基于热力耦合的湿式制动器温度场的温升机理及关键技术研究（可编辑）

基于热力耦合的湿式制动器温度场的温升机理及关键技术研究（可编辑） 基于热力耦合的湿式制动器温度场的温升机理及关键 技术研究 分类号型垒鱼兰:量 单位代码 密级?? 学 号 墨麽交通戈謦 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 论文 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目:基于热力耦合的湿式制动器温度场的温升机理 及关键技术研究研究生姓名: 李彬 导师姓名、职称: 殷时蓉副教授 申请学位门类: 工学硕士 专业名称: 车辆工程 论文答辩日期: 年月日 学位授予单位: 重庆交通大 学 答辩委员会主席: 曹源文 评阅人: 李军 余江波 年月重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日 日期:吐多年‖月 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并进行 信息服务包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等,同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 指 名 学位论文作者签名: 导 嗵,, 日期 年 殳月 莓日 日 】『 教易 ?,, 日期:少弓年 么月/ 师叫 签; 时/ 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊光盘版电子杂志社系 列数据库中全文发布,并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规 定享受相关权益。 学位论文作者签名:弛 指导警师警段穆磐 日期:幻乡年/月曰 日期:纠铲名月日摘要 在整车设计中,汽车的安全性越来越被重视,制动系统是影响汽车安全性的 核心部件,制动系统性能的好坏直接影响到车辆制动安全性。湿式多盘制动器作 为一种新型的制动器,国内外研究人员从不同角度对其进行研究。本课题来源于 企业,以全封闭湿式多盘制动器为研究对象,综合运用有限元分析、数值模拟等 方法对其制动过程中的温度场变化规律进行分析研究,并对由温度场衍生出来的 热点问题进行深入研究。主要研究内容如下: 湿式多盘制动器温升机理理论研究 通过热传导方程和热弹性方程的建立,两者耦合理论的进行分析研究,基于 傅立叶导热定律和能量守恒定律以及对流换热理论,建立湿式多片制动器的数学 模型以及车辆特定运行状态时的汽车动力学模型。构建湿式多片制动器的温度模 拟分析模型所需的热流密度边界条件。结合湿式多片制动器的工作条件和实际情 况,在理论分析的基础上构建湿式多片制动器的有限元温度场和热性能分析计算 模型。解决湿式多盘制动器在温升机理领域的建模及仿真等主要关键技术问题。 湿式多盘制动器特定制动条件下温度场分布模式研究 根据实际尺寸建立湿式制动器摩擦副三维模型,采用设定的制动工况进行分 析研究,运用有限元软件.对湿式制动器摩擦片和钢盘进行热分析, 得出制动过程中摩擦片和钢片温度分布图。对摩擦盘和钢盘温升特点进行分析, 对同一时刻摩擦盘和钢盘不同部位温度梯度进行分析,对比分析了同一时刻摩擦 盘和钢盘的温度差别,分析不同时刻的热流流动模式。总结摩擦制动过程中摩擦 盘和钢盘温度场变化规律。对湿式制动器整体进行分析,分析不同位置摩擦副温 度升特点和基本规律。对比分析仿真结果与理论计算结果。 湿式多盘制动器温度场衍生热点关键技术问题研究。 针对湿式制动器中摩擦热点的迁移现象,对摩擦热点迁移机理进行了探究, 分析了摩擦热点的迁移模式,建立了热点迁移的数学模型,根据所建立的热点迁 移数学模型研究热点迁移规律。通过所建立的数学模型进行数值分析和仿真测 试,从两方面分析了摩擦副滑动速度、波长、接触压力增长率与迁移速度、 热点数之间的对应关系。提出了缓解热点问题的相应的措施。 关键词:湿式制动器:温度场;热分析;热点;模拟仿真 . ,, . , , , . , .,. . . .:? , 。. ,. . ,, . . . . . . ., . . . .. . ,. ,.. . , . 。 , , , , , , . : ; ; ; ; 目录 第一章绪论. .湿式制动器的发展史及其分类??.. .湿式制动器制动器研究现状与动态.. .湿式制动器一般存在的问题.. .本课题的主要研究内容以及研究意义??.. ..研究内容 ..研究意义??.. 第二章热一机耦合分析的理论基础?.. .接触分析理论. .摩擦制动的生热理论 .热量传导理论分析? .热机耦合的求解方法 ..制动器热机耦合的有限元分析方法 ..瞬态热分析一有限元法??一 .摩擦制动系统瞬态温度场三维热传导方程的建立 ..热传导方程? 。.应力计算.本章小结第三章湿式多片制动器有限元模型的建立? .全封闭湿式制动器简介.制动系统有限元模型的建立 ..温度场热分析 ..基本假设..单元选择及网格划分. ..三维模型的网格划分 .有关计算数据及边界条件的确定? ..制动运动及动力参数的确定:..制动系统的结构尺寸和材料参数? ..制动工况的确定..制动系统对流散热系数的确定..热流分配系数的确定 ..