基于再生制动系统的 轻型制动盘的瞬态热机械行为的分析外文翻译资料

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基于再生制动系统的

轻型制动盘的瞬态热机械行为的分析

S.Sarip，A.J.Day，P.Ollley和H.S.Chi

摘要：再生制动将延长电动汽车或混合动力汽车的工作范围，前提是车辆质量和系统损耗的任何额外能耗不得超过能量回收的储蓄量，并且降低制动器本身的负载水平，包括延长制动转子和摩擦材料的寿命，但更重要的是减少制动质量，最小化制动衬片的磨损。本研究的目的是确定轻型盘式制动器模型的热性能。热性能是在有限元分析模拟中使用3D模型研究的关键因素。最终，从先前的分析中使用适用于任何汽车尺寸的混合动力车辆的轻型制动器的设计方法。包括减小厚度的设计要求将影响温度分布并增加临界区域的应力。基于转子重量，厚度，削弱效应和顶帽与摩擦环之间的偏移之间的关系，已经建立了用于设计具有再生制动的车辆中的轻量制动盘的标准。

关键词：制动器，摩擦，再生，汽车，建模，热，有限元分析，轻量级

1. 介绍

经估计，乘用车中高达70％的动能可以通过摩擦制动器消散，并且另外（高达）30％的能量可以以电力的形式被再生。因此，一旦系统中存在再生制动，则通过摩擦制动从动能到热能的转换的需求将减少，而能量的其余部分可以被转换，即通过电动机/发电机（M / G）转换为电能。对于在单个停止制动事件下具有再生制动的车辆，其中经由前盘式制动器消耗的能量估计为总动能的70％。汽车工业多年来一直将减重作为提高产品竞争力并从而实现商业成功的方式。为了实现重量减轻，由诸如铁和钢的材料制成的部件可以用由诸如聚合物和铝的较轻材料制成的重新设计的部件来替换。经检查，制动系统是一个重量减轻的区域，例如，铝和相关的复合材料例如用于制动转子的“金属基复合材料”（MMC）已经被广泛研究。虽然铝在现代制动器部件中越来越多地被使用，但是现代汽车制动器的摩擦需求和热能需求限制了其对制动盘的使用。摩擦制动器在使用时变热，并且热能通过来自制动器的暴露表面的强制对流，传导和辐射而耗散。过热可能导致制动系统故障，并存在安全隐患。人们已经进行了许多理论工作以准确地计算制动期间的温度升高，用于不同的制动盘速度和设计，因此制动盘（转子）上的热负荷的程度是众所周知的。

盘式制动器由于其更好的散热能力而被广泛用于汽车，这是暴露的摩擦表面的直接结果。鼓式制动器的摩擦表面在内部，并且散热依赖于通过鼓传递的热量，因此汽车制造商仅在“低”性能车辆的后轴上装配鼓式制动器。此外，鼓式制动器提供非常有效的驻车制动。在商用车辆中，鼓式制动器仍然在世界各地广泛使用，坚固耐用，易于维护。但在欧洲，大多数重型货车现在使用盘式制动器。

此外，性能要求不仅仅针对一个隔离制动应用，而是针对一系列高减速制动应用，其形成被称为“褪色”测试的性能评估的一部分。因此，典型客车的前制动器必须设计得足以提供大量的制动扭矩，并且承受大量的热量产生，热传递，高温和热负荷。因此，汽车盘式制动器的尺寸（和重量）取决于所需的性能，特别是制动转矩，能量耗散和功率。可以从较小的制动器产生高制动转矩，但是所涉及的能量和功率可能使制动器过载并导致物理损坏。轻型盘式制动器（尺寸较小，使用较轻的材料设计用于较低的负载）具有再生制动的乘用车的潜力。再生制动是混合动力和纯电动动力系统的一个特征，用于回收制动期间消散的一些能量。电动车辆（EV）和混合动力电动车辆（HEV）具有使用动力传动系的电气部分作为再生制动系统（RBS）来恢复大量制动能量的能力。然而，即使在再生制动的情况下，也需要摩擦制动器来提供必要的高负荷制动性能。在需要紧急停止的情况下。因此，再生制动必须与常规系统一起工作，因为制动功率对于纯电气再生系统而言太高，这主要是由于电能存储装置的能量传输速率有限。然而，再生制动使车辆的摩擦制动脱离工作，从而延长制动盘寿命，使盘式转子重量最小化，使制动衬块磨损最小化，并延长EV或HEV的工作范围。

当电池充满电或电池处于高温时，不能使用EV中的再生制动，因为这可能会损坏电池。在低车速下，再生制动可能产生导致车辆不稳定性的高制动转矩（如果使用无级变速器（CVT）来将M / G保持在其最佳操作速度），这需要仔细控制，以避免制动不良感觉。 混合动力车辆的制动能量回收已经由Ehsani等人使用计算机模拟分析前轮的制动能量与在典型的城市驾驶循环中可用的总制动能量之间的关系。 其结果表明，在城市驾驶中，50-60％的制动能量可以通过再生制动回收。再生制动可以恢复城市公共汽车总动能的45％。

