基于ANSYS的盘式制动器有限元分析外文翻译资料

基于ANSYS的盘式制动器有限元分析

摘要：制动器必须具有足够高的强度，以便使汽车在紧急情况下能以最小距离进行制动。在紧急制动期间，驾驶员必须对汽车进行适当控制使其不打滑。制动器必须具有良好的前期特性，它的有效性不能随其工作时间延长而衰减，这就要求制动器的冷却系统应具有高效特性。在分析方面，是在双循环制动条件下找到用于盘式制动器的钢材并进行相应结构分析。

这篇文章旨在对在短暂且紧急的情况下制动的实心盘式制动器进行制动分析。我们将降低功率节点在位移发生处的摩擦系数值和不同压力条件下的形变。根据分析软件的技术数值我们可以确定适用于盘式制动器并使其使用寿命延长的最佳材料。

对盘式制动器的转子的瞬态结构分析是旨在调查如何通过改进钢材来提升制动效率和稳定性。此分析可以在ANSYS的workbench模块中完成，这是专门用来分析应力变化及轮廓形变的有限元仿真环境。

在目前的工作中，已经尝试研究比铸铁轻并具有良好的屈服强度及密度的混合材料。因此，通过识别真正的设计特点，可延长使用寿命、增强稳定性，基于强度和刚度标注来设计的制动器是十分安全的。

关键词：pro/E；ANAYS；workbench；结构分析

1. 介绍

盘式制动器是一种用于减速的车轮制动器，其摩擦力源于将制动衬块推靠在制动盘上卡住而引起。盘式制动器通常由结构钢制成，但在一些情况下可以加入如碳或陶瓷等的混合物。这关联到车轮或车轴。为了使车轮停止转动，制动器上的摩擦材料被安装在制动钳上，以机械式、液压式、气动式或电磁式的方式挤压制动器两侧。其产生的摩擦力使车轮得以减速、停止转动。制动器也能将动能转化为热能，但当制动器过热时，会导致其效率降低，这被称为制动失效。

盘式制动器结构如下：结构钢盘由螺栓连接到轮毂上，不动的外壳被称为卡钳。卡钳与车上一些不动的部分如轴套或短轴相连接。它分为两部分，每个部分都包含一个活塞。在每个活塞和制动盘之间存在摩擦片，其通过定位销、弹簧板来固定。每个制动泵在气缸与活塞之间都含有一个橡胶密封圈。如图A所示，由于制动器在车上的安装应用，由摩擦所产生的热量必须被均匀分散到每个转子的横截面上。因此，对于能提高制动效率和操作稳定性的新材料的研究是十分重要的。

盘式制动器的开发和使用源于19世纪90年代的英国。英国的Frederick William Lanchester 在他位于伯明翰的工厂里应用于他兰切斯特汽车上的第一卡钳式盘式制动器成功获得了专利。相对于鼓式制动器，盘式制动器能提供更好的制动效能，因为它冷却得更快。与此同时，盘式制动器也有着被称为“制动失效”的缺点，但盘式制动器也能更快的从淹没中恢复过来（湿式制动器效率较低）。大部分的鼓式制动器都至少有一个领蹄，其具有伺服效应。通过分界，盘式制动器没有自伺服效应且其制动力总是与施加在制动系统上的各制动踏板、杠杆相关联。这倾向于向驾驶者提供一种“感觉”，以避免锁定。

摩擦表面总是暴露在空气中，检查良好的散热，使制动失效最小化。它也能抛出灰尘和水以完成自清洁。

与鼓式制动器不同，盘式制动器有限的自动激励行为使得其必须应用更大的液压力来达成足够的制动力。这可以通过增加卡钳活塞的尺寸来达成。简单的设计有助于轻松维护及更换衬垫。

在制动过程中，动能在车轮中被转换为热能，这不会打破大量快速的从制动器到制动盘的空气流。因此，导热性在处理这种热量中起到关键作用。热抖动是垫与盘间的不均匀的接触循环的结果，这是发生于盘式制动器转子表面的放置热弹性不平衡的一个主要效果。放置TEI在摩擦环表面产生间歇热，其可依次导致所谓热点的生长。

