汽車自動調整臂的三維結構及預裝配設計,汽車,自動,調整,調劑,三維,結構,預裝,設計 對不同的通風熱結構行為在制動盤上的應用的研究 梅蘇特Duzgun 汽車工程系，工學部，Gazi大學，06500，安卡拉，土耳其 摘要 一個制動盤有關的最常見的問題是經濟過熱，影響制動性能，尤其是在持續(xù)制動工況下的車輛。在制動盤通風應用可顯著提高制動系統(tǒng)通過減少磁盤的加熱性能。在這項研究中，使用三種不同結構的通風制動盤的熱行為在熱應力和熱應力的有限元分析連續(xù)制動條件研究。結果進行了比較與固體盤。在堅實的制動盤減少到最大的通風應用24%熱發(fā)電。實研研究表明，有限元溫度分析結果在1.13%和10.87%之間的范圍。不過，熱應力的形成是較高的通風剎車盤與固體片的比較。 關鍵詞：制動盤；發(fā)熱；熱結構的行為；通風中的應用 1.引言 通風式制動盤或轉子被稱為高性能制動器，并通過凹陷或產生的槽（或兩者）對不同形狀的盤表面和側邊緣。通風制動盤的最初測試賽車在上世紀60年代的汽車，他們已經被廣泛應用在汽車和火車使用不同的設計[ 1,2 ]。在制動過程中的動能轉換成熱。周圍的90%的能量是由制動盤吸收，然后轉移到周圍的空氣。固體的制動盤熱消散較慢。因此，通風式制動盤，用于改善通過促進空氣循環(huán)冷卻[ 3，4 ]。他們一般具有對流換熱系數(shù)約兩倍那些實心圓盤[ 5 ]相關的大。有許多研究通風應用相關的在制動盤。尤伯和Heidenreich [ 6 ]制造三種不同的通風式制動盤的結構從碳纖維增強陶瓷基復合材料（CMC）和比較他們的優(yōu)勢。antanaitis和rifici [ 7 ]證明90洞交叉鉆孔模式改進的散熱能力該盤之間的8.8%和20.1%取決于車輛速度。aleksendric等人。[ 8 ]表現(xiàn)出的能力通風式制動盤轉子散熱的流動的有限有限元分析(FEA),文基塔漢姆和maharudrappa[ 9 ]進行了六種不同的流動和傳熱分析采用計算流體動力學的盤配置類型（CFD）和推薦的通風制動盤高速車輛。公園等。[ 10 ]設計了一個螺旋面內用于通風制動盤葉片。他們優(yōu)化的雷諾茲（Re），普朗特（Pr），和努塞爾數(shù)（Nu）他們設計并取得的44%個最大的改進傳熱。改進的制動褪色性和更高的在潮濕的條件下的制動性能是其他一些有用的通風制動盤方面。然而，他們也有一些缺點。開裂，就是其中之一，這一現(xiàn)象這已與相關的應力在制動[11]?；返热恕12]顯示的最大Von米塞斯應力的實際疲勞裂紋位于通風制動發(fā)電由熱應力分析鐵路車輛盤。同樣的，巴尼奧利等人。[ 13 ]進行有限元分析，以確定溫度分布和估計的von米塞斯應力分布在消防車制動產生的。黃吳[ 14 ]研究的溫度和熱應力在一個基于熱機械耦合通風制動盤模型。降低制動溫度和/或重新設計輪轂單元轉子有相當?shù)慕Y論麥金等人。[ 15 ]消除制動轉子裂紋。熱一代也會影響制動熱機械不穩(wěn)定性盤[ 16 ]。 以前的文獻主要集中在熱應力的形成在這項研究中，有限元法研究了三種不同的熱行為的通風剎車設計：交叉鉆孔（CD），十字槽（CS），和橫槽側槽（CS-SG）盤。然后對結果進行比較固體（SL）盤。也進行的實驗研究為了驗證有限元分析結果。 表1制動盤和焊盤的機械和熱性能。 圖1有限元網(wǎng)格模型。 2.熱結構的有限元分析有限元 三維（3D）的制動結構盤，剎車片，和裝配設計建模在軟件程序的1/1規(guī)模，然后導入到對于互動的熱結構的另一個軟件程序分析。制動盤和制動片為藍本，采用二次六面體網(wǎng)格類型。 二次六面體網(wǎng)格代被稱為他們的精度和計算效率[ 17 ]。摩擦具有二次四邊形單元式接觸對接觸盤墊之間的口定義。圖1顯示盤墊系統(tǒng)的網(wǎng)格模型。 灰鑄鐵，一種常用的椎間盤材料，用于制動盤。的機械和熱性能制動盤和墊在表1中給出。 