1. 单个停止制动和拖动制动分析

对于这里提出的工作，已经使用测试车辆来研究负载水平和制动性能。立法要求汽车可以至少以6.43 m/s²或0.66g的减速度从初始速度降低到100km/h（M1类车辆的车辆），尽管制造商自己的规格通常远远超过这一点。对于该特定车辆的0型试验，发动机断开，每个前制动器消耗的总动能为231kJ。每个前制动器的轴制动转矩为1154 Nm，提供3845 N的制动力（FB），车辆在4.3 s内从100 km/h至停止，产生107kW的初始制动功率。

模拟车轮转速设定为93rad/s，相当于100km/h的单个停止制动，初始盘温度为20℃。 通过在活塞上以6MPa的均匀压力按压盘上的每个衬垫产生热量，其在盘中产生快速的温度上升，在实际的汽车中，这将近似等于0.60g的减速度。对于拖曳制动，载荷和边界条件被设置为代表在起始盘温度为20℃的阻力制动下等于30km/h车辆速度的28.6rad/s的恒定轮旋转速度。 根据试验车的轮胎滚动周长计算出轮胎滚动半径为1,860mm，轮胎滚动半径为0.29mu;m。基于实验结果，使用的传热系数的值为90W/m2K。

1. 轻型光盘型号

车辆质量是轻型制动盘设计的关键参数，在有效轻型压盘设计的最佳解决方案模型中，有必要在使用单个停止制动和拖动制动的两种条件下完成热应力预测。基于原型盘概念设计了八个实心盘模型，并且这些被用于分析以研究盘重量，几何形状和能量负载（车辆质量和速度）之间的关系。 这些模型中使用的材料是铸铁和不锈钢。每个模型都有一个名称，例如 Ss-A（不锈钢制的A型），Gi-B（铸铁制的B型）等。

1. 分析

建立一个完全耦合的热机械模型，以预测由轴向和径向变形引起的制动盘形状的温度变化。热传导和对流热传递是考虑的两种传热模式。对流传热系数在所有暴露表面为90W/（m²K），并且辐射传热被认为是可忽略的。

1. 结果：测试1——单个停止制动

假设在轮胎/地面界面处没有滑动并且在制动器的摩擦界面处产生热量，计算单个停止制动器中的制动功率。基于1000kg的最小车辆质量分析模型以比较用于单个停止的中等条件下的热应力结果。在盘上的节点处可预测最大表面温度，例如，在有效半径处显示了从模型预测的温度分布。

预测的较低温度（低于200℃）在Gi-C，Gi-G和Ss-H型号上。型号Gi-C和Gi-G由铸铁制成，而型号Ss-H由不锈钢制成。这表明，在低温升高，热应力和盘锥形方面，模型Gi-G是最合适的模型。

与这些温度升高相关的综合应力可能导致盘表面中的材料压缩。除了模型Ss-A外，预测到低于150MPa的较低热应力。较高的热应力值被认为在较低的制动负荷中是可接受的，因此进一步分析所有模型。当通过盘横截面观察时，由于热负载引起的制动盘的变形是显而易见的。

制动盘区域的变形主要归因于盘的热膨胀。根据整个模拟制动计划的热应力分析计算锥形位移的大小。模型Gi-C和Ss-D。3c显示不可接受的热变形。

可分析热变形相对于制动结束时，压盘质量灵敏度的研究结果，用于型号Gi-F。轴向位移（锥形）约为0.3mm。除了具有更大轴向位移达1.22mm的外部通风设计（型号Gi-C和Ss-D）之外，所有型号的总锥形预测在0.17和0.38mm之间。模型Ss-E，Gi-F和Ss-H显示在制动结束时的少量轴向位移。必须减小盘锥形以及减小应力以使盘的破裂和轻型盘的不稳定性最小化。减少压盘锥形的进一步改进是在摩擦环和顶帽之间产生槽深度或底切，并且应当考虑盘环/顶帽过渡区域的适当设计。 之所以产生底切，是因为降低了摩擦盘和顶帽之间的接头的刚度。

从热机械分析获得的最高温度显示铸铁相对于不锈钢在降低表面温度和热诱导应力方面的优越性。为了吸收和传递在摩擦界面处产生的热，铸铁与不锈钢相比具有高的体积热容和良好的热导率。虽然不锈钢具有低的热膨胀系数以使盘锥形最小化，但是其具有比铸铁更高的密度。

提出了两个模型来替代Gi-G模型。这些是Ss-E和Gi-F模型。型号Gi-F由铸铁制成并具有良好的抗压强度，但同时由于材料是脆性的并且在张力下容易出现微裂纹，因此具有低的抗拉强度。模型Ss-E不适用于再生制动，因为其重量，即模型Gi-F，更适合在RBS中使用，因为30％的能量在系统中回收，这将降低热负荷，从而降低温度上升 ，热应力和制动期间的热变形。从单个停止制动的热机械分析中，选择由铸铁制成的盘（其为盘Gi-F）作为配备有再生制动的车辆质量低于1500kg的设计模型。

