第３９卷第７期 林业机械与木工设备 ＦＯＲＥＳＴＲＹ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ＆ＷＯＯＤＷＯＲＫＩＮＧ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｖｏ１ ３９ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０ １ １ ２０１１年７月 糍掏 汽车鼓式制动器制动鼓的热一结构耦合分析 李涵武，杜宏磊，赵雨肠 （黑龙江工程学院汽车与交通工程学院，黑龙江哈尔滨１５００５０） 摘要：采用有限元分析法对汽车鼓式制动器制动鼓进行了热一结构耦合分析，建立了制动鼓的有限元模型并 应用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对模型分别进行稳态热分析和结构静力学分析。通过热分析得出在单一温度下制动 鼓的温度分布情况，通过结构分析得出制动鼓应力应变的分布规律。在热分析的基础上，对制动鼓进行热一结构耦 合分析，并将其与结构分析结果进行比较。这些研究将为制动器的设计与制造提供一定的理论依据。 关键词：制动鼓；有限元；热分析；结构分析；耦合分析 中图分类号：Ｕ４６３．５１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４４６２（２０１１）０７—００２４—０４ Ｔｈｅｒｍａｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｒａｋｅ Ｄｒｕｍ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｄｒｕｍ Ｔｙｐｅ Ｂｒａｋｅｓ ＬＩ Ｈａｎ－ｗｕ，ＤＵ Ｈｏｎｇ－ｌｅｉ，ＺＨＡＯ Ｙｕ—ｙａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ａｎｄ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ １５００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｔｈｅｒｍａｌ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｄｒｕｍ ｔｙｐｅ ｂｒａｋｅｓ ａｎｄ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ｗｉｔｈ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍａｄｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍ ａｔ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ。ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ—ｓｔｕｃｔｕｒｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎａｌｒｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍ ｉＳ ｍａｄｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｂｒａｋｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｒｙｓｉｓ；ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ 汽车制动器是汽车制动系统的主要工作装置， 量的８８％～９２％，大部分的制动能量被制动器吸收。 