發(fā)布時(shí)間：2016-08-20 06:18

制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)溫度分布是一個(gè)多學(xué)科問(wèn)題。工程車通過(guò)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，把機(jī)車的動(dòng)能通過(guò)摩擦盤之間的摩擦作用轉(zhuǎn)化為熱能，相當(dāng)于一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器。制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)熱-固-流多物理場(chǎng)相互作用的過(guò)程。所以，研究制動(dòng)器制動(dòng)的熱-固-流多物理場(chǎng)的相互作用不但可以拓展仿真研究，也有很高的應(yīng)用價(jià)值。目前，對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程中的多物理場(chǎng)的研究的方法還很不成熟，由于軟件的限制，以前的大多數(shù)研究人員都停留在單個(gè)或者兩個(gè)物理場(chǎng)的仿真分析階段，或是只對(duì)摩擦盤進(jìn)行研究，而忽略了整體性；另由于制動(dòng)器實(shí)物實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和龐大性，在閱讀文獻(xiàn)的過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)多盤干式制動(dòng)器實(shí)際測(cè)量案例，這就造成仿真數(shù)據(jù)的可信度下降，沒(méi)有與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，誤差有多大，更無(wú)從得知。隨著有限元分析軟件、流體動(dòng)力計(jì)算技術(shù)以及計(jì)算機(jī)性能發(fā)展，提出了使用流固耦合傳熱技術(shù)對(duì)制動(dòng)器多物理場(chǎng)相互作用進(jìn)行仿真研究，更加切于實(shí)際更便于仿真計(jì)算。本課題針對(duì)整個(gè)多盤干式制動(dòng)器，開展其制動(dòng)過(guò)程中多物理場(chǎng)耦合仿真的研究，獲得耦合分析后的溫度場(chǎng)分布、固體場(chǎng)。然后結(jié)合實(shí)物實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)物數(shù)據(jù)的對(duì)比研究，驗(yàn)證了有限元仿真模型的有效性，為制動(dòng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化節(jié)省了成本，縮短了研發(fā)周期。

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2 多盤干式制動(dòng)器多物理場(chǎng)計(jì)算理論研究

2.1 盤式制動(dòng)器摩擦生熱理論

宏觀上，多盤干式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)是摩擦元件之間相互摩擦接觸進(jìn)而磨損耗能的過(guò)程，制動(dòng)器本身通過(guò)對(duì)偶盤和摩擦盤之間的摩擦副把工程車行進(jìn)過(guò)程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，熱量的傳導(dǎo)和擴(kuò)散必然導(dǎo)致制動(dòng)器相關(guān)部件溫度升高。微觀上，由于摩擦材料和對(duì)偶材料表面接觸的不均勻性，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于名義接觸面積且不連續(xù)，而熱源就在實(shí)際接觸位置處產(chǎn)生[33-35]。

2.2 湍流模型流體動(dòng)力學(xué)研究

19 世紀(jì) 80 年代，英國(guó)物理學(xué)家雷諾通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證明了粘性流體在流動(dòng)過(guò)程中存在兩種特性截然不同的流動(dòng)狀態(tài)：層流和湍流。當(dāng)流體速度較小時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)在各自流程所在層上作直線運(yùn)動(dòng)，即為層流。湍流是自然界非常普遍的流體流動(dòng)類型，其經(jīng)常出現(xiàn)在速度變動(dòng)的地方，此時(shí)流動(dòng)不再是平滑的，而是做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的非定常運(yùn)動(dòng)，液體質(zhì)點(diǎn)具有不斷相互摻混的現(xiàn)象，，速度和壓力等相關(guān)物理量在時(shí)間和空間上具有隨機(jī)性質(zhì)的脈動(dòng)值。因此湍流研究只能借助于一些半經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)和理論。分析制動(dòng)器運(yùn)動(dòng)過(guò)程及制動(dòng)原理，流體在摩擦盤的旋轉(zhuǎn)的情況下，流體做復(fù)雜的無(wú)規(guī)則的非定常運(yùn)動(dòng)，空氣質(zhì)點(diǎn)不斷相互摻混，顯然制動(dòng)器流體流動(dòng)應(yīng)采用湍流計(jì)算模型。本節(jié)對(duì)制動(dòng)器流體控制方程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

