制动器摩擦副摩擦因数研究

· 设计·计算·研究· 制动器摩擦副摩擦因数研究 木 赵 凯辉 魏 朗 (长安大学) 【摘要】以某EQ1208型车辆后桥鼓式制动器为例，对其三维热机耦合有限元模型进行了等速持续制动工况仿 真。仿真结果与试验结果对比明，仿真值和试验值在相同温度测量点的温升动态变化趋势相同，从而验证了仿真 所利用摩擦因数温度特性的准确性。对该后桥鼓式制动器在连续 15次循环制动工况下摩擦表面平均温度、摩擦副 摩擦因数及制动管路压力的动态变化进行了计算。 主题词：鼓式制动器 摩擦副 摩擦因数 中图分类号：U463．511 文献标识码：A 文章编号：1000—3703(2009)03—0025—03 Research of Friction Factor for Brake’S Fricfion Pairs Zhao Kaihui，Wei Lang (Changan University) 【Abstract]The 3D thermo—mechanical coupling finite element model for drum brake of real"axle in EQ1208 commercial vehicle wag simulated under the continuous brake condition of constant speed．The comparison of the results between simulation and test showed that their temperature variation trend at the same measuring point was consistent with each other,thus the accuracy of friction factor temperature characteristic was validated．At last，the average temperature on frictional surface，the frictional factor variation and the pressure change of brake piping were calculated and analyzed in the 15 coutinuous cvcle bmkes for drum brake of rear axle． Key words：Drum brake，Friction pairs，Friction factor 1 前言 当车辆进行连续较大热负荷制动时，制动器温 度常在 300 oC以上，有时高达 600～700 oC⋯。目前汽 车上使用的摩擦衬片基本都是半金属摩擦材料，在 制动过程中，随着制动器的温度升高，其摩擦副摩擦 因数会不断减小，导致制动摩擦力矩显著下降，产生 热衰退现象。因此，对制动器摩擦副摩擦因数在连续 较大热负荷制动工况下的衰退值进行计算分析，有 助于提高制动器工作可靠性，减少因制动热衰退导 致的道路交通事故。本文以EQ1208商用车后桥鼓 式制动器为例，在等速持续制动工况下，对所建立的 鼓式制动器三维热机耦合有限元模型进行了仿真 ， 并与试验结果比较，验证了摩擦副摩擦因数温度特 性的准确性；对EQ1208商用车后桥鼓式制动器在 连续 15次循环紧急制动工况下摩擦表面平均温度、 摩擦副摩擦因数及制动管路压力的动态变化进行了 计算分析。 2 摩擦副表面温度 制动器制动时，由于摩擦副接触的不均匀性，实 国家自然科学基金资助项目(50222206)。 2009年 第 3期 际接触面积远小于名义接触面积且不连续，其接触 点的数目、尺寸大小除了与表面粗糙度、摩擦副材质 的机械性能等有关外，还与摩擦接触面上载荷有直 接关系。在弹性接触状态时，其实际接触面积、接触 点数 目与载荷成正比。摩擦时的热源首先在实际接 触处产生，虽然热源在摩擦过程中将随着表面轮廓 和实际接触面积的变化而改变，且其变化的特点和 改变的程度取决于实际接触处的条件：速度、温度、 载荷、摩擦过程中表层的物理化学变化特性、摩擦副 材质的热物理性能及磨损状况等犯]，但其中接触面 载荷状况是最重要影响因素。