1.6L乘用车制动器设计及仿真分析（技术报告） - 图文(6)

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图4-4 制动器总装三维图

图4-5 制动器总装二维图

1-螺纹孔 2-制动盘总成 3-制动钳支架 4-制动钳 5-防尘罩 6-活塞缸 7-制动钳活塞 8（9）-制动块总成

4.3摩擦材料

制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数，抗热衰退性能好，不能在温度升到某一数值后摩擦系数突然急剧下降；材料的耐磨性好，吸水率低，有较高的耐挤压和耐冲击性能；制动时不产生噪声和不良气味，应尽量采用少污染和对人体无害的摩擦材料。

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目前在制动器中广泛采用着模压材料，它是以石棉纤维为主并与树脂粘结剂、调整摩擦性能的填充剂(由无机粉粒及橡胶、聚合树脂等配成)与噪声消除剂(主要成分为石墨)等混合后，在高温下模压成型的。模压材料的挠性较差，故应按衬片或衬块规格模压，其优点是可以选用各种不同的聚合树脂配料，使衬片或衬块具有不同的摩擦性能和其他性能。

另一种是编织材料，它是先用长纤维石棉与铜丝或锌丝的合丝编织成布，再浸以树脂粘合剂经干燥后辊压制成。其挠性好，剪切后可以直接铆到任何半径的制动蹄或制动带上。在100℃～120℃温度下，它具有较高的摩擦系数(f=0.4以上)，冲击强度比模压材料高4～5倍。但耐热性差，在200℃～250℃以上即不能承受较高的单位压力，磨损加快。因此这种材料仅适用于中型以下汽车的鼓式制动器，尤其是带式中央制动器。

粉末冶金摩擦材料是以铜粉或铁粉为主要成分(占质量的60％～80％)，加上石墨、陶瓷粉等非金属粉末作为摩擦系数调整剂，用粉末冶金方法制成。其抗热衰退和抗水衰退性能好，但造价高，适用于高性能轿车和行驶条件恶劣的货车等制动器负荷重的汽车。

各种摩擦材料摩擦系数的稳定值约为0.3～0.5，少数可达0.7。设计计算制动器时一般取0.3～0.35。选用摩擦材料时应注意，一般说来，摩擦系数愈高的材料其耐磨性愈差。

4.4制动器间隙

制动鼓(制动盘)与摩擦衬片(摩擦衬块)之间在未制动的状态下应有工作作间隙，以保证制动鼓(制动盘)能自由转动。一般，鼓式制动器的设定间隙为0.2～0.5mm；盘式制动器的为0.1～0.3mm。此间隙的存在会导致踏板或手柄的行程损失，因而间隙量应尽量小。考虑到在制动过程中摩擦副可能产生机械变形和热变形，因此制动器在冷却状态下应有的间隙应通过试验来确定。另外，制动器在工作过程中会因为摩擦衬片(衬块)的磨损而加大，因此制动器必须设有间隙调整机构。

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第5章 基于ANSYS的制动盘热固耦合分析

5.1ANSYS软件简介

ANSYS是美国ANSYS公司设计开发的大型通用有限元计算软件，是一个融结构、热、流体、电、磁。声学于一体的大型通用有限元软件。作为目前最流行的有限元软件之一，它具备功能强大、兼容性好、使用方便、计算速度快等优点，成为了工程师们开发设计的首选，并广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域。其特点如下：

1）能实现多场及多场耦合分析

2）能实现统一前处理、求解、后处理及多场分析数据库的大型FEA软件 3）具有多物理场优化功能的FEA软件 4）较为强大的非线性分析功能

5）多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置

6）支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容

7）强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行 8）多种自动网格划分技术 9）良好的用户开发环境

5.2制动盘有限元模型的建立

本课题设计的制动盘为双摩擦面带中间散热筋板的通风式制动盘。在有限元计算分析时为提高计算效率，在计算过程中对模型做了必要的简化处理，最后选为单摩擦面施加对称约束并进行有限元计算。制动盘和制动片单元类型选用实体单元SOLID5。该问题属于摩擦生热为题，选择CONTA173接触单元和TARGE170目标单元生成接触对。模型材料特性参数见表5-1。制动盘的几何三维模型见图5-1。对其进行网格划分，划分网格后的有限元模型见图5-2所示。

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表5-1 制动器模型材料的特性参数

特性参数

热导率?/(W?m?1制动盘

?K?1制动片 1.212 2595 1465 30x10-4

1.5 0.25

)

48.46 7228 419 11x10-6

175 0.3

密度?/(kg?m3) 比热容c/(J?kg?1?K?1) 热膨胀系数a/K?1 弹性模量E/GPa 泊松比?

图5-1 制动盘的几何三维模型图 图5-2 划分网格后的有限元模型图

5.3施加边界约束及制动盘温度场的计算分析

热分析模型边界条件的确定是温度场分析的关键所在，本文采用理论推导与实际分析相结合的方法，制动盘施加轴向转动，制动片施加轴向的移动。制动前，制动盘温度等于环境温度，计算制动盘所在的工作环境温度确定，这里取工作环境平均温度为25℃。制动初速度为100Km/h，施加到制动片上的力为890N，依次进行温度场-应力场计算分析。图5-3分别给出了制动过程中10s、16.4s（最高温度时刻）、30s（制动结束时刻）及60s（停车后30s）时制动盘温度场的分布云图，图5-4为制动盘表面最高温度随时间变化曲线。

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a) 升温过程中，t＝10s b) 最高温度时刻，t=16.4s

c) 制动结束时刻，t＝30s d) 制动结束后30s，t＝60s

图5-3 制动开始后几个典型时刻制动盘温度场分布云图

图5-4 摩擦面最高温度随时间变化曲线

分析可知，制动开始后，制动盘摩擦面温度急剧上升，在制动开始10s时，盘面温度已达到128℃，且温度集中分布在盘体摩擦面一侧，散热筋板根部的最高温度约为43℃。这是因为，在这一时间段内，由于热量尚未传到散热筋上，制动盘的热量输入远

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