3 多盤干式制動(dòng)器多物理場(chǎng)耦合模型建模技術(shù)..................... 15

3.1 多盤干式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理和生熱分析.......... 15
3.2 多盤干式制動(dòng)器耦合系統(tǒng)建模技術(shù)............ 16 
3.3 本章小結(jié).................... 18
4 多盤干式制動(dòng)器多物理場(chǎng)耦合分析............ 19
4.1 多盤干式制動(dòng)器耦合系統(tǒng)有限元網(wǎng)格劃分................ 19
4.2 制動(dòng)器各部件材料的種類及物性........ 20
4.3 耦合系統(tǒng)計(jì)算域邊界條件的確定.......... 20 
4.4 多盤干式制動(dòng)器熱-固-流耦合仿真分析 ........... 24 
5 多盤干式制動(dòng)器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)研究................... 33
5.1 確定多盤干式制動(dòng)器測(cè)溫方案.................. 33 
5.2 盤式制動(dòng)器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)............... 38
5.3 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)工況參數(shù).................... 39
5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論..................... 39
5.5 本章小結(jié)............................. 41

6 制動(dòng)器仿真溫度數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)研究分析

6.1 相關(guān)系數(shù)法原理

仿真模型的確認(rèn)是國(guó)際上仿真領(lǐng)域公認(rèn)的難題，目前常用的方法有 Theil 不一致系數(shù)法、平穩(wěn)序列的時(shí)域分析法、誤差分析法和相關(guān)系數(shù)法等。鑒于本課題數(shù)據(jù)量較少，屬于小樣本容量研究領(lǐng)域，經(jīng)綜合考慮，采用相關(guān)系數(shù)法和誤差分析法進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性研究。研究流程如圖 6.1 所示。

6.2 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前處理

任選取一種工況（工況 3）為示例，進(jìn)行溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)一致性研究。（1）仿真數(shù)據(jù)修正因?yàn)榉抡嫣幱谕耆�理想狀態(tài)下，每次仿真初始溫度都是一致的，而由于外界環(huán)境時(shí)刻變化以及上一組實(shí)驗(yàn)的余溫等情況，實(shí)際實(shí)驗(yàn)初始溫度是不固定的，因此要對(duì)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行修正。根據(jù)熱量計(jì)算公式 6.3 可知，熱量和溫度的變化值成正比關(guān)系。因此采用仿真數(shù)據(jù)加上仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)溫度差（見表 6.1）的方式對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。結(jié)果見表 6.2 所示。

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7 結(jié)論

本課題針對(duì)某型號(hào)工程車輛制動(dòng)器溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，首先采用了有限元分析的方法進(jìn)行仿真分析，從零件模型制作，到裝配成型，再到有限元分析軟件中進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)器的 CAE 研究，通過(guò)整機(jī)的溫度場(chǎng)仿真分析，得到了整個(gè)制動(dòng)器的溫度場(chǎng)分布規(guī)律和標(biāo)記點(diǎn)的瞬時(shí)溫度變化曲線；然后在溫度場(chǎng)仿真分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了制動(dòng)器實(shí)物測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，得出了標(biāo)記點(diǎn)的溫度分布數(shù)據(jù)；最后，在邊界修正和均值取值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了誤差分析和相關(guān)系數(shù)研究，誤差在 10%以內(nèi)，超 80%的數(shù)據(jù)相關(guān)性良好，從而驗(yàn)證了耦合模型的可靠性，可以用來(lái)預(yù)測(cè)該型號(hào)制動(dòng)器其他工況的溫度場(chǎng)分布。具體各項(xiàng)工作內(nèi)容的結(jié)論如下：（1）測(cè)繪制動(dòng)器各個(gè)零部件，在 Pro/E 中建立模型；在分析制動(dòng)器結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，完成了制動(dòng)器的裝配工作，最終獲得了該型號(hào)制動(dòng)器三維建模的關(guān)鍵技術(shù)；（2）在有限元分析軟件中，以真實(shí)的工作狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析。通過(guò)三種工況研究，整個(gè)制動(dòng)器的溫度場(chǎng)的分布情況和標(biāo)記點(diǎn)的瞬時(shí)溫度變化曲線。最高溫度處于摩擦位置，最低溫度處于離摩擦位置比較遠(yuǎn)的旋轉(zhuǎn)盤和彈簧上蓋位置，隔熱板確實(shí)起到了隔熱作用，這與實(shí)際情況是一致的。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：98643