A Simulation Based Approach to Model Design Influence on the Fatigue Life of a Vented Brake Disc

Effect of High Temperature on Thermal Fatigue Crack Initiation Life of Automotive Gray Cast Iron Brake Disc

“…铸铁材料因其铸造性能好、生产成本低、导热 系数高等优点，广泛用作汽车制动盘材料。汽车制 动时，制动衬块与制动盘之间产生的摩擦将汽车动 能转化为热能，因此使用中制动盘的温度变化范围 很大。在冬季，不制动时制动盘的温度常在零下几 十度，但经过数次制动后，制动盘表面温度常达到 500 ℃左右 [1] 。汽车制动盘生产企业的调查显示， 400～500 ℃是制动盘常见工作温度。 在如此恶劣的 工作环境下，要保证制动系统正常工作，就必须对 制动盘的热疲劳裂纹萌生寿命，尤其是高温下疲劳 寿命，进行深入研究。 近年来， 针对制动盘的热疲劳裂纹萌生寿命的研 究主要是利用低周疲劳方法进行的。GIGAN [2] 研究汽 车制动盘通风槽的布置形式对制动盘热疲劳寿命的 影响， 首先利用有限元方法得到连续制动过程中的周 向应力分布，接着利用低周疲劳方法计算出热疲劳寿 命。 结果表明呈一定角度布置的通风槽比直线布置的 通风槽的寿命提高 50%。KAKANDAR 等 [3] 利用应变 疲劳的方法研究了通风式制动盘的几何尺寸对疲劳 寿命的影响，结果表明通风槽的厚度和有效偏移长度 对疲劳寿命的影响最大。 除汽车外，铁道车辆也使用盘式制动器进行制 动， 并且该领域技术人员对高速列车制动盘的热疲劳 裂纹萌生寿命也进行了大量研究。ZHANG 等 [4] 对利 用顺序热-力耦合的方法对高速列车制动盘的温度场 和应力场进行了仿真分析，并建立了制动盘的几种缺 陷模型， 并通过比较热应力分析了缺陷的位置、 深度、 尺寸等参数对裂纹萌生的影响，结果表明，制动盘表 面的塑性变形是由压应力引起的，裂纹的萌生与缺陷 的形状和尺寸关系较大。SONSINO 等 [5] 以球墨铸铁 EN-GJS-400-15 高速铁路制动盘为研究对象，在制动 台架上进行初速度为 200 km/h、160 km/h、90 km/h 的紧急制动至停止，并利用等效应变幅计算疲劳寿 命，最后对制动盘的结构进行优化，结果表明增大通 风槽端部半径，改变盘与螺栓搭接件的截面积可以提 高疲劳寿命。KIM 等 [6] 提出了一种估算疲劳寿命的方 法，首先研究了高速列车制动盘 HT250 材料在室温 至 300 ℃时的循环拉压特性，接着利用有限元方法 计算制动过程中制动盘的温度场和周向应力场分布， 最终利用应力疲劳的方法计算疲劳寿命。结果表明 HT250 在室温至 300 ℃的力学特性变化不明显，周 向应力与温度呈近似线性的关系。除了常用的灰铸铁 材料制动盘，还有学者对复合材料制动盘的寿命进行 研究。王文静等 [8] 《HB7571-1997 金属高温压缩试验方法》 [9] 分别进行 500 ℃下的单调拉伸试验与单调压缩试 验。每次试验，分别对三个有效试样进行重复试验。 用于测试材料抗拉强度和弹性模量的试样如图 1a 所示，抗压强度的测试试样如图 1b 所示，压缩模量 的测试试样如图 1c 所示。 试验在 MTS810 伺服液压 疲劳试验机上进行。500 ℃单调拉伸试验加载速率 为 0.12 mm/min，单调压缩试验加载速率为 0.22 [10] [11][12] 2.2 摩擦因数和对流换热系数的确定 摩擦因数 μ = 0.38 [14] 。对流换热系数的大小表 征物体与周围空气换热的能力，由经验公式 [15] 获 得，制动盘表面的平均对流换热系数 c h 为 忽略 500 ℃下 HT200 的塑性特征时，将其视 为线弹性材料，一次制动过程中制动盘表面最大周 向应变位置处的周向应变随时间的变化曲线如图 8 所示。根据 Miner 线性累积损伤理论，利用雨流计 数法 [22] 得到一次制动过程中的各个循环，求出每一 循环下的总应变幅，根据式(9)得到每一循环下的寿 命，并根据式(7)求得每一循环的损伤，计算过程中 的一些小循环的寿命趋于无限寿命，所产生的损伤 量很小，可以忽略，故本文取应变循环中每一个有 限寿命循环的损伤如表 7 所示，最终根据式 8…”

Friction‐wear performance in environmentally friendly brake composites: A comparison of two different test methods

“…[19][20][21][22] Kim et al [23] applied the Taguchi method to obtain the ideal production parameters for 15 different materials. Kakandar et al [24] used Taguchi optimization to examine the fracture characteristics of the brake disc. The Taguchi optimization method is needed to determine the ideal test parameters when conducting experiments on specially designed devices.…”

Design and Thermal Analysis of Brake Rotor With Different Materials

“…The heat generation and dissipation in a disc brake during braking and the following release period. The surface changes induced by repeated brake applications and tried to provide explanations for how such material modifications might affect friction and wear properties of automotive disc brakes [6]. The wear data analysis of friction composites were the nature and the concentration of the abrasives were varied systematically in steps of 2%.…”