其强度、刚度及动态特性都将直接影响制动系统的 工作特性及使用寿命，影响整车的安全性、舒适性以 及操纵稳定性等基本性能。由于制动鼓的＿［作条件 理论研究指出制动器吸收的能量，对于有机摩擦材 料的衬片而言，在制动期间产生的热量约有９５％被 制动鼓吸收，剩余的５％热量由摩擦衬片吸收。这必 将导致制动器温度升高，而制动器温度过高又将引 起热应力增加，使制动力矩减小，制动效能迅速下 十分恶劣，要受到制动蹄摩擦衬片强大的压力以及 摩擦力的综合作用。在制动过程中，车辆的势能和动 能通过使摩擦副变形将其转变成热能，只要摩擦副 产生相对运动就会有发热现象产生。正在减速的汽 降，甚至会使制动鼓产生热变形，这些都将直接影 响制动器的性能和寿命。因此，对制动器进行热一结 构耦合分析是十分必要的。 车，当车轮还未完全抱死、轮胎接近其最大制动能力 时，轮胎将具有８％～１２％的滑移率，这是通过大量的 试验得出的结论。这说明制动能量由两部分吸收，地 在热一结构耦合分析中，由于有限元法能够解决结 构形状和边界条件都非常任意的力学问题而被广泛应 用，各种汽车结构件都可以用有限元法进行热一结构耦 面与轮胎吸收能量的８％～１２％，制动器则要吸收能 收稿日期：２０１１－０４—０７ 合分析，并将分析的结果返回到设计过程中，修改其中 第７期 李涵武，等：汽车鼓式制动器制动鼓的热一结构耦合分析 ２５ 不合理的参数，经过反复优化，使得产品在设计阶段即 可保证满足使用要求，从而缩短设计试验周期，节省大 量的试验和生产费用，这是提高汽车设计可靠性、经济 性和适用性的有效方法之一。因此，为保证汽车制动器 设计的精确性以及缩短设计周期，基于有限元分析，研 究制动器的热一结构耦合，对提高汽车制动器的设计精 度与质量具有极其重要的意义。 本研究应用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对某一汽车 鼓式制动器的制动鼓分别进行热分析、结构分析和热一 结构耦合分析。通过对分析结果的比较，说明温度载荷 对制动鼓的强度和刚度均有很大影响；同时，在机械载 荷和热载荷共同作用下，制动鼓的最大应力比在单一 机械载荷作用下大很多，说明对这种受机械载荷和热 载荷共同作用的机械结构进行热一结构耦合分析是十 分必要的。 １热一结构耦合分析概述 热一结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、 应变和位移等物理量的影响，热一结构耦合问题是结构 分析中较常见的一类耦合分析问题。由于结构温度场的 分布不均会引起结构的热应力，或者是结构件在高温环 境中工作，材料受到温度的影响会发生性能的改变，这 些都是进行结构分析时需要考虑的因素。为此需要先进 行相应的热分析，然后再进行结构分析。 对于热一结构耦合分析，在ＡＮＳＹＳ中通常采用顺 序耦合分析方法，即先进行热分析求得结构的温度场， 然后再进行结构分析，并将前面得到的温度场作为体 载荷加到结构中，求解结构的应力分布。进行顺序耦合 场分析可以采用间接法和物理环境法，在热一结构耦合 分析中通常采用的是间接法顺序耦合分析。间接法使 用不同的数据库和结果文件，每个数据库包含合适的 实体模型、单元、载荷等。可以把一个结果文件读入到 另一个数据库中，但单元和节点数量编号在数据库和 结果文件中必须是相同的。 ２鼓式制动器的结构及参数 本文所研究的是简单非平衡式鼓式制动器，其主 要由制动鼓、制动蹄和摩擦衬片三部分组成，如图１所 示，相应的材料属性见表１。综合制动过程的三个阶段， 制动过程相当于两蹄在轮缸液压力作用下，各自绕其 支承偏心轴颈的轴线向外旋转，使摩擦衬片紧压到旋 转的制动鼓上。