:朱愛強,E-mail:zaqxiangsina.toni.當摩擦副工作時,理論上2個滑動接觸物體表面 產(chǎn)

7、生的最大接觸溫度是最大閃溫與體積溫度之和, 即:疋=死+咒 (1 式中:t為最大接觸溫度;瓦為最大閃溫;氣為體 積溫度。對于制動器而言,制動前的制動盤與摩擦片溫度 為室溫,因此,制動過程中吒可忽略不計,此時, 疋=t。最大閃溫在理論上可由下式得出壚o:恥j等小 (2 式中:f為時間,在該時間內(nèi)滑動表面的所有接觸點是處在熱源中;|為材料的熱傳導率;P為材料的密 度;c為材料的比熱容;f為系數(shù),其值取決于在熱 源寬度上熱通量的分布形式;p為摩擦因數(shù);7為隔 熱系數(shù);仃。為根據(jù)赫茲理論計算出的平均接觸壓力; q為兩表面的相對滑動速度。式(2表明,接觸溫度與材料的密度、比熱 容、熱傳導系數(shù)等物理特性參

8、數(shù)有關(guān)。而式(2中 時間和滑動速度的乘積可以反映出制動過程中摩擦副 2008年第3期 朱愛強等:材料匹配性對盤式制動器摩擦溫度場的影響 63間的滑動距離,材料的熱常數(shù)也直接影響到摩擦因 數(shù),因此,制動盤與制動片中摩擦產(chǎn)生的表面熱又可 通過摩擦功職來表示,即:職=/.tF。d式中:p為摩擦因數(shù);F。為法向壓力;d為摩擦路 程。該摩擦功轉(zhuǎn)換的熱量一部分被制動盤吸收,一部 分被制動片吸收?；跓醾鲗Ю碚?可引用熱傳導微 分方程描述制動過程熱傳導過程口蘆棚1,即:V2瓦=丟魯 1,2 (3 vz疋:誓+磐+孕 (4d互 oy dz 式中:V20為表面溫度0的拉普拉斯運算符;d為 導溫系數(shù),n=k/(p

9、c(in2/s。 度、比熱容、熱傳導系數(shù)越大的材料,其摩擦表面溫 度越低,反之越高。由式(3可知:在相同的制動工況下,密度、 比熱容越小,熱傳導系數(shù)越大的物體吸收熱量越少, 反之越多。式(4則反映出摩擦表面溫度在不同方 向的傳遞速度,而由于摩擦瞬時在摩擦副接觸點上的 溫度是相同的,即:L,(算,Y,0,t=巳.(z,0,f (5 因此,式(4中摩擦表面溫度在不同方向的傳 遞速度取決于材料的熱導性能,材料的熱傳導系數(shù)越 高,摩擦熱傳遞速度越快,摩擦表面的溫升也越低。 以上理論表明,制動器摩擦副材料的物理性能, 特別是材料的熱常數(shù)將汲大地影響摩擦表面溫度。 2摩擦副材料匹配性能 :為了計算方便,將

10、配對材料有關(guān)性能參數(shù)列于表由式(2可以看出:在相同的制動工況下,密 1中。而匹配副參數(shù)列于表2中。 表1制動器匹配材料參數(shù)Table 1Matching material parameters of braker ,注:鑄鐵制動盤材料編號是基于常用在制動器中的鑄鐵牌號性能數(shù)據(jù)。表2制動器摩擦副匹配參數(shù)Table 2Matching parameters of brake pair制動工況:背板集中力為20720N,汽車剎車時 初始速度為14r/s,制動時間為3.5s。3計算結(jié)果分析3.1計算模型及邊界條件10一¨基于以上理論分析,將與材料有關(guān)的邊界條件進 行如下假設(shè):(1制動工作過程

11、中的摩擦熱在摩擦副接觸表 面產(chǎn)生,并以熱流的方式輸入到制動盤與摩擦片中; (2材料參數(shù)的性能線性化,即摩擦副材料的 密度、彈性模量、比熱容、導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及 摩擦因數(shù)不隨溫度而改變;(3材料為各向同性;(4制動過程中動能完全轉(zhuǎn)換為摩擦熱能。 3.2計算模型圖1制動器摩擦副有限元模型Fig 1Finite element model of brake pair 潤滑與密封 第33卷計算是采用LSDYNA 軟件為基礎(chǔ)進行建模,并 用八節(jié)點六面體單位將模 型劃分成如圖I所示網(wǎng)格, 其中將背板定義為剛體,ANSYS前處理.竺堅蘭竺I 二二二二 LS-DYNA求解器求解制動盤和制動片定義為彈Ibp

12、npost后處理查看結(jié)果 性體。在軟件中用參數(shù)表將隨時間變化的摩擦背板 結(jié)果分析求 解 失集中力和制動盤瞬態(tài)變化 l圖2計算分析流程圖 的角速度加載。其它邊界 Fi92Analysis flow chart 條件按前文所討論的情況設(shè)置。計算分析流程如圖2所示。3.3計算結(jié)果與討論.圖3與鑄鐵制動盤2配對的制動片的溫度場( Fig 3Temperature field of the brake block mateht,.d withthe cast iron brake disc 2(aP1brake bl,ock;(bP-2brake block;(cP-3brake block圖3為計算得