对于鼓式制动器摩擦 副，其接触面载荷呈正弦分布[3]，因此在摩擦副中部 载荷大的区域，其实际接触面积较大和接触点数目 分布较多。 摩擦副在实际接触处的摩擦作用导致表面温度 升高，接触面上载荷情况不同，各接触点热流密度也 不同，其摩擦热流密度为： q= 式中，P、 、 '，分别为接触面载荷应力、摩擦因数、 滑动速度和热功当量。 一 25 — ·设计·计算·研究· 摩擦表面接触不均匀，使得温度分布不均匀，摩 擦表面平均温度表明了摩擦副问的接触情况，可用 于评定表层中所产生的各种变化，包括摩擦片树脂 粘合剂的软化与分解 2]。 3 摩擦副摩擦因数 摩擦本身是一种动态随机过程，摩擦因数不是 材料的固有特性，而是材料和多种因素影响下的综 合特性，在各种影响因素中，尤以摩擦热及表面温升 对材料摩擦性能的影响最为复杂，且尤其关键_4]。在 制动过程中，制动器摩擦副把汽车的动能转化为热 能，当大量的动能转化为热能而又来不及耗散时，必 然引起热量的累积和摩擦副表面温度升高，而摩擦 表面平均温度对摩擦副尤其是有机摩阻材料的摩擦 性能有很大的影响。通常，随摩擦表面温度的升高， 摩擦因数会出现某种规律的下降，这是由于高温下 摩擦副间表面膜的物化特性(树脂粘合剂的软化与 分解)发生改变所致。一般制动器摩擦因数非线性 温度特性如图 1所示。 0．5 0-4 s 蜷 0．2 避 0 ．1 O 温度／~C 图 l 摩擦因数温度特性 曲线 4 制动器摩擦因数温度特性验证 4．1 鼓式制动器三维热一机耦合有限元模型前处理 对导入 ADINA的 EQ1208商用车后桥鼓式制 动器装配体几何模型中各部件选择不同的单元组， 各单元组统一采用 3D—solid单元。对不同部件采用 不同的材料属性，见表 1所列。通过定义合适单元尺 寸并进行实体自由网格划分 ，共生成 5167个 3D— solid单元。蹄、鼓接触属于刚一柔面面接触，在有限 元模型中制动蹄摩擦片设定为柔性面，制动鼓内接 触表面定义为刚性面。使用网格复制功能，生成 5167个热传导单元。对流辐射单元通过定义对流辐 射系数、对流辐射单元组，以及指定对流辐射面来生 成。 4．2 主要约束及热边界条件 在等速持续制动工况下，制动鼓绕其轴线等角 速度回转；两制动分蹄需能绕固定支承销孔轴线转 动。 制动鼓作为制动器的主要对流换热部件，其对 流换热系数 h为[5]： 、 1 O89342 h=0．25823车f丝 1 (2) ＼ t，7／ 式中，A为空气导热系数；Z为制动鼓外圆直径； 为 制动鼓外表面速度；p为空气密度； 为空气动力粘 度。 表 1 材料物性参数 零件 弹性模量／GPa 密度／kg·(dm) 导热系数 ·(m·K) 比热／J·(kg·K) 热膨胀系数／( K) 泊松比 摩擦片 O-37 3．60 1．01 1 030 20 0．25 制动蹄 200．00 7．80 46．0HD 505 12 O-30 制动鼓 120．00 7-33 69．0O 545 12 O-25 制动鼓外表面辐射换热表达式为： 4 4 q =~rfe[O r-- ] (3) 式中，口 为辐射边界热流密度； 为 Stefan—bohzman 常数，约为 5．67~10 W／(m ·K ) 厂为辐射单元的形 状系数；e为辐射黑度； 为环境绝对温度； 为物 体表面绝对温度。 摩擦接触算法利用显式约束函数接触算法，计 算中所使用根据摩擦材料性能试验拟合的温度一摩 擦因数模型为： 4 3 2 1 o (4) 式中，A。、 。、A 、 、 分别为初定系数，通过制动器 耦合仿真及模型验证进一步确定；T为摩擦副表面 一 26 一 温度。 4．3 摩擦因数温度特性验证 鼓式制动器温升台架试验 工况为模拟车辆以 稳定车速 60 km／h，在一段坡度为 4％坡路上的等速 持续制动，制动时间为 200 S，环境温度为 10℃。整 车部分参数见表 2所列。 表 2 整车部分参数 I质烈 栅 m 蛆l I 使用红外测温枪测取旋转制动鼓外表面 A点 位置(位于制动鼓外表面距制动底板 0．105 m处，见 汽 车 技 术 ·设计·计算·研究· 图2)附近温度，即为制动器温度。