双金属鼓式制动器高温工况的试验与仿真

doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.02.004

汽车安全与节能学报 ›› 2021, Vol. 12 ›› Issue (2): 173-179.DOI: 10.3969/j.issn.1674-8484.2021.02.004

双金属鼓式制动器高温工况的试验与仿真

边疆(), 王晓颖, 桂良进, 范子杰^*()

清华大学车辆与运载学院,和汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084,中国

收稿日期:2021-03-09 出版日期:2021-06-30 发布日期:2021-06-30
通讯作者: 范子杰
作者简介:*范子杰,教授。E-mail: zjfan@tsinghua.edu.cn。
边疆（1995-）,男（汉）,河北,硕士研究生。E-mail: bj18@mails.tsinghua.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51475255);清华大学校企合作项目(20192002040)

Experiments and simulations of bimetal drum brakes at high temperature conditions

BIAN Jiang(), WANG Xiaoying, GUI Liangjin, FAN Zijie^*()

School of Vehicle and Mobility, Tsinghua University, and State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy, Beijing 100084, China

Received:2021-03-09 Online:2021-06-30 Published:2021-06-30
Contact: FAN Zijie

摘要/Abstract

摘要：

对于某重型卡车的双金属鼓式制动器,在近500 ℃高温工况下,进行了台架试验,测量了制动器在制动过程中的动态应变和动态温度特性。采用ABAQUS有限元（FE）软件,进行了热—应力—磨损耦合仿真分析。结果表明：制动鼓外表面的周向应变呈现近似周期性的交变特性;周向为制动鼓的主要变形方向,最大周向应力出现在开口边缘处;摩擦片的磨损量分布极不均匀。验证了该双金属鼓式制动器有限元计算模型的准确性,试验与仿真结果可为鼓式制动器的失效分析和结构优化提供基础。

关键词: 汽车安全, 双金属鼓式制动器, 高温工况, 动态应变, 动态温度, 有限元（FE）软件

Abstract:

A bench test was carried out at high temperature working conditions of nearly 500 ℃ for a bimetal drum brake of a heavy truck to explore the dynamic characteristics in the working process of the brake. Measured the dynamic strains and the dynamic temperature properties for the brake during braking. Conducted thermal-stress-wear coupling analysis by using a finite element (FE) software ABAQUS. The results show that the circumferential strain on the brake drum outer surface exhibits an approximately periodic alternating characteristic. The circumferential direction is the main deformation direction of the brake drum, and the maximum circumferential stress appears at the opening edge. The friction lining wear distribution is extremely uneven. These results verify the good accuracy of the bimetal drum brake FE model, which can be used as a basis of the failure analysis and structural optimization for bimetal drum brakes.

Key words: vehicle safety, bimetal drum brake, high temperature conditions, dynamic strain, dynamic temperature, finite element (FE) software

中图分类号:

U467.5+23

边疆, 王晓颖, 桂良进, 范子杰. 双金属鼓式制动器高温工况的试验与仿真[J]. 汽车安全与节能学报, 2021, 12(2): 173-179.

BIAN Jiang, WANG Xiaoying, GUI Liangjin, FAN Zijie. Experiments and simulations of bimetal drum brakes at high temperature conditions[J]. Journal of Automotive Safety and Energy, 2021, 12(2): 173-179.

图/表 17

工况	转动惯量	初始温度	初始速度	制动气压
工况	t·m²	℃	km·h^-1	MPa
紧急制动	1.475	80	60	1.00
加速疲劳	2.650	100	120	0.40

表1 台架试验工况参数

图1 无线数据采集仪器可靠性验证试验示意图

图2 高温应变计粘贴位置

图3 制动蹄总成中热电偶位置

图4 惯性试验台架传感器安装和器材布置 1-法兰盘; 2-主轴; 3-无线数据采集仪器; 4- -高温应变片; 5一K型热电偶; 6-制动器总成; 7-作动气缸; 8一凸轮轴。

