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對(duì)不同的通風(fēng)熱結(jié)構(gòu)行為在制動(dòng)盤上的應(yīng)用的研究
梅蘇特Duzgun
汽車工程系，工學(xué)部，Gazi大學(xué)，06500，安卡拉，土耳其
摘要
一個(gè)制動(dòng)盤有關(guān)的最常見的問(wèn)題是經(jīng)濟(jì)過(guò)熱，影響制動(dòng)性能，尤其是在持續(xù)制動(dòng)工況下的車輛。在制動(dòng)盤通風(fēng)應(yīng)用可顯著提高制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)減少磁盤的加熱性能。在這項(xiàng)研究中，使用三種不同結(jié)構(gòu)的通風(fēng)制動(dòng)盤的熱行為在熱應(yīng)力和熱應(yīng)力的有限元分析連續(xù)制動(dòng)條件研究。結(jié)果進(jìn)行了比較與固體盤。在堅(jiān)實(shí)的制動(dòng)盤減少到最大的通風(fēng)應(yīng)用24%熱發(fā)電。實(shí)研研究表明，有限元溫度分析結(jié)果在1.13%和10.87%之間的范圍。不過(guò)，熱應(yīng)力的形成是較高的通風(fēng)剎車盤與固體片的比較。
關(guān)鍵詞：制動(dòng)盤；發(fā)熱；熱結(jié)構(gòu)的行為；通風(fēng)中的應(yīng)用
1.引言
通風(fēng)式制動(dòng)盤或轉(zhuǎn)子被稱為高性能制動(dòng)器，并通過(guò)凹陷或產(chǎn)生的槽（或兩者）對(duì)不同形狀的盤表面和側(cè)邊緣。通風(fēng)制動(dòng)盤的最初測(cè)試賽車在上世紀(jì)60年代的汽車，他們已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在汽車和火車使用不同的設(shè)計(jì)[ 1,2 ]。在制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱。周圍的90%的能量是由制動(dòng)盤吸收，然后轉(zhuǎn)移到周圍的空氣。固體的制動(dòng)盤熱消散較慢。因此，通風(fēng)式制動(dòng)盤，用于改善通過(guò)促進(jìn)空氣循環(huán)冷卻[ 3，4 ]。他們一般具有對(duì)流換熱系數(shù)約兩倍那些實(shí)心圓盤[ 5 ]相關(guān)的大。有許多研究通風(fēng)應(yīng)用相關(guān)的在制動(dòng)盤。尤伯和Heidenreich [ 6 ]制造三種不同的通風(fēng)式制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)從碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）和比較他們的優(yōu)勢(shì)。antanaitis和rifici [ 7 ]證明90洞交叉鉆孔模式改進(jìn)的散熱能力該盤之間的8.8%和20.1%取決于車輛速度。aleksendric等人。[ 8 ]表現(xiàn)出的能力通風(fēng)式制動(dòng)盤轉(zhuǎn)子散熱的流動(dòng)的有限有限元分析(FEA),文基塔漢姆和maharudrappa[ 9 ]進(jìn)行了六種不同的流動(dòng)和傳熱分析采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的盤配置類型（CFD）和推薦的通風(fēng)制動(dòng)盤高速車輛。公園等。[ 10 ]設(shè)計(jì)了一個(gè)螺旋面內(nèi)用于通風(fēng)制動(dòng)盤葉片。他們優(yōu)化的雷諾茲（Re），普朗特（Pr），和努塞爾數(shù)（Nu）他們?cè)O(shè)計(jì)并取得的44%個(gè)最大的改進(jìn)傳熱。改進(jìn)的制動(dòng)褪色性和更高的在潮濕的條件下的制動(dòng)性能是其他一些有用的通風(fēng)制動(dòng)盤方面。然而，他們也有一些缺點(diǎn)。開裂，就是其中之一，這一現(xiàn)象這已與相關(guān)的應(yīng)力在制動(dòng)[11]?；返热?。[12]顯示的最大Von米塞斯應(yīng)力的實(shí)際疲勞裂紋位于通風(fēng)制動(dòng)發(fā)電由熱應(yīng)力分析鐵路車輛盤。同樣的，巴尼奧利等人。[ 13 ]進(jìn)行有限元分析，以確定溫度分布和估計(jì)的von米塞斯應(yīng)力分布在消防車制動(dòng)產(chǎn)生的。黃吳[ 14 ]研究的溫度和熱應(yīng)力在一個(gè)基于熱機(jī)械耦合通風(fēng)制動(dòng)盤模型。降低制動(dòng)溫度和/或重新設(shè)計(jì)輪轂單元轉(zhuǎn)子有相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論麥金等人。[ 15 ]消除制動(dòng)轉(zhuǎn)子裂紋。熱一代也會(huì)影響制動(dòng)熱機(jī)械不穩(wěn)定性盤[ 16 ]。
