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鼓式制动系统通过CAE和CFD转换为盘式制动器：优化制动转子设计并提高性能
摘要：Paper解释了将现有的鼓式制动系统转换为盘式制动系统，并在结构和热位上进行全面的数字验证，以确保在物理零件开发之前进行首次设计。为了根据车辆配置提供对制动系统的快速设计，修改和选择的杠杆作用，虚拟计算流体动力学（CFD）仿真过程被开发并且与测试结果一起验证。内部标准制动循环中制动鼓和制动盘上的温度变化是虚拟测量的，并与测试结果相关。CFD分析中也考虑了淡入淡出测试标准。
这种上升趋势必须考虑汽车领域的技术增强趋势和安全性。在目前竞争激烈的市场情况下，根据客户的要求，前盘式制动模块不仅对客车领域而且对商用领域车辆都是必不可少的。 制动系统设计是一项具有挑战性的任务，因为它处理安全规范，并且还需要满足严格的性能要求。制动转子是制动系统中非常重要的部件，预计可承受制动过程中的高制动力矩和散热。 因此，在车辆上安装之前，合理的设计和正确的选择对于制动系统是非常重要的。测量制动系统的制动盘，制动钳和轮毂的温升的严格测试程序对于车辆级别的物理测试也非常重要。
制动盘是盘式制动系统的主要组成部分，开发的第一步是设计计算，然后建立CAD模型，最后进行CAE仿真。在数字/ CAE验证和结构后分析，CFD分析过程中考虑的所有车辆级结构载荷均已完成。在制动热流量，网格划分方法和模拟过程中详细描述了制动热载荷循环。 对三种不同类型的光盘配置文件进行瞬态仿真。在制动系统的瞬态热模拟中，监测和评估盘和垫在不同位置处的最大温升。这些与鼓式制动系统的类似情况相比较。基于传导热损失和对流热损失计算，评估制动冷却效果。最后经过CFD分析确认制动器转子/制动系统设计被冻结。
关键词：CFD，制动器转子，CAE，热模拟
前言
制动系统的功能是通过摩擦将运动车辆的动能转换成热能。这个行为最终会减慢或停止车辆。
常规车辆采用了鼓式制动系统，其中衬有摩擦材料的制动蹄压紧制动鼓内侧以引起制动作用。在本文中，我们将鼓式制动器转换为盘式制动器，因为盘式制动器已证明比鼓式制动器更有优势。
制动盘冷却通过空气对流来实现。盘式制动器制动盘和摩擦衬块之间的空气循环流动性比鼓式制动器中的制动鼓和摩擦衬片的更好。
因此，在持续应用中，盘式制动器更有效。盘式制动器产生的热量散失得更快。与鼓式制动器相比，均匀的压力使盘式制动器的碟片能承受更高的温度。因此盘式制动器中的热应力和变形较小。盘式制动器在潮湿条件下的性能也优于鼓式制动器，因为水从制动盘上脱落而保持干燥，而鼓式制动器的内表面容易集水，不易脱落。
因此盘式制动器与鼓式制动器相比效率更高。制动系统的CFD分析有助于预测各种情况下制动器的状态。
因为制动将车辆重量向前推向前轮，通过减小制动距离来增加制动性能的盘式制动器的制动速度更快，这是一些商用车具有前盘式制动系统的原因。但是我们提出完整的和所有轮端模块作为盘式制动系统，那么它将进一步提高制动性能，并且所有轮端的制动响应时间也将相同。这会在制动过程中实现更好的同步。
随着模块化转子的建议和相邻零件的消除，盘式制动器的复杂性大大降低。
目前的鼓式制动系统比较复杂，如图1所示。当驾驶员踩下制动踏板时，位于鼓内的弯曲的摩擦衬片被向外推，与鼓内表面摩擦并减慢车轮。圆顶形结构可容纳摩擦衬片和内制动表面，松紧调节器保持制动衬片和制动鼓之间的间隙。
前制动模块 后制动模块
图1 鼓式制动模块
用盘式制动系统更换鼓式制动系统时，要根据包装视角对制动器转子进行设计，这一点至关重要。尽管不同的轮毂具有不同的安装面积，我们设计了转子轮廓，使得前后盘式制动器转子相同/模块化，如图2所示
前制动模块 后制动模块
图2 盘式制动模块
总之，改善后的盘式制动系统比鼓式制动系统更有优势
1.安全性的提高：与现有技术相比，停止距离减少10％，制动性能增强，如表2所示
2.与笨重的滚筒系统相比，制动器转子减轻了38％的重量，可增加144kg的有效负载。
3.由于所有车轮端都具有模块化，因此我们正在为四轴车提出这个设计方案，所以没有为第二个制动盘进行新的模具开发。
