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6t纯电动轻型载货盘式制动器设计与分析毕业论文

 2020-02-17 12:02  

摘 要

制动系统在为汽车的行驶安全起到重要的保障作用。制动器在制动过程中由于摩擦生热存在着热力耦合过程,其作用结果对于制动器的制动效率和使用寿命都有着影响。掌握盘式制动器设计思路,对盘式制动器进行热力耦合仿真分析,对于制动器的发展有着重要意义。

本文的主要研究内容:

首先依据车型基本参数对制动器重要理论参数进行计算和校核,利用CAD软件SW建立盘式制动器三维模型。

然后学习热力耦合的相关理论知识,包括接触定义和算法;摩擦生热理论和热传导及热边界的理论学习。对ABAQUS仿真软件进行操作学习,为盘式制动器热力耦合仿真工作打好基础。

接着,在ABAQUS中建立热力耦合瞬态分析模型,探究通风盘式制动器的热力耦合特性,在软件中设置材料基本属性以及对模型科学划分网格,约束好边界条件,开始热力耦合仿真工作。

最后,分析仿真结果中的温度场和应变分布做出分析,探究结果出现的规律和原因。然后对全文进行总结,得到本课题研究结论。

关键字:盘式制动器,热力耦合分析,温度场,热应变

Abstract

The braking system plays an important role in ensuring the safety of the vehicle. There is a thermo-mechanical coupling process in the braking process due to friction heat generation, and its effect results have an impact on the braking efficiency and service life of the brake. It is of great significance for the development of disc brake to master the design idea of disc brake and to conduct thermo-mechanical coupling simulation analysis of disc brake.

The main contents of this paper are as follows:

Firstly, the important theoretical parameters of the brake are calculated and checked according to the basic parameters of the vehicle, and the three-dimensional model of the disc brake is established by using the CAD software SW.

Then we learn the theory of thermo-mechanical coupling, including the definition and algorithm of contact, the theory of friction heat generation and the theory of heat conduction and thermal boundary. The operation of ABAQUS simulation software is studied to lay a good foundation for the thermal-mechanical coupling simulation of disc brake.

Secondly, the thermo-mechanical coupling transient analysis model is established in ABAQUS, the thermo-mechanical coupling characteristics of ventilated disc brake are explored, the basic properties of materials are set up in the software and the grid of the model is scientifically divided, the boundary conditions are well constrained, and the thermo-mechanical coupling simulation is started.

Finally, the temperature field and strain distribution in the simulation results are analyzed, and the rules and causes of the results are explored. Then summarize the whole paper and get the conclusion of this design.

KEY WORDS: Disc Brake, Thermal-Mechanical Coupling Analysis, Temperature Field, Thermal Strain

目录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究背景与意义 1

1.1.1盘式制动器组成与工作原理简介 1

1.1.2盘式制动器热力耦合现象简介 2

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3本文主要工作 3

1.4本章小结 4

第2章 热力耦合相关理论 5

2.1接触理论 5

2.1.1 ABAQUS中接触概念 5

2.1.2 ABAQUS中的接触算法 6

2.2摩擦生热理论 6

2.3热传导与热边界 7

2.4本章小结 7

第3章 盘式制动器设计 8

3.1主要参数计算及选择 8

3.1.1汽车整车参数选择 8

3.1.2制动器参数计算 8

3.2盘 式 制 动 器 主 要 零 件 设 计 14

3.2.1制 动 盘 主 要 参 数 计 算 14

3.2.2制动片主要参数计算 15

3.2.3制动器零件结构设计 17

3.3液压制动机构设计 18

3.3.1制动轮缸 18

3.3.2制动主缸 19

3.3.3制动踏板力 19

3.3.4踏板行程 20

3.4本章小结 20

第4章 盘式制动器热力耦合分析 21

4.1几何模型简化处理 21

4.2热力耦合有限元模型设定 21

4.2.1基本假设 21

4.2.2材料属性 21

4.2.3网格划分 22

4.2.4相关边界条件设定 22

4.3热力耦合仿真结果分析 23

4.3.1制动器温度场变化特性及分布特性 23

4.3.2制动盘应变变化特性 27

4.4本章小结 29

第5章 总结和展望 30

5.1总结 30

5.2展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1课题的研究背景与意义

制动器是汽车在行驶过程中起着制动作用的重要部件,它的制动性能高低直接影响着乘人和汽车的安全,并且制动过程是否平稳也影响到车内人员是否感觉舒适[1]。在盘式制动器研发之前,在汽车上主要应用鼓式制动器,虽然具有较大的制动力,但是由于其内部磨损产生碎屑,会给制动器造成磨损甚至报废的结果,从一定程度上影响到了人车的安全。在纯电动汽车的发展过程中,对于盘式制动器的研发也逐渐兴起,这也是制动部件的重要发展方向,对于人们的现实生活具有重要的意义[2]

