湿式多片制动器摩擦片温度分布规律

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2001.06.016 第23卷第6期 北京科技大学学报 VoL23 No.6 2001年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2001 湿式多片制动器摩擦片温度分布规律 李非雪张文明方湄 北京科技大学土木工程学院，北京100083 情要由于湿式多片制动器摩擦片径向尺寸大，而且摩擦材料弹性模量也大，因此摩擦片 更容易受热-弹性变形的影响，将湿式多片制动器摩擦表面温度的实验测量数据与有限元分析 结果进行比较，得出湿式多片制动器表面温度分布的规律 关铺词湿式多片制动器；热-弹性变形；温度分布 分类号U463.51 湿式多片制动器制动时的工作原理是通过 湿式多片制动器制动时，由摩擦产生的热 摩擦，使相对滑动的摩擦片相对静止，车辆的动 引起摩擦片出现热变形，改变了摩擦材料表面 能转化为摩擦副的热能，摩擦片及冷却油温度 的压力分布；由式(I)可知，压力分布又决定了 升高.摩擦片各种形式的损坏的主要原因是摩 产生的摩擦热分布.这种相互关系形成的热-弹 擦所产生的热量超过了摩擦材料的极限热容 性系统，在一定情况下将变得不稳定，在压力较 量.摩擦副温度场的变化规律和分布特点在很 高的区域，摩擦片产生了局部的热膨胀，引起压 大程度上确定了摩擦磨损特性和摩擦副的结 力集中，从而引起很高的局部温度和应力.这种 构，在温度场计算的基础上可以选择摩擦材料 现象称为摩擦引起的热-弹性不稳定.热一弹性 并进行结构分析. 不稳定现象在湿式和干式摩擦中均会产生， 1数学模型 2湿式多片制动器与离合器的比较 对于制动过程中的摩擦片，热传导是瞬态 文献[]用有限元计算了纸基湿式多片离合 过程，接触表面的热量输入用热流密度来表示： 器摩擦表面出现热一弹性不稳定的条件.湿式多 qr,)=μpr,)ot)r (1) 片离合器是高速、小扭矩设备，它的摩擦表面热 式中：4为摩擦系数，pr,)为表面上沿径向的接 流密度主要产生于大的相对滑动速度w().在 触压力分布，()为摩擦片之间的相对滑动角 正常工作时，摩擦热引起结构变形和局部的热 速度.摩擦片是热的导体，所以热流密度在两接 膨胀，但不会产生永久的变形：只有当转速高于 触表面之间进行分配.接触表面上的内部边界 一定值时，才会由于热应力太大而产生永久的 条件是温度的连续性， 变形 T(tzr=T(t,z儿r (2) 从摩擦生热角度来看，制动器和离合器是 式中，T和T2和2个接触表面上的温度分布，z 相同的，都是将车辆动能转化为摩擦热.与湿式 是摩擦表面的坐标.摩擦热q(r,)为接触表面x=z' 多片离合器相比，湿式多片制动器是低速、大扭 上的内热源.该公式精确给出了表面上热流密 矩设备，摩擦表面热流密度增大的主要原因是 度的分配，无需再假定2个表面之间的热流分 大制动扭矩，扭矩过高，制动器摩擦热也过高， 配比例.条件(2)成立的条件是两表面之间存在 热-弹性变形引起制动器摩擦片的永久变形. 接触，即： 车辆轮边湿式多片制动器的又一特点是径 p(r,>0 (3) 向尺寸大，选用的摩擦材料既有弹性模量大的 烧结青铜材料，又有弹性模量小的纸基材料，对 收稿日期2000-12-15李非女，24岁，博士 于自动变速箱中的湿式多片离合器，径向尺寸

第 23 卷 第 6 期 2的 l 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n . l o f U o iv e sr iyt o f s e ie . e e a n d l权 h . o l o 盯 eB ij in g V匕L 23 No . 6 Dce . 2 0 1 湿式多片制动器摩擦片温度分布规律 李非雪 张文 明 方 涓 北京科技 大学土 木工程学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 由于湿 式 多片制动器摩擦片径 向尺寸大 , 而 且摩擦材料 弹性 模量也 大 , 因此章擦片 更 容易受热一 弹性变形 的影响 . 