汽车盘式制动器有限元分析

热固耦合分析

制动系统是汽车的重要组成部分，它直接影响到汽车的安全性。盘式制动器制动过程是一个典型的热固耦合过程，其温度场、应力场的分布和变化会对制动器工作性能和使用寿命产生直接影响，是汽车制动器设计研发的重要考虑内容。

分析步设置

分析步一：分析类型为Coupled temp-displacement，时间步长取1，打开大变形选项，对摩擦衬块施加均布压力。
分析步二：分析类型为Coupled temp-displacement，时间步长取3.384，对制动盘进行转动，计算温度场、热应力、应变。

温度场分布

如图1-13所示为制动盘各个节点的瞬时温度分布云图（标注时间为第二分析步内时间，而非总时间，后同）。由图中可以看出，随着时间推移，制动盘总体经历了一个先升温后降温的过程，这是由制动盘转速逐渐降低造成的。制动盘上的温度场并非呈轴对称分布，同一半径上周向不同点由于接触到摩擦衬块的时间先后不同，温度起伏变化上存在时间差。沿制动盘径向亦存在较大的温度梯度，同一半径方向上，随着半径的增加，盘面温度先增加后减小。另外，制动盘摩擦表面温度高于材料内部温度，这是由于制动器工作时摩擦热产生的速率高于材料内部的热传导速率。由于制动盘内径处离摩擦区域较远，产生的摩擦热难以短时间内传递到其附近，因此制动盘内径处升温很小。

如图1-18所示为制动盘各个节点的瞬时应力分布云图。由图中可以看出，与温度场相似，制动盘应力场总体上也经历了一个先增后降的过程。转动初期制动盘温度变化较小，温度应力小，受到摩擦衬块的摩擦力作用，制动盘应力最大值出现在螺栓孔附近。随着温度不断升高以及制动盘温度波动增大，温度应力逐渐起到主导作用，制动盘应力最大值转移到盘面处。随着制动盘转速越来越小，制动盘的温度波动也逐渐减小，应力最大值又回归到内径。

根据以上计算结果可知，该制动盘在紧急制动工况下制动盘最高温度为381.5℃，散热性能良好，有助于制动盘在刹车过程中维持良好的工作性能，以及提高制动盘的耐久性。
制动盘在紧急制动工况下应力水平较低，未超过材料抗拉强度，有较高的安全裕度。

振动特性分析

汽车制动时的啸叫声会损害人们的身心健康，降低汽车行驶的舒适度。研究制动盘的振动特性对控制啸有重要作用。

本次分析内容具体包括自由状态下的固有频率分析以及摩擦力作用下的复频分析。

与热固耦合分析相同，在制动盘与摩擦片之间建立摩擦接触，主从面设置如图2-5所示，接触摩擦系数取0.45。

           图2-1. 接触面设置

对于制动盘自由状态下的固有频率分析，无外加荷载。对于复频分析，和热固耦合分析类似，在摩擦衬块两侧施加均布压力。此外还须对制动盘施加旋转角速度，施加方法通过修改inp文件，添加*MOTION关键字，角速度按开始制动时刻取值。

在固有频率分析和复频分析中，均对制动盘螺栓孔处节点施加三向平动自由度约束，如图2-6所示；在复频分析中，还须对摩擦衬块施加x、z方向自由度约束，如图2-7所示。

         图2-1. 制动盘边界约束设置

        图2-1.摩擦衬块边界约束设置

固有频率分析及结果

计算结果

人们所关心的制动啸叫频率一般在1~8kHz范围内，故分析重点是该范围内的不稳定模态。如图2-8所示为1~8kHz范围内的复模态分析结果。图中横坐标为模态频率，纵坐标为模态特征值的实部，当特征值实部为正的时候，表明此系统是不稳定的，正值越大，系统越易产生啸叫。

从图2-8中可以看出，在2473.6Hz、5565.5Hz和6469.8Hz处发生制动啸叫的趋势最为明显。还可以通过模态阻尼比来更为直观的反应制动系统的稳定性。其定义为：

其中Re(λ)为第λ阶复特征值的实部，Im(λ)为第λ阶复特征值的虚部。负阻尼比对应的模态为不稳定模态。1~8kHz范围内系统的阻尼比如图2-9所示：

不稳定模态的振型图如图2-10所示：