位移及温度边界条件 .本章小结第四章特定工况下湿式多片制动器温度场温升机理研究? .湿式制动器摩擦制动原理? .制动器制动工况分类 .湿式制动器制动工况的分析 ..制动过程的构成??.. 单个制动器制动参数确定 ..高强度持续制动工况理论分析.有限元数值理论分析 .有限元模型的建立及边界条件简化 .湿式制动器热源处理 .热传导方程和热弹性方程的建立? .高强度持续制动工况下的温度场分析..摩擦盘温度场分析? ..钢盘温度场分析..摩擦副温度场分析? .仿真与理论对比.温升控制技术初步探究?. .本章小结?.. 第五章.湿式制动器温度场衍生热点问题研究 .热点的基本理论.热点几何模型和数值模拟? ..几何结构?一 ...摩擦热点迁移机理数学模型分析 ...摩擦热点数值模拟分析? .。热点迁移模式的影响因素探究..摩擦副的几何形状和材料性能确定 ..摩擦材料弹性模量对于热点迁移模式的影响?一 ..摩擦副几何尺寸对于热点迁移模式的影响??.. .本章小结?.. 第六章结论与展望? .结论??. .展望? 参考文献致 谢在学期间发表的论著及取得的科研成果??第一章绪论 第一章绪论 弗一早殖比 随着汽车技术的不断发展,汽车的行驶安全性逐渐成为车辆设计的重点,制 动器性能的好坏直接决定车辆行驶安全性。相对于一般的制动器,全封闭湿式制 动器在性能和结构上都存在很大的技术优势,尤其是在保证结构紧凑的情况还能 提供较大的制动力矩,因而越来越广泛地被工程车辆所采用【】。从中国汽车工业 协会统计的情况来看,到年,中国本土汽车产量将达到万辆左右,其 中两成产品将进入国际市场。汽车行业的高速发展势必带动湿式制动器行业的发 展。年汽车湿式制动器总成需求规模达到万台,其中配套市场 万台,服务市场万台,预计年配套市场万台,服务市场万 台。同时机动车辆安全性能的好坏直接关系到公共交通安全性,作为车辆安全行 驶重要保障的制动器,它所具有的制动性能的好坏不仅决定着车辆行驶的安全 性,还决定着乘客乘坐车辆时的舒适性。据国家相关资料统计,全国所发生的交 通事故,有大约%是因为制动系统性能下降导致的,制动性能下降很大一部分 原因是由于摩擦制动过程中产生的高温高压造成的【】。 .湿式制动器的发展史及其分类 湿式多片制动器最早诞生在美国,美国的工程车辆公司对湿式制动器的研究 开展相对于其他国家较早,并在行业内处于领先地位。受到矿区工程条件的影响, 各大矿区在生产过程中开始逐渐采用大型工程车辆。美国和 以及日本小松等公司为了提高企业整体效益,企业的工程车辆正逐渐 朝着大型化方向发展。伴随着工程车辆吨位的增大,同时工程车辆基本在条件极 其恶劣的矿区环境下工作,对制动设备的制动性能的要求也越来越高,市面上的 技术比较成熟的盘式或鼓式制动器已经越来越不能满足重型工程车辆的制动需 求,因此就要求性能更加出色的制动器来代替它们,于是各种工程车辆公司就开 始投资进行湿式多盘制动器的研制。 针对于湿式制动器早期的研究工作基本都集中在试验研究方面,通过得到的 试验结果对湿式多盘制动器的制动性能和摩擦特性进行研究分析。由于重型车辆 的制动条件相对于其他车辆更加苛刻,这就对湿式制动器摩擦制动性能以及抗热 衰退性提出了更高的要求,对于提高湿式制动器摩擦性能方面的研究正不断进行 以及完善,不断有新的理论和手段被运用到研究中。 虽然在国内外的工程车辆中,湿式多盘制动器的使用日益普便,但是对于其第一章绪论 的研究工作还有一段很长的路要走。由于湿式多片制动器日益广泛的用途和复杂 多变的结构,国内外的研究人员分别采用不同的研究方法从各个方向对湿式制动 器进行研究,有的学者专注于理论方面的创新,有的学者专注于在实验方面寻求 突破。随着科技的不断进步,高端计算机辅助手段以及摩擦特性优越的材料被采 用,对于湿式制动器关键技术的研究在理论和实验方面不断有新的突破。 在我国,非公路用车早期制动器类型基本都是蹄式,蹄式制动器不足之处是 它的整体尺寸往往受限于车辆轮毂直径,经过制动磨损后需要经常地对其间 隙进 行调节,并且制动鼓非常容易受到外界的油、泥、水等污染,而这些污染难以排 除,这些因素都将严重影响制动器的制动稳定性,除此之外,蹄式制动器的摩擦 作用面积非常小、散热性能较差等缺点。针对于蹄式制动器以上缺点,钳盘式制 动器应运而生,可其摩擦接触面积仍然不大、对应的接触界面的压强很高,这对 构成摩擦副的摩擦材料在高温高压环境下摩擦特性以及强度提出了更高的要求。 为了更好的满足车辆对制动性能的要求,制动性能更好的湿式多片式制动器就应 运而生。中国工程车辆行业的前景非常广阔,工程汽车行业的飞速发展必将会带 动湿式多片式制动器行业的高速发展,国内的湿式多片制动器市场需求量的增长 速度发展非常快。 全封闭湿式多片制动器具有以下优点: 由于制动器在一个封闭的环境工作,与外界隔绝。以至于它在运行中 中能够避开受外界粉尘及湿度的影响,相对于其他种类制动器它的性能相对稳 定,磨损量比较小,最重要一点在使用期间内不需对结构进行调整。 制动器摩擦片与钢盘之间摩擦接触面积相对于其他类型较大,具有多 个摩擦副,这样通过较小的轴向接触压力就能获得理想制动力矩。 通过增减摩擦副对数就能调整制动力矩,以此能够形成对摩擦元件的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 匹配。 