将 湿式多 片制 动器摩擦 表面温度 的实验测 量数据与有限元分析 结 果进行 比较 , 得 出湿式 多片制 动器表 面温度 分布 的规律 . 关扭词 湿式 多 片制 动器 ; 热一弹性 变形 ; 温度分 布 分类号 U 4 6 3 . 5 1 湿式多片制动器制动时的 工作 原理是通过 摩擦 , 使相对滑 动的摩擦片相对静止 , 车辆 的动 能 转化 为摩擦 副的热 能 , 摩擦片及 冷却油温度 升 高 . 摩擦片各种形式 的损坏的主要原 因是摩 擦 所产 生 的 热量超 过 了摩 擦材 料 的 极 限 热容 里 . 摩擦 副温 度 场的 变化规律和 分布特点 在很 大 程度 上 确 定 了摩 擦磨 损特性 和 摩 擦副 的结 构 , 在温度 场计算 的基础 上可 以 选择摩擦材料 并 进行 结构 分析 . 湿式 多 片制动器制动时 , 由摩擦产生的热 引起 摩擦片出现热变形 , 改变 了摩擦材料表 面 的压力分布; 由式 ( l) 可知 , 压力分布又 决定 了 产生 的摩擦热分布 . 这种相互关 系形成的热一弹 性 系统 , 在一 定情况下 将变得不 稳定 , 在压力较 高的 区域 , 摩擦片 产生 了局 部的热膨胀 , 引 起压 力集 中 , 从而 引起很高的局部温度和 应力 . 这种 现象称为摩擦引起的 热一 弹性 不稳定 . 热一 弹性 不 稳定现象在湿式和干式摩擦 中均会 产生 . 1 数学模型 对 于制动过 程 中的摩擦 片 , 热传导是瞬态 过 程 , 接触表面 的热量输人用热流密度来表示 : , ( r , t) = 产 · 夕( r , t) · 山 ( r ) · r ( l ) 式 中甲为摩擦 系数 , 爪r, ,) 为表 面上 沿径向的接 触 压力 分 布 , 。 ()t 为摩擦 片之 间 的 相对 滑 动角 速度 . 摩擦 片是热的导体 , 所以热流密度在两接 触 表面 之间 进行 分配 . 接触表面 上 的 内部边界 条件是温度 的 连续性 . 不(t 声 )}川 = 兀(t , )z } 。 (2 ) 式 中 . 乙 和 兀 和 2 个接触表面 上 的温度分布 浏 是摩擦表面 的坐标 . 摩擦热试r, )t 为接触表面=z ’ 上 的内热源 . 该公式精确给 出 了表 面上 热流 密 度 的分配 , 无需再假定 2 个表面 之 间的热流 分 配 比例 . 条件( 2) 成立 的条件是两 表 面之 间存在 接触 , 即 : 尸 ( r , r ) > o ( 3 ) 收稿 日期 2 0 0企 12 一 1 5 李非 雪 女 , 2 4 岁 , 博 士 2 湿式 多片制动器与离合器韵 比较 文献【l] 用有限 元计算 了纸基湿式多片离合 器摩擦表面 出现热一弹性不稳定的条件 . 湿式多 片离合器是高速 、 小扭矩设备 , 它的摩擦表面热 流密度主 要产生 于 大的相对 滑动速度 。 (t) , 在 正 常工 作时 , 摩擦热引起结构变形和 局部的热 膨胀 , 但不会产生 永久 的变形 ; 只有当转速高于 一 定值时 , 才会 由于 热应力 太大 而产 生永久的 变 形 . 从摩擦 生热角度来 看 , 制动器和 离合器是 相同的 , 都是将车辆动能转化为摩擦热 . 与湿式 多片离合器相 比 , 湿式 多片制动器是低速 、 大扭 矩设 备 , 摩擦表面 热流密度增大的主 要原因是 大制动扭矩 , 扭矩 过高 , 制动器摩擦热也过高 , 热一 弹 性变 形引起制动器摩擦 片的永 久变形 . 车辆轮边湿 式多片制动 器的 又 一特点是径 向尺 寸 大 , 选用 的摩 擦材料既有 弹 性模量大的 烧结青铜材料 , 又 有弹性模量小 的纸 基材料 . 对 于 自动 变 速箱中 的 湿式多 片 离合器 , 径 向尺 寸 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 06. 016

