考虑液体黏性传动的湿盘制动器ATF温度场的解析模型

湿盘式制动器是重型车辆制动系统的核心部件,对车辆安全性具有关键影响。本文以制动摩擦副间隙的冷却液压油(ATF)为研究对象,考虑液体摩擦阶段中的液体黏性传动(HVD)特征,由泊肃叶流动方程和能量方程分别建立了湿盘式制动器ATF径向流动速度和稳态轴向温度分布的理论模型,并获得显式解析解。理论预测表明,ATF径向速度和轴向温度分别呈抛物线和四次方分布。以该模型为基础,利用某实际矿车湿盘式制动器设计参数进行了初步的理论温度预测和对比。该模型有潜力用于ATF沿轴向和径向的非稳态温度场的理论预测。     

湿式制动器三维瞬态温升特性研究

针对非公路车辆在连续制动工况下出现的热疲劳问题,建立了湿式制动器三维瞬态热机耦合分析模型,考虑了热流密度、热流分配系数、对流换热系数这些热边界对于温升的影响,运用有限元分析软件ANSYS模拟了非公路车辆湿式制动器摩擦盘在连续制动过程中的变化,得到摩擦盘温度场和应力场的分布。研究结果表明,温度在接触界面半径中间偏外缘方向分布不均匀易产生热疲劳,在温度梯度大的地方应力集中现象明显,分析结果与实际情况一致,为湿式制动器的设计提供了理论基础。     

湿式离合器热流固耦合温度场及应力场分析

为深入研究湿式离合器接合过程温度场和应力场分布规律,针对摩擦副与润滑油对流换热,充分考虑其温度场、变形场和流场之间的相互作用,基于能量守恒定律和摩擦副动态接合过程工作机理,建立摩擦副热流固耦合数学模型,运用Abaqus与STAR-CCM+协同仿真,建立湿式离合器摩擦副三维热流固耦合有限元模型,并将该模型仿真结果与热机耦合仿真结果对比分析.结果表明:所建立的热流固耦合模型使摩擦副接触面温度和应力显著降低,径向温度梯度和应力梯度减小,流体-固体耦合表面温度场分布与摩擦副类似,流体出口温度上升.     

基于分形理论湿式制动器接触界面温度场研究

为了提高湿式制动器的制动性能和使用寿命,以矿用自卸车湿式制动器为研究对象,基于分形理论,考虑移动热源可变效应和摩擦热流的影响,建立湿式制动器温度场数学模型,在CATIA里面建立摩擦副三维实体模型,利用有限元分析软件ANSYS模拟实体模型在紧急制动工况下的运行,并研究湿式制动器的温度场和应力场的分布情况。研究结果表明,湿式制动器在紧急制动工况下温度和应力集中在半径边缘,此位置最容易出现热磨损和热失效,与实际使用过程中摩擦副破坏位置一致,为湿式制动器的设计和选材提供可靠的理论依据。     

基于有限单元法湿式离合器摩擦副温度场分析

温度对湿式离合器摩擦副的性能和寿命具有重要影响。针对某款变速箱湿式离合器的工作接合过程,以一档离合器为例,结合热分析和有限元理论分析,对摩擦生热过程中的热传导和热流密度进行分析,确定热传导边界条件和初始条件,并建立湿式摩擦副的温度分布函数,获得不同结合次数温度分布。基于ANSYS瞬态热分析模块,根据摩擦生热原理,建立摩擦副分析模型,获得工作过程中温度分布规律;对不同时间情况下,主、从片的温度分布进行分析;对比分析不同的油槽花纹与从动片尺寸对温度场的影响。对比分析结果可知:油槽花纹与其尺寸的选择对温度场分布影响较大;双圆弧形油槽综合最优;模型分析和理论分析结果的一致性验证分析方法的正确性;通过改变摩擦副材料物理属性、结构尺寸和加载条件来分析其他工况情况,进而得出不同条件下摩擦副温度分布的情况。     

