巴哈赛车用碳陶制动盘性能仿真及试验研究.pdf

年第 期巴哈赛车用碳陶制动盘性能仿真及试验研究张家祺(武汉理工大学汽车工程学院,湖北 武汉 )摘要:制动盘是制动系统的重要部件,其对赛车的制动效能有着决定性的影响.本文先是利用AN S Y S对碳陶制动盘和钢制制动盘进行仿真分析;其次,将制动盘装车进行实车性能试验.结果表明,仿真结果与试验数据基本一致:碳陶制动盘在配备专用刹车片时制动距离小于钢制制动盘,且碳陶制动盘吸热较好,温度没有急剧升高.研究表明,碳陶制动盘在巴哈赛车上应用是可以提高巴哈赛车的制动效能.关键词:巴哈赛车;碳陶制动盘;AN S Y S;热力耦合;实车试验中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()S i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t a l S t u d yo fC a r b o nC e r a m i cM o v i n gP l a t e f o rB a j aR a c i n gC a rZ h a n gJ i a q i(S c h o o l o fA u t o m o t i v eE n g i n e e r i n gWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Wu h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:B r a k e d i s c i s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e b r a k e s y s t e m,w h i c hh a s a d e c i s i v e i n f l u e n c e o n t h e b r a k i n g e f f i c i e n c yo f t h e r a c i n gc a r A N S Y S i su s e d t o s i m u l a t e t h e c a r b o nc e r a m i cm o v i n gd i s c a n d t h e s t e e l b r a k ed i s c;t h e n t h e r e a l p e r f o r m a n c e t e s t T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h e t e s td a t a:t h eb r a k i n gd i s t a n c eo f t h e c a r b o n c e r a m i cm o v i n gd i s c i s l e s s t h a n t h e s t e e l b r a k e d i s cw i t h t h e s p e c i a l b r a k e p a d,a n d t h e c a r b o n c e r a m i cm o v i n gd i s c i sb e t t e r,a n d t h e t e m p e r a t u r ed o e sn o t r i s e s h a r p l y R e s e a r c hh a ss h o w nt h a t t h ea p p l i c a t i o no f c a r b o nc e r a m i cm o v i n gd i s c i nB a j a r a c i n gc a r s c a n i m p r o v e t h eb r a k i n ge f f i c i e n c yo fB a j a r a c i n gc a r s K e yw o r d s:B a j ar a c i n g;C a r b o np o t t e r ym o v i n gp l a t e;AN S Y S;T h e r m a l c o u p l i n g;R e a l c a r t e s t基金项目:国家大学生创新创业训练计划 作者简介:张家祺(),男,汉族,内蒙古包头人,武汉理工大学本科在读.引言在国外赛车上应用比较普遍的碳陶制动盘具有密度低、硬度高、耐高温、摩擦性能高以及稳定性强等优点,但由于技术、成本等因素,碳陶制动盘在国内还未被广泛应用 .