·540· 北京科技大学学报 2001年第6期 的要求是r/R=0.7~0.8,摩擦材料以纸基材料和 弹性材料为主.文献[1,2]认为，离合器由于径向 尺寸小，同时纸基材料的弹性模量小，则可以视 对偶钢片 铜摩擦片 为摩擦表面压力均匀分布，平均半径处的温度 铜摩擦片 可以代表整个表面内的温度分布. 设计轮边湿式多片制动器时，由于径向尺 村板 活塞压力盘、 寸大，为防止整个表面上温度分布不均匀，引起 摩擦片翘曲变形，对内外径尺寸的要求是： R-<60mm.关于湿式多片制动器摩擦表面压 力分布的说法有几种： ()摩擦表面由于均匀磨损，所以整个表面 内温度均匀分布，压力与半径成反比 图1制动醒横型 (2)摩擦表面初始压力均匀分布，由于在接 Fig.1 Brake model 合过程中出现热膨胀，所以压力与半径成正比 分布御 温度分布、应力分布以及接触压力分布，作为下 (3)通过改变制动器的一些结构参数，使制 一个时间步的初始条件和边界条件：继续求解， 动器摩擦表面热流密度在最初接合时即达到均 直至相对滑动速度为0.这样，就可以得出整个 匀分布，不考虑摩擦片的磨损 制动过程中的温度场、应力场以及压力分布，观 湿式多片制动器表面压力分布和温度分布 察摩據偶件的变形程度. 的分析多为理论分析，实验验证不多 4结果的比较 3试验测试与数值模拟 文献[]和[3]均用实验测量并给出了制动 扭矩，角速度随时间的变化规律如图2和图3. 湿式多片制动器摩擦副模型如图1，结构和 随时间变化的扭矩、角速度是数值模拟的条件 边界条件均为轴对称.为进一步证明由于径向 实验设计时，由于摩擦副径向尺寸大，活塞作用 尺寸对热-弹性不稳定温度分布的影响，实验制 位置较靠近摩擦副内径，所以测量出内径处温 动器模型的尺寸为R=130mm,r=40mm,采用 度值较高。 黄铜作为摩擦材料.在对偶钢片距摩擦表面】 图4为数值模拟所得温度曲线，图5为实 mm处，沿径向粘贴5个热电阻，精确测量整个 验测量的温度曲线，图6为制动结束后摩擦片 摩擦表面内的温度分布规律. 表面的实际状态.数值解与实验结果近似，可以 制动器转轴以及大配重由一个转速恒定为 证明该数值模型的正确性，图7为出现翘曲后 950tmm的电机带动，作用于活塞的压力由液 所测得温度场分布.对于有相同径向尺寸而弹 压泵站控制，实验模型可以模拟制动器的工作 性模量摩擦材料不同的制动器，摩擦表面温度 状态. 分布也不相同. 为求解该模型，采用ANSYS5.5软件进行 本文分别计算了对于实际尺寸(R=227.5 有限元分析，分别采用了热一结构耦合单元 mm,=l85mn)的制动器，当采用弹性模量E= PLANE13、面一面接触单元TARGEI69和CON- 3000MPa的烧结金属和E=180MPa的纸基材料 TAC17L.由于是瞬态问题，而且内热源q(r,)是 时，摩擦表面的温度场分布，如图8和图9.由图 随着时间改变的，求解步骤如下：首先，分析初 可见，纸基材料由于弹性模量小，因此可以将接 始温度和制动压力下的弹性接触，得出接触表 触压力和摩擦产生的热均匀地分布在摩擦表面 面的压力分布；再将整个制动过程分为几个时 上；烧结金属摩擦材料则由于弹性模量大，表面 间步，每个时间步又分为几个子步，由q,)= μpr,)ω()r得出第1个时间步长的内部热流 温度分布不均匀，摩擦热分布也不均匀，摩擦 片内应力集中程度太大将引起摩擦片的永久变 密度边界条件，求解该时间步，得出该条件下的 形

一 5 4 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 年210第0 ` 期 的要求是 尸祝 二 刁0. 7 . 8 , 摩擦材料 以纸基材料和 弹性材料为主 . 文献〔1 , 2] 认为 , 离合器 由于径 向 尺 寸小 , 同时纸基材料 的弹性模量小 , 则 可 以视 为摩擦表面 压力均匀分布 , 平均半径处的温度 可 以 代表整 个表面 内的 温度分 布 . 设计轮边湿式 多片制动器时 , 由于径 向尺 寸大 , 为防止整个表面 上温度分布不均匀 , 引起 摩 擦 片翘 曲变形 , 对 内外 径 尺 寸的 要求 是 : R 一 r< 60 ~ . 关 于 湿式 多 片制动器摩擦表 面 压 力分布的说法有几 种 : ( 1) 摩擦表面 由于均匀磨损 , 所以整个表 面 内温 度均匀分布 , 压 力与半径成反 比阴 . (2 )摩擦表面初始压 力均匀分 布 , 由于在接 合过程 中出现热膨胀 , 所以 压力 与半径成 正 比 分布 , 5、 , (3 )通过改变制 动器 的一 些结构参数 , 使 制 动器摩擦表 面热流密度在最初接合时即达到均 匀分 布 , 不 考虑摩擦片的磨损叭 湿式多片制动器表面压力分布和温度分布 的分 析多为理论 分析 , 实验验证不 多 . 