盘式制动器转子盘的结构与热分析

Manjunath电视¹，苏雷什博士¹

研究生，机械工程系，KSIT，班加罗尔，卡纳塔克邦，印度
HOD，机械工程系，KSIT，班加罗尔，卡纳塔克邦，印度

摘要

盘式制动器是一种减缓或停止车轮转动的装置。车辆的重复制动会在每次制动过程中产生热量。盘式制动器转子盘的瞬态热与结构分析是为了评价某型汽车盘式制动器转子盘在恶劣制动条件下的性能，从而辅助盘式制动器转子盘的设计与分析。采用ANSYS workbench 14.5对盘式制动器进行建模和分析。本研究的主要目的是分析制动盘干接点在制动过程中的热力学行为。雷竞技网页版通过热结构耦合分析，确定了两种不同材料的固体和通风圆盘的变形和冯米塞斯应力，以提高转子圆盘的性能。分析结果与有限元计算结果进行了比较，分析结果均小于其允许值。因此，根据性能、强度和刚度标准，提出了最佳的设计、材料和转子盘。

关键字

盘式法兰，ANSYS Workbench，结构，热分析，盘式制动器

介绍

在当今日益增长的汽车市场上，对性能更好的汽车的竞争日益激烈。参与其中的赛车迷一定知道一个好的刹车系统不仅对安全的重要性，而且对保持竞争力也很重要。盘式制动器是一种减缓或停止车轮转动的装置。制动盘通常由铸铁或陶瓷复合材料制成，包括碳，凯夫拉尔和二氧化硅，连接到车轮和轴，以停止车轮[1- 3]。刹车片形式的摩擦材料被机械地、液压地、气动地或电磁地施加在制动盘的两侧。这种摩擦导致圆盘和附着的轮子减速或停止。一般情况下，汽车采用再生制动和摩擦制动等方法。摩擦制动器在两个或多个表面相互摩擦时产生摩擦力，以减少运动。根据设计配置，汽车摩擦制动器可分为鼓式制动器和盘式制动器。如果制动盘在固体中，传热率较低[4-6]。 Time taken for cooling the disc is low. If brake disc are in solid body, the area of contact between disc and pads are more. In disc brake system a ventilated disc is widely used in automobile braking system for improved cooling during braking in which the area of contact between disc and pads remains same [7,8]. Brake assembly which is commonly used in a car as shown in fig1.

2输入参数计算

在预防交通事故方面，车辆的制动性能一直是一个关键问题。本文对速度为27.77 m/s (100kmph)的汽车进行转子模型热流计算，计算步骤如下:数据:

2解析温升计算

制动部件雷竞技网页版的刹车片与盘片之间的接触面积，由于摩擦而产生热量。对于这两个滑动体界面的生热量计算，根据“车辆运动时的动能等于车辆停止后的散热量的能量守恒定律”[7]，提出了两种计算方法。计算采用的材料性能及参数如表1[9]所示。

3有限元分析

有限元法已经成为广泛的工程问题的数值求解的有力工具。它是随着高速电子数字计算机的日益使用和工程分析中数值方法的日益重视而发展起来的。在这一步中，它定义了分析类型和选项，施加载荷并初始化有限元解。这包括三个阶段:Ã¯Â Â '预处理阶段Ã¯Â Â '解决阶段Ã¯Â Â '后处理阶段ANSYS工作台，以及工作台项目和选项卡，为开发和管理各种CAE信息提供了统一的工作环境，并使其更容易在高层次上设置和处理数据。Workbench包括以下模块:“ANSYS设计空间”简称仿真、“ANSYS AGP”简称设计建模器和“ANSYS设计资源管理器”简称设计资源管理器。Workbench提供了增强的互操作性和对这些任务模块之间信息流的控制。为了有效地管理大型模型，集成了各种工具和技术。像树过滤标记树对象，连接工作表，对象生成器，子建模。数据可以从2D粗模型[完整模型]传输到3D子模型。子建模可用于固体几何结构和热分析类型。

a)实心盘式和通风盘式制动器有限元模型按图2所示尺寸建立盘式制动器有限元模型，铸铁盘式内半径为0.08 m，铸铁盘式外半径为0.0131 m，不锈钢盘式法兰厚度为0.024m。

c)热与结构边界条件通过选择模拟模式，定义材料物理性质和模拟初始条件，将边界条件引入ANSYS Workbench模块。在这项工作中，将使用ANSYS进行瞬态热分析，通过应用重复制动应用的热流数值来研究两个圆盘上的温度变化。进一步的结构分析是通过耦合热分析。在通风盘表面施加对流换热系数进行分析，如图4所示。