由于作用面积大,导致其散热效果理想,可以在较短时间内使元件温 度明显降低,使用寿命通常是干式制动器的倍左右。 湿式制动器目前正逐渐推广运用到港口及民航牵引车、轮式挖掘机、推土机、 矿用轮式自卸车、各类非公路用车等制动力矩相对较大以及工作环境条件恶劣的 装备之上,尤其是在行驶环境比较恶劣的各类大型的非公路用车上,湿式多盘制 动器替换干式制动器已经是大势所趋。 按照结构及工作原理湿式多盘式制动器能够划分成以下几种类型:普通型多 片湿式制动器、湿式多片失压制动器、多功能湿式盘式制动器【。 普通型多片湿式制动器运用液压系统压力进行摩擦制动,当液压系统卸压后 制动弹簧伸张进行制动。在此之后制动器油腔压入液压油,制动活塞受到液压油第一章绪论 施加给它的压力,制动活塞通过推压摩擦片进行摩擦制动。一般此类型的制动器 都安装于非公路用工程车桥的轮端。当对车辆采取摩擦制动时,需要借助一个液 压系统来完成摩擦制动。当液压系统发生故障,整个制动系统就会不能正常工作, 这就会造成车辆的行车事故。 湿式多片失压制动器是一类安全型的湿式多片制动器,它具备湿式多盘制动 器优点的同时,在工程车辆的安全行驶中也扮演了非常重要的角色。湿式多盘失 压制动器对液压系统进行了简化,并且省去了另外一套制动系统。通过操作同一 个制动器来完成工作制动、紧急制动以及停车制动,由于省去了停车制动系统, 总体结构得到了简化。此类型制动器采用矩形截面弹簧执行制动操纵,制动器液 压系统中的油压到达设定值时,液压油就能够作用于活塞对弹簧来进行挤压来停 止制动,当操作人员进行制动操作时,就会卸去液压系统中的油压,通过弹簧的 伸张就能够推动活塞作用于摩擦片进行制动。当液压系统出现故障导致系统失压 时,湿式多盘失压制动器就会通过弹簧自行施加压力进行摩擦制动,确保车辆停 止运行。 多功能湿式盘式制动器吸取了上面两类湿式制动器各自具备的优点,由于此 类制动器采用了双活塞,具有两类不同制动方式:在进行行车制动时,选择的是 压力油操纵进行摩擦制动,压力油被压入制动器的油腔之内,然后作用在行车制 动活塞上。通过推动活塞,是活在压紧摩擦片进行摩擦制动。卸压后通过回位弹 簧释放制动。 .湿式制动器研究现状与动态 目前非公路用车普遍采用的制动器有鼓式制动器、盘式制动器及湿式多盘制 动器。前两者是干式制动器,第三者为湿式制动器。对于干式制动器的运用主要 是早各种轻型的机动车辆之上,对于行车环境相对恶劣或制动性能要求相对严格 的工程车辆大都采用的是湿式多盘制动器,例如轮式挖掘机、推土机、矿用轮式 自卸车、各类非公路用车【】。 国外工程车辆装配湿式多盘制动器已非常普及,整车运用湿式制动器的有 自卸车、 装载机、的和; 专门从事装配有湿式多盘制动器车桥制造的企业有来自美国的 公司、美国美弛车桥公司、德国车桥公司等【】。 近年来,国内各行业的工程车辆也逐渐开始装配湿式多盘制动器,以此作为车辆 的制动装置,如北京安期生技术有限公司的系列湿式多盘制动器,分别装 配在型电动铲运机、中型飞机牵引车、/型装载机上、 型从事井下作业的内燃铲运机、胜利油田工程机械厂研制出的从事石油勘 第一章绪论 探与开采的两用工程运输车上以及天津工程机械厂研制出的进行公路施工的平 地机上,近期又将其研制与生产的新型湿式多盘制动器安装在厦门叉车厂制造的 大吨位叉车上,该叉车独特之处是湿式多盘制动器和转向系统共用个液压油 路。随着经济的飞速发展,湿式多盘制动器在我国工程车辆中进行推广是大势所 趋。 目前,针对制动系统结构方面的设计分成两个方向。其中一个方向就是湿式 多盘制动器正逐渐替代干式类型制动器,成为行车制动系统的主流制动器。全封 闭式湿式制动器不仅能够起到防水防尘的目的,而且它的制动性能非常恒定,磨 损率相对较低,此类制动器使用寿命相对较长,整个寿命期间不需对结构进行调 整,整体散热良好,摩擦副温度能在短时间内大幅度降低,不用对摩擦副径向尺 寸进行修改,就能够调整摩擦副数目,进而实现对制动力矩的调整,这样就能 系 列化、标准化制动系统。另一个方向是制动系统的传动机构正逐渐向着全液压传 动发展,此类制动机构的踏板直接作用于系统的液压阀,从而省略了气动元件, 因此结构较以前精简,寒冷季节不容易结冻,无需对其进行放水保养,阀以及管 路不容易产生锈蚀,制动可靠性得到有效保证,所以此类装置各类特种工程车辆 中的制动系统中越来越广泛的被采用。 近年来,国外研究机构加大了对湿式多盘制动器的开发力度,并且已经成功 开发出各种性能优越的湿式制动器,越来越多的企业在整车结构设计中把湿式制 动器作为重点采用对象。国际知名的建筑机械制造巨头,例如、 和 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 将湿式制动器运用到整车的设计开发中, 及在进行研发设计时也运用了湿式多盘制动器。装配有 湿式多盘制动器的车桥已经在叉车、装载机上推广运用,湿式多盘制动器系统已 经全面运用到井下矿用工程车辆之上。】最早对湿式制动器进行大规模有限 元分析。其建立了制动器各个部件的有限元模型,对于各部件边界条件不明确的 地方,则使用了工程手段近似。摩擦力通过几何藕合的方法引入模型中。其 摩擦 刚度矩阵是由相应接触面的相对位移构成。最常用的将摩擦力引入有限元模型的 方法是通过几何藕合【,’】。】通过对盘式制动器的一系列试验,研究了摩擦 膜的形成和破坏的动态过程,认为对于半金属摩擦材料和铸铁摩擦盘而言,只有 当摩擦膜形成后,摩擦系数趋于一个稳定的值时才会发生尖。 