如果把制动鼓、制动蹄和摩擦衬片看作 是一个整体，制动器所受外载为轮缸的促动力Ｆ。处理 边界条件时可以把制动蹄绕支承的转动用铰接的方式 来表示。制动器主要设计参数见表２。 图１制动器结构简图 １摩擦衬片；２．制动鼓；３．从蹄；４．领蹄 表１材料参数 表２制动器主要设计参数 车轮半径／ｍ Ｏ．２２ 摩擦衬片的摩擦系数 Ｏ．３６ 摩擦衬片包角，。 ｌＯ５ 摩擦衬片宽度，ｍ ｏ．０４ 制动鼓内径／ｍ ０．２２ 制动液压管路压强／ＭＰａ １０ 液压分泵缸径，ｍ ０．０２０６ 衬片起始角／。 ３７．５ 推力至支点距离／ｍ ０．１６６ 支点至中心距离，ｍ ０．０８０ 推力至中心距离，ｍ ０．０８６ ３制动鼓热分析 ３．１鼓式制动器生热与散热过程 鼓式制动器工作时热量产生于制动蹄摩擦片与制 动鼓内表面的摩擦，这些热量一部分通过各种途径散发 出去，剩余部分则在制动鼓和制动蹄内部积累，使其热 量增加，从而使制动鼓温度升高。热传导、热辐射和热对 流这三种传热方式在制动器的散热过程中同时存在。 理论分析和试验表明，制动鼓与制动蹄摩擦片 （计算时可忽 略）；辐射散热量约占制动鼓散热量的５％ １０％；对 流散热是鼓式制动器最主要的散热方式，占总散热 ３．２制动鼓模型建立 有限元模型的建立包括两部分，即几何模型的建立 和几何模型的单元划分。本文所研究鼓式制动器的几何 之间的传导散热量所占的比例很小量的８Ｏ％以Ｅ。２６ 林业机械与木工设备 第３９卷 建模都是根据实际结构和实际尺寸进行构造的，根据载 荷的特点和边界条件，适当地忽略了一些小的圆角、圆 孑Ｌ、凸台和凹槽等结构，这样可以有效满足计算精度和 便于有限元建模。在对几何模型进行单元划分时应根据 热分析、结构分析和耦合分析的需要，选择热分析单元 和结构分析单元分别进行网格划分。在热分析中采用 ＳＯＩＬＤ９０号单元，在结构分析中采用ＳＯＩＬＤ９５号单元。 这两种单元均为二次单元，而且在热分析与结构分析中 其可以满足顺序耦合的要求相互转换。 应用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立的制动鼓有限 元模型如图２所示。 图２制动鼓有限元模型 ３．３ 热分析边界条件的处理与载荷施加 铸铁制动鼓与空气的对流换热系数取５０Ｗ／ｍ２Ｋ， 辐射率取０．８，热传导系数约为５０Ｗ／ｍＫ。若初始速度为 ２０ｍ／ｓ（相当于７０ｋｍ／ｈ），初始温度为２０℃，以最大强度 紧急制动，分析制动鼓与制动衬片表面在１００℃的温度 载荷下的温度分布，对流载荷加载到制动鼓与空气接 触的外表面上。 ３．４热分析计算结果 通过用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对制动鼓进行热 分析，得到制动鼓的热稳态节点温度分布图和梯度图， 如图３和图４所示。通过制动鼓的节点温度分布可看 图３热稳态节点温度分布图 图４热稳态节点温度梯度图 出最高温度在施加温度载荷的内壁上，最低温度在端 圆孑Ｌ附近。 ４制动鼓的结构分析 ４．１鼓式制动器的受力分析 鼓式制动器的理论分析是基于制动鼓和制动蹄片 之间的接触正压力成余弦分布的理论。这一理论的立 足点是制动鼓和制动蹄片具有相同的曲率分布，且在 接触面的任意一点的摩擦系数均保持一致。通过对接 触点摩擦力对旋转中心求矩来获得制动力矩。制动领 蹄产生的摩擦力与制动鼓旋转方向相反。制动缸的促 动力压强成水平方向，并与蹄片所受到的正压力、摩擦 力及支撑轴反力相互平衡，如图５所示。 图５张开力计算简图 根据表２制动器主要设计参数以及制动器设计计 算公式可得：制动蹄上的张开力Ｆ＝３３３１．２２６Ｎ；张开力 压强Ｐ＝１６６．５６ＭＰａ；领蹄表面的最大压力Ｐ一＝２．３９ｘ １０６Ｎ。 ＡＮＳＹＳ软件中旋转惯性力载荷可以通过施加旋转 角速度得到。