13、到的與鑄鐵制動盤2配對的3種制 動片溫度場分布。從圖3(B可以看出,P-l摩擦副 表面溫度聚積相對較集中,其原因是該制動片材料的 熱傳導系數(shù)較低(表1中制動片材料l的熱傳導系數(shù) 為1.01w/(moC,使制動過程中產(chǎn)生的摩擦熱 大部分聚積在表面上。顯然,如果多次制動,表面會 因為聚積過高溫度而產(chǎn)生脫膠、撓曲等情況,影響制 動性能。在圖3(b、(c中,由于制動片材料2和3的熱傳導系數(shù)比制動片材料1的高,因此,熱導性 能較好。雖然此時制動片材料表面離散溫度比圖3 (a中的要高,但其表面溫度聚積情況不嚴重,熱 量能迅速進行傳導而使其分布較均勻。由此可知,制 動片因熱傳導系數(shù)等參數(shù)對其溫度場的影響比較

14、顯 著,制動器匹配時應選擇比熱容和熱傳導系數(shù)大的制 動片。圖4為相同鑄鐵制硼動盤2與不同材料性能筆i的制動片配對時制動盤l卯表面摩擦溫度曲線,從拿l加圖中能看出:配對副P.1娜的摩擦溫度上升最快, 。而P-3整個過程溫度較一低。對照表1和表2,可。知:雖然配對中制動片l“。4與制動片3的熱常數(shù)性能相近,但由于Pl配對中制動片1的材料密Timeds與同一制動片匹配的制 動盤上表面溫度曲線 Surface temperature ctli'ves of the brake di8c matched witII tlle same brake block度遠高于制動片3,從而使制動盤摩擦溫度

15、升高。因此 在材料匹配中,選擇材料密度較低的制動片對降低摩 擦熱有利。上述結(jié)果表明,就制動片而言,在制動器摩擦副 中,應選擇密度低、比熱容高、熱傳導系數(shù)大的制動 片就料o盤。彈性為了分析材質(zhì)對制動器摩擦溫度的影響,采用常用的鍛鋼制動盤材料與鑄鐵制動盤進行了配對比較,結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,鋼盤表面溫度比鑄鐵要低。對照這2種材料物理性能,可看出:鋼盤l盞50/r。、k/. ,廣、 /+P.4 /+P一5 00.5l 1522533.5 Time/s圖5鍛鋼盤與鑄鐵盤 的表面溫度曲線 Fig 5Surface temperature curv船of forged Steel disc an

16、d cast iron disc 密度大,比熱容小,熱傳導系數(shù)較大,因此,熱傳導 較快,能迅速將接觸面的摩擦熱向基體傳遞,而使摩 擦表面溫度較低。對于相同材質(zhì),但由于材料牌號不同,熱常數(shù)有 差別,因此,摩擦配對時的表面溫度差別也較大。當 選用制動片材料3。與不同牌號的鑄鐵制動盤配對時, 2008年第3期 朱愛強等:材料匹配性對盤式制動器摩擦溫度場的影響制動鑄鐵盤的密度越低,則表面溫度越低。應當指出的是,由于鑄鐵盤的比熱和熱傳導系數(shù)較相近,參照表達式(4可知道,此時的熱傳播速度也應相近;當其與相同的制動片配對時,分配在制動片上的熱流也相近,而使制動片的溫度變化不明顯(如圖6、7所示。圖6P-5制

17、動片溫度 場分布( Fig 6Temperature distribution 0f P-5briike block圖7P-6制動片溫度場分布(Fig 7Temperature distribution0f P一6brake block廠以:、/一、矽/+-,-,I'j-/一P一6J.機械設(shè)計與制造,2007(6:8586.Li Heng,Guo Hongqiang,Guo Shiyong.The Finite Element Analysis of Disc BrakeJ.1Vlachinery Design&lVlanufae-tttre,2007(6:8586.【2】王良

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19、re Field of Disc Drake Friction FlakeJ.Journal 0f Wuhan University of Technolo尉',2001,23(7:2224. 【4】華林,向上升.汽車氣壓盤式制動器瞬時溫度場研究 J.潤滑與密封,2007,32(5:8一11.1-lua Lin,Xiang Shangsheng.Study On the Transient Thermal Field of the Air Disc Brake of VehicleJ.Lubrication Engi neering,2007,32(5:811.【5】李亮,宋健,李永,

20、等.制動器熱分析的快速有限元仿真 模型研究J.系統(tǒng)仿真學報,2005,17(12:2869 2872.Li I.iang,Song Jian,Li Yong,el a1.Stud"0111Fast Finite Element Simuladon Model of Thermal Analysis of Vehicle BlakeJ.Jounud of System Simulation,2005,17(12: 28692872.【6】馬保吉,韓莉莉,朱均.盤式制動器的溫度場分析J. 西安工業(yè)學報,1998,18(4:311315.1Vla Baoji,Hart Lili,Zhu Ju.The Temperature Field Analysis of Disc BrakeJ.Journal of Xi柏Institute of Technology, 1998,18(4:3ll一315.【7l s c Richard,0w Ward.Fficdonal Heating Calculations/ Solid b'Hct/on2lf.ASM Ha