仿真工况与试验 工况相同，利用软件耦合模块和 ATS自动时间步 长，对 EQ1208后桥鼓式制动器三维热一机耦合有限 元模型进行仿真。图 2为 200 s时刻瞬态温度场云 图。因衬片与制动鼓摩擦副的接触表面压力按正弦 分布，在接触面对应 A点附近表面接触压力较大， 摩擦产生热流量大、温度高，使制动鼓表面A点附 近渗透温度也较高且温度梯度较大，同时在蹄鼓摩 擦接触区温度明显高于非摩擦接触区温度。 图3中，在等速持续制动工况下，仿真温升曲线 与试验温升曲线变化趋势相同，温度均随着制动时 间增加而上升，因建模简化，部分非主要部件的散热 和因素被忽略，随着温度升高，仿真温升曲线与试验 温升曲线差值逐步变大。比较表明，制动器仿真值与 试验值吻合较好 ，误差满足分析精度要求，耦合 模型及在耦合仿真中所利用的摩擦副摩擦因数温度 特性是准确的。 图 2 瞬态温度场云图 图 3 制 动器 A点温度 比较 5 循环制动摩擦副摩擦因数分析 5．1 循环制动温度计算 整车循环制动工况见表 3所列。参照行业 QC／T 479--1999 《货车、客车制动器台架试验方 法》，对 EQ1208后桥鼓式制动器进行连续 15次循 环紧急制动温升计算 ]。图4为 15次循环制动的摩 擦副表面平均温度循环曲线，图5是各次循环制动 的摩擦表面最高平均温度。从图4和图5可见，经过 l5次循环制动，各制动循环瞬态温升和最高温度不 断升高，最高温度升至 330 oC；各次循环制动的最高 温升不断减小，表明制动器温度场达到生热和散热 逐渐趋向动态平衡。 表 3 循环制动工况 制动初速度 制动减速度 制动初温 制动周期 参数 制动次数 ／km·h一 ／g ／℃ ／s 数值 50 0．45 80 60 15 5．2 摩擦性能分析 根据各次循环制动最高平均温度及利用验证的 摩擦因数温度特性，计算得到各次循环制动中最高 2009年 第 3期 平均温度相应的摩擦因数。各次循环制动最高温度 时摩擦因数动态变化曲线如图 6所示。从图 6中可 知，随着温度升高，摩擦副摩擦因数不断降低且曲线 斜率逐渐变陡，在第 l5循环最高温度 330℃时，摩 擦因数降至 0．26。根据 GB 5763--1998~汽车用制动 器衬片》对中、重型车鼓式制动器用摩擦副摩擦因数 规定隅]，在各次循环制动中摩擦因数均明显高于规 定下限值，见图7所示。 次数 350 300 250 200 赠 150 10o 50 图 4 l5次循环制动的 图5 各次循环制动的 摩擦表面平均温度 最高平均温度 图6 各次循环制动中 图7 计算值与标准值比较 摩擦因数变化 5．3 制动管路压力变化 制动器制动管路压力动态变化如图8所示。由 于制动减速度不变，在循环制动过程中温度升高，摩 擦因数降低，导致制动器制动效能部分热衰退 ，使得 制动管路压力相应逐渐加速升高，在第 l5循环制动 中，最高值升至 690 kPa。 800 ＼ 600 蓦4oo 驰 l一一一——．—．．—．— ．——一， —_—_I— — —‘ 0 图 8 6 结束语 120 240 36o 480 6oo 720 840 960 时间／s 各次循环制动中管路压力变化 a． 对所建立的EQ1208后桥鼓式制动器三维 热机耦合模型进行了耦合温度场仿真，并与试验温 升结果进行了对比，结果表明两者吻合较好，验证了 摩擦副摩擦因数温度特性的准确性。 b． 利用所验证的摩擦副摩擦因数温度特性， 对 EQ1208后桥鼓式制动器进行了连续 15次循环 紧急制动温升计算。结果表明，保持制动减速度不 一 27 — ·设计·计算·研究· 混合动力汽车用发动机起动振动 与噪声特性初步研究 张立军 叶 荫 余卓平 (同济大学) 【摘要】针对某型混合动力汽车用发动机进行了冷起动条件下的振动与噪声试验，测试了发动机机体振动加速 度、发动机噪声、气缸缸压、点火脉冲信号及转速信号，分析了发动机起动瞬态过程中振动与噪声特性。试验结果表 明，起动阶段的噪声与振动信号表现出明显的非稳态特征，且幅值比怠速时大；高频的振动与噪声和低频的气缸压 力波动关 系不大 ，可能与拖动 电机 的高频转矩波动有关。 主题词：混合动力汽车 发动机 起动 振动 噪声 中图分类号：U467．