盘式制动器制动过程能量分析

MECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.17　No.6Nov　　1998盘式制动器制动过程能量分析

马保吉　朱　均

(西安交通大学　西安　710049)

马保吉

摘　要　从能量传递的角度分析了盘式制动器制动过程能量的转换,摩擦热量的产生机理以

及在制动器中的传递与耗散,从而建立了制动器温度场分析模型

　　　　　　　　关键词　制动　摩擦　热传递　　　　　　　　中图号　U462.32

　　引　言

从能量的观点出发,车辆的制动过程是将车辆的能(动能和势能)的一部分转变为热能而耗散的过程。这些热量一部分通过热传导而使制动器零部件的温度升高;一部分通过对流而散发于大气中。制动器摩擦表面的温度过高会引起摩擦表面一系列的物理、化学变化,导致制动器性能变差,使车辆的安全性能得不到保证。因此,必须对能量的转换、热量的产生与耗散过程进行深入的研究,才能正确认识制动器制动的全过程,从而建立起正确的制动器设计理论基础。

1　制动能量的转换与一次分配

轮胎吸收的能量:

QT=Q󰃖s=

m2m(

vi3.6vi)2-(

vt3.6vt)2󰃖s(3)

　　制动器吸收的能量:

QB=Q(1-s)=2(3.6

)2-(

3.6

)2(1-s)(4)

　　考虑到制动能量在前后轴的分配,则单个前轮制动器吸收的能量为

Qi=

QB4m󰃖Β　　　　　　　　　　　　　

(vi=

23.6

)2-(

vt3.6

)2

Β(

1-s)4

(5)

式中,Β为制动力在前后轴之间的分配系数。

2　制动器摩擦热量产生的机理

以一定速度运动的车辆在制动力矩的作用下,在一定的时间内降低速度从而达到制动的目的。在此过程中运动车辆的动能和势能的一部分转化为热能而耗散。在制动器能量耗散分析中,有两个不同的部位,即轮胎和制动器可以产生摩擦和发热。制动热量一部分被制动器吸收;一部分由轮胎与地面之间的摩擦耗散。制动能量在两者之间的分配取决于轮胎滑移率。当制动器极动转矩远小于地面最大附着能力决定的制动力时,大部分制动能量将由制动器吸收和耗散[1]。制动能量在轮胎与制动器间的分配定义为制动能量的一次分配。

设质量为m的车辆以初速度vi运动,在tb时间内通过制动作用速度减为vt,则tb时间内总制动能量为

Q=

m2

(

vi3.6

)2-(

vt3.6

)2(1)

制动时间为

tb=

vi-vt3.6a

(2)

式中a为制动减速度。

假定轮胎与路面间的滑移率为s。制动能量一次分配为

Ξ收稿日期:19980421

制动器吸收的制动能量几乎全部转换为热量。制动器的热量产生的过程和机理对制动器摩擦表面摩擦学性能有重要影响。在盘式制动器中,制动块在管路压力的作用下压紧在制动盘上,当盘与制动块作相对运动时,接触的表面产生摩擦力,摩擦力所做的功转化为热量,即在摩擦表面产生热量。因此,摩擦力的产生机理直接决定了摩擦热的产生。两个粗糙表面在干摩擦状态下,摩擦力主要由三部分构成:一是在摩擦副相对运动时,双方微凸体顶峰的相互切削阻力;二是在一定的压应力和局部高温条件下,摩擦副微凸体接触点瞬时冷焊成为一体,由于摩擦副的相对运动,使这些局部粘结点分离,克服结点粘结的阻力便形成了摩擦力的一部分;三是存在于摩擦面的磨损物在随同摩擦运动过程中,一方面有可能重新压入摩擦面而形成新的微凸峰而产生切削阻力,另一方面这些磨粒在摩擦面上以滑动和滚动形式运动过程中,不断对摩擦副表面产生切削也构成了摩擦力的一部分。其中摩擦界面粘结的形成和断裂对摩擦力