以前的文獻(xiàn)主要集中在熱應(yīng)力的形成在這項(xiàng)研究中，有限元法研究了三種不同的熱行為的通風(fēng)剎車設(shè)計(jì)：交叉鉆孔（CD），十字槽（CS），和橫槽側(cè)槽（CS-SG）盤。然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較固體（SL）盤。也進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究為了驗(yàn)證有限元分析結(jié)果。
表1制動(dòng)盤和焊盤的機(jī)械和熱性能。
圖1有限元網(wǎng)格模型。
2.熱結(jié)構(gòu)的有限元分析有限元
三維（3D）的制動(dòng)結(jié)構(gòu)盤，剎車片，和裝配設(shè)計(jì)建模在軟件程序的1/1規(guī)模，然后導(dǎo)入到對(duì)于互動(dòng)的熱結(jié)構(gòu)的另一個(gè)軟件程序分析。制動(dòng)盤和制動(dòng)片為藍(lán)本，采用二次六面體網(wǎng)格類型。
二次六面體網(wǎng)格代被稱為他們的精度和計(jì)算效率[ 17 ]。摩擦具有二次四邊形單元式接觸對(duì)接觸盤墊之間的口定義。圖1顯示盤墊系統(tǒng)的網(wǎng)格模型。
灰鑄鐵，一種常用的椎間盤材料，用于制動(dòng)盤。的機(jī)械和熱性能制動(dòng)盤和墊在表1中給出。
通風(fēng)式制動(dòng)盤是根據(jù)螺旋槳設(shè)計(jì)—形孔和槽的位置的方法。為CD盤，設(shè)置為五和5.2mm直徑的孔在相等的時(shí)間間隔上的長(zhǎng)度為60.54mm的弧。這些孔被復(fù)制在20組在磁盤表面的。因此，共100孔盤表面上鉆孔CD盤。對(duì)于CS盤，20通道（6.9毫米寬和長(zhǎng)67.3毫米）被放置在一個(gè)堅(jiān)實(shí)的盤表面。最后，本CS-SG盤的凹槽設(shè)計(jì)（4mm寬15mm深）在另一個(gè)CS圓盤的邊緣。因此，路徑開放外盤側(cè)邊得到提供更好的空氣流通。
2.1熱分析
環(huán)境溫度為在22盤的表面溫度為100前制動(dòng)的熱分析，并與冷制動(dòng)性能相關(guān)的[8]。目前的研究認(rèn)為，熱耗散從制動(dòng)盤的氣氛是通過(guò)對(duì)流，也被稱為牛頓冷卻定律。對(duì)流管由式（1），其中Q是傳熱速率（W），H對(duì)流換熱系數(shù)，一個(gè)是表面面積的轉(zhuǎn)子（），TS是制動(dòng)表面溫度轉(zhuǎn)子（），和T∞是環(huán)境空氣溫度（）。的對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)用到人體制動(dòng)盤的邊界條件。因此，增加從傳熱的制動(dòng)盤和減少光盤表面在制動(dòng)盤的總表面面積的溫度，的傳熱系數(shù)采用逐漸增加通風(fēng)中的應(yīng)用。
（1）
層流的傳熱系數(shù)固體或非通風(fēng)由被制動(dòng)盤（2）（）[5]，其中d的外徑光盤（mm），再是雷諾茲數(shù)，和是熱空氣的導(dǎo)電率（/）。
(2)
同時(shí)，與傳熱系數(shù)通風(fēng)制動(dòng)盤層流近似方程（3）（層流狀態(tài)，）[ 5 ]，在哪里普朗特?cái)?shù)，的液壓直徑（mm），是的冷卻葉片的長(zhǎng)度（mm）。水力直徑（）被定義為四倍的橫截面的比率流動(dòng)區(qū)域（潤(rùn)濕面積）的孔和槽通風(fēng)制動(dòng)盤的潤(rùn)濕周長(zhǎng)除以所示圖2。
(3)
在這種情況下，雷諾數(shù)與速度有關(guān)的在孔和槽形葉片，目前的空氣流由式（4），其中一個(gè)是空氣的密度（），馬是空氣質(zhì)量流量（），和vaverage是平均速度（）。
(4)