温度	比热容	导热系数	线膨胀系数	弹性模量	密度	Poisson比
℃	kJ·（kg·K） ^-1	W·（m·K） ^-1	10^-6 K ^-1	GPa	kg·m ^-3	Poisson比
20	0.855	3.20	8.64	11.7	2 056	0.27
100	1.012	3.18	17.56	10.0	--	--
200	1.239	3.19	29.69	4.3	--	--
300	1.124	2.61	12.00	2.7	--	--

表2 摩擦材料性能参数

图5 双金属鼓式制动器有限元模型

图6 高温应变计热输出曲线

图7 紧急制动工况下制动鼓外表面周向应变—时间

图8 紧急制动工况下制动蹄总成上4个测点温度—时间

图9 加速疲劳工况下制动鼓外表面周向应变—时间

图10 加速疲劳工况下制动蹄总成上4个测点温度—时间

图11 加速疲劳工况下有限元与试验应变

图12 加速疲劳工况下有限元与试验温度

图13 加速疲劳工况下双金属制动鼓周向应力分布

图14 周向应力最大位置的应力—时间

图15 加速疲劳工况下摩擦片磨损量分布

参考文献 13

[1]	陈汉汛, 朱攀. 摩擦材料引起制动器热衰退的机理的研究与探讨[J]. 材料导报, 2006,20(S1):275-277.
	CHEN Hanxun, ZHU Pan. Research and discussion on the mechanism of brake heat fading caused by friction materials[J]. Mate Revi, 2006,20(S1):275-277. (in Chinese)
[2]	Day A J. An analysis of speed, temperature, and performance characteristics of automotive drum brakes[J]. J Tribology, 1988,110(2):298-303. doi: 10.1115/1.3261604 URL
[3]	Singh O P, Mohan S, Mangaraju K V, et al. Thermal seizures in automotive drum brakes[J]. Engig Failure Anal, 2010,17(5):1155-1172.
[4]	陈兴旺. 鼓式制动器制动温度场的研究[D]. 西安: 长安大学, 2006.
	CHEN Xingwang. The thermal field analysis of drum brakes[D]. Xi’an: Chang’an University, 2006. (in Chinese)
[5]	张方宇, 桂良进, 范子杰. 鼓式制动器热-应力-磨损耦合行为的研究[J]. 汽车工程, 2016,38(04):466-472.
	ZHANG Fangyu, GUI Liangjin, FAN Zijie. Research on thermal-stress-abrasion coupling behavior of drum brake[J]. Automotive Engineering, 2016,38(4):467-472. (in Chinese)
[6]	许自涛. 鼓式制动器应力分析与试验测试[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2011.
	XU Zitao. The stress analysis and experimental study of the drum brake[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2011. (in Chinese)
[7]	姚艳春, 王国权, 杜春英, 等. 重载鼓式制动器动力学特性有限元分析[J]. 北京信息科技大学学报: 自然科学版, 2014,29(1):37-42.
	YAO Yangchun, WANG Guoquan, DU Chunying, et al. Dynamic FEA analyses of heavy vehicle drum brake system[J]. J Beijing Info Sci Tec Univ: Nat Sci Ed, 2014,29(1):37-42. (in Chinese)
[8]	王晓颖, 范子杰, 王青春, 等. 鼓式制动器动态应变和温度特性试验研究与分析[J]. 工程力学, 2018,35(10):222-228, 237.
	WANG Xiaoying, FAN Zijie, WANG Qingchun, et al. Experimental investigation and analysis on dynamic strain and temperature of drum brake[J]. Engi Mech, 2018,35(10):222-228, 237. (in Chinese)
[9]	全国汽车标准化技术委员会. QC/T 239-2015商用车辆行车制动器技术要求及台架试验方法[S]. 北京: 中国计划出版社, 2015.
	National Automotive Standardization Technical Committee. QC/T 239-2015 Specifications and bench test methods for commercial vehicle service brake[S]. Beijing: China Planning Press, 2015. (in Chinese)
[10]	GUI Liangjin, WANG Xiaoying, FAN Zijie, et al. A simulation method of thermo-mechanical and tribological coupled analysis in dry sliding systems[J]. Trib Int’l, 2016,103:121-131.
[11]	王晓颖, 范子杰, 边疆, 等. 鼓式制动器疲劳寿命预测[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2021,61(1):21-27.
	WANG Xiaoying, FAN Zijie, BIAN Jiang, et al. Fatigue life prediction method of drum brake[J]. J Tsinghua Univ: Nat Sci Ed, 2021,61(1):21-27. (in Chinese)
[12]	Sderberg A, Andersson S. Simulation of wear and contact pressure distribution at the pad-to-rotor interface in a disc brake using general purpose finite element analysis software[J]. Wear, 2009,267(12):2243-2251. doi: 10.1016/j.wear.2009.09.004 URL
[13]	陆明炯. 实用机械工程材料手册[M]. 沈阳: 辽宁科学技术出版社, 2004: 3-4.
	LU Mingjiong. Practical Mechanical Engineering Materials Handbook [M]. Shenyang: Liaoning Science and Technology Press, 2004: 3-4. (in Chinese)

