一种制动器摩擦性能虚拟台架测试方法

摘要

本发明公开了一种制动器摩擦性能虚拟台架测试方法，包括以下步骤：一、确定被测试制动器摩擦系数-温度之间的函数关系μ＝f(T)，过程如下：建立三维几何模型，建立三维热-机耦合有限元模型，对所建立三维热-机耦合有限元模型进行耦合温度场仿真分析，得出被测试制动器摩擦系数-温度之间的函数关系μ＝f(T)；二、采用热衰退试验方法对被测试制动器的摩擦性能进行虚拟台架测试，包括步骤：第一次热衰退-恢复试验和第二次热衰退及效能试验。本发明设计合理、投资成本低、模拟效果好且使用操作简便，能有效解决现有制动器摩擦副摩擦系数测量系统及方法存在的投资与试验成本高、模拟性较差、试验方法复杂、试验周期长等多种缺陷和不足。

主权项

1.一种制动器摩擦性能虚拟台架测试方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、确定被测试制动器制动摩擦副的摩擦系数-温度之间的函数关系μ＝f(T)，被测试制动器为鼓式制动器或盘式制动器，其确定过程如下：101、建立三维几何模型：根据被测试制动器的装配结构，且采用CAD软件建立被测试制动器的三维几何模型；102、建立三维热-机耦合有限元模型，其建模过程如下：1021、将步骤一中所述三维几何模型导入多场耦合分析软件中；1022、在多场耦合分析软件环境下，选定分析单元并以所选定的分析单元对所述三维几何模型进行网格划分，所选定的分析单元包括被测试制动器的三维实体结构单元、摩擦接触单元和对流辐射单元三种类型单元；1023、输入根据工程材料手册所查询出的或者通过常规材料性能测试试验所测得的被测试制动器的材料物性参数，选择一种收敛快速的摩擦接触算法，同时选定摩擦系数-温度模型，最终建立三维热-机耦合有限元模型，所述摩擦系数-温度模型为被测试制动器制动摩擦副的摩擦系数-温度之间的函数关系μ＝f(T)，式中μ为被测试制动器制动摩擦副的摩擦系数，T为被测试制动器制动摩擦副的摩擦接触面温度；所述材料物性参数包括被测试制动器制动摩擦副所采用材料的弹性模量、密度、导热系数、比热容、热膨胀系数和泊松比；103、对所建立的三维热-机耦合有限元模型进行耦合温度场仿真分析，在被测试制动器制动摩擦副上选定一个或多个测试点，将对所述三维热-机耦合有限元模型在各测试点上的温度场仿真结果与采用常规制动器温升试验方法对各测试点上所测试的温度测试结果进行比较，从而对步骤3中所述函数关系μ＝f(T)进行验证，实现对函数关系μ＝f(T)中的系数进行准确辨识，最终得出被测试制动器制动摩擦副的摩擦系数-温度之间的函数关系μ＝f(T)；步骤二、利用运算处理器且采用热衰退试验方法对被测试制动器的摩擦性能进行虚拟台架测试，其测试过程包括以下步骤：201、第一次热衰退试验，