平均速度可以計(jì)算由式（5），NT在哪里每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（，），D是外徑該盤（mm），d盤的內(nèi)直徑（mm），是孔或槽狀的葉片面積（）的出口區(qū)域，和是孔或槽狀的葉片面積（）的入口區(qū)域。
（5）
此外，空氣流量馬是由方程（6）：
（6）
圖2。濕潤(rùn)地區(qū)（水力直徑，DH），長(zhǎng)孔和槽形冷卻葉片，和入口和出口地區(qū)的空氣流通風(fēng)在這項(xiàng)研究中使用的制動(dòng)盤。
圖3。制動(dòng)卡鉗和制動(dòng)盤。
2.1.1實(shí)驗(yàn)研究
實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了檢查，溫度在光盤表面的變化。為了這個(gè)目的，通風(fēng)制動(dòng)盤是從艾爾弗雷德特維斯制造（ATE）固態(tài)盤獲得他們的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。的CD和CS的光盤上的三軸數(shù)控加工立式加工中心。為CS-SG側(cè)槽盤是在數(shù)控車削中心。盤溫度在制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了輸出。本系統(tǒng)由一個(gè)鉗機(jī)制如圖3中看到的，壓電晶體的力測(cè)量系統(tǒng)的踏板和制動(dòng)力的變化，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱，和指標(biāo)制動(dòng)踏板力和溫度。
對(duì)于溫度的測(cè)量，熱電偶的安裝在尺系統(tǒng)的應(yīng)用。電機(jī)的功率為4千瓦。光盤的旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針?lè)较?。ATE501FF的剎車片是用于試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)連續(xù)制動(dòng)條件下進(jìn)行在250 N個(gè)固定踏板力，和八周期制動(dòng)溫度的測(cè)量被執(zhí)行在30，60，90，120，150，180，210和240s。
圖4。結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤模型。
2.2結(jié)構(gòu)分析
盤溫度的熱分析得到的是進(jìn)口的在結(jié)構(gòu)分析模型的邊界條件。在結(jié)構(gòu)分析中，相當(dāng)于250 N 到9689 N踏板力對(duì)制動(dòng)片每頂面在60的轉(zhuǎn)速（或角速度52.56）如圖4。該盤的率被認(rèn)為是常數(shù)和所需的時(shí)間完全停止240s。通過(guò)被踏板力的值（7）[18]，是每個(gè)前缸活塞的力，F(xiàn)是在腳下的踏板力，的橫截面積前活塞隊(duì)，是主缸的橫截面積，是活塞的數(shù)量，2.3是踏板杠桿比，和2.75是伺服單元的影響。
（7）
這個(gè)計(jì)算是根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了用于實(shí)驗(yàn)研究。踏板力杠桿比率與伺服單元效果的測(cè)試設(shè)備的價(jià)值。根據(jù)等效模擬分析（馮—米塞斯）的應(yīng)力分布。
表2。盤溫度的實(shí)驗(yàn)和有限元分析結(jié)果。
圖5。對(duì)不同類型的制動(dòng)盤熱發(fā)電。
3.結(jié)果與討論
3.1熱發(fā)電
實(shí)驗(yàn)和有限元分析結(jié)果在表2中給出的在光盤表面生成熱。盤的表面溫度隨著制動(dòng)時(shí)間為所有的閥瓣結(jié)構(gòu)，增加。然而，所產(chǎn)生的熱量，顯著降低通風(fēng)中的應(yīng)用。之間的摩擦系數(shù)剎車墊和盤表面，減少取決于溫度漲[ 19，20 ]。因此，保持摩擦性能在高溫下墊了自我通風(fēng)可能是在持續(xù)制動(dòng)條件下的盤。圖5顯示了在光盤表面的溫度分布用有限元法在240年代末的最大溫度代發(fā)生在所有的閥瓣結(jié)構(gòu)，中部地區(qū)，與相關(guān)的研究[類似] 12，14。然而，該溫度范圍從盤的中部地區(qū)的內(nèi)部區(qū)域由于在冷卻的附加側(cè)CS-SG盤配置。最大熱發(fā)電固態(tài)盤表面約4%的CD盤的設(shè)計(jì)減少了。另一方面，而最大熱發(fā)電固態(tài)盤表面是在CS設(shè)計(jì)減少19%，它大約是在CS-SG設(shè)計(jì)減少24%。因此，它是有益的探討這些設(shè)計(jì)的熱應(yīng)力行為。