4.由于盘式制动系统的部件数量比鼓式制动器少，尤其是用于ABS轮速传感机构的极轮的消除，减少了复杂性，如图3所示。
它还减少了将质量保证引向领导的关键参数。提出的转子设计也因其新颖的设计而获得专利[1]。
5.可用性增强和维护寿命延长
图-3 提出的对比传统制动器转子
所有盘式制动器（汽车，公共汽车，卡车）都会产生残余阻力。这个残余阻力表示在车辆运行状态下摩擦片对摩擦转子的摩擦。由于没有任何机制（释放制动器）将浮动制动块恢复到初始状态，浮动制动块会发生这种拖动。阻力值不会太大（与刹车扭矩相比），对于225H制动器，在盘片温度lt;250°C时，阻力值lt;15Nm。技术上检查保养间隔期间的滑动阻力和径向间隙将确保阻力在极限内。在制动器安装和转子安装时保持所建议的平整度可以实现制动块和转子之间的均匀间隙[2]。
CFD方法论
进行CFD模拟来预测20个制动周期内制动部件的温升。在当前的工作中该程序的每个步骤应遵循相关的CFD方法，以下是该程序的每个步骤解释说明。
网格生成
带轮辋和轮胎的制动器组件如图4所示。
表面网格创建在轮子的几何图形上以及域的表面上。捕捉某些感兴趣的领域（可能出现高温度梯度和湍流程度高的地方），电池必须足够小以解决所有不规则情况并实现稳健的解决方案。由于本研究集中在流场和热场之间的直接相互作用，因此围绕制动器组件重新定义了电网。计算域中的四面体细胞总数约为1700万个细胞。制动器组件上的网孔尺寸在1到2.5之间，如图-5所示
图4 CFD计算域
图5 制动器组件上的壳体网格
解算器设置
商业CFD代码Fluent 15.0.7 [3]用于本研究。求解雷诺平均Navier-Stokes方程来模拟不可压缩湍流。结合两个湍流方程求解连续性方程和三个动量方程。由于其稳健性和易收敛性，使用具有增强壁函数的可实现k-ε模型。该模型由一个修正的耗散率传输方程组成。术语“可实现”意味着该模型满足雷诺应力的某些数学约束条件，并且与湍流流动的物理学一致[3]。 SIMPLE算法被认为是压力 - 速度耦合。使用最小二乘基于Cell的稳态求解器以及二阶迎风对流差分格式。分析是用固定轮进行的。在模拟中，车速为60kmph至30kmph时，只考虑直线状况。相应的角速度施加在轮辋和轮胎旋转上。在大气压力作为工作压力的情况下，在出口施加零表压力。基于0.6g车辆声明的热通量计算值应用于制动块区域。材料热性能和车辆运行条件如表1所
表1 材料特性和衰退测试条件
结论
20个制动循环的瞬态CFD模拟是在鼓式制动器和盘式制动器相似的条件下进行的。
图6a和6b显示了CFD预测的鼓式制动片和鼓外表面的温度。
图-6A 鼓式刹车片在第20个制动周期时的表面温度
图-6b 在第20次制动循环时鼓外表面上的表面温度
图7显示了在第20制动循环时盘式制动盘上的预测温度。
图-7 第20次制动循环时盘面温度
制动盘，制动毂和相关部件上的温度分布预测
热性能评估：根据IS11853第3部分进行衰减测试分析[4]评估制动器转子在极端温度下的性能。根据输入，初始热通量和传热系数计算[2]。 CAE分析是从表1中提到的转子，卡钳，衬垫和轮毂材料特性开始的。图4显示了整个车轮端部热分析的模拟条件。根据图9的结果显示，最终循环期间获得的最高温度为608°C，符合内部标准的可接受范围660°C，并且与基准HD卡车的制动器转子相当。图7显示了衰减循环期间的温度变化，其中每个循环结束时的温度显示在盘式制动模块的不同点上，如图8所示。热分析还表明，根据试验结果，盘式制动器效果更好，因为衬板和鼓的鼓式制动器温度分别高达700°C和500°C（如图6a和6b所示），这与盘式制动器相比要高一些。不仅温度很重要，而且散热对于带来温度起着重要的作用。迅速下降;由于其设计和通风，制动器转子总是可以确保比鼓更高的散热
图8 用于衰减测试的转子和卡尺的不同点
图9 按照图8的不同点以图形形式进行衰减测试循环
虚拟验证和物理验证已在车辆级别和钻机级别，所有加载条件下成功完成。 重量轻的盘式制动模块带有新的轮毂和空心短轴以及模块化制动器转子，通过了所有具有以下负载条件的安全系数的测试:(如图10所示）