・876・机械科学与技术第17卷

有较大的影响,所以,也直接影响到摩擦热量。由机械切削作用而造成的接触区域的塑性变形对摩擦热有很大的影响。研究表明,消耗在亚表层材料内的能量远大于接触面上的能量,占摩擦热的绝大部分,且大部分转化为热量而被摩擦偶件吸收。构成摩擦热量的另一部分是树脂基有机复合摩擦材料在一定温度下产生的化学变化。树脂基有机复合摩擦材料在一定温度下发生化学反应而降解,降解产物包括固体、液体、和气体。

由上述分析可知,摩擦热量绝大部分是由机械切削作用和接触区域的塑性变形而形成的。金属摩擦盘的硬度要比摩擦材料的大得多,因此,机械切削和塑性变形大都发生在摩擦材料的表层。磨损产物大都来自摩擦材料并附着在其表面之上不随摩擦盘而转动,故可认为,摩擦热量产生在摩擦材料表层,通过接触界面传递到摩擦盘中。

3　摩擦热量在制动器中二次分配的模型

摩擦热量经二次分配进入摩擦片和摩擦盘后,通过热传导和对流在制动器各元件及周围空气中耗散。热耗散的程度直接影响制动器的温升,且与制动工况密切相关。3.1　紧急制动工况

紧急制动工况是以停车为目的的制动工况,其特点是在极短的时间内产生大量的摩擦热,这些热量在极短的时间内来不及传导和对流而几乎全部由摩擦片和摩擦盘吸收,使其温度急剧升高。

取集总体P为摩擦片(不包括摩擦片背板);集总体C为制动钳;制动盘颈部温度随输入热流的变化很大,而冠部温度变化不大,取盘的颈部作为

集总体R;C与R之间包括制图2　紧急制动工况热模型动盘的冠部和法兰部、轮毂及转向节等视为集总体U。那么,紧急制动工况的热传递模型可用图2表示。在摩擦表层产生制动热量,一部分直接进入摩擦片,而另一部分通过接触热阻RPR传递到摩擦盘R上,其传递的热量为QPR。由于摩擦片固定不动,在极短时间内热量不会传递给制动钳C,也不会与周围空气发生对流。而摩擦盘R由于高速转动且大部分面积暴露于空气中,将与空气发生强迫对流。其强迫对流换热系数为hR,对流热量为QCONVR,但不会通过摩擦盘的热传导与集总体U之间发生热交换。

3.2　重复制动工况

重复制动工况的特点是每次制动之间有一定间隔的多次制动,且制动时间长。因此,在这种工况下,各集总体之间以及集总体与周围空气之间都存在着热传导和对图3　重复制动热模型流方式的热交换。其热交换模型可用图3表示。

图中热量由摩擦片表面产生,通过界面热阻RPR将热量传递给集总体R。由于制动时间长,所以,摩擦片与制动钳之间以传导方式传递热量QPC,其间热阻为RPC;摩擦盘与集总体U之间以同样方式传递热量QRU,其间热阻为RRU;制动钳C与集总体U之间也有足够时间以热传导方式传递热量QUC,其间热阻为RUC。与此同时,各集总体与周围空气之间对对流方式传递热量QCONVP、QCONVC、QCONVR、

由于重复制动是制动与放松相间隔的制动方式,因QCONVU。

在一般的制动热分析中,假定相互接触表面的平均温

度相等且热流连续。设摩擦产生的热流密度为q,输入到摩擦片和对偶摩擦盘热流密度为qf和qd,则qf和qd的关系为[3]

qdKq==

qf

ΚdcdΘdΚcΘfff

12

(6)

式中,Κ、比热容、密度;Κcd、Θd、d分别为摩擦盘的导热系数f、、比热容、密度。cf、Θf分别为摩擦片的导热系数(7)q=qd+qf　　联立式(6)和(7)可得

qf=

qKqq1+Kq

1+Kq

,　qd=(8)

　　实际上由于两粗糙接触表面间存在一定的接触热阻,按照这种假设计算所得到的摩擦表面平均温度与实际测量得到的结果有一定差距。

为了避免人为假设摩擦表面温度连续和预先给定热流分配系数带来的偏差,在分析中采用了如图1所示的模型,即摩擦热产生于摩擦材料的表层。对摩擦材料而言,热流直接进入其体内;对摩擦盘而言,则通过界面膜构成的一定热阻经热传导进入体内。进入盘内的热流由界面膜的热物理特性和厚度决定。这样既避免了人为的温度连续的假定,又考虑了接触界面间的热阻,同时无需人为地对热流密度进行分配。