】在假定湿式多盘制动器各摩擦副间衬片压力沿径向均布相等的前提下,建立 了以摩擦盘和对偶钢盘横截面中轴线为对称线的温度场有限元分析模型: .【】利用有限元间隙单元建立了轴对称温度场和应力场的有限元分析模型,并阐 述了摩擦衬片弹性模量对制动器对偶钢盘温度和应力的影响,提出了湿式多盘 制动器等热流密度设计原则.和建立了一个有限厚度层在两个半平第一章绪论 面内滑动的分析模型,将其用于汽车制动分析。,等计算了二维情况 下瞬态摩擦生热引起的热弹性接触问题,还利用有限差分法计算了多片制动器的 瞬态温度场及准稳态下的热应力分布情况。和,】建立一个二维轴对称 模型,将热传导方程和力平衡方程联合求解,用隐式有限元法分析了制动过程中 盘式制动器的瞬态热弹性行为。和,提出在非轴对称热流密度 作用下应用有限元与快速傅立叶变换相结合来模拟通风制动盘制动过程中的温 度场的方法。和对此方法进行了改进,在时域内采用较小的时间增量, 模拟了制动盘的非轴对称瞬态温度场。和对制动盘建立了三 维热一机耦合的有限元模型,并与台架试验结果作了比较,认为制动盘翘曲是产 生热点和导致热弹性不稳定的主要原因。从制动过程中的制动盘厚 度和摩擦力的变化方面来研究制动时的热抖动问题。等通过对盘式制 动器制动过程的数值模拟与实验,认为制动过程中摩擦系数的变化和热弹性不稳 将导致制动盘表面轴向和切向制动力的波动变化,引起制动时的热抖动。 年代中期,我国通过引进和不断研究国外井下装载机技术,对湿式多盘 制动器的研发逐步进行。赵文清】通过对湿式制动器散热过程进行深入分析,在 此基础上构建对应的散热方程,并对所建方程进行了模拟分析,研究了对应湿式 制动器的摩擦产生热量的对流特性,探究了制动器摩擦副温升的计算方法,并推 导了在非稳态散热时湿式多盘制动器内部油温的计算公式。高梦熊【】对全封闭湿 式制动器的结构和工作原理进行了详细介绍,比较了此类制动器相对于其他 类型 制动器的优越性,在矿区工程机械与重型机械驱动桥中广泛采用。此文详细介绍 了液压驱动装置在此类驱动器中的重要作用,它是保证制动器初始压力稳定输入 的基本条件。周新建【】结合实际运行状况,对安装在煤炭挖掘机中的湿式制动器 的整体散热机能进行了深入研究,针对煤炭挖掘机中的制动器经常出现的散热问 题提出了解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,运用理论分析和实验进行了验证,这对增加使用寿命及改善 制动效能具有重要意义。孙冬野【认为产生于滑动盘片间的热机现象对湿式多片 制动器的衬片压力和表面温度分布具有显著的影响,并己成为制动器破坏的主要 原因之一。为了降低热机作用的影响,对对流换热系数、摩擦系数、摩擦速度和 初始衬片压力分布等一些重要的设计和材料参数进行了详细的分析,针对湿式多 片制动器设计方法提出了等温度设计的新观点。张云龙利用仿真软件模拟仿真 了在活塞压盘压紧作用下摩擦副接触界面间的应力分布模式,并以此为基础 针对 摩擦界面的温度场建立对应的分析模型,对摩擦副接触面间的任意时刻温度场进 行分析。 一直到八十年代后期,国内研究机构对于湿式制动器研制才有所突破,现已 研制出液压制动型湿式制动器、弹簧制动液压制动型湿式制动器、弹簧制动液压第一章绪论 解除制动型湿式制动器、多功能型和非驱动桥用型湿式制动器等,所研制的大部 分产品已经成功运用在各类工程车辆上,运行良好。 我国研制的湿式多盘制动器已在下列工程车辆上得到应用: 井下装载机,包括金川有色金属公司第二机械厂生产的、井 下装载机,南昌通用机械厂生产的井下装载机等。 自卸汽车,包括南宁重型机械厂生产的 矿用自卸汽车等。 飞机牵引车,包括威海广泰航空地面设备有限公司生产的 飞机牵 引车等。 装载机、平地机,徐州装载机厂生产的型和型装载机, 天工工程机械有限公司生产的型平地机等。 水陆两用车,包括胜利油田工程机械总厂生产的大、小水陆两用车等。 煤科院太原分院生产的中型客货车非驱动车桥用湿式多盘制动器等。 尽管国内制动器研究机构对于湿式制动器开发还相对落后,但从市场前景来 看,湿式制动器具有十分可观应用前景。目前工程机械正逐渐朝着巨型化、 大吨 位方向发展,这就对整个制动系统实时性、灵敏性以及可靠性提出了更高的要求, 伴随着机械设计人员在湿式制动器核心技术方面的不断创新,使得湿式制动器制 动性能稳定,使用期间无需进行维护以及调整,制动性能明显高于其他类型制动 器。整车设计中为了提高整车运行操作性能和安全性,湿式多盘制动器将会被优 先选用。湿式多盘制动器取代干式制动器成为非公路用车的主流制动器是大势所 趋。目前国外各类工程车辆制动系统大都装配了湿式多盘制动器,相对于国外, 国内湿式多盘制动器的研究与生产工作才刚刚开始,推广应用还不是非常普及, 尤其是核心技术方面还不是非常发达,亟需不断创新。我国湿式制动器市场份额 主要还是被国外产品占据。 .湿式制动器一般存在的问题 湿式制动器的温度场问题是困扰湿式制动器进一步发展的疑难问题,国内外 的学者对其中的原因并未形成统一的共识:,】。由湿式制动器摩擦副摩擦制动中高 温高压衍生出的热点问题一直影响制动器的摩擦性能。国内外现有的理论分析方 法、计算模型等尚不能对其进行明确的运算分析。由于湿式多片制动器摩擦副之 间的相对滑动涉及到动力学方面知识,其温升机理又受制动工况的变化以及所处 环境影响,目前,针对此问题进行的研究从造成问题原因到分析此问题采用的方 法一直无法得到完全相同的结论。