本文根据这一现状,通过AN S Y S软件,仿真巴哈赛车制动盘越野工况下的等效应力场和温度场,对比钢制制动盘和碳陶制动盘的等效应力和温度云图,得出碳陶制动盘的结构强度和安全系数都高于钢制制动盘,并且其升温更低.结合实车性能试验,得出碳陶制动盘在巴哈赛车上应用可以缩短巴哈赛车的制动距离并降低制动盘温度,进而提高巴哈赛车的制动效能这一结论.本次研究对碳陶制动盘在巴哈赛车上的应用具有一定的参考意义.制动盘C A E模态分析 制动盘热力耦合分析利用A N S Y S分析制动盘越野工况下的应力场及应变状态,比较碳陶制动盘和钢制制动盘的抗变形及耐热情况.制动过程中前轴所受制动力较大,因此主要对前轮制动盘进行热力耦合分析 .AN S Y S模型建立将刹车片与制动盘进行装配,刹车片的作用面积S m.用m o d e l格式导入到AN S Y Sw o r k b e n c h中,如图.设置钢制制动盘及碳陶制动盘的材料属性,如表、表.图制动盘模型表钢制制动盘材料属性参数数值密度k gm 弹性模量P a 泊松比 热胀系数C 导热系数WmC 比热容J k gc 表碳陶制动盘材料属性参数数值密度k gm 弹性模量P a 泊松比 热胀系数C 导热系数WmC 比热容J k gc 内燃机与配件w w w n r j p j c n 网格划分对制动盘采用S w e e p网格划分法,制动盘单元尺寸为mm,刹车片单元尺寸为 mm,制动盘的网格划分如图所示.图钢制制动盘网格 边界设定根据比赛要求,巴哈赛车基本参数见表.表整车相关参数参数数值轴距L/mm 质心高度h/mm 车重G/N 轴荷比:轮胎直径D/mm 同步附着系数q 制动盘半径R/mm 巴哈赛车受力如图所示.图中a是前轴到质心的距离;b是后轴到质心的距离;是制动力分配系数;FN 是巴哈赛车制动时水平地面对前轴车轮的法向反作用力;FN 是巴哈赛车制动时水平地面对后轴车轮的法向反作用力;Fb 是前轴车轮的地面制动力;Fb 是后轴车轮的地面制动力;前后轮轴荷比为:;Fj是车辆制动时的惯性力.图巴哈赛车受力地面法向作用力计算过程为a L mm()b L mm()FN(b q h)GL N()FN(a q h)GL N()制动力分配系数(b q h)/L ()地面制动力Fb G q N()Fb G q()N()制动力矩T(Fb D)/Nm()T(Fb D)/Nm()制动盘最大压紧力NT/(R)N()NT/(R)N()最大压强PN/MP a()现分别 在 制 动 盘 两 侧 的 刹 车 片 上 施 加MP a和MP a的轴向压强.约束方式(l)摩擦设置.设置刹车片与制动盘之间的接触为摩擦,钢制制动盘的摩擦因子设置为 ,碳陶制动盘摩擦因子设置为 ,并采用A u g m e n t e dL a g r a n g e算法,接触刚度因子设置为 .()制动盘转动设置.定义制动盘围绕Z轴转动.()分析设置.初始载荷步 ,最小载荷步 ,最大载荷步 ,计算时间 s.()摩擦块设置.制动过程中刹车片只发生轴向位移,故对刹车片X、Y两个方向的位移进行固定约束,Z方向位移设定为自由.将刹车片两侧施加大小为 k N的压强.()制动盘转速设置.在制动过程中车速与时间呈负相关,构造车轮转速与时间的线性方程,并将初始速度设定为 r a d/s.仿真结果仿真结果如图图所示.图钢制盘应力云图图碳陶盘应力云图 年第 期图钢制盘形变云图图碳陶盘形变云图图钢制盘摩擦温度云图图碳陶盘摩擦温度云图由图 可 知,钢 制 制 动 盘 最 大 等 效 弹 性 应 力 为 M P a,最 大 弹 性 应 变 为 ,表 面 最 高 温 度 为 .碳陶制动盘最大等效弹性应力为 M P a,最大弹性应变为 ,表面最高温度为 .制动盘瞬态热分析比赛中赛车会有频繁的紧急的制动情况,这时会有大量的动能转化为热能,并且由于频繁制动,制动盘的温度迅速升高,如果热能无法及时散去,制动盘制动性能就会下降,甚至危及车手的生命安全.故制动盘的瞬态热分析也是至关重要的一部分.模型简化赛车实际制动中由于摩擦产生的热量几乎都由制动盘吸收,仅有一小部分热量由刹车片吸收.物理模型简化的假设条件为:()制动盘吸收制动过程中产生的全部热量.()忽略制动盘与轮毂之间的热传递.()忽略刹车片的热传导.()假设热量分布均匀.模型导入利用C A T I A软件建出制动盘模型,以m o d e l格式导入AN S Y Sw o r k b e n c h,在制动盘表面绘制热流密度作用区域并拉伸为I m p r i n tF a c e s,如图 所示.