盘式制动器的热结构耦合分析及振动模态研究

摘要

制动系统是汽车上极为重要的组成部分，它直接关系到驾驶员及乘客的安全。由于盘式制动器的制动效能稳定，结构简便且散热比较快，目前已经广泛的应用在汽车上，其制动过程中所表现出的热结构耦合效应对制动器的噪声、振动以及热疲劳等都会产生影响，从而影响制动器的制动效能，因此对盘式制动器进行热结构耦合的分析显得十分重要。
　　 本文对某轿车盘式制动器进行了在紧急制动工况下的热结构耦合的仿真分析，并通过Manson-Coffin公式预测了制动器在此制动工况下的热疲劳寿命，最后对制动器的模态进行了研究。主要的研究工作为如下:
　　 (1)通过某轿车盘式制动器的CAD图纸，建立其简化的三维模型，在热结构耦合的理论基础之上，计算了盘式制动器的热边界条件和机械边界条件，为后续的分析提供依据。
　　 (2)应用ABAQUS软件建立其有限元模型，模拟其在紧急制动工况下的热结构耦合的过程，得到了制动器的温度场、应力场及接触压力场的分布情况。通过仿真的结果表明，盘式制动器在紧急制动工况下，其制动盘的温度场和应力场都呈现非轴对称的分布，且高温区与高应力区都位于摩擦接触区域内，随着制动过程的进行，制动盘的温度场和应力场会慢慢趋近于轴对称的分布。对于摩擦片，其最大接触压力处在中间部分且为摩擦区域的入口处，而高温则主要分布在中间部分靠近摩擦区域的出口处。
　　 (3)在热结构耦合仿真的基础上，确定制动盘最易出现裂纹的部位，利用Manson-Coffin公式对制动器在紧急制动工况下的热疲劳寿命进行了预测。
　　 (4)研究了盘式制动器的振动模态，通过提取制动盘及摩擦片的前十阶模态并进行了分析发现其模态频率有重叠，而这可能引发共振，导致摩擦副间的接触不良从而影响制动器的制动效能。因此对制动盘进行了结构的改进，在其边缘部位增加凸台结构，结果表明制动盘与摩擦片的各阶模态频率均相差较大，达到了避免共振的目的。
　　 本文分析计算的结果为制动器的设计改进及材料的选择等提供了理论的参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 热结构耦合的研究现状

1．2．2 热疲劳失效的研究现状

1．2．3 振动噪声的研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 热结构耦合分析的理论基础

2．1 摩擦生热理论

2．2 接触理论

2．3 热传导理论

2．3．1 三维瞬态热传导方程的建立

2．3．2 热边界条件

2．4 热结构耦合求解方法

2．4．1 热结构耦合的有限元分析

2．4．2 瞬态热分析有限元方法

2．5 本章小结

第三章 有限元模型的建立

3．1 三维模型的建立

3．2 材料的物理参数

3．3 有限元模型

3．4 边界条件的确定

3．4．1 制动工况的确定

3．4．2 对流换热系数的确定

3．4．3 热流分配系数及接触面问的热传导系数

3．4．4 边界条件的施加

3．5 本章小结

第四章 盘式制动器的热结构耦合的仿真分析

4．1 制动盘的温度场分析

4．1．1 制动盘表面的温度场分析

4．1．2 制动盘表面径向温度的分布

4．1．3 制动盘表面周向温度的分布

4．1．4 制动盘轴向温度的分布

4．2 制动盘的应力场分析

4．2．1 制动盘表面等效应力场的分布

4．2．2 制动盘轴向应力场分布

4．2．3 制动盘的三向应力场分布

4．3 摩擦片接触压力场的分析

4．4 本章小结

第五章 制动盘疲劳寿命的预测

5．1 制动盘热损伤及其破坏的主要形式

5．2 热疲劳寿命的预测模型

5．3 制动盘疲劳损伤部位的确定

5．4 制动盘使用寿命的预测

5．5 本章小结

第六章 制动盘与摩擦片的模态分析

6．1 模态分析的基本理论

6．2．盘式制动器模态分析的假设

6．3 制动盘的模态分析

6．3．1 制动盘有限元模型的建立

6．3．2 制动盘的模态分析结果

6．4 摩擦片的模态分析

6．4．1 摩擦片有限元模型的建立

6．4．2 制动盘的模态分析结果

6．5 制动盘结构改进后的模态分析

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文