制动器摩擦接触表面温度场分布特性研究与实验验证

通过运用滑动接触理论,考虑摩擦接触表面的变形因素,依据制动器制动规律,建立摩擦接触表面温度场分布模型,研究制动器摩擦副滑动过程中温度场变化规律并进行试验验证。分析结果表明:随着达到最大压力时间的延长,制动摩擦接触表面最高温度呈现下降趋势;制动温度场在轴向和径向上变化趋势较为明显,随着傅里叶数的增加,摩擦接触温度呈现下降趋势;通过试验验证后摩擦接触表面温度场理论计算模型与试验结果在趋势和结果上基本相同。     

矿用大尺寸湿式摩擦副瞬态摩擦热特性研究*

矿用重型刮板输送机可控启动装置的核心部件湿式摩擦副在启动过程中，呈现出液体黏性摩擦、粗糙接触摩擦、生热/传热/散热等高度复杂的耦合特征，对瞬态摩擦热特性的研究提出了较大挑战。以矿用大尺寸湿式摩擦副启动过程为研究对象，构建接触界面压力与瞬时热传导模型，基于界面压力的动态变化研究摩擦副瞬态摩擦热特性，揭示非均匀温度场的动态分布规律，分析对偶钢片和摩擦片温度的差异性，并进行试验验证。结果表明：摩擦副瞬态温度场受到接触界面压力、相对转速及对流换热作用的综合影响，径向方向存在明显的温度梯度，呈现不均匀性分布，最大值出现在外径附近，摩擦片最高温度只有对偶钢片的1/2。仿真值与试验值具有较好的吻合性，可准确地预测温度场的动态变化规律，为大尺寸湿式摩擦副瞬态热特性的研究奠定了理论基础。     

风电高速轴制动器温度场及热力耦合分析

型风电制动器紧急制动涉及摩擦、流体、热弹性、高能量密度摩擦副等多物理场耦合，为了进一步揭示其摩擦功传热原理，基于传热性能分析理论，推导风电高速轴制动器热-机耦合三维有限元数学模型，利用有限元分析软件Abaqua瞬态完全热力耦合法，研究风电高速轴刹车盘热应力特性。结果表明，风电制动器对偶件由于接触不均匀，导致温度在盘圆周方向推移的时效性及不对称性特征。解释了由于换热和热流输入的循环交替变化引起温度在半径方向上的温升及应力变化规律，并针对热应力集中区产生热裂纹萌生及扩展情形进行推理论证，对大型风电机高速轴刹车盘转速过高状态下的高热能摩擦作用机制研究具参考作用。     

热流固耦合下柱塞泵配流副参数对摩擦性能的影响

为探讨热流固耦合下柱塞泵配流副参数对摩擦性能的影响,建立配流副的润滑模型,采用有限差分法对雷诺方程、能量方程和弹性变形方程进行求解,考虑黏度-温度、黏度-压力的关系,利用松弛迭代法求得热流固耦合下油膜压力、弹性变形与油膜温度分布的数值解,并运用MATLAB得到油膜压力、弹性变形、油膜温度分布云图;分析配流副参数对油膜承载力、摩擦力、摩擦转矩和摩擦因数的影响。结果表明：缸体倾斜角度和初始油膜厚度对油膜承载力的影响较大,增大缸体倾斜角度和减小初始油膜厚度,可提高油膜承载能力;减小润滑油黏度、增大初始油膜厚度能有效降低润滑摩擦过程中的摩擦力和摩擦因数。     

基于微凸体黏弹性侧接触模型摩擦副转矩负斜率机理研究

以湿式制动器摩擦副为研究对象,在微观表面接触理论的基础上,考虑微凸体之间黏性力的影响,建立了微观摩擦表面的微凸体黏弹性侧接触模型;通过对微观模型的归一化和积分处理,推导了能反映微观模型参数特征的宏观轴向压力、转速及摩擦力矩关系的计算公式;获得了低转速时摩擦转矩-转速负斜率特性微观机理,分析了微凸体无量纲曲率和轴向压力两参数对负斜率动态特性的影响。结果表明,当轴向压力和无量纲曲率半径减小时,摩擦转矩变化率(dT_f/dn)的最小值将会增大,摩擦转矩变化量减小,有利于降低摩擦副磨损。同时通过台架试验,复现了负斜率特性与相关参数间的作用关系。与试验测试对比,理论分析模型精度达到了86.82%,仿真结果准确。对进一步深入研究摩擦副摩擦性能和提高使用寿命,具有重要的理论研究意义。     