因此,本课题的研究初衷在于参照国内外的研 究成果,将研究湿式多盘制动器摩擦盘温度场产生机理,通过建立非线性的理论 模型分析极限工况下制动器对温度场分布梯度及温升机理的影响,并将研究结果 第一章绪论 用于指导湿式多盘制动器的设计。并对由温度场衍生出的热点问题进行研究。 .本课题的主要研究内容以及研究意义 ..研究内容 湿式多盘制动器温升机理理论研究 通过热传导方程和热弹性方程的建立,对热传导方程和热弹性耦合理论的进 行分析研究,基于傅立叶导热定律和能量守恒定律以及对流换热理论,建立 湿式 多片制动器的数学模型以及车辆特定运行状态时的汽车动力学模型。根据所采用 车辆结构参数和制动原理,计算出相应的制动力和制动力矩参数。构建湿式多片 制动器的温度模拟分析模型提供所需的输入热流密度边界条件。结合湿式多片离 合器的工作条件和实际情况,在理论分析的基础上构建湿式多片制动器的有限元 温度场和热性能分析计算模型。 湿式多盘制动器特定制动条件下温度场分布模式研究 根据实际尺寸建立湿式制动器摩擦副三维模型,采用特定的制动工况进行分 析研究,运用有限元软件.对湿式制动器摩擦片和钢盘进行热分析, 得出制动过程中摩擦片和钢片温度分布图。对摩擦盘和钢盘温升特点进行分析, 对同一时刻摩擦盘和钢盘不同部位温度梯度进行分析,对比分析了同一时刻摩擦 盘和钢盘的温度差别,分析不同时刻的热流流动模式。总结摩擦制动过程中摩擦 盘和钢盘温度场变化规律。对湿式制动器整体进行分析,分析不同位置摩擦副温 度升特点和基本规律。 湿式多盘制动器温度场衍生热点问题研究 针对湿式制动器中摩擦热点的迁移现象,对摩擦热点迁移机理进行了探究, 分析了摩擦热点的迁移模式,建立了热点迁移的数学模型,根据所建立的热点迁 移数学模型研究热点迁移规律。通过所建立的数学模型进行数值分析和仿真测 试,从两方面分析了摩擦副滑动速度、波长、接触压力增长率与迁移速度、 热点数之间的对应关系。研究材料弹性特性和几何尺寸以及滑动速度改变对接触 摩擦特性的影响,总结各参数变化带来的规律。为控制湿式制动器温度场衍生的 热点问题提供理论指导。 ..研究意义 车辆的行驶安全性很大程度上取决于其制动系统性能的好坏。车辆制动过程 是一个典型的摩擦生热过程,当湿式制动器摩擦副的元件接触面在压力作用下相第一章绪论 互滑动时,会把车辆滚动的动能转换为热能散发掉。随着工程车辆相关技术不断 发展,车辆行驶速度与总吨位都随着技术的更新不断增加,速度和吨位的增加就 意味着制动系统必须接受更加苛刻的初始制动参数,这就对制动器的制动性能提 出了更高的要求。近些年来湿式制动器逐渐成为工程车辆中的主流制动器。与传 统的制动器相比,它在性能和结构上都存在很大的技术优势,尤其是在保证结构 紧凑的情况还能提供较大的制动力矩,因而越来越广泛地被工程车辆所采用【。 通过对国内外研究进行大量调研,为了使湿式多片制动器在非公路用车领域 的高制动效率和大制动力矩的前提下仍然保持合理的温度梯度分布,尽量减少由 温度场分布不均引起的摩擦片烧结或热应力值太高引起的摩擦副结构变形,提出 了湿式多盘制动器温度场特性进行研究,结合湿式多盘制动器温升机理特性进行 数值模拟分析、几何建模及软件仿真分析和对比验证,对表征此类问题的热对流 边界条件、瞬态温度场有限元分析进行探索。解决湿式多盘制动器在温升机理及 领域的建模及仿真等主要关键技术问题,为研究湿式制动器的温度场方面问题提 供了理论依据和技术方法,为解决非公路用车湿式制动器的高制动效率、大制动 力矩等问题提供了依据。课题的研究不仅具有重要的意义,而且具有广泛的 应用 前景。 本论文的研究初衷在于参照国内外的研究成果,将研究湿式多盘制动器温度 场的产生机理及演变过程, 基于目前湿式多盘制动器的研究现状,可借助于虚 拟样机设计技术、热流体学和多相流理论技术,研究其超负荷工作的散热机理; 借助计算机仿真技术、热弹塑性理论和断裂力学理论,研究其摩擦副间热力耦合 的摩擦机制及其破坏机理:借助于有限元、相似理论和模态综合技术建立其温度 应力场的结构闭环耦合模型,形成数值仿真计算模型,然后通过试验模态分析技 术对其试验结果与其理论计算结果进行分析比较,研究其结构参数对温度梯度的 影响作用,在求解得到了湿式制动器接合工作温度信息的基础上,为提出湿式制 动器在设计和控制方面的改进方案奠定基础,进而优化结构设计参数达到对温升 机理的控制。 .本章小结 本章首先对湿式多片制动器的诞生、发展进程、各种类的特点以及国内和国 外的对于湿式制动器的研制和其未来发展方向作了一个简要的描述,分析了目前 对于湿式制动器研究所存在的一系列问题。随后对本文所研究的湿式制动器主要 内容进行了简要介绍,主要对极限工况下的温度场和由温度场衍生出来的热点问 题进行研究,指出对湿式多盘制动器温度场进行研究的重要意义。 第二章热一机耦合分析的理论基础 第二章热一机耦合分析的理论基础 车辆的制动过程就是一个能量转换过程,将车辆的动能通过摩擦生热转换 为热能散发掉。作为能量转化装置的制动器的核心部件就是其摩擦副,摩擦生热 就是通过摩擦副元件的相互摩擦来实现的。由于是在短时间内完成动能到热能的 转换,摩擦副元件温度会急剧升高,构成摩擦副的元件温度会随着制动时间的增 长和制动强度增大而升高,摩擦副对应的温度场的变化特性直接决定制动器的制 动性能。