假设制动时速度为ｖ＝９０／ｋｍ／ｈ，即ｖ＝２５ｍ／ Ｓ，车轮半径Ｒ＝０．２２ｍ，则车轮的转动角速度为： 第７期 ｃｃＪ＝ １ １３・６４ｒａｄ／ｓ 李涵武，等：汽车鼓式制动器制动鼓的热一结构耦合分析 ５制动鼓的热一结构耦合分析 ５．１耦合分析边界条件与载荷的施加 ２７ ４．２结构分析边界条件与栽荷的施加 有限元模型如图２所示。由于制动鼓的受力情况 比较复杂，本文在建立分析模型时作了相应的假设，即 采用间接法顺序耦合方式进行耦合分析，在结构 分析中读入热分析结果文件，将热分析所得的节点温 度作为体载荷，同时施加其他机械载荷，约束的施加与 结构分析时相同。 摩擦片和制动鼓之间在包角范围内完全接触，制动过 程中摩擦片的摩擦系数不随温度和压力变化而变化， 摩擦衬片只发生径向变形且符合虎克定理；假设汽车 在最高时速时开始制动，直至车速为零；假设制动液压 缸的压力保持不变，蹄鼓间的最大压力Ｐ一均匀地作用 在制动鼓的内表面。 将制动鼓与摩擦衬片间最大压力Ｐ一均匀施加在 制动鼓的内表面上。在旋转轴ｚ轴上施加角速度载荷 ｃｏ，在与其他零件相接的四个螺纹孔环面上施加全约束。 ４．３结构分析计算结果 通过用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对制动鼓进行静 态分析，得到制动鼓的第一主应力云图和径向位移云 图，如图６和图７所示。从图示可见，制动鼓的应力场 呈对称分布，在制动鼓上，应力较高的区域为制动蹄上 部接近促动力作用的区域，最大应力为３９ＭＰａ；鼓的变 形也呈对称分布，最大位移为０．０４３９ｍｍ。由分析可知 该制动鼓满足其强度和刚度要求。 图６制动鼓第一主应力云图 图７制动鼓位移云图 ５－２耦合分析结果 通过用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对制动鼓进行热一 结构耦合分析，仍利用第一主应力反映制动鼓在力学 载荷和温度载荷共同作用下的应力变化，绘出制动鼓 应力云图和径向位移图如图８和图９所示。 图８热一结构耦合分析应力云图 图９热一结构耦合分析径向位移图 耦合分析与结构分析的结果对比见表３，由表３可 知，耦合分析所得的径向位移比结构分析中的大３．５５ 倍，说明温度对制动鼓的变形影响很大；与结构分析相 比，耦合分析所得的应力值也比结构分析中的大７．１ 倍，说明温度对制动鼓的强度也有很大影响；在机械载 表３结构分析与耦合分析结果对比 （下转第３０页） ３０ 林业机械与木工设备 第３９卷 从而降低轮齿的承载能力，一旦有冲击载荷产生就容 易造成断裂，并且因为磨损一般是均匀的，即每个齿的 磨损程度相同，所以一个齿发生断裂后其他齿受到冲击 载荷作用也容易发生断裂。另一种原因是由疲劳裂纹 式辅助制动，比如当单轨车在带有坡度的轨道上出现这 种故障时要同时采用这两种制动方式制动，即使是在带 有坡度的轨道运行时这两种制动方式也能够保证单轨 车制动时不会发生下滑，因此只要制动及时就可以保证 引起的，即由于齿轮制造中的缺陷，当工作一段时间后 有缺陷的部位就会出现微小裂纹，当受到交变载荷作 用时微小裂纹逐渐增大从而造成轮齿断裂，这种故障出 这种形式故障发生时的制动安全性。经过分析可知这两 种故障一旦发生，单轨车都会产生较大的振动冲击或发 动机熄火，因此可以设置相应的测控传感器，一旦发现 较大的冲击或出现发动机熄火就及时启动相应的制动 装置，从而保证单轨车运行的安全性。 现多齿断裂的概率会小一些，但这种故障破坏性较强。 从制动的角度看，传动系统发生故障后只影响上 下坡的调速制动功能，而其他的制动形式不会受到故 障的影响，因此对整个单轨车运行的安全性没有太大 的影响。 