RESEARCH ON DESIGN METHOD OF A MULTIPLE DISC WET BRAKE IN LUBRICATED ENVIRONMENT

The rmomechnical phenomena occurring between friction pairs greatly change the distributions oflining pressure and friction surface temperature of a multiple disc wet brake. It has become one of the maincauses of brake failure. In order to understand these thermomechanical phenomena, several design and mate-rial factors tha have great influence on thermomechanical phenomena, such as heat transfer coefficient, fric-tion factor, sliding velocity initial lining pressure and so on, are analyzed. An isothermal design method isproposed for designing a multiple disc wet brake.     

湿式摩擦副滑摩过程温度场分析及实验验证

湿式摩擦副滑摩过程温度场与应力场相互耦合作用,温度场分布受到多种因素影响,其中压力、旋转速度、润滑流量作为湿式摩擦副工作参数对其温度场的影响尤为显著。在理论分析基础上,采用有限元数值模拟分析与实验研究相结合的方法,对摩擦界面温度场时空分布特性进行研究,同时研究界面温度场在摩擦副工作压力、相对转速和润滑流量作用下的变化规律。研究表明:在对偶钢片和摩擦片近外径侧更易出现高温和应力集中区,且对偶钢片相对于摩擦片更易出现温度和应力分布不均匀情况;温度场中高温集中区与应力场中应力集中区相对应,最大温度随着压力增加、相对转速增大、润滑流量减少而显著上升,该结果得到试验结果的验证。     

Effect of operation parameters on thermal loading of wet brake discs. Part 1. Problem formulation and methods of study

A dimensionless heat problem which describes the three-dimensional transient temperature field in the friction pair of a multidisc wet brake with the radial arrangement of oil grooves is developed. A method for the multifactor study of the effect of operation parameters on the formation of the temperature field in brake discs under stationary friction conditions is proposed.     

仿生制动盘表面温度场与应力场的计算机模拟

根据天然生物与生俱有的高效散热原理,设计三种可抑制温升,从而预防磨损和疲劳的仿生车辆制动盘,并建立三维计算模型。借助于有限元分析软件ANSYS,研究比较这三种表面形态的仿生制动盘和常规制动盘在紧急制动工况下,温度场和应力场的大小及变化趋势。结果表明,仿生制动盘能够降低制动盘表面的温度梯度和应力集中,从而可减小由于循环应力而导致的热疲劳趋势,其降低幅度从大到小依次为具有网格状凹槽的仿生制动盘、具有放射状凹槽的仿生制动盘和具有环形凹槽的仿生制动盘。摩擦生热降低和散热性的提高是温度梯度下降的主要原因。该模拟研究为今后仿生制动盘的优化设计和试验研究提供了重要参考依据。     

湿式多片摩擦离合器接排过程热结构耦合分析

针对船用齿轮箱湿式多片摩擦离合器,考虑摩擦片与摩擦片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键间摩擦力作用,分析了摩擦片副间的正压力和花键齿间摩擦力的分布规律,并计算了摩擦片副的热流密度及对流换热系数;利用ANSYS建立了多对摩擦片副的热弹接触有限元分析模型,通过瞬态热结构耦合分析,得出接排过程中摩擦片副间温度云图及温度沿径向、轴向分布规律,同时分析了摩擦片的热弹变形及片间接触压力。     

NUMERICAL SIMULATION OF FLOW FIELD BETWEEN FRICTIONAL PAIRS IN HYDROVISCOUS DRIVE SURFACE

The flow field of the oil film between frictional pairs in the hydroviscous drive test rig is investigated. A three-dimensional Navier-Stokes（N-S） equation considering viscous force and inertial force rather than Reynolds equation or modified Reynolds equation is presented to model the flow field. Pressure and temperature distribution in radial and circumferential direction under three different conditions, i.e., isothermal, that considering viscosity-temperature characteristic as well as shear thinning non-Newtonian fluid are simulated, respectively, by utilizing the commercial computational fluid dynamics（CFD） software FLUENT. The results reveal that the grooves on the driven plate make the pressure, temperature distribution present periodic variation. The oil temperature and shear rate have important effects on the flow field between frictional pairs, and the oil temperature is more important parameter. The simulation results lay a theoretical foundation for the reasonable designs ofhydroviscous drive.     

湿式摩擦副滑摩过程摩擦热计算

针对湿式离合器摩擦副的结构特点,研究离合器摩擦副表面粗糙接触情况,改进平均流量模型,建立修正的雷诺方程用于计算滑摩过程中油膜压力和油膜厚度的变化规律。采用Greenwood-Tripp接触模型,建立摩擦副摩擦热方程,模拟湿式摩擦副在滑摩过程中油膜厚度、相对滑摩转速、接合油压以及摩擦转矩变化规律,对摩擦副滑摩过程中微凸体和油膜剪切作用产生的摩擦热进行分析,得到它们径向呈线性和抛物线的分布规律,讨论接合油压和相对滑摩转速对微凸体和油膜剪切作用产生摩擦热的影响,并通过钢片的温度场实验对模拟结果加以验证。研究表明:接合油压越大,单位时间内微凸体和油膜剪切作用产生的摩擦热越大,单位时间产生摩擦热峰值的时间越提前;相对转速差越大,微凸体在滑摩过程中单位时间产生的摩擦热越大,油膜则与之相反,且相对转速的变化对单位时间产生摩擦热峰值的时间无影响。     

考虑表面粗糙度的湿式离合器啮合过程分析

湿式离合器在实际啮合过程中,离合器摩擦片高速运转,摩擦副接触为2个随机粗糙表面的接触,因此分析离合器啮合过程必须考虑摩擦片惯性及摩擦副表面粗糙度的影响.采用Greenwood-Tripp两粗糙表面接触模型,并考虑惯性的影响,对主动盘下表面有摩擦材料的湿式离合器的啮合过程进行分析,建立基于Patir-Cheng平均流量模型的研究模型,推导出摩擦副的润滑控制方程,并进行求解.理论计算得出的啮合转矩变化与实验结果相吻合,验证了理论分析的正确性.     

Effect of operation parameters on thermal loading of wet brake discs: Part 2. Study results

The paper presents the results of a numerical study of a number of operation parameters on the thermal loading of the friction pairs of an wet brake with the radial arrangement of oil grooves. The regularities of the formation of the three-dimensional transient temperature field in the brake discs in the stationary friction mode are determined. The functional dependences of the maximal temperature of the discs with the linings made of various frictional materials on the operation parameters are obtained.     

二维轴对称摩擦制动器瞬态热弹性失稳的研究

提出考虑摩擦层闸片厚度的影响,建立二维轴对称摩擦制动器热弹性失稳的数学模型。基于扰动分析法,推导摩擦副的温度场扰动以及不同热点分布模式下的热特征平衡方程。研究临界速度和扰动增长系数的变化规律。计算摩擦面瞬态名义温度随制动时间的变化关系。分析和比较不同摩擦副厚度比、热导率、弹性模量、比热容以及热膨胀系数对系统稳定性的影响。结果表明,当热点呈反对称分布时,系统发生热弹性失稳时所需的最低临界速度远低于对称分布模式,临界速度随扰动频率的增加呈先减小后增加的变化趋势。不同扰动频率对应的扰动增长系数随滑动速度近似呈线性增加,最低临界扰动频率对应的扰动增长系数最大。当扰动频率低于临界扰动值时,温度随扰动频率的增加而增加,反之,则降低。增加摩擦副的厚度、摩擦层闸片的热导率和比热容以及减小滑动层制动盘的热导率和热膨胀系数和摩擦层闸片的弹性模量均可以提高滑动摩擦系统的稳定性。