[1]	李学鋆, 章菊. 考虑路面附着系数和车速的 AFS 可变传动比设计[J]. 汽车安全与节能学报, 2020, 11(3): 329-336.
[2]	吴玉宝，牛卫中，雷云涛. 两辆 SUV 乘用车侧碰耐撞性最差工况的判定[J]. JASE, 2020, 11(1): 79-85.
[3]	黄杰，刘西，胡远志，等. 充气式安全带对后排女性乘员的保护效果[J]. JASE, 2019, 10(1): 74-81.
[4]	林云成，宋家锋，刘升福，等. 基于竹节结构的保险杠横梁仿生优化及仿真分析[J]. JASE, 2018, 9(4): 410-417.
[5]	荣芩，吴晓东，许敏. 基于ISO 标准的道路车辆线控转向系统的功能安全概念设计[J]. JASE, 2018, 9(3): 250-257.
[6]	肖辉鹏，陈涛，段利斌，等. 基于计算机参数反求的汽车轮胎有限元建模与仿真[J]. JASE, 2018, 9(3): 258-264.
[7]	李卫兵，吴琼，王翔宇，等. 对开路面汽车紧急制动的稳定性控制[J]. JASE, 2018, 9(3): 272-280.
[8]	张瑞雨，马春生，许述财，等. 有质量差异的两车碰撞时车辆前端刚度的相容性匹配[J]. JASE, 2018, 9(3): 295-302.
[9]	屈贤，余烽，赵悦. 基于熵权灰色关联和 D-S 证据理论的疲劳驾驶险态辨识[J]. JASE, 2018, 9(2): 164-170.
[10]	赵树恩，张雄. 基于差动制动的车辆侧翻稳定性控制的数字仿真[J]. JASE, 2018, 9(2): 171-177.
[11]	徐军莉，闵建亮，胡剑锋，王平. 定性推理生成器在驾驶疲劳检测中的应用[J]. JASE, 2018, 9(01): 32-40.
[12]	曹立波，陈龙，吴俊，吴军亭，石先耀. 无固定壁障的对撞型台车小型试验装置及其吸能特性[J]. JASE, 2018, 9(01): 48-56.
[13]	魏祥民，严明月，汪䶮, 等. 基于路面识别的汽车紧急避撞控制算法[J]. JASE, 2017, 08(04): 359-366.
[14]	韩勇，贺伟，李泉，等. 基于视频信息的汽车碰撞事故中骑车人运动学响应分析[J]. JASE, 2017, 08(04): 381-387.
[15]	胡远志，胡源源，蒋成约，刘西，廖高健. 鞭打试验中BioRID II 与THUMS 模型颈部损伤对比[J]. JASE, 2017, 08(03): 239-245.

双金属鼓式制动器高温工况的试验与仿真

Experiments and simulations of bimetal drum brakes at high temperature conditions

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 17

参考文献 13

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

期刊信息

在线期刊

作者中心

审稿中心

联系我们