第 1 章 文献综述
1.1 通风盘式制动器热机耦合概述
汽车制动是利用制动盘与摩擦片的直接相互作用，产生制动力矩，从而起到降低车速的作用，同时汽车的动能将转化为内能，而摩擦片通常导热性能差，绝大部分内能被制动盘吸收[1]。通风盘式制动器因为其较好的制动稳定性、路况适应性、结构工艺简单等优点，广泛用于各种乘用车的制动系统中[2]。通风盘式制动器的结构如图 1-1 所示，通常有以下几个主要部件：制动盘、摩擦片、制动钳、制动钳活塞、制动钳安装支架、制动衬片。相对于实心制动盘，通风制动盘沿周向均匀分布肋孔，这样有利于制动盘与周围冷空气的对流换热，因此散热效果明显提高。通风盘式制动器的工作原理如图 1-2 所示，汽车正常行驶过程中，摩擦片和制动盘之间有一段距离，制动时在助力系统的作用下，驾驶员的踏板力将转化为液压力并作用在活塞上，活塞推动摩擦片紧贴在制动盘上，同时制动钳在活塞的反作用力下向反方向移动将带动另一侧的摩擦片也紧贴在制动盘表面，产生制动力矩，从而达到减速制动的效果。制动的过程中车辆的动能将转化为热能，这些热能一部分被制动盘和摩擦片吸收，另一部分扩散到周围环境中，所以制动过程存在制动器的温度变化。制动开始时，在机械变形和应力的压力作用下产生一个制动盘与摩擦片的初始接触状态，随着制动的进行摩擦产生的热量会在制动盘与摩擦片中传递，制动盘表面同时也存在与周围环境的对流换热、热辐射等，由此形成温度场与应力场分布的不均，造成变形的不均，这些不均形变反过来又影响制动盘与摩擦片的局部接触状态。这些状态参数在整个制动过程中会相互作用且不断变化，因而整个制动过程表现出一种复杂的热机耦合过程[3]，其耦合过程如图 1-3 所示。
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1.2 国内外研究现状
热机耦合理论是在热传学理论与连续体力学理论的基础上发展而来，属于热弹力学的范畴[4]，主要研究连续体温度场与应力场的相互关系，对热机耦合的研究手段以数值模拟为主[5]，得益于计算机软硬件的发展，使得这种大计算量的耦合场分析成为可能。国外汽车工业起步较早，对制动盘的热机耦合研究始于上世纪中后期。当时对制动器的失效过程进行试验研究时发现，制动过程中制动盘表面局部区域会出现集中高温，即局部“热点”[6]，并推断这些过热点是引起制动盘热衰退、热弹性失稳的根本原因。总的来说国外的研究先期以主要集中在温度场与应力场的相互关系上，后期主要集中在制动器的振动噪声和使用寿命优化方向上。Barber 最早开始对列车制动器局部出现的“热点”做研究，并初步通过试验的方法解释这些局部“热点”是造成制动器弹性失稳的根本原因，同时也指出制动器的制动过程属于热机耦合的研究范围[7]。之后 Ramachandra VTVS 和Seetharamu K N 等人建立了不均匀接触压力以及变接触状态的制动盘摩擦接触模型，并对接触区域的温度分布进行研究，得出局部“热点”的产生需要摩擦接触面的相对速度到达一定值，即相对临界速度的概念[8]。随着热机耦合理论的进一步完善，开始尝试使用解析的方法对制动器制动过程进行分析，在连续体弹性热机学的基础上建立应力场力学方程和温度场的热传导方程进行求解，S rensen J N 和 Shen W Z 使用这种方法，较精确的计算出了制动过程中制动盘的热变形量[9]。但是这种方法计算复杂，只能在简化边界条件和几何特征的基础上进行，相对于实际工况环境下热机耦合结果有较大的差异，尤其是结构比较复杂的通风式制动器。Krenkel W 和 Henke T 在对不同摩擦系数材料的制动性能进行试验的基础上，提出改善制动盘表面的材料属性，以降低“热点”产生的概率，并在制动盘表面增加颗粒形式的碳化钨，试验表明这种材料可以增加制动盘表面的稳定性，能提高制动盘 8%-12%的热疲劳寿命[10]。
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第 2 章 绪 论
2.1 研究的背景和意义