对偶钢片 铜摩擦 片 铜摩擦片 活塞压 力盘 、 \ 、 里 一尸 产沪 z / 护z . . . . 曰. . . 习 圈 1 制 动公橄型 F馆 . 1 B r . .k . o d e l 温度分布 、 应力分布以及 接触压力分布 , 作 为下 一个时间步的 初始条件 和边界 条件 ; 继续求解 , 直至相对滑动速度为 0 . 这样 , 就可 以得 出整个 制动过程中的温度场 、 应力场 以 及压力分布 , 观 察摩擦偶件 的变形程度 . 3 试验测试与数值模拟 湿式多片制动器摩擦 副模型如图 1 , 结构和 边界条件均 为轴对称 . 为进一 步证明 由于 径向 尺 寸对热一 弹性不稳定温度 分布的影响 , 实验制 动器模 型 的尺 寸为 R 二 13 0 mln , ; 二 40 咖 , 采用 黄铜作 为摩擦材料 在对偶钢片距摩擦表 面 1 r n r n 处 , 沿径向粘贴 5 个 热电阻 , 精确测量整个 摩擦表面 内 的 温度分布规律 . 制动 器转轴 以 及大配重 由一个转 速恒 定为 9 5 0 r/ m m 的 电机带 动 , 作用 于 活 塞的压力 由液 压 泵站控制 , 实验模 型 可以模拟制动器 的工作 状态 . 为求解 该模型 , 采用 A N S Y S S , 5 软件进行 有 限元 分析 , 分别采 用 了热一结 构祸合单元 P L A N E 1 3 、 面 一面 接触单元 T A R G 1E 69 和 C O N - AT c 17 1 . 由于 是瞬态 问题 , 而 . 且内热源 q (r, )r 是 随着 时间改 变的 , 求解 步骤 如下 : 首 先 , 分析初 始温度 和制 动 压力 下的弹性接触 , 得出 接触表 面的压力 分 布 ; 再将整个制 动 过程分为 几个时 间步 , 每个时间步 又分 为几个子步 , 由q认)t 二 户 P认)t · 。 ()t · , 得 出第 l 个时间步长的内部热流 密度边界条件 , 求解该时间步 , 得 出该条件下的 4 结果的比较 文 献【1 和 口j 均用 实验测 量并给 出 了制动 扭矩 、 角速度随时间的变化规 律如图 2 和 图 3 . 随时间变化的扭矩 、 角速度 是数值模拟的条件 . 实验设计时 , 由于摩擦副径 向尺寸大 , 活塞作用 位置较 靠近摩擦 副内径 , 所以 测量 出内径处 温 度值较高 . 图 4 为数值模拟所得温度曲线 , 图 5 为实 验测 量的温度曲线 , 图 6 为制动结束后 摩擦 片 表面的实际状态 . 数值解与实验结果近似 , 可以 证明该 数值 模型的正确性 . 图 7 为出现 翘曲后 所测得温度场分 布 . 对于 有相同径 向尺 寸而弹 性模量摩擦 材料不同的制动 器 , 摩擦表面温度 分布也不 相同 , 本 文分 别 计 算 了对 于 实 际 尺 寸 (R 魂27 万 mnI , =r 185 朋 ) 的制动 器 , 当采用 弹性模量 于 3 0 0 M Pa 的烧结金属和于1 80 M aP 的纸基材料 时 , 摩擦表面的温度场分布 , 如图 8 和图 9 . 由图 可见 , 纸基材料由于弹性模量小 , 因此可以将接 触压力和摩捺产生 的热均匀地分布在摩擦表面 上 ;烧结金属摩擦材料则由于 弹性模量大 , 表 面 温度分布不 均匀 , 摩擦热分布也不 均匀 , 摩擦 片内应力集 中程度 太大将引起摩擦 片的 永久 变 形

Vol.23 李雪非等：湿式多片制动器摩擦片温度分布规律 541· 0 0.20.4 0.6 0.8 tis 图2制动压力随时间的变化 Fig.2 Braking pressure variation vs.times 图6制动结束后的实际摩擦表面，制动压力3MPa 100 Fig.6 Friction surface after braking,braking pressure 呢 3MPa 130 制动压力2MPa 60 C4 制动时间0.98s 110 40 P 90 20 C2 C3 0 70 0 0.20.4 0.6 0.8 C5 CL t/s 50 65 