研究汽车盘式制动器热和力学性能的优化设计.doc

研究汽车盘式制动器热和力学性能的优化设计 制动系统是汽车最重要的系统。如果制动失败，结果是很可怕的。制动系统实际上是能量转换装置，将汽车的动能转换为热能。典型的制动系统包括盘式制动器和鼓式制动器。 汽车上使用的是两个完整的独立的制动系统。他们是行车制动和驻车制动。行车制动在减速，停车，或正常行驶时驻车起作用。他们通过司机踩踏和放松制动踏板来实现。制动器的主要目的是在无人看管是保持车辆平稳停止。驻车制动是在拉起手刹或制动脚踏板时由机械操纵的。 盘式制动器因为产生的热和停车时的机械载荷很容易引起噪声和震动问题。这种噪音，震动和NVH现象不仅不舒服，而且很危险。此外，由于热摩擦产生的温度变化，导致制动盘和转子之间摩擦转变和垫衬材料机械压力系数变化。压力变化是一种非线性现象，正如摩擦现象是一般非线性耦合问题。特别是在汽车盘式制动系统中热抖动噪声振动是非线性耦合问题。这些现象也共享核心设计等因素，如转子和衬里之间的压力分布，转子的形状和刚度，空气排气口组成，散热的性能和摩擦的变化。因此，应在考虑和分析抖动和噪声的同时优化盘式制动器的设计。 当出现严重的摩擦加热超过一定的转子和垫之间的滑动速度（临界速度）时，会发生热弹性形变。一些关键的因素，如临界速度，外部温度，运动时阀板厚度变化可能会导致制动盘的热变形。此外，频繁制动也能诱导制动器的高热。这些情况导致较高的热变形和热点，这是热颤动的原因之一。一个相对高强度，低频率的震动，应该是从盘式制动系统通过枢纽，悬浮驱动，方向盘，刹车踏板和地板。此外，频繁和高温热点结合，很容易导致物质损失，其中包括制动盘表面裂纹的产生。该热点现象，也称为摩擦性热弹性不稳定，被Barber首次发现并应用到摩擦系统。Lee和Barber解决了假设随着时间推移，在温度和应力场的扰动成倍增加的TEI 问题。他们表明，不稳定的发病总是由一个反对称的对应圆周屈曲变形模式导致热点在制动盘两侧交替。此外，使用汽车盘式模型，他们发现，由两个半空间模型计算的临街转速高出实验。Yeo和Barber衍生出的有限元摄动方法，即线性方程组是利用时间获取与指数变化扰动分隔的变量的解决方案制定。他们利用有限元分析解决了盘式制动器和离合器的TEI问题。他们解释说，主波长和临界速度并非主要受三维效果的影响，被很好的预测一个二维（平面）的分析，但不包括弯曲模式。他们通过有限元分析与实验验证制动盘的TEI问题。对TEI的理论，可以在受热抖动制动系统的标准设计准则上进行设计。 尽管努力减少或消除噪声的发生，噪声呈现出另一种整个汽车行业的主要制动器的NVH问题。这是一种当司机减速或低速是产生的高频率的噪声。因为他是耦合的制动系统，噪声不容易解决。因此，噪声问题应该仔细评估。有两种利用有限元分析的方法来模拟和分析盘式制动器的噪声问题：一是非线性瞬态模拟或动态瞬态分析，另一种是线性或非线性稳定分析。这两种方法各有优缺点，要准确的分析和预测噪声，都需要在转子和其他制动元件固有特性研究方面有良好的相关性。目前有很多以通过实验方法和仿真的研究。Dessouki等把噪声分为卡钳托架诱导（2-6.5千赫），垫诱导（4-11千赫）和转子诱导（7-16千赫）几类。通过FEA，Junior等研究了某些操作参数如摩擦系数，材料性能，磨损以及绝缘体对盘式制动系统的影响。Fieldhouse根据一些具体的噪声频率研究了垫的形状，并解释说动态的不稳定行能被预测。Kung等使用复杂的特征值问题的方法研究了低频噪声，并报告说，这是种有效的分析方法。Dihau和Jiang利用有限元分析研究耦合模式解决了复杂的特征值问题。Triches等采用模态分析技术，选择适当的制动闸以减少刹车噪声。Kung等在ABAQUS标准使用新的复杂的特征值分析了前盘式制动器的噪声问题。他们指出，考虑接触条件和其他非线性的堆载预压效果，制订复杂的本征解的基本状态。Giannini和Sestieri使用了复杂的特征值分析和实验研究了模型的稳定性。他们讨论了制动盘和垫的关键作用。 在这项研究中，通过三个转子标本对TEI和机械稳定性进行了研究。制动测功机和高速红外摄像机被用于TEI分析。圆锥角是根据制动盘的形状确定，角度的改变能改变制动盘和垫之间的接触压力分布，是改变压力分布的主要因素。压力分布影响着热稳定性和机械稳定性。首先，热变形和圆锥角的在恒定温度下的变化是计算所考虑的几何转子。焊盘的压力分布按照卡尺增压类型计算，并将结果和TEI进行分析和比较。临界转速的分析结果通过商业软件HOTSPOTTER获得。将从实验和分析方法得到的结果进行比较和分析。要进行复杂的特征值分析，自然频率和模式是由制动盘和垫片的模态试验和有限元分析得出的。通过有限元分析，按照制动盘厚度，衬砌弧长度和增压类型来决定不稳定耦合模式并估计不稳定的机