通風式制動盤是根據(jù)螺旋槳設計—形孔和槽的位置的方法。為CD盤，設置為五和5.2mm直徑的孔在相等的時間間隔上的長度為60.54mm的弧。這些孔被復制在20組在磁盤表面的。因此，共100孔盤表面上鉆孔CD盤。對于CS盤，20通道（6.9毫米寬和長67.3毫米）被放置在一個堅實的盤表面。最后，本CS-SG盤的凹槽設計（4mm寬15mm深）在另一個CS圓盤的邊緣。因此，路徑開放外盤側邊得到提供更好的空氣流通。 2.1熱分析 環(huán)境溫度為在22盤的表面溫度為100前制動的熱分析，并與冷制動性能相關的[8]。目前的研究認為，熱耗散從制動盤的氣氛是通過對流，也被稱為牛頓冷卻定律。對流管由式（1），其中Q是傳熱速率（W），H對流換熱系數(shù)，一個是表面面積的轉子（），TS是制動表面溫度轉子（），和T∞是環(huán)境空氣溫度（）。的對流換熱系數(shù)應用到人體制動盤的邊界條件。因此，增加從傳熱的制動盤和減少光盤表面在制動盤的總表面面積的溫度，的傳熱系數(shù)采用逐漸增加通風中的應用。 （1） 層流的傳熱系數(shù)固體或非通風由被制動盤（2）（）[5]，其中d的外徑光盤（mm），再是雷諾茲數(shù)，和是熱空氣的導電率（/）。 (2) 同時，與傳熱系數(shù)通風制動盤層流近似方程（3）（層流狀態(tài)，）[ 5 ]，在哪里普朗特數(shù)，的液壓直徑（mm），是的冷卻葉片的長度（mm）。水力直徑（）被定義為四倍的橫截面的比率流動區(qū)域（潤濕面積）的孔和槽通風制動盤的潤濕周長除以所示圖2。 (3) 在這種情況下，雷諾數(shù)與速度有關的在孔和槽形葉片，目前的空氣流由式（4），其中一個是空氣的密度（），馬是空氣質量流量（），和vaverage是平均速度（）。 (4) 平均速度可以計算由式（5），NT在哪里每分鐘轉數(shù)（，），D是外徑該盤（mm），d盤的內直徑（mm），是孔或槽狀的葉片面積（）的出口區(qū)域，和是孔或槽狀的葉片面積（）的入口區(qū)域。 （5） 此外，空氣流量馬是由方程（6）： （6） 圖2。濕潤地區(qū)（水力直徑，DH），長孔和槽形冷卻葉片，和入口和出口地區(qū)的空氣流通風在這項研究中使用的制動盤。 圖3。制動卡鉗和制動盤。 2.1.1實驗研究 實驗研究進行了檢查，溫度在光盤表面的變化。為了這個目的，通風制動盤是從艾爾弗雷德特維斯制造（ATE）固態(tài)盤獲得他們的設計特點。的CD和CS的光盤上的三軸數(shù)控加工立式加工中心。為CS-SG側槽盤是在數(shù)控車削中心。盤溫度在制動測試系統(tǒng)測量了輸出。本系統(tǒng)由一個鉗機制如圖3中看到的，壓電晶體的力測量系統(tǒng)的踏板和制動力的變化，驅動發(fā)動機，變速箱，和指標制動踏板力和溫度。 對于溫度的測量，熱電偶的安裝在尺系統(tǒng)的應用。電機的功率為4千瓦。光盤的旋轉是順時針方向。ATE501FF的剎車片是用于試驗。實驗連續(xù)制動條件下進行在250 N個固定踏板力，和八周期制動溫度的測量被執(zhí)行在30，60，90，120，150，180，210和240s。 圖4。結構的制動盤模型。 2.2結構分析 盤溫度的熱分析得到的是進口的在結構分析模型的邊界條件。在結構分析中，相當于250 N 到9689 N踏板力對制動片每頂面在60的轉速（或角速度52.56）如圖4。該盤的率被認為是常數(shù)和所需的時間完全停止240s。通過被踏板力的值（7）[18]，是每個前缸活塞的力，F(xiàn)是在腳下的踏板力，的橫截面積前活塞隊，是主缸的橫截面積，是活塞的數(shù)量，2.3是踏板杠桿比，和2.75是伺服單元的影響。 （7） 這個計算是根據(jù)試驗設備進行了用于實驗研究。踏板力杠桿比率與伺服單元效果的測試設備的價值。根據(jù)等效模擬分析（馮—米塞斯）的應力分布。 表2。盤溫度的實驗和有限元分析結果。 圖5。