在本文中有一个关于制动盘的热弹性问题的瞬态分析，详细解释了有限元分析的方法。其计算结果得出了温度对摩擦的影响。

1. 盘式制动器的材料性能分析

结构钢：结构钢包括了种各样的低碳和锰钢。结构钢还包括少量的重要添加元素，如Nb、V、Ti、Al。这些被称为高强度低合金或微合金钢。

AMC中的加强可以是形式上的连续或不连续纤维、晶须或颗粒，体积分数范围从极小百分比到70%。在过去几年里，AMCs已应用于高科技结构和功能应用，包括航空航天、防御、汽车和热管理区域，以及运动和娱乐方面。

3.1 方法

3.1.1 静态分析过程

首先，我们准备在pro/E里装配曲轴，并将这部分保存为IGES再导出到ANSYS工作台环境里。

适用曲轴材料（结构钢）

3.1.2 网格划分标准

元素类型：solid 10 节点二次四面体

图1：10节点四边形元件（solid 187）

pre/E和ANSYS都可被用于有限元分析。曲轴是在pro/E中进行3D建模，导出为IGES文件后再导入到ANSYS的工作台中。下一个阶段是对模型进行网格划分，如图所示，10节点四方形元素（solid 187），有限元网格的生成是使用元件长度为0.5mm的四边形元素（2262个）。选择这个元素的原因是其可使复杂机械组件几何化，这可以让我们获得更加真实的基于高疲劳技术的寿命计算的结果。

Solid 187元素是高阶3D 10节点元素。Solid 187有一个二维的位移行为并非常适合建立不规则网格（如从CAD/CAM系统中产生的模型）。该元素由10个节点定义，并且每个节点具有3个自由度：X、Y、Z三个方向。该元素还具有塑性、弹性、应力硬化、大挠曲、大应变等性能。它也能几乎模拟所有的不可压缩弹性塑料的变形和所有不可压缩超弹性材料的变形。在ANSYS的理论参考中可以看到solid 187的更多详细资料。

4 有限单元法（FEM）

有时候，当把系统作为一个整体来进行分析时，它的各数据将难以被反映出来。另一方面，通过将其分解成各个组件和子组件，可以相对容易的研究这样的系统。每个小组件的行为可以被轻松实现并合并用以解释整个系统的行为。

有限单元法的基本思想：

有限元分析的步骤

任何以有限元分析为基础的分析过程可以被划分为如下几步：

1 离散化

2 选择近似解

3 建立元素模型及方程

4 组装模型

5 找到未知元素

6 解释结果

工程师应用有限元分析方法来进行应力分析、流体流动分析、热传递分析等方面。有限元分析法也被用来解决复杂的非线性问题，这些软件正被广泛的应用于解决复杂、真实的设计和分析问题。

5 结果与讨论

对于新投入应用的可以改善制动效率和稳定性的材料的调查是十分必要的。合适的复合材料具有比结构钢更优异的弹性模量、屈服强度和密度属性。并且，其硬度、静态特性等属性也使其在高压情况下具有良好的耐热性及抗压性和延展性，保障了使用寿命并避免了所有导致加载的问题，这是经典的灰色铸铁盘式制动器。

6 结论

盘式制动器的瞬态热弹性分析在制动应用时已执行。为了获得盘式制动器中出现的热弹性行为的模拟，我们在workbench中模拟了热弹性接触摩擦生热问题，研究了摩擦材料性能对摩擦表面接触率的影响，并发现其中影响较大的因素是热膨胀系数和弹性模量。并且，我们发现正交各向异性盘式制动器能提供比各向同性的盘式制动器更佳的制动效能，因为其能使压力均匀、温和的分布。本研究可以提供一个有用的设计工具，来提高盘式制动器的制动效能。