盘式制动器在制动过程终由于摩擦衬片和制动盘相对旋转挤压形成摩擦,在摩擦副间不仅存在着由于挤压形成的应力,而且由于摩擦生热会产生较大的热量,而应力和热量相互作用,彼此影响,在应力、应变及温度等方面有着重要的改变,将会直接影响到摩擦制动性能的好坏。因此对于盘式制动器摩擦副进行热力耦合的探究分析也是至关重要的,从探究中分析如何完善制动器的设计,做出科学的经验总结,对于汽车制动部件的发展和现实生活都有着重要的作用和意义[3]

1.1.1盘式制动器组成与工作原理简介

目前一般盘式制动器主要有以下几个零件组成:制动盘、制动片、钳体、钳体外壳、轮缸等,如图1.1所示[4]。盘式制动器基本分为实心和通风盘,不同的是通风盘在制造过程中会在中间沿周边分布着通风孔,主要用于在制动过程中,将产生的大量热在流动的空气散失,从而减小盘体因为热应力产生变形及内部组织的坏损,保证其使用的耐久性,更好的保证人车安全,因此在现在通风盘代替了很多实心盘的应用。

图 1.1 盘式制动器结构图kcnr24_02_29

其工作原理主要是在行车过程中,人执行制动操作,主要通过液压作用,将作用力传至盘式制动器的轮缸,轮缸对与摩擦衬片相连的背板进行挤压,使制动片和盘之间形成较大的摩擦力进行制动,使车轮停止转动,最终实现汽车停下来[5]

1.1.2盘式制动器热力耦合现象简介

盘式制动器的在工作过程中制动盘和摩擦衬片形成热源,作用在盘上,而热在盘中直接造成形成热应力和引发盘的应变,应力应变的出现将会对摩擦副的配合造成影响,也会反作用使生成的热分布不均匀,造成不正常的热变形。在热和力的相互作用过程中,热量会以电磁波形式向外散发,也与空气的形成热量的交换。制动过程中不均匀的温度分布形成的热应力和制动片挤压盘的机械应力同时发生着作用,形成复杂的彼此影响的关系,这是一个变化的过程,也是一个复杂的热力耦合的过程[6]

改变

图 1.2 盘式制动器热力耦合过程图

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外学者在1960年后开始了在汽车制动过程中热和力相互作用的热力耦合探究。开始多用数值计算等方法进行盘式制动器进行热力耦合方面的研究,但是效果并不是很理想。随着科学技术的发展,各种CAE仿真分析软件应运而生,在汽车制动器的热力耦合仿真领域,逐渐开始了用软件仿真代替曾经算法的时代,这也为仿真工作的提供了便捷且准确的工具。

国外学者Barbar发现了汽车在制动时,制动盘上会出现热点,即由于高温现象在某些部位产生,这可能是制动盘由于热造成最终不能正常工作的一个原因,并作出了热弹性失稳的说明[7];Burten针对压强不一样时制动盘模型摩擦的模型,指出当制动盘和制动片的摩擦面之间的相对速度如果超过了临界值,就会发生弹性失稳,影响制动有效性;Lee和Barbar在上面二人模型的基础上,创建了制动盘和制动片之间一定厚度下接触滑动的模型,并且在汽车制动盘的研发方面得到了很要的应用[8]。Yang YC和Chen WL对在制动盘上测得的温度,将基于共轭梯度法与差异准则的逆向运算方法应用其中,预测了制动盘上热流随着时间和空间变化的结果;Kim计算出高度列车制动时应力场和温度场的分布规律,但是忽略了制动盘温度场对应力场的影响;DuzgunM用不同结构参数的通风盘进行测试,在持续转动摩擦情况下对其温度与应力进行分析,发现相较实心盘而言,通风盘具有更好的散热效果;Mahmoudi T用功能性梯度材料在热量引起的制动盘组织老化、磨损、产生裂纹等方面实现了较好的完善;Jaiswal R等人选择应力较低的材料在制动器模型中进行热应力集中、热变形及热梯度等状分析,并且用SW进行建模分析;Han M J对制动盘进行热力耦合分析,比较制动片的磨损厚度,分析出接触和摩擦损耗具有一定关系,然后对模型进行优化设计,来实现正常磨损。