對不同類型的制動盤熱發(fā)電。 3.結果與討論 3.1熱發(fā)電 實驗和有限元分析結果在表2中給出的在光盤表面生成熱。盤的表面溫度隨著制動時間為所有的閥瓣結構，增加。然而，所產生的熱量，顯著降低通風中的應用。之間的摩擦系數(shù)剎車墊和盤表面，減少取決于溫度漲[ 19，20 ]。因此，保持摩擦性能在高溫下墊了自我通風可能是在持續(xù)制動條件下的盤。圖5顯示了在光盤表面的溫度分布用有限元法在240年代末的最大溫度代發(fā)生在所有的閥瓣結構，中部地區(qū)，與相關的研究[類似] 12，14。然而，該溫度范圍從盤的中部地區(qū)的內部區(qū)域由于在冷卻的附加側CS-SG盤配置。最大熱發(fā)電固態(tài)盤表面約4%的CD盤的設計減少了。另一方面，而最大熱發(fā)電固態(tài)盤表面是在CS設計減少19%，它大約是在CS-SG設計減少24%。因此，它是有益的探討這些設計的熱應力行為。 3.2熱應力 圖6顯示了熱應力的分布在光盤表面采用有限元分析。通風應用的增加的熱應力在制動盤。熱應力的最大值位于對固態(tài)盤的內、外表面邊角。在CD盤配置的情況下，最大應力位于該孔內表面的。對于CS和CS-SG盤配置，最大應力的形成主要局限在槽內和表面接近該盤的外點。因此，特定的地區(qū)，在那里最大應力出現(xiàn)，應加強預防潛在的裂紋和疲勞問題。一個可能的解決方案不同的是散熱表面的設計通風式制動盤。因此，更均勻的熱從轉子對流可供盤表面。 圖6。熱結構行為的不同種類的通風固體的制動盤。 圖7。熱應力的變化，根據(jù)盤的表面區(qū)域。 這是證明了CS-SG設計在最大減少對通風制動盤應力的產生。在這項研究中，附加的熱應力耗散對盤表面進行了研究。圖7顯示了耗散特征。散熱孔和槽之間的表面弧的CD，確定檢查CS和CS-SG盤應力分布密集的地方發(fā)生摩擦墊與盤。通風制動盤的最大應力的位置圖6中看到的。熱應力減小的光盤和墊表面向中心點間該盤的內側和外側的區(qū)域的表面的SL配置。然而，表面上的CD盤的應力分布更均勻的固態(tài)盤的比較。為CS盤配置，而應力降低摩擦表面，他們逐漸增加朝向內和光盤的外表面，與CS-SG相似盤配置。這些結果將導致一個穩(wěn)定的磨損率在墊和SL和CD光盤的盤片表面。在另一方面，磨損率將與CS和不穩(wěn)定CS-SG盤。 4。結論 在這項研究中，三個不同的通風盤模型和他們的熱結構行為研究。實驗研究了熱分析結果在光盤表面。得出以下結論： 降低了堅實的制動盤表面產生的熱量通過通風應用到最大24%。實驗研究驗證有限元溫度場分析在1.13%和10.87%之間的范圍內的結果。這一結果將保持積極影響制動性能墊和盤表面之間的摩擦系數(shù)，和穩(wěn)定的磨損率的墊表面，特別是連續(xù)制動條件下。 熱應力的形成與通風剎車更高光盤（CD，CS和CS-SG盤）在那些比較固態(tài)盤。然而，最大應力的形成減少到11%和19%在另一個CS-SG盤配置比較其他通風盤設計。因此，CS-SG光盤可以更有效地減少熱量的產生和熱在通風制動盤應力。 在這項研究中，以增加從制動的熱傳遞光盤和減少總盤的表面溫度制動盤的表面面積，傳熱系數(shù)采用通風的應用逐漸增加。 符號意義： ：轉子表面的面積 ：交叉前活塞截面積 ：入口區(qū)的孔或槽形葉片 ：主缸的橫截面積 ：出口面積的孔或槽形葉片 ：盤的外徑 ：盤的內直徑 ：水力直徑 ：腳踏板力 ：每個前缸活塞力 ：對流換熱系數(shù) ：傳熱系數(shù) ：空氣的導熱系數(shù) ：冷卻葉片的長度 ：空氣質量流量 ：每分鐘轉數(shù) ：活塞數(shù) ：普朗特數(shù) ：傳熱率 ：雷諾茲數(shù) ：周圍空氣溫度 ：表面溫度 ：平均速度 ：空氣密度 參考文獻 [1] T. 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