2 文献标识码：A 文章编号：1000—3703(2009)03—0028—04 Experimental Investigation Illt0 Starting Noise and Vibration of an Engine Used in Hybrid Electric Vehicle Zhang Lijun，Ye Yin，Yu Zhuoping (Tongji University) 【Abstract]Noise and vibration test in cold start condition was carried out for engine of a hybrid electric vehicle， during this test engine block vibration acceleration，engine noise，cylinder pressure，ignition pulse signal and revolution signal were measured，and engine starting noise and vibration characteristics were analyzed in the transient state of engine starting．The test results indicate that the engine starting noise and vibration signal reveal distinct non-steady characteristic，and the amplitude is greater than at idle speed；in addition，the high-frequency vibration and noise is not closely related with fluctuation of cylinder pressure at low frequency，possibly correlated with fluctuation of high-frequency torque that drives the motor． Key words：Hybrid electric vehicle，Engine，Start，Vibration，Noise 1 前言 目前，针对汽车发动机起停过程的振动与噪声 问题在国内尚未检索到相关文献。国外一些汽车公 司开展了相关研究，取得了一定成果，如，丰田公司 针对丰田汽车混合动力系统分析了ESS振动噪声 产生的原因与影响因素，认为发动机在起动过程中 的振动主要激励来自于起动反作用力和气缸压力波 动及点火后快速上升的发动机转矩，并提出了可变 进气门正时、延迟点火、增加喷油量、活塞初始位置 控制等措施【 卅；福特汽车公司于 2006年进行了基 于整车试验的ESS振动噪声研究，认为如果对起动 过程中气缸压力波动、起动电机的起动转矩及发动 机转速的急速上升控制不当将激发整车振动和噪 声，并提出了发动机转速控制、连续起动过程中活塞 位置控制及起动阶段电机转矩补偿等改进措施[51。 变，随着各次循环制动最高温度增大，摩擦副摩擦因 数不断减小且曲线斜率变陡，制动管路压力相应逐 渐增大。 参 考 文 献 1 余志生．汽车理论(第四版)．北京：机械工业出版社，2007． 2 王涛，朱文坚．摩擦制动器一原理、结构和设计．广州：华南理 工大学出版社，1992． 3 刘惟信．汽车制动系的结构分析与设计计算．北京 ：清华大 学出版社，2004． 4 王志刚．制动器摩擦热效应分析．润滑与密封，2005(6)： 一 28 — 164-175． 5 郭应时，袁伟，付锐．实验法求解汽车鼓式制动器对流换热 系数．长安大学学报(自然科学版)，20o6，26(4)：92~94． 6 陈兴旺．鼓式制动器制动温度场的研究 ：[学位论文]．西 安：长安大学，2006． 7 QC／T479--1999．货车、客车制动器台架试验． 8 GB 5763--1998．汽车用制动器衬片． (责任编辑 学 林) 修改稿收到日期为 2008年 11月26日。 汽 车 技 术