赛车制动转子总成热力耦合分析

赛车运动在美国东北部非常流行，仅纽约州北部就有多条赛道。Endeavos创新公司受AMT赛车公司委托，分析科威特C5和C6车型的制动转子总成。这些赛车需要在几秒钟内从170英里/小时减速至70英里/小时，并在一圈中多次重复此过程。制动转子盘通常会发出红热的光芒。这对制动转子总成造成极大应力，远超普通车辆的负荷。

采用有限元方法，通过热-结构耦合分析来确定制动转子总成在极端载荷下的安全性。

图1：显示制动转子总成各组件的CAD模型

有限元模型开发

系统的CAD模型如图1所示。该总成外侧连接轮毂，内侧连接车轴。缺少这两个组件会因热边界条件和结构边界条件不当而影响分析。因此，在子总成中添加了简化的轮毂和车轴实体（在图1中显示为透明）。这完善了分析所用的模型几何。

模型网格如图2所示。通过几次分析运行优化了网格尺寸，以在可接受的计算时间内实现充分收敛。通过尽可能使用六面体网格进一步提高了计算效率。

图2：有限元模型网格

载荷

确定适当载荷需要深入思考。制动时，制动片从两侧压在铸铁转子盘上。这产生巨大摩擦力，由于力臂作用也转化为扭矩。此外，温度如图3所示快速升高。高温会降低材料强度，但峰值温度与峰值动载荷和机械载荷并不同时出现。峰值载荷在制动开始的瞬间出现，此时除转子盘和制动片开始快速升温外，整个总成仍处于环境温度。关键组件铝制转子帽即使在几秒钟后仍基本保持环境温度。当整个总成接近稳态温度时，动载荷和机械载荷可能已不存在。因此，如果同时施加最大热载荷和机械载荷，可能得出关于系统安全性的错误结论。

在缺乏实际物理数据的情况下，得出的可能最坏情况是在达到稳态温度分布且总成开始冷却后重新制动。冷却阶段比升温阶段慢得多，因此假设稳态温度分布，转子盘维持在约600°F。峰值动载荷和机械载荷基于假设车辆在约10秒内从170英里/小时均匀减速至70英里/小时计算，相当于约4.5g的重力加速度。机械载荷包括旋转产生的离心加速度以及轮螺栓的预张力，如图4所示。

 

图4：制动转子总成上的机械载荷

图5：稳态热分析结果的温度分布（华氏度）

图6：铝制帽组件上的von misses应力分布

 

图7：螺栓连接的接触状态

图8：峰值载荷时螺柱与铝制帽组件接触的接触压力和接触状态

结果与结论

在应力分析前进行了稳态热分析。图5显示了铸铁转子盘和铝制帽的温度分布等高线图。图6显示了应力等高线。发现铝制帽中的峰值应力小于铝在峰值稳态温度下的屈服应力极限。

还研究了螺栓连接在峰值载荷下的接触状态，如图7和图8所示。在峰值载荷下，铝制帽接触面向中心保持粘着，但在螺柱孔半径周围相对于制动总成滑动。这意味着螺柱与铝制帽中的螺柱孔接触并挤压，如图8所示。

总体而言，考虑到此分析所基于的载荷假设，整个总成在极端载荷条件下被认为是安全的。下一个合理问题是制动总成在类似载荷条件下能持续多长时间或该子总成的寿命。为回答此问题，需进行疲劳分析。