制动器的作为保障车辆安全行驶的关键零部件，其摩擦副的可靠性必须受到重视，而制动过程当中将产生摩擦热，其分布特性涉及热损伤等问题，也直接决定制动器的使用寿命[23]。在汽车制动过程中，摩擦片作为移动热源，将与制动盘表面有周期性的间歇接触，从而形成热流输入与对流换热的交替作用进而形成波动性的热冲击[24]。在热冲击的作用下，制动盘的温度场与应力场是瞬态波动且不均匀分布，这种不均匀导致不均匀的热变形，不均匀的热变形进一步产生不均匀的压力分布，从而局部温度、应力梯度变化加剧，所以制动器的热机耦合过程是各种参数瞬态变化的共同作用结果[25]。随着车速的增加，不均匀的热冲击频率加快，耦合效应表现的更加明显，增加在制动盘表面产生局部“热点”的可能性，这些局部“热点”的出现，将使局部材料结构属性发生一系列变化，局部接触压力梯度变大，反过来促使局部温度梯度变大，加剧制动盘的热弹性不稳定性，进而引起制动力矩的波动，制动效能稳定性遭到破环[26]。在实际制动过程中，热机耦合导致摩擦副表面的接触状态发生变化，在热冲击的循环作用下，制动盘表面的局部区域由交变循环热应力引起的压应力和拉应力达到材料的屈服极限产生塑性变形，随着热冲击次数的增加，塑性变形逐渐积累扩展，直到产生疲劳裂纹，裂纹进一步扩大，最终可能导致整个制动盘脆性断裂[27]。众多研究者对盘式制动器热机耦合特性做了广泛的分析，随着计算机技术的快速发展以及数值模拟理论的日趋完善，数字模拟越来越多的运用到实际工程研究当中也取得了丰硕成果，因此将数值模拟技术运用到制动器制动过程的分析中，可以全过程模拟温度场与应力场的分布特性，为制动器寿命预测提供理论数据。台架试验作为车辆试验工程的一种有效手段，通过台架试验与仿真分析的对比研究，能使整个分析过程更加完整，并确定数值模拟方法运用于制动器耦合分析的可靠性。
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2.2 研究的内容及技术路线
2.2.1 本文的主要研究内容
（1）在相关理论研究的基础上确立三维瞬态温度场热传导方程，采用 Catia 建立某型乘用车制动器三维简化模型，并确立紧急制动条件下，相关的对流换热及热流输入边界条件。在非线性有限元分析软件 Abaqus 中建立制动系统的有限元仿真模型，仿真分析了紧急制动过程中制动盘温度场和应力场在不同方向上的分布特性及相互耦合关系。
（2）结合仿真结果分析在循环交变应力的作用下，制动盘的易损伤部位及损伤发展趋势，并采用经验公式预测在紧急制动的条件下，制动盘的热疲劳寿命。
（3）搭建制动器的制动试验平台，设定对应工况条件下的试验参数，利用红外温度传感器测量制动过程中盘表面温度在径向方向上的变化规律，并测试制动盘的最终使用寿命。试验结果表明：制动盘表面的温度分布仿真结果与试验结果有较好的一致性，制动盘的易损伤部位及损伤发展趋势与仿真分析结果基本一致，使用寿命与预测寿命基本吻合，从而验证了基于热机耦合的制动盘紧急制动有限元分析的结果基本准确。文章最后对研究进行了总结，对研究的不足之处提出相应的建议，并对下一步研究做出展望。
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第 3 章 通风盘式制动器热机耦合有限元理论基础 ............9
3.1 接触理论基础 ......... 9
3.2 制动摩擦生热理论基础 ........... 12
3.2.1 摩擦力形成及数值描述 .......... 12
3.2.2 摩擦生热理论 ...... 13
3.3 热传导理论 ........... 14
3.3.1 热稳态 ........ 14
3.3.2 热传导 ........ 14
3.3.3 导热微分方程求解条件 .......... 15
3.4 本章小结 ..... 16
第 4 章 通风盘式制动器有限元模型建立 ......17
4.1 通风盘式制动器模型建立及网格划分 ....... 17
4.2 相关边界条件的计算......19
4.3 热机耦合分析模型设置............26
4.4 Abaqus 热机耦合求解方法........29
4.5 本章小结......31
第 5 章 制动器热机耦合有限元仿真结果分析.........33
5.1 制动盘温度场分布特性分析..............33
5.2 制动盘应力场分布..........39
5.3 本章小结......48
第 5 章 制动器热机耦合有限元仿真结果分析
制动器制动过程中，制动盘上温度场与应力场的分布特性及相互的耦合作用是仿真分析的重要研究内容。具体来说温度场的分布包括瞬态整体与各个节点的温度变化特性，应力场包含瞬态整体以及各个节点在不同方向上的应力变化情况。为便于研究，我们选取制动盘表面及内外半径的中心处以下共 7 个节点为研究对象，这些节点具有较好的代表性，如图 5-1 所示。
