N = S P0 = 1907515N 式中 : P0 为制动管路压力 ; S 为制动缸活塞面积 ; N 为 单侧制动块对制动盘的压紧力 。 214刹车片有限元分析的两种工况
钉处不能产生相对位移 。在建立模型时 ,通过在结合 面上将摩擦材料与金属背板对应位置的节点“粘结 ”
在一起 ,保证接触面上的节点位移相同 ,即结合表面采 用同一层节点 ,而结合面两侧则采用不同的材料 。摩 擦材料与金属背板之间的接触 ,须在接触面上满足温 度连续 、法向位移连续等条件 ,并在切向受摩擦力粘着 摩擦或滑动摩擦的作用 。由于采用力加载方式 ,法向 位移的连续性可自动满足 。 213摩擦力的确定
在汽车制动过程中 ,大多数动能通过制动器的摩 擦转化为热能 ,这些热能大部分被制动盘和刹车片吸 收 ,热能以热传导的方式在制动盘中扩散 。以往对于 汽车刹车片的研究多集中在材料 、磨损性能 、耐热性能 等方面 ,因为制动器的热弹性耦合属于摩擦系统的热 弹性接触问题范畴 ,是一种典型的多物理场非线性耦 合问题 ,且摩擦材料一般为复合材料 ,由于摩擦材料的 各向异性 ,准确建立分析模型是相当困难的 。研究表 明 ,摩擦热导致制动盘和刹车片的温度升高 ,产生复杂 的温度场 ,引起热弹性变形 ,由于刹车片的变形受到机 械约束而引起热应力 ;同时 ,盘的热变形或机械振动变 形引起刹车片与制动盘间接触条件发生变化 ,并在高 压力的局部区域中产生表面高温现象 ,进而加剧刹车 片的不均匀变形 。当两表面间的相对滑动速度比较 高 、持续时间比较长时 ,这种正反馈过程将引起热弹性 失稳 ,并可能导致制动器失效 。
第二种工况 :先进行刹车片温度场的有限元分析 , 再将温度场分析的结果耦合到机械力场进行力学结构 分析 。相关研究表明 ,一般的轿车在较高速度下紧急 制动时刹车片表面温度达 500～600℃。在此 ,刹车片 摩擦 材 料 表 面 的 温 度 取 600℃, 背 板 的 温 度 为 45℃[ 5, 6 ] 。加 载 压 强 p = 7163M Pa 与 摩 擦 力 Ff = 7058N , Fnode = 7058 /131 = 56N ,再耦合温度结果 。
图 5材料 1在第二种工况下的应力图 图 6摩擦材料 1在第二种工况下的位移变形图
1)第一种工况下 ,最大位移在刹车片的中部 ,第 二种工况下 ,由于温度场的影响 ,最大位移是第一种工 况的 5倍 ,在摩擦材料表面两侧边缘处 ,由于摩擦力的 影响 ,两侧边缘处的位移变化情况不对称 。
2)两种工况下 ,应力分布基本相同 ,且由于摩擦 力的关系 ,应力场并不对称 ,最大应力在刹车片背板一 侧小圆柱与背板连接的内侧 。在第二种工况下 ,由于 热应力的影响 ,整体的应力水平都提高 5倍以上 。
3)第一种工况下 ,摩擦材料的材料参数对应力没 有影响 ,但对位移影响较大 ,位移值的变化倍数基本等 于材料参数值的变化倍数 。第二种工况下 ,弹性模量 的降低 , 显著降低了应力水平 , 也改变了位移场 的分布 。
本文通过对刹车片实际工作条件的分析和理论计 算 ,首先建立了刹车片简化模型 ,在此基础上 ,进行摩
擦生热引起的热传导分析 ,确定两个相互滑摩物体中 的温度场 ;探讨不同载荷工况 、不同材料对刹车片位移 场和应力场的影响 ,通过对刹车片在一定工况下 ,受机 械场与温度场共同作用的应力与应变分析 ,为刹车片 可靠安全的工作及进一步研究提供理论依据和计算基 础。
第一种工况 :根据上述分析计算 ,将正压力 N 转 化成压强 p, 以 面力 的方 式加 载到 摩擦 表面 上 , p = 7163M Pa;将原直角坐标系转化为柱坐标系 ,将摩擦力 加载到摩擦表面上 。由于摩擦力是刹车片与制动盘接 触并相对滑动产生的 ,通过坐标转换近似将摩擦力环 向均布到摩擦表面的 131 个节点上 ,以实现摩擦力均 匀分布的实际情况 ,计算得摩擦力 Ff = 7058N ,作用在 每个节点上的摩擦力为 Fnode = 7058 /131 = 56N。
孟春玲 ,张爱梅 ,张力 ,郑家杰 (北京工商大学机械自动化学院 ,北京 100037)
摘要 基于制动过程的能量转换及摩擦生热 ,通过对刹车片实际工作条件的分析和理论计算 ,建立刹车片简化模型 ,并 对温度场进行分析 ,探讨不同载荷工况和材料弹性模量的变化对刹车片位移场和应力场的影响 ,为保障其可靠工作及对 汽车刹车片的进一步研制提供一定的理论依据 。 关键词 :刹车片 热弹性 有限元分析 中图分类号 : TB123 14文献标识码 : A 文章编号 : 1671—3133 (2006) 05—0108—04
摩擦材料 (半金属 )由增强纤维 、增塑剂 、摩擦组 元 、润滑组元和树脂组成 。由于摩擦材料的各向异性 , 准确测量材料的物理特性很困难 ,且在不同的温度条 件下 ,材料参数也在变化 。为了解材料弹性模量的变 化对刹车片位移场及应力场的影响程度 ,综合考虑各 项因素 ,分别按表 1、表 2中两个弹性模量分析 。
维模型 ,所采用的单元能用于温度场分析和结构力学 分析 。由于刹车片背板形状较为复杂 ,在对计算结果 精度影响不大的情况下 ,建模时省去了刹车片背板上 的细节 ,在外形尺寸和形状上作了近似处理 。在与制 动器接触刹车片背板受约束的地方也做了一定的简化 处理 。将刹车片简化为摩擦材料和支撑背板两种实 体 ,中间“粘结 ”在一起 ,不考虑它们之间复杂的组成 成分连接的关系 。 在此基础上 ,为了 简化计算 ,进行了如下 假设 : 1)刹车片摩擦材 料接 触 界 面 为 理 想 平 面 ; 2)在制动过程中材 料常数保持不变 ,其物 图 1刹车片的有限元模型 理性质 、机械及化学性质不受制动工况等条件的影响 ; 3)材料为各向同性材料且材料常数不随温度变化 。 刹开云网页版 开云kaiyun车片的有限元分析模型如图 1所示 。
材料 1和材料 2 在两种工况下的计算结果开云网页版 开云kaiyun见表 3、表 4。材料 1和材料 2在两种工况下的位移变形和 应力分布见图 2～图 5。摩擦材料 (半金属 )在第二种 工况下的位移变形和应力分布见图 6、图 7。
汽车制动过程中 ,制动器各个部件处在力场和温 度场的共同作用下 。按照弹性力学结构分析方法 ,建 立制动器部件在机械力和温度场共同作用下的应力与 变形的有限元方程为 :
M = 2fN R 式中 : f = 0136, 为摩擦系数 ; N 为单侧制动块对制动盘 的压紧力 ; R 为作用半径 。同一辆车 ,制动系统是确定 的 ,制动盘的尺寸也是确定的 ,所以制动力矩的大小只 与制动力成正比 [ 2 ] 。