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钢垫上的碳化硅陶瓷制动盘的摩擦及表面断裂测试

摘要:通过在不同的初始制动速度下对对软钢垫进行测试，可以再实验室规模的测力计上得出碳化硅陶瓷盘的摩擦系数，并用显微技术研究其摩擦表面。在实验台上，制动停止时的平均摩擦系数与初始制动速度相关联。之后，无论初始速度如何，它都会收敛到0.6。碳化硅盘上的表面断裂使得其从平坦表面转变到了粗糙表面。并且，断裂面和非接触区都直接影响了层压阶段的摩擦系数变化。由氧化铁组成的摩擦层和部分由位错导致的塑性变形出现在了盘表面，但由于表面断裂所以呈间断分布。本文还提供了定量分析以了解摩擦系数的变化和制动期间的碳化硅的表面断裂现象。

关键词：碳化硅；摩擦；表面断裂；接触；速度

1 介绍

碳化硅是碳纤维强化陶瓷复合材料的关键成分，这种新兴材料被广泛地运用到汽车制动盘或转子的制作以及飞机和重型机械的制造中。这种应用需要能够在制动器使用寿命期间能在各种制动速度和压力下提供指定的摩擦系数的摩擦对。为了实现这一点，大多数是通过促进转移材料的沉积在接触区域上建立可持续的摩擦表面，通过优化摩擦材料的化学成分，比如增强材料、研磨材料、添加通过树脂或金属结合在一起的润滑剂和填料。虽然这种策略在制造或优化由铸铁转子组成的制动器的摩擦系数方面被证明是非常成功的，但最近的研究表明，对于由碳化硅复合材料制成的制动器，难以开发具有成功沉积的摩擦转移层的可持续摩擦表面。除了在转移材料和碳化硅衬底间缺乏足够强的化学结合外，导致这个结果的基本因素是在制动期间碳化硅表面上的摩擦引起的开裂。这中裂纹导致的碳化硅表面上的碎裂可以擦掉任何沉积的摩擦转移层，致使摩擦机制的变化，使摩擦系数不稳定。在移动接触条件下，碳化硅表面裂纹的敏感性吸引了研究者的长期注意。碳化硅陶瓷的摩擦和磨损对测试载荷、滑动速度、配置、对应材料、环境和温度具有很强的依赖性，他们对碳化硅的的影响已经被合理得研究。作为亮点，碳化硅陶瓷和在接触的早期阶段或在温和的测试条件下经受轻微磨损。塑性变形表面也通过表面涂抹形成。并且如果摩擦碎片可以与碳化硅之间具有足够强的化学结合，留下的摩擦轨迹就可以显示出平滑的形态，摩擦转移层也得以沉积，这都如Andersson和Holmberg所观察到的一样。在延长的测试或更苛刻的测试条件下，比如高压高速下，Gahr观察到在接触滑动期间可能引入表面裂纹。有一种关于接触表面开裂的理论是基于压痕断裂力学建立的，它表明较硬的磨料碎片或对应物表面的粗糙在起始径向裂纹中起关键作用。另一种机制是基于移动的赫兹接触或可能的热应变所引起的表面拉伸压力来开发的。

一旦应力强度大于陶瓷的断裂韧性，预先存在这种应力驱动的表面会产生瑕疵。并且，已经证明表面拉伸应力和一些接触条件之间存在定量相关性，但有些因素没有被证明，如滑动速度如何影响拉伸应力水平。

尽管滑动速度对摩擦对的摩擦行为具有显著影响，但大多数摩擦研究依然在测试设备上进行，其可以再相对较低的速度状态与汽车制动器使用的最大滑动速度进行比较。但在汽车制动过程中，制动期间的典型滑动速度可高达20m/s，这导致书本上关于摩擦的知识不足以应付车辆制动过程中的接触滑动条件。比如，高速度可通过影响摩擦传递层沉积、表面变形、表面断裂等对摩擦性能造成显著影响。基于这种情况，有必要对高的滑动速度如何影响碳化硅摩擦副的摩擦性能进行基础研究。由于钢是摩擦材料中最重要的成分之一，我们选择软钢作为用于摩擦研究的碳化硅陶瓷的补充材料。预期该研究的结果有助于理解碳化硅符合制动器的摩擦性能，以及优化适用于陶瓷复合制动器的摩擦材料的相关成分。

2 实验过程

2.1 制动盘和垫的测试材料及制

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