四、结果和讨论

为了验证现有模型，在恒定液压压力P =1Mpa和角速度Ã¯Â Â·= 50 rad/s(拖动制动应用)的10秒内对盘式制动器进行瞬态热分析。ANSYS模拟了6次制动的重复应用。一个循环由制动时间4秒和恒速行驶组成。计算中使用时间步长Δt =0.001秒。在每个过程中，t=4秒后摩擦表面的热流分布几乎没有变化，然后达到稳态。假设液压在1.5秒内线性增加到1MPa，然后保持恒定直到4sec。同时，角速度被假定为线性衰减，最终在4秒时变为零。从解析解和有限元解得到的结果比较瞬态热和结构行为的模型。最后提出了最佳模型。此外，基于盘式制动器的性能，对两种不同材料的通风径向叶片盘式制动器进行了6种制动工况下的分析。 Comparisons of solid discs case I and ventilated discs case II are performed to validate the results.

案例一:实心圆盘

实心不锈钢铸铁盘式制动器的总变形分布如图11所示。制动时间的变形范围为0 μm ~ 0.06mm。第6次制动后，SS盘产生的最大挠度为0.0608mm, C I盘产生的最大挠度为0.059 mm，小于0.5mm的允许挠度。在全盘制动的总时间仿真过程中，给出了Von Mises应力约束当量在各仿真时刻的分布，如图12所示。数值范围为不锈钢盘0 ~ 255MPa，铸铁盘142 MPa，为制动第6次后最大温升时产生的最大热应力。

不锈钢和铸铁通风盘式制动器的总变形分布如图21所示。变形量的范围为0 μm ~ 0.0128mm，与制动时间相对应。第6次制动后，SS通风盘诱导的最大挠度为0.0128mm, C I通风盘诱导的最大挠度为0.098mm，小于允许挠度0.5mm。Von Mises应力约束当量的分布，不锈钢盘的数值范围为0 ~ 288MPa，铸铁盘的数值范围为110 MPa。分别为第6次制动后最高温升320和283时所产生的最大热应力。

五、比较实盘与通气盘的效果

对比分析得到的不同温升、挠度和应力场结果表明，通风铸铁盘在温度、挠度和应力方面都有降低。结果表明，通风型铸铁盘式制动器最适合目前的应用。

六。结论

对比分析得到的温升、挠度和应力场的不同结果表明，通风铸铁圆盘的温度、应力和变形分别比实心圆盘减小了31.47%和22.5% - 8%。结果表明，通风式盘式制动器是目前应用的最佳选择。分析得到的所有数值都小于其允许值。因此，基于强度和刚度标准的制动盘设计是安全的。

参考文献

“汽车盘式制动器的结构与热特性分析”，机械工程学报，Vol.1, PP 39-43, 2012。
陈志伟，“基于制动技术的制动系统设计与仿真”，机械工程学报，Vol. 3, PP 52-58, 2013。
“盘式制动器的结构与热耦合分析”，机械工程学报，Vol.2, PP 539-553, 2012。
陈志强，陈志强，“基于有限元的汽车盘式制动器建模与分析”，机械工程学报，Vol.3, PP 383-389, 2013。
“基于有限元模型和分析方法的盘式制动器温度分布的比较分析”，机械工程学报，Vol.18, PP 236-250, 2011。
安蒂·帕帕尼米，Joseph C.S. Lai，“盘式制动器的尖叫声、进展与挑战”，中国机械工程，第14期，PP 1-8, 2007。
刘国强，刘国强，“基于径向叶片的气动盘式制动转子换热特性研究”，机械工程学报，Vol.8 PP, 2008。
李建平，“制动盘干接点的热特性研究”，机械工程学报，Vol.3, PP 9-17, 2011。雷竞技网页版
林珀特·鲁道夫，“刹车设计与安全”，汽车工程师协会。Warrandale, Inc .，第二版，美国，PP 11-157, 1992。
“基于红外热成像技术的盘式制动器热应力仿真研究”，机械工程学报(自然科学版)，2011年第4期。
王晓明，“矩形通道内壁面轴向热传导对强制对流换热的影响”，《工程学报》第1卷，PP 31-43, 2011。
王志强，王志强，“基于ANSYS的盘式制动器瞬态特性分析”，机械工程学报，vol . 2, PP -25, 2012。
穆罕默德·易卜拉欣·马赫莫德，Kannan M. Munisamy，“不同叶片配置的通风制动盘的实验分析”，机械工程系，Vol. 1, PP 1- 9,2011。