摩擦副温度场在制动过程中的变化实质就是热机耦合作用的过程。本章 对热机耦合作用从理论层面进行研究,首先介绍了此理论的作用原理,根据其作 用原理建立湿式制动器摩擦副之间温度场对应的的热传导方程。 .接触分析理论 湿式制动器的制动过程从本质上讲就是摩擦元件之间的磨损耗能过程,为 了达到准确模拟摩擦对应的温度场在制动过程中衍变过程,首要解决的问题就是 摩擦片与钢片之间的接触问题】。 湿式制动器进行摩擦制动时,摩擦片与钢片之间的接触由于各自表面的微 凸体导致其不能完全接触,真实接触面积只占两摩擦副重合面积的一部分,同时 接触区域分散分布。真实接触区域的接触状况与制动器摩擦元件的加工状况、所 选摩擦材料特性、压盘弹簧提供接触压力等因素有关】。湿式制动器摩擦制动产 生的热量产生于实际接触区域,在整个摩擦制动过程中实际接触区域不断发生变 化,这就会导致摩擦制动产生的热量不断变化,对应的摩擦副元件温度场也会不 断变化,实际接触区域的温度远远高于整个摩擦副的平均温度【】。 为了准确定义接触模型,以下四个方面是亟待解决的核心问题: 物理模型:准确描述摩擦副接触界面在转动力矩作用下,随着转速的降 低,接触界面间接触状态变化, 摩擦元件之间相对运动规律:在接触介面上摩擦片与钢片的位移对应的 条件。 本构规律:在摩擦副接触平面上位移和力的对应关系,切向力和法向压 力的对应关系。 建立摩擦副热流传递方程以及对应求解方法:利用数学方程表示前面的 规律、提出相对应的求解方法。 上述四个问题确定后,采用节点对法建立有限元模型: 第二章热一机耦合分析的理论基础 节点对法就是将构成摩擦副的摩擦盘和钢盘的接触面用统一的网格进行划 分,这样就可以通过建立一个坐标系把摩擦元件接触面对应的节点包括在内,由 于这些节点都处在同一个坐标系内,处于接触界面上的点的坐标就能够统一起来 组成节点对。进行制动时,施加的轴向压力会作用于节点对,当制动器轴向压力 经过单元网格中的节点对时,对于摩擦副接触界面中的个局部区域的接触模式是 不同的。:有的只有轴向接触没有接触切面的滑动,既有轴向的相互接触也有 与接触层面的切向滑动,受到轴向压力产生变形后的无任何接触。这类方法通常 情况下只适用于比较简单的接触,然而对于接触层面形状比较复杂的接触,因为 很难实现节点的逐一对应,这使得对应有限元网格划分难度加大。当只把摩 擦副 间的相对滑移考虑在内时,对此法进行求解的方程具有非对称特点,所以此类方 法适合来解决条件复杂的问题。 .摩擦制动的生热理论 湿式制动器进行制动时,就是通过摩擦副摩擦把车辆动能转化为热能,热量 的传递和散发必将导致摩擦元件温度升高。为了研究湿式制动器的温度场和温 度、压力升高引起的热斑问题,第一步就要对摩擦生热基本理论进行深入了解, 摩擦元件由于材料和结构的原因,在相对滑动时会使摩擦盘和钢片的接触界面存 在摩擦阻力,摩擦副需要借助消耗机械能来克服这一组里,机械能通过摩擦转换 为热能。 在工程车辆的制动过程中,湿式制动器的摩擦元件基本都是处在相对滑动 状态的,摩擦元件在压力作用下相对滑动时产生的热量分为三部分【,,。】: 一是在摩擦片与钢片相对滑动时,由摩擦盘和钢盘表面微凸体发生摩擦接 触形成的。 二是摩擦盘和钢盘表面微凸体在高温高压作用下与彼此对应接触区域发生 的粘结、摩擦元件开裂以及摩擦元件塑性变形形成的热量。 三是当接触区域温度升高到一定值时,摩擦材料会在高温作用下发生降解, 这也会带来一部分热量。 普通环境条件下,热降解作为一种热量释放过程,它释放的热量在摩擦生 热产生总热量中所占比例较小,在中等制动强度条件下,由于摩擦材料热降解释 放的热能只占所产生摩擦总热量%,所以在总体分析过程中可以把这一部分忽 略不计。车辆在进行摩擦制动时,摩擦盘和钢片接触表面微凸体相互接触摩擦以 及高温条件下的粘结都会吸收掉一大部分机械能,所消耗掉的能量基本都转化为 热量通过热传递散发掉。 对摩擦元件表面的温度场变换规律进行分析时,假定制动器摩擦产生的热量 第二章热一机耦合分析的理论基础 平均分配在接触界面上,运用能量折算法对其热通量进行分析计算。根据热力学 第一定律,湿式制动器摩擦制动过程是一个把动能转化为热能的过程。经过制动, 车辆速度逐渐减小到零,把此过程理想化,那么车辆的初始动能总量完全等于摩 擦盘钢盘接触面间产生出的热量,车速逐渐减到零的过程中计算最终热量的公式 如下式所示: . 烈力/./。 二 式中:一车辆的轴重,;%一车辆开始制动时的初始速度,/。 在实际的制动过程中,存在着众多的因素,如轮胎阻尼、空气阻力、机械摩 擦等,实际状况下摩擦制动产生的热量不会全部都输入到制动器中,动能不可能 完全转化为热能,由动能转换成的热能只有一部分能够被摩擦盘和钢盘吸收,在 此我们引用一个系数对以上因素进行修正,因此将湿式制动器的输入热量更正 为: . 俐‖去叼懈 式中:/一输入摩擦副热量的转换系数。 忽略在摩擦盘与钢盘接触区域中圆周方向和径向上的热量分配不均,假定热 量平均分配在制动副接触界面,根据对热通量的定义,可以得出在摩擦盘与钢盘 间接触界面上热通量与制动时间/的表达式: . “力:里 式中:刀一摩擦平面数;彳一摩擦片面积, 将车辆的整个制动过程理想化为匀减速,对应的减速度是口,则摩擦副接触 区域上的热通量矿对应时间,的函数关系式为: 泣, 厌力:老:?矿;: 式中:‖一车辆的轴重:刀一摩擦平面数。 依据权威的科研数据【】,制动前车辆所具有的初始动能经过制动后转换为热 量的大概有.