5.1 制动盘温度场分布特性分析
由第 4 章的结论，整个制动的时间为 3.726s，本文中将制动结束后的一段时间内的结果也考虑在内，设定到 4.2s。图 5-2 给出了不同时刻的温度场瞬态分布云图由图 5-2 可以看出整个制动过程中，温度是一种先上升后下降的模式，而且不同时刻的温度场分布都是不均匀的且不沿制动盘的轴线对称分布，周向和径向上都存在一定温差；周向温差较小，径向温度差较大，摩擦片接触区域的温度明显高于非接触区域，对应时刻摩擦片所在区域温度明显高于远离摩擦片区域的温度；制动盘的内径处远离接触区域，在制动时间较短的情况下热流难以传送到，且内径处离通风口较近，通风口处的对流换热作用明显，所以温度上升较慢。为了进一步研究制动盘温度场的分布特性，我们分别从径向、轴向和周向三个方向来研究温度场。在移动热源的热流输入和对流换热的交替作用下，节点温度以锯齿状形式波动上升；锯齿波动的次数与制动盘制动旋转的圈数基本一致，大约 24.8 次；当摩擦片经过节点时，摩擦热流输入使节点的温度升高，由于接触的时间短暂，温度上升迅速，当摩擦片远离节点时一方面是与环境的对流换热，另一方面热能会热传导进入制动盘内部区域，温度会下降，这一过程时间相对较长，温度下降相对缓慢；制动的开始阶段由于转速高，表现为锯齿宽度小周期小，制动中期转速开始下降，经过节点的时间较长，输入的热量较多，温度上升多，表现为锯齿的幅度大，制动后期转速进一步下降，接触区域节点对流换热的时间长，输入热量开始下降，表现为锯齿周期变大，幅度开始减小，整体温度表现为平稳下降。
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总结
本论文以乘用车上常用的通风盘式制动器为研究对象，应用 Catia 软件构建了简化制动盘三维模型，应用 HyperMesh 软件对制动盘进行了网格划分，应用 Abaqus软件建立了紧急制动工况下的热机耦合有限元模型，最后对制动过程中的瞬态温度场、应力场分布特性进行了仿真分析，阐述了其相互耦合作用机理。在仿真分析结论基础上，分析了制动盘疲劳失效的机理，采用 Mason-Coffin 公式对制动盘的使用寿命做出了预测。最后，通过台架试验测试了制动盘紧急工况下的使用寿命，对比分析了制动盘表面温度仿真数据与试验数据，试验结果基本上验证了仿真结果的可靠性。论文主要结论如下：
（1）制动盘温度场分布：制动盘表温度分布不是轴对称，总体呈现先升高后下降的趋势，接触区域以及靠近接触区域的制动盘内部区域，温度变化为锯齿状；非接触区域以及远离制动盘表面的内部区域没有明显锯齿状，且远低于接触区域的温度；制动盘表面沿径向方向温度梯度最大，轴向其次；
（2）制动场应力分布：制动盘表面的等效应力变化与温度变化类似，均为先升高后下降，且不对称，接触区域以及靠近接触区域的制动盘内部区域，等效应力变化为锯齿状；非接触区域以及远离制动盘表面的内部区域没有明显锯齿状，且远低于接触区域的等效应力；制动盘所受的三向应力中，轴向应力相对径向应力和周向应力很小，其中周向应力最大，所以制动盘总是沿径向方向萌生裂纹；
（3）最大温度值与最大应力值：最高温出现靠近摩擦中的外侧区域，最高温出现在 1.62s 为 451oc ；最大等效应力出现的时间稍晚，出现区域与出现最高温区域相同，最大等效应力出现在 2.15s 为 258.8MPa ；
（4）制动过程中的摩擦片作为移动热源，移动热源的交替热输入以及制动盘内部的热传导和与周围环境的对流换热，是造成温度场和应力场波动的主要原因；制动过程中出现的锯齿状波动频率与制动盘制动结束时的旋转圈数一致；
（5）当车辆以 100km/h 的初速度紧急制动时，制动压力为 3.46MPa ，制动时间为 3.726s，依据对制动器的热机耦合仿真结果，采用 Mason-Coffin 公式预测制动盘此工况下的使用寿命为 1454 次。
（6）台架试验结果表明接触区域温度与仿真误差在 18%左右；台架试验紧急制动工况下制动盘的使用寿命是 1084 次，与仿真分析后预测的使用寿命误差率为25%，且裂纹出现的区域以及发展趋势与预测分析基本吻合。
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参考文献（略）