经对传动系统的故障分析可知，此种故障主要是 对单轨车驱动装置和传动装置有较大影响，此外对爬 坡和下坡时的调速制动方式有一定影响，即如果发生 传动系统齿轮轮齿的断裂故障则调速制动装置就会失 ３运行过程中发现故障后的制动安全性和对策研究 通过各种常见的故障形式对单轨车运行和制动的 安全性影响分析可知，某些故障出现后将严重影响到制 动的安全性，而某些故障则对制动的安全性没有显著影 响，因此有必要研究各种形式故障出现后单轨车的制动 效。当发生传动系统的磨损故障时对整个单轨车系统 的运行和安全性没有直接的影响，从理论上讲单轨车 仍然可以在短期内进行工作，但发现故障后要及时检 修以避免更严重的故障发生。只要定时检测齿轮传动 系统，此类故障基本上就可以避免，即使齿轮传动系统 的轮齿偶然断裂也可以通过紧急制动或者停靠制动使 单轨车安全地停止运行。 参考文献： ［１］刘滨凡，王立海．单轨车的发展及在我国林业中的应用［Ｊ］．森林 工程，２００８（１）：２５—２７． 『２１沈熙莱．单轨车交通运输『＿Ｉ］．交通与运输．２００６（４）． 安全性和制动对策，以保证单轨车在各种形式故障出现 后能够采取合适的制动措施以保证单轨车的安全运行。 通过对上述故障形式进行分析可知，当单轨车下啮 合轮齿出现故障后如果能及时采取制动措施对单轨车 制动安全性没有影响，即此时可以通过紧急制动使单轨 车停下来，为了增强制动的安全性可以采用停靠制动方 ・◆－ ‘◆。◆－－－。 。◆。◆－－．ｏ．－－◆一◆一◆－◆－◆－◆－◆－◆－◆－◆－４，－－◆－◆－◆．－．ｉｔ．－－ （上接第２７页） 荷和热载荷共同作用下， 所研究的制动鼓仍满足强度 和刚度要求。 ６结束语 ［２］黄健萌，高诚辉，唐旭晟，等．盘式制动器热一结构耦合的数值建 模与分析［Ｊ］．机械工程学报，２００８，４４（２）：１４５—１５０． ［３］马［４］赖迅，秦剑．基于有限元法的制动鼓的耦合分析［ＪＪ．机械设 计与研究，２００５（２）：６８—７１． 锋．重型汽车制动系统结构分析及其设计方法研究［Ｄ］．武 汉理工大学硕士学位论文，２００６． 本文根据鼓式制动器结构与机械性能的要求，以及 制动器在工作过程中既受机械载荷又受热载荷作用的 工作环境，在有限元法的基础上，首先对制动鼓分别进 ［５］赵［６］米波，范平清．鼓式制动蹄的强度刚度分析［Ｊ］．上海工程技术 洁，吴欲龙．汽车鼓式制动器多目标优化设计［Ｊ］．机械设计 大学学报，２００７，２１（４）：３４２—３４４． 与制造，２００７（１）：２５—２６． 行了稳态热分析和结构分析，得出制动鼓的温度场分布 和应力应变分布规律；然后对温度载荷和机械载荷共同 作用下的制动鼓进行了热一结构耦合分析，得出了该情 况下制动鼓的温度分布、变形及热应力的变化。结果表 ［７］张朝晖．ＡＮＳＹＳ１１．０结构分析工程应用实例解析［Ｍ］．北京：机械 工业出片社，２００７：３９—４５． ［８］周明刚．鼓式制动器低频振动理论与特性研究［Ｄ］．华中科技大 学博士学位论文，２００６． 明，热一结构耦合分析所得制动鼓的最大径向位移和最 大主应力比单独在机械载荷作用下结构分析中的均大 很多，说明温度对制动鼓的强度和刚度均有很大影响， 在制动鼓的结构分析时，应考虑温度的影响。这些研究 ［９］郝金伟，闰奕任，蒋懋．基于ＡＮＳＹＳ的结构优化设计有限元分 析［Ｊ］．山西建筑，２ｏｏ５（３）：３１—３２． ［１０］张健，雷雨成，卫修敬．领从蹄式鼓式制动器制动力矩计算方 法研究［Ｊ］．长沙交通学院学报，２００１（９）：３１－３５． 将为制动器的设计与制造提供一定的理论依据。 参考文献： ［１］袁春静，吴永根，葛振亮．制动鼓瞬态温度场有限元分析［Ｊ］．科学 技术与工程，２００６．６（８）：１１５４—１１５６． 主要作者简介：李涵武，男，黑龙江工程学院汽车与交通 工程学院副教授，硕士；赵雨吻，女，黑龙江工程学院汽车与交 通工程学院副教授，硕士。