%,在本文中将摩擦副热量转换系数定为/%。 由公式.能够分析出,依据能量折算法所得到的的热通量与时间之间成反 比,递减的斜率和‖和‖成正比,与刀、彳成反比。 第二章热一机耦合分析的理论基础 .热量传导理论分析 热量的传递是整个人类生产、生活以及科研中所存在的最为广泛的现象之 一,简而言之:热量传递是热量在温差作用下从高温处传递到低温处的热量流动 过程。只要有温差存在,热量就会通过辐射、对流等方式在同一物体或不同物体 之间进行传递,始终遵循由低温处流入到高温处。摩擦制动产生的热量作为输入 热流进入到摩擦界面,摩擦片和钢片的温度由此而改变,输入的热量会在摩擦盘、 钢片以及周围工作环境介质之间发生热量传导,由此就涉及到了热量传导方 面的 知识。 热量的传递始终遵守能量守恒定律【,】,对于一个没有质量损耗和增加的密闭 系统,有: . 夕一‖?‖腊?尸 式中:二.所做的功;~热量:一系统内能;腊一系统动能;尸一系统 势能。 对于大部分的热量传导问题,整个系统具有的总能量是恒定的,并且都考虑 没有做功,则: . 夕?‖ 在稳态的热分析中,夕,对于整个系统而言,流入热量与系统内部 形成热量之和等于输出热量,整个系统处在热稳态。 .热机耦合的求解方法 自然界中所有的物质受热都膨胀,受冷都收缩,物体的温度发生变化时,其 结构和应力都会发生相应变化,物体固有的一些材料特性例如横向变形系数、 杨氏模量、剪切模量、体积模量、热膨胀系数、流动应力也会随着温度变化而 相应的变化。以上材料固有参数的变化会导致不同的热应力分析结果。在车 辆进 行制动时,摩擦片和钢片在制动力的作用下会发生非常剧烈的摩擦,并且伴随有 大量热量产生,摩擦片与钢片组成的摩擦副产生的热变形将伴随着温度急剧的变 化。这样复杂的一个热机耦合过程的仿真以及结果的得出是非常困难的课题,正 是由于难度大所以对湿式制动器进行热机耦合仿真具有重要研究意义。车辆进行 制动时,摩擦副的温度变量导致位移变量的变化,位移变量同样会反作用于温度 变量,对摩擦副进行仿真时,如果二者之间的相互作用,逐一对其进行分析,将 难以得到正确合理的分析结果。温度会通过热胀冷缩影响摩擦副结构及摩擦材料 性质,同样结构和性质的改变也会改变温度场分布规律。由此说明,温度的变化 第二章热一机耦合分析的理论基础 和位移的变化也是息息相关的,通常情况下,摩擦副结构的变形主要从以下两方 面影响温度的变化【】: 摩擦制动过程中,在接触压力作用下,摩擦副结构会发生很大变化,物 体的边界面积和单元体积也会相应发生改变。这就导致了对应的边界条件也发生 改变。制动初期摩擦盘和钢盘的重合区域是互相接触的,随着制动过程的进行, 结构变形会使两者接触区域发生变化,这样接触界面就会与介质发生热交换,结 构变形导致了边界条件的变化。 非弹性的功耗散转化成热量。例如在制动过程中,体积热流中有很大 一部分是塑性变形对应的功率转化而来的,表面热流中有~部分是摩擦力对应的 功率转化而来的。在车辆的制动过程中一定要把非弹性功转化为热能的情形考虑 在内。 以上两部分都是对位移和温度之间耦合作用的描述,假若将两者单独分析计 算,将会产生很大的误差。以前对于这类问题的研究,大部分都是通过实验的方 法来获得这类问题的规律,随着/,技术的日益发达,越来越多的 学者开始运用数值仿真来进行此方面的研究。 在湿式制动器实际的制动过程中,制动器接触区域内会产生一个近似环形的 热源,热源会随着摩擦副的相对滑动而移动,这就会导致温度场分布不均。温度 场不均会导致过大的温度梯度,过大的温度梯度又会使摩擦元件产生变形, 热变 形的随机性又会导致摩擦副之间的压力和接触区域不断变化。接触压力和接触区 域的变化又会导致输入的热通量变化,以上各因素之间的相互作用表明了湿式制 动器的制动过程是一个非常经典的热一机耦合过程。要想精确度对这类问题进行 分析求解,只有通过热一机耦合直接法进行分析求解,并且处理好力平衡方程和 热传导方程两者之间的关系,才能使分析得到的结果更加精确。图.表明在湿 式制动器制动过程中,制动副的热机耦合分析流程图。 图.制动副的热机耦合分析流程图 . 第二章热一机耦合分析的理论基础 ..制动器热机耦合的有限元分析方法 在进行湿式制动器的热机耦合分析中,对于热弹性描述的算法主要有拉格朗 日法总体的、更新的和欧拉法。本节将依据拉格朗日法,以下给出的是对应 力场和温度场进行热弹性耦合分析的有限元增量’法【。 连续介质的边界为,体积为,能量的守恒方程表示为: . 警考醌‖白砂,炒形一刎够 式中:少一速度场;虿一体积热流;一热能;匆一体积力;名一单位面积边 界力;一单位面积热流强度。 当连续介质的体积为,密度为的连续介质,建立力的平衡方程: . 川一杀肌驷 通过引进柯西应力的分量%,把压力表示为: . 哆//矿 式中:%一单位法线方向。 把公式.代入到.,把热机耦合能量方程表示为: , 一期%考‖肛 依据虚位移原理引,可以构建结构位移坼所能满足的关系方程: . 仃..~铷‖一 若把惯性项的影响忽略,则公式.右边的第二项就可以去掉。若假设物 体‖的力的平衡方程和能量方程都建立于当前结构模型之上,就可以用弱耦 合的 增量非线性有限元法来分析热机耦合问题。 运用更新的拉格朗日法来处理弱耦合的热机耦合方程,对应的求解的方法 是:在每一个增量步开始的时候,当前的位移增量修正域和边界。在增量步 之内轮流交替迭代能量守恒方程和力平衡方程。 