图 划分接触面 网格划分对制动盘采用T e t r a h e d r o n s网格划分法,制动盘单元大小为mm.如图 所示.图 制动盘网格划分 边界设定赛车制动盘与刹车片之间的传热形式有热传导、热对流和热辐射三种.设置热流密度与对流换热系数.热流密度选用表格加载方式,随时间变化,热流密度呈线性梯度变化,如表所示.表热流密度S t e p sT i m esH e a tF l u xW/mm 对流换热的热流量计算方法,主要依据是牛顿冷却公式:Q A(tw tf)()式中:为对流换热系数,单位为W/(m);A为制动盘面与空气接触区域面积,单位为m;tw为制动盘面温度,单位为;tf为空气温度,单位为.内燃机与配件w w w n r j p j c n对流换热系数公式:uLvPrL()式中:u为空气流动速度,单位为m/s;L为壁面长度,单位为m;v为空气的运动粘度,单位为m/s;Pr为普朗特数;为空气导热系数,单位为W/(mK).忽略空气温度变化的 影 响.简 化 计 算,取 赛 车 速 度 近 似 于 空 气 流速u.辐射率在参数设置表中设置E m i s s i v i t y为 .约束方式对流换热系数和辐射率加载到制动盘散热面上,热流密度加载到刹车片与制动盘接触的环形表面上.仿真结果通过AN S Y S得出巴哈赛车制动后钢制制动盘和碳陶制动盘的温度场仿真结果,如图 图.图 钢制盘温度云图图 碳陶盘温度云图由图可知,赛车在紧急制动时,钢制制动盘最大温度为 ,碳陶制动盘最大温度为 .仿真结论通过对制动盘的热力耦合分析及瞬态热分析可知,碳陶制动盘的结构强度和安全系数都高于钢制制动盘,并且其表面温度低于钢制制动盘.制动盘实车分析作者将试验分为静态试验和动态试验两部分.在静态试验中将碳陶制动盘与钢制制动盘分别放于电子秤上测量次并记录,计算平均质量.测量数据如表.表制动盘质量质量(k g)平均钢制制动盘 碳陶制动盘 在动态试验中,试验步骤如下:将钢制制动盘及普通刹车片装于巴哈赛车.将碳陶制动盘及碳陶专用刹车片装于另一辆参数、性能几乎相同的巴哈赛车.在平直路路况分别以 k m/h、k m/h/、k m/h、k m/h的车速制动,并测量制动距离和制动盘温度,每组速度测量三次,取平均值.在练车场中分别每行驶 米制动一次,重复 组,记录制动盘温度.记录实验数据.根据以上试验步骤,两辆装有不同种类刹车盘的巴哈赛车在平直路上制动距离和温度以及多次制动后制动盘温度情况如表到表所示.表平直路制动距离及制动制动盘温度制动盘种类制动车速(k m/h)平直路制动距离(m)平直路制动制动盘温度()钢制制动盘 碳陶制动盘 表多次制动后制动盘温度制动盘种类频繁制动后制动盘温度()钢制制动盘 碳陶制动盘 结论碳陶制动盘在巴哈赛车上的应用可提高巴哈赛车的制动效能.通过C A E模态分析和实车试验,主要结论如下.()碳陶制动盘的重量约为钢制制动盘的,轻量化效果较为明显.()碳陶制动盘的结构强度和安全系数都优于钢制制动盘,并且其吸热表现较好,制动盘表面温度更低.()碳陶制动盘在配备专用刹车片时制动距离较低,且制动后表面温度较低.参考文献:沙建军,代吉祥,张兆甫纤维增韧高温陶瓷基复合材料(C_f,S i C_f/S i C)应 用 研 究 进 展航 空 制 造 技 术,():周蕊,韩文静,施伟伟,李国胜,刘帅碳陶复合材料的摩擦磨损性能机械工程材料,():程金润,秦宇晖,赵娜,解瑞雪大学生巴哈赛车制动盘热力 耦 合 分 析上 海 电 机 学 院 学 报,():钟兴华,阳林,李金畅,骆文星,杨凯明基于AN S Y S的F S E C赛车制动盘仿真分析汽车实用技术,():D O I:/j c n k i NA J M IH,KUMA R N,H I MAN S HU,e ta l T h e r m a la n a l y s i so f b r a k ed i s co f a na u t o m o b i l e I O PC o n f e r e n c eS e r i e s:M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,():P R A G YA M,D E E P AN S H IG,V I V E K K C D e s i g na n da n a l y s i so fb r a k ed i s ca s s e m b l yf o ra nF S A Ev e h i c l e M a t e r i a l sT o d a y:P r o c e e d i n g s,():