RI-界面接触热阻;RL-摩擦片热阻;RD-摩擦盘热阻CL-摩擦片热容;CD-摩擦盘热容;q-摩擦热流

图1　摩擦热量在制动器中的二次分配模型

此,在制动时有摩擦热量的产生,而在非制动期内没有摩擦热量的产生,而处于自由散热阶段。3.3　长时间制动工况

长时间制动工况的热模型与重复制动工况的相同,只

第6期

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马保吉等:盘式制动器制动过程能量分析・877・

热量比由式(9)所确定的吸收热量多。

5　结论

是需要注意的是,在长时间制动工况下,从制动开始直到制

动结束都有摩擦热量的持续产生,并且不存在自由散热冷却阶段。

4　计算结果与讨论

为了比较传统的热流分配与文中的二次分配模型的不同,现以紧急制动为例进行计算。摩擦副采用有机石棉摩擦材料与钢盘对偶,其热物理性能参数如下:

钢:Κ.8×103,kg󰃗m󰃖K;Θm3;cd=400,J󰃗d=39,W󰃗d=7kg󰃖K

3

摩擦材料:Κ.65,W󰃗m󰃖K;Θm3;cf=f=0f=2×10,kg󰃗900,J󰃗kg󰃖K

摩擦盘有效尺寸:内径:di=321mm;外径:do=362mm制动初速度:Ξ=38rad󰃗s;制动末速度:Ξ=5.42rad󰃗s;

2

制动减速度:a=10.86rad󰃗s;

制动力:P=13.0kN;摩擦系数:f=0.30;制动时间:tb

=3s;

2

对流换热系数:hR=100W󰃗m󰃖K

按式(6)进行热流分配则,qd=8.3qf,由式(7)得:qd=

0.3q,qf=0.107q。摩擦盘表面温度可由下式计算[2]:

制动过程中的机械能转换为热能而耗散,这些能量一

部分由轮胎与路面之间的摩擦耗散;另一部分由制动器吸收而使制动器元件的温度升高。制动摩擦热主要由机械切削和塑性变形产生。制动器吸收的能量在摩擦副对偶件间存在着二次分配。摩擦热在摩擦材料与摩擦盘间分配取决于偶件本身的热物理特性,以及接触界面第三体的几何尺寸及热物理特性,计算和实际测量都表明摩擦材料表面温度高于摩擦盘表面温度而并非相等。

参　考　文　献

1　鲁道夫.汽车制动系统的分析与设计.北京:机械工业出

Η=

Χtd2dqd1-t1-+2tb3ΧdΚdd

ttb+

d4

245Χdtb(9)版社,1985

2　DdyAJ.Thedissipationoffrictionalenergyfromthe

interfaceofanannulardiscbrake.MechE,vol,1980,No.11

3　王　涛,朱文采.摩擦制动器.广州:华南理工大学出版

社,1992式中,ΧΘd为热扩散系数,Χd=Χd󰃗dcd;d为摩擦盘等效摩擦直径,d≈(di+do)󰃗2。在初始温度为25℃的情况下,由式(9)计算所得摩擦材料和摩擦盘表面平均温度为177℃。采用有限元法进行制动过程数值模拟,在同样的起始温度下,摩擦材料表面温度为230℃,摩擦盘表面温度为为127℃。由计算结果可知,由于考虑了接触界面热阻,摩擦副两表面的温度并不相等,这与实际工况下测量结果是相符的。摩擦材料表面的温度高于摩擦盘表面的温度,其主要原因:一是由于摩擦热产生于摩擦材料的表层,而摩擦盘的热量要通过界面第三体的热阻传递;二是由于摩擦盘的导热性能远远大于摩擦材料的导热性能。和摩擦表面温度相等的假设相比,摩擦材料的温度要高出50℃。这意味着在紧急制动情况下,摩擦材料吸收的

AStudyontheEnergyDissipationof

Disc-brakewithinBraking

MaBaoji　ZhuJun

(Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049)

Abstract　Theenergytransfer,mechanismoffrictional

heatgenerationandheattransferprocesswasdisc2cused.Heatpartionandthermalmodelswaspresent2ed.

Keywords　Braking　Friction　Heattransfer