整个分析中,运用屈服准则对热弹塑性进行描述: . 尸去乃一孑仁,力 式中:毛一应力偏量,彳一等效应力,一等效塑性应变。 当后续的塑性应变进行流动时,可以推导出: 第二章热一机耦合分析的理论基础 厶 一?‖.一三孑里一三仃箜一:宅。 ??一盯??一一仃??一 把总的增量的应变分解为热应变、塑性应变和弹性应变: . 堡:竖堕笪望宅 宅 相司性质材料的应焚妥满足: . 刍 堕%?警型 公式.中的等号右侧第一项是温度变化率的函数,耦合分析中温度的增 量式不确定的,但运用迭代交替技术可以得到温度近似值,对于热弹塑性变 形较 大的情况,公式.可以转换成:乞者七? 式中:仃多一焦曼应力率,一变形率。 . 虿一警沙肛 把外轴向力为吩的表面上的热流定义为易哆?,可以得到: 眩四 掣.甏。 假设摩擦副材料遵循热传导法则: . 易一%瓦 忽略应变带来的影响,用温度函数表示内能: . 式中:一材料的比热容。 根据法得到公式.的等效弱形式: . \砸一\娜\百肌:岘 后;姒.. ?习一托哆瓦宅: 式中:譬一权函数。 公式.的中间项代表了质量迁移对于热对流的贡献。通过采用更新拉格 朗日法,在当前的模型上建立参考坐标系,实现对每个单元的质量守恒,就可 以 . 第二章热一机耦合分析的理论基础 忽略中间项。若运用欧拉法进行求解,中间项就不可忽略。 节点的位移矢量与单元位移矢量‖之间的关系表示为: . ,以础们 式中:州力一形函数矩阵:坐标矢量:,一时间变量。 通过公式.求得变形率的关系式: . 如力川:玩》 温反表不为: . 乃力删荆 式中:荆一差值函数:荆一节点对应的温度矢量。 应变矩阵表示为: . 如力力倒.以 式中:一微分算子。 温度的梯度矢量: . 如力名川》 通过公式..可以得到瞬态热应力场和瞬态温度场分析的有限元方 程: . 矿荆鸠荆一刑 . 矿夕,必力,一夕一硎 式中:丘一力学的刚度矩阵;鸠一热学刚度矩阵:一力载荷矢量;乞~热 容矩阵;巧~热传导矩阵;必一热力耦合矩阵;夕一热载荷矢量。 合并公式.和.得到: 加, 差鸠 『氕荆母张 对温度场进行求解时,把塑性耗散功所转换成热量用焙的形式表现: 拦:。应竺 .式中::一塑性功率;/一.; 把塑性耗散功转换而成的热流表示为指定体积热流: . 夕:矿竿 式中:一转换系数。 第二章热一机耦合分析的理论基础 处理接触问题时,摩擦力是不能被略去的,摩擦副接触面间的摩擦力作用产 生的功转化成热流的公式为: . ? 式中:‖作用于摩擦副的摩擦力;形一摩擦盘与钢盘的相对滑动速度。 图.热机耦合求解流程图 . 第二章热一机耦合分析的理论基础 本文在对湿式制动器的热机耦合现象进行求解分析时,运用的是拉格朗日法 建立相关方程,具体解决方案是:将整个摩擦制动过程分成数个增量步,针对每 个增量步进行求解分析时,在每一步的初期要对接触部分的形状进行确定,在新 建的拉格朗日坐标下对所建立的温度场方程进行分析,通过非线性方程迭代法来 求解热传导方程中等效温度场的递推关系式。当以上递推关系收敛之后,还要对 这一增量步中实时温度进行确定,以此为指标来分析摩擦副热应变以及力学特 性,把更新后的实时参数后代入力平衡方程,然后对其求解,求解收敛后展开下 一增量步的分析,整个迭代过程如图.所示: 进行热机耦合计算分析时,需要把温度以及应力对应的自由度都考虑在内, 所构建的方程需要同时符合多项非线性准则。节点所具有的自由度数量直接影响 建立的矩阵方程复杂程度,节点数越多计算时所需要的运算量就越大。 .软件拥有把位移与温度相互耦合的单元,可以同时对结构变形和温 度变化进行分析,并把两者相互作用考虑在内。经过对此方法原理分析可得出此 方法比较适合解决此类耦合问题。为了满足接触界面的摩擦生热条件和弹性 解除 条件,需要反复进行迭代来调整解除状态。运用反复迭代法对接触状态进行调整, 是得出同时满足摩擦生热和弹性接触这两个条件的温度收敛解的前提。 ..瞬态热分丰斤有限元法 瞬态传热是指随着时间的变化,温度场也相应变化的热量传导过程。在进行 瞬时状态下热分析时,热载荷是不断发生变化的。对于湿式制动器的瞬时状态下 的应力场以及温度场来讲,进行摩擦制动时,由于热载荷不但随着摩擦副相对滑 动而移动而且还随着时间不断的变化,应该运用瞬态有限元分析法对整个制动过 程进行分析,即把摩擦制动过程分成许多个小的时间段,在每个时间段中 ‘一。,,...假定摩擦片和钢片相对位置是不变的。所以,在时间段? 内,在相应接触界面内输入对应热流,对此过程依据热传导问题进行处理。当对 之后的一段时间?,进行分析时,首先确定此刻摩擦副之间的相对位置,在接触 界面输入相应的热通量,对瞬时状态下的热传导问题进行重复计算。前一时段的 求解温度是下一时段的初始温度。依次进行循环求解,就可以模拟出湿式制动器 摩擦制动过程中摩擦副应力场以及温度场的变化规律。 .摩擦制动系统瞬态温度场三维热传导方程的建立 对于湿式制动器中的摩擦元件温度场研究是非常复杂的,它包括对摩擦副中 热传导的研究和对摩擦系统边界条件的研究。二维模型相对三维模型处理起来比 第二章热一机耦合分析的理论基础 较简单,但其将制动过程过分简化,许多关键影响因素都忽略掉了,导致分析结 果很不精确。为了得到精确的分析结果,需要构建摩擦副的瞬时状态下温度场的 三维模型。 ..热传导方程 傅里叶导热定律是热传导方程的理论基础,针对摩擦副建立的瞬态传热方程 表示的是摩擦元件