bull;垂直负载 - 4g
bull;制动负载 - 2g 0.3g
bull;转弯负载 - 1.5g 0.5g
用于结构分析; 4g载荷，制动和转弯已在FEA中进行检查，经过4次迭代后，短轴模型已通过并且已在钻机级别验证相同。
所提出的盘式制动系统的数字仿真已经完成，并且具有可接受的结果CAE分析显示，在热负荷和机械负荷（热膨胀，螺栓预紧力和制动力矩负荷）组合的热负荷和机械负荷下，制动盘的最大应力为100MPa，轮毂的最大应力为80Mpa（如图11所示），材料：灰铸铁，抗拉强度130MPa。根据内部VECV标准在钻机级别和车辆级别测试期间，未观察到螺栓松动和断裂。
图10 加载应用程序的CAE分析细节
图11.轮毂和制动盘的CAE分析结果
CAE分析的盘式制动器负载条件如下：
1.车辆GVW范围：25T至31T
2.减速：0.6#39;g#39;
3.速度：80-100公里/小时
4.制动力矩：1800-2047kg-m
5.有效半径：0.175-0.2米
图12 翅片根部区域转子的应力图
图13 螺栓区域转子的应力图
物理测试和负载详情
作为钻机水平测试的一部分，盘式制动系统已经清除了结构完整性测试，结构耐久性测试I和II，没有任何螺栓松动或结构故障。作为VECV内部标准的一部分，轮端也已经通过了100,000次循环的耐久性测试。
具有提出的轮端的车辆已经达到了所有车辆级别的性能标准。它也符合所有监管制动器性能测试。完整的盘式制动器模块轮端与横梁一起，已成功完成且结果可接受。
表2.盘式制动器提高停车距离
结论
本文重点研究新型盘式制动系统的开发，从鼓式制动器到盘式制动系统的升级。它提供了减轻重量的商用车144公斤车辆有效载荷增量。并且减少了将近10％的距离，车轮端的所有车轮端盘复杂性大大降低，这为公司带来了好处。这是在开发时间线内交付的，产品的重量和成本低于既定目标。所有零件都经过验证，没有任何故障同时还申请了一项专利，消除了极轮和转子本身的轮速感应机构将用于极轮。
参考
1.沃尔沃Eicher商用车印度专利，申请号2725 / MUM / 2015-防抱死制动系统转子
2.Limpert，R.，“Brake Design and Safety，Second Edition”（Warrendale，Society of Automotive Engineers，Inc.，1999），doi：10.4271 / R-198。
3.Fluent Inc.用户指南，Fluent 15,2014。
4.IS 11852-3（2001）：汽车 - 刹车和刹车系统，第3部分：性能要求和评估[TED 4：汽车制动系统]
致谢
我们对Vehicle表示真诚地感谢。
发展中心（VDC）在整个项目中提供帮助和支持。 我们特别感谢Vimal Mulchandani先生（PDD副总裁）持续的鼓励和动力引导，激励我们成功完成这一项目。 最后，我们还要感谢Rajinder Singh Sachdeva先生（执行副总裁 - 技术部门）为激励和提供完成此项目所需的设施表示衷心的感谢。
缩略语
CAE - 计算机辅助工程
CFD - 计算流体动力学
CAD - 计算机辅助设计
VECV - 沃尔沃艾克商用车有限公司
ABS - 防抱死制动系统
HD - 重型
IS - 印度标准
制动器耐久性测功器NVH与磨损试验方法研究
摘要: 提出了一种制动耐久性实验方法来模拟制动耐久性车辆的道路试验。制动器耐久性道路测试中经常出现刹车颤动和噪音。制动抖动很难解决，因为它有许多潜在的原因，例如装配用完，部件刚度，衬片特性，热锥形/热点/热不稳定性和腐蚀。目前有几种测试程序可以预测制动器的热糙度和垫片清洁腐蚀性能，以防止刹车颤动。进行制动耐久性车辆道路测试以检查制动NVH和磨损;例子包括西班牙的Mojacar测试和中国的黄山测试。制动能量强度和道路振动是导致制动盘厚度变化的重要因素
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