除了模型Gi-C和Ss-D之外，对于所有模型研究盘偏转。结果显示负值，表明所有模型在轴向向外的方向上变形。模型Ss-H具有8mm的盘厚度并且由不锈钢制成，并且这显示大多数模型的最小量的锥形（0.17mm），但当温度达到50℃时，比模型Ss-E略微锥形。这清楚地表明了底切对摩擦盘和“顶帽”过渡区域的影响。模型Gi-G和Ss-H（没有底切）显示在50-150℃的温度之间的最大量的锥度。减小制动盘的热锥形需要在过渡环/顶帽之间有足够量的底切。 模型Ss-H具有最低的热锥度，然而，该模型没有进一步考虑，因为它太重，质量为3.67kg。

1. 结果：测试2——拖动制动

具有8mm盘厚度的模型Gi-G在热机械分析中显示出良好的分析结果。结果还表明在单个停止制动下的相似性。因此，选择模型Gi-F作为原型轻型盘，因为其质量仅为2.71kg。模型Gi-G不适合用作轻型盘，因为它比模型Gi-F重。虽然模型Gi-G给出了与Ss-H相比次低的圆锥形，但是在50℃下轴向变形的时间更快（图7），其具有最低的圆锥形。这是因为盘Ss-H由具有较高抗拉强度但是较低导热性的不锈钢制成。

1. 底切效果

温度分布预测的结果显示，没有底切的模型Gi-G的8mm厚度由于较低的温度上升而显示非常小的盘锥。因此，为Gi-G盘模型化了三个不同的底切，以分析盘的锥盘和盘的机械应力。

该模拟基于2,000kg的最大车辆质量，以在单个停止制动的最大制动负荷的情况下预测压盘锥形。结果表明，圆盘锥度随着底切深度1.5mm的减小而增加，并且外侧表现出比内侧高的值。发现最佳值为3.0mm的底切深度，其在临界面积处给出低于153MPa的较低应力。该值是可接受的，因为铸铁的拉伸强度是在点P处的区域中Von Mises应力的预测值的两倍。因此，对于具有8mm厚度的轻质盘设计，预测3mm的底切值作为最佳 值控制盘锥。

1. 顶帽和摩擦环之间的偏移

摩擦环或顶帽轴向长度（L）之间的距离影响热变形。经研究，三种类型的帽轴向长度（L）（30,35和45mm）可以评估内侧和外侧外径的变形。并得出了对于顶帽轴向长度的三个值的盘锥形的结果。

Okamura的锥形盘理论预言，帽轴向长度越大，盘锥越小，但是这个理论在数字上没有得到证实。从FEA结果，显示当锥形轴向长度从30增加到35mm时，锥盘从420减小到320mu;m，但是随着帽轴向长度的任何进一步增加，锥盘增加到340lm。因此，认为L的较大值将迫使内部运动并增加帽壁中的弯曲力矩，用于所考虑的最长的帽子长度。35mm的帽长度被认为是最合适的长度，因此被选择用于再生制动的轻型盘的设计。

1. 讨论

最接近原型盘的设计是Model Ss-A和Gi-B。从热应力分析，考虑模型Ss-A和Gi-B的温度预测：两种模型显示两种测试方法的盘有效半径处的高温升高。两个盘的最高温度为274℃和211℃。使用铸铁作为材料，两种测试方法分别在242和183℃显示较低的温度升高值。从原型盘的热机械分析研究，不锈钢的最大（允许）工作温度（MOT）设置为400℃。铸铁的MOT也设置为相同的400℃，以防止盘表面变热。这意味着车辆的最大质量必须设置为低于1,000kg，并且对于4.9mm的盘厚度，最大速度必须限制为最大80km / h。

模型Ss-C和Gi-D的最大盘表面温度和热应力被预测为具有不可接受的值，在靠近由与摩擦材料接触引起的外部通风口的区域处的非常高的温度升高的形式。由于不可接受的轴向热位移，这些设计没有在阻力制动下进行分析。制动盘凸缘基本上保持比摩擦表面更冷，并且摩擦环的径向膨胀受到限制。制动盘中的应力增加，并且制动盘凸缘中发生锥形变形。此外，制动盘表面温度不均匀，使得盘变得不均匀。

10、结论

摩擦环和轮毂之间的连接的设计在轻质制动盘中是重要的。这种连接的重要性已经被认识和理解多年，并且汽车制动盘设计者仔细地注意盘的所谓“顶帽”区域的设计。哪个摩擦面安装在顶帽上，并且“底切”的设计使得锥形能够控制在可接受的限度内。然而，这里提出的类型的轻型制动盘在制动

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