1.2.2国内研究现状

和国外比较,国内学者对于热力耦合分析研究较晚。主要是因为我国处于科学技术和综合国力逐步崛起的阶段,但是前景广大。李亮等人在制定工作过程中确定了能量关系公式,在结合热量散失和与环境交换等各种因素情况下,创建了一直保持制动状态下的温度分布分析模型,结果得出温度在盘上的分布情况[9];陈友飞用CAE软件创建了制动器的有限元和差分模型,算出在多次制动时的温度场的分布情况,后期进行热力耦合求解,得出温度与应力分布的规律;徐俊波利用分析软件对制动器进行热机耦合探究,创建了二次响应面的预测模型,并且利用那个计算机算法对制动器的参数进行完善;张方宇利用销盘磨损试验,探究温度和应力在制动片损耗等方面的影响;陈叶飞将制动器在仿真后的现象作为前提,把制动副摩擦造成的温度最值作为完善目的,并设计好施加的压强与边界条件约束,对实验模型进行分析,并且结合算法,对盘式制动器进行优化设计。

1.3本文主要工作

盘式制动器目前已经从实心盘向着通风盘的趋势应用,对于盘式制动器的设计仍需进一步研究。盘式制动器作为汽车安全性能的重要部件,其性能好坏直接影响到人车安全,因此需要利用CAE软件仿真模拟,探究其影响因素,依据结果进行制动盘的设计优化[10]。热力耦合是盘式制动器在工作过程中的重要过程,探究其对制动盘的影响对于制动盘设计和制动器的发展具有较大的指导意义。本设计的研究内容包含下面内容:

(1)介绍热力耦合的含义,主要有接触关系、 产热原理及热量传递等方面理论。包括CAE仿真软件ABAQUS接触概念和基础算法,摩擦模型、热源、及生热理论,热传导与热对流等方面理论,为下面的热力耦合仿真工作做好基础铺垫。

(2)根据指导老师的设计思路指导和参考书籍的辅助对盘式制动器进行设计。依据已知车型的基本参数,对制动力分配情况和同步附着情况进行确定[11]。根据轮辋直径确定制动盘及制动片的结构参数,并利用Soildworks对盘式制动器进行系统模型的建立[12]

(3)将摩擦副模型简化处理,在ABAQUS仿真软件中设置好接触条件及边界约束条件,探究紧急制动时温度和应变在盘上的变化和规律,并对仿真结果进行分析,得出结论。

1.4本章小结

本章对盘式制动器的基本原理和制动过程中热力耦合现象进行简述,介绍了国内外在热力耦合方面的研究成果,对本文的主要工作进行简述。

第2章 热力耦合相关理论

在汽车制动过程中,盘式制动器相当于能量转换器,可以利用制动副摩擦生热,将汽车的机械能转化为热能,在进行热能的传递。制动副摩擦部位的在热力作用下会形成一定规律的温度场和应力场,了解热力耦合相关理论有利于为后面热力耦合分析打好基础。

2.1接触理论

利用ABAQUS中的方法,对摩擦副之间实行接触。当两个物体接触时,在刚度不同的条件下需要满足法向上不能破坏约束条件,其次是在运动时位置和形状不会发生干涉。在本次接触仿真接触关系中主要应用的求解方法是罚函数法。

2.1.1 ABAQUS中接触概念

(1)主动面和从动面

在ABAQUS中进行摩擦副仿真,先确定接触环境。能抵抗较大弹性变形的物体作用面是主面,较小的是从面[13]。从动面上的节点在主动面上的投影创建接触关系,只有主动面能穿透从动面,但是现象并不明显。

(2)切向行为和法向行为

两面之间的接触行为有在接触面为准的法向和切向两种作用行为。本仿真工作中采用切向行为的接触方式。

过程主要使用罚函数算法。如下图2.1所示,在ABAQUS中有三种接触形式。剪应力、摩擦系数与法向压力公式关系:

当接触部位处于粘结装填,面之间不会相对移动,当到极限时才会发生相对移动。

图 2.1 罚函数接触模型

剪应力

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