3.2熱應(yīng)力
圖6顯示了熱應(yīng)力的分布在光盤表面采用有限元分析。通風(fēng)應(yīng)用的增加的熱應(yīng)力在制動(dòng)盤。熱應(yīng)力的最大值位于對(duì)固態(tài)盤的內(nèi)、外表面邊角。在CD盤配置的情況下，最大應(yīng)力位于該孔內(nèi)表面的。對(duì)于CS和CS-SG盤配置，最大應(yīng)力的形成主要局限在槽內(nèi)和表面接近該盤的外點(diǎn)。因此，特定的地區(qū)，在那里最大應(yīng)力出現(xiàn)，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防潛在的裂紋和疲勞問(wèn)題。一個(gè)可能的解決方案不同的是散熱表面的設(shè)計(jì)通風(fēng)式制動(dòng)盤。因此，更均勻的熱從轉(zhuǎn)子對(duì)流可供盤表面。
圖6。熱結(jié)構(gòu)行為的不同種類的通風(fēng)固體的制動(dòng)盤。
圖7。熱應(yīng)力的變化，根據(jù)盤的表面區(qū)域。
這是證明了CS-SG設(shè)計(jì)在最大減少對(duì)通風(fēng)制動(dòng)盤應(yīng)力的產(chǎn)生。在這項(xiàng)研究中，附加的熱應(yīng)力耗散對(duì)盤表面進(jìn)行了研究。圖7顯示了耗散特征。散熱孔和槽之間的表面弧的CD，確定檢查CS和CS-SG盤應(yīng)力分布密集的地方發(fā)生摩擦墊與盤。通風(fēng)制動(dòng)盤的最大應(yīng)力的位置圖6中看到的。熱應(yīng)力減小的光盤和墊表面向中心點(diǎn)間該盤的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的區(qū)域的表面的SL配置。然而，表面上的CD盤的應(yīng)力分布更均勻的固態(tài)盤的比較。為CS盤配置，而應(yīng)力降低摩擦表面，他們逐漸增加朝向內(nèi)和光盤的外表面，與CS-SG相似盤配置。這些結(jié)果將導(dǎo)致一個(gè)穩(wěn)定的磨損率在墊和SL和CD光盤的盤片表面。在另一方面，磨損率將與CS和不穩(wěn)定CS-SG盤。
4。結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，三個(gè)不同的通風(fēng)盤模型和他們的熱結(jié)構(gòu)行為研究。實(shí)驗(yàn)研究了熱分析結(jié)果在光盤表面。得出以下結(jié)論：
降低了堅(jiān)實(shí)的制動(dòng)盤表面產(chǎn)生的熱量通過(guò)通風(fēng)應(yīng)用到最大24%。實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證有限元溫度場(chǎng)分析在1.13%和10.87%之間的范圍內(nèi)的結(jié)果。這一結(jié)果將保持積極影響制動(dòng)性能墊和盤表面之間的摩擦系數(shù)，和穩(wěn)定的磨損率的墊表面，特別是連續(xù)制動(dòng)條件下。
熱應(yīng)力的形成與通風(fēng)剎車更高光盤（CD，CS和CS-SG盤）在那些比較固態(tài)盤。然而，最大應(yīng)力的形成減少到11%和19%在另一個(gè)CS-SG盤配置比較其他通風(fēng)盤設(shè)計(jì)。因此，CS-SG光盤可以更有效地減少熱量的產(chǎn)生和熱在通風(fēng)制動(dòng)盤應(yīng)力。
在這項(xiàng)研究中，以增加從制動(dòng)的熱傳遞光盤和減少總盤的表面溫度制動(dòng)盤的表面面積，傳熱系數(shù)采用通風(fēng)的應(yīng)用逐漸增加。
符號(hào)意義：
：轉(zhuǎn)子表面的面積
：交叉前活塞截面積
：入口區(qū)的孔或槽形葉片
：主缸的橫截面積
：出口面積的孔或槽形葉片
：盤的外徑
：盤的內(nèi)直徑
：水力直徑
：腳踏板力
：每個(gè)前缸活塞力
：對(duì)流換熱系數(shù)
：傳熱系數(shù)
：空氣的導(dǎo)熱系數(shù)
：冷卻葉片的長(zhǎng)度
：空氣質(zhì)量流量
：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)
：活塞數(shù)
：普朗特?cái)?shù)
：傳熱率
：雷諾茲數(shù)
：周圍空氣溫度
：表面溫度
：平均速度
：空氣密度
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