61 69 717375 图3角速度随时间的变化 t/s Fig.3 Angular velocity variation vs.times 图7发生翘曲后测量的温度分布 130 Fig.7 Measured temperature distribution after disk dis- C4 torted 120 C2 92 制动压力3MPa C3 制动时间1.2s 110 84 C3 C4 C5 100 云 90 68 CI 0 2 3 4 60 C5 t/s 0.0 0.5 1.0 1.52.02.5 图4数值模拟制动器摩擦表面温度(C1一C5热电耗测点) t/s Fig.4 Brake friction surface temperature digital analogue 图8烧结金属摩擦材料，E=3000MPa 130 Fig.8 Test of sinter metal friction material C4 68C3C4 C2 120 64 C2 Cs CI 110 C3 60 100 CI 56 C5 制动压力1.3MPa 90 52 制动时间1.2s 0 8 1620 0.00.5 1.01.5 2.02.5 t/s T/s 图5实测表面温度（制动压力3MPa制动时间0.76） 图9纸摩擦材料，E=180MPa Fig.5 Test of temperature distribution Fig.9 Test of paper material

·542· 北京科技大学学报 2001年第6期 5结论 ed Changes of Contact Pressure.SAE Paper,982035 2 Yang Yubo.Theoretical and Experimental Studies on the 对于径向尺寸大、使用不同摩擦材料的湿 Thermal Degradation of Wet Friction Materials.SAE Pa- 式多片制动器，制动过程中存在热-弹性不稳定 per,970978 现象，摩擦表面温度和压力的分布也不完全相 3张文明，申焱华，张卫钢，等，湿式制动器的制动过程 和擦温度场的研究.有色金属，1997(1)：14 同.在进行制动器结构设计和摩擦材料的选择 4张云龙.湿式多片制动器摩擦机理与摩擦偶件非稳 时，应考虑由热引起弹性变形对摩擦片温度场 态温度场研究：[学位论文].长春：吉林工业大学， 和压力场分布的影响 1994 参考文献 5朱经昌，魏官郑幕桥，等.车辆液力传动（下册）.北 京：机械工业出版社，1985 1 Przemyslaw Zagrodzki.Analysis of Temperatures and 6 William C Opthwein.Clutches and Brakes.New York: Stresses in Wet Friction Disks Involving Thermally Induc- Marcel Dekker,INC,1986 Wet Multi-disc Brake Temperature Distribution LI Feixue,ZHANG Wenming,FANG Mei Civil and Environment Engineering SchooL UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Since wet multi-disc brake has large radius dimension,its friction materials'elastic modulus is also large,it is easier to be influenced by thermal-elastic distortion.The rulles of temperature distribution on friction surfaces in wet multi-disc brake are analyzed with Finite Element Analysis.These predictions are con- firmed by experiments. KEY WORDS wet multi-disc brake;temperature distribution;thermal-elastic distortion

一 5 42 - 北 京 科 技 大 学 学 报 20 1 年 第` 期 5 结论 对于 径 向尺 寸大 、 使用不 同摩擦材料 的湿 式多片制动器 , 制动过程中存在热一 弹性不稳定 现象 , 摩擦表 面温度 和压力 的分布也不完全相 同 . 在进行制动器结 构设计 和摩擦材料 的选择 时 , 应考虑 由热引起 弹性变形对摩擦 片温度场 和压力场 分布 的影 响几 参 考 文 献 I P” 男 m y s l aw 助『od kz i . A n a ly s i s o f eT m P e ar t切限 5 an d S加s s e s i n Mle t F ir ot i o n D i s kS I n vo vl ign T h e mr . l ly Idn uc - M念t M u it i 一 d i s e B r ak e e d C肠m g e s o f C o n at c t 阮 s s uer . s A E P a ep r, 9 82 03 5 介叩 uY ob . hT e o ert i e a l an d E xP e ir m e ant l S扣 di . s o n het Th . mr ia D e梦山ti o n o f w 七t Fir c ti o n M aet ir al s . S A E Pa - P e t, 9 70 978 张文 明 , 申众华 , 张卫钢 , 等 . 湿式 制动 器的制 动过程 和章擦温度场的研究 . 有色金属 , 19 97( :l) l4 张云龙 . 湿 式多 片制 动器摩擦 机理 与摩擦偶 件非稳 态 温度场研 究 : [ 学位论文 〕 . 长春 : 吉林 工业大学 , 1994 朱经 昌 ,魏 官 ,郑幕桥 ,等 . 车辆液力传动 ( 下册 ) . 北 京 :机 械工业 出版社 , 1 98 5 铂l li am C 印山w e in . C I吹h e s 助d B r ak e s . N ew oY kr : M a r c . l D e k ;er . NI C , 19 8 6 eT m P e r a 权ir e D i s tr ib u t i o n L I eF 瓦u e, 乙杜注N G 环乞n m i gn, FA N G人企 i C i v il an d Evu ior mn e n t En gin“ n刀 9 Sc h o ` U S T B峋 ign , 氏 ij 吨 10 0 0 8 3 , C h ian A B S T R A C T S in e e w e t mu it i 一 id s c b r ak e h a s l ar g e ar id u s d而en s ion , it s if e t ion m at 州 a l s , e l a st i e m o du lus 1 5 a l s o lar g e , it 1 5 e as i e r t o b e infl ue cn e d 勿 ht e n n a l 一 e las t ic d i s t o irt o n . Th e ur ll e s o f et m Pe r a h 叮 e d i s itr b u t i o n o n 示e t ion s ur af e e s in w e t mu lti 一 d i s c b邝改e aer an ly z e d w iht Fin iet E l em e in A n a ly s i s . hT e s e Per d i e t ion s aer e on - 6 n n de 勿 ex pe r im e in .s K E Y W O R D S w e t mu it i劝cs b r ak e ; t e m p e r at ur e id s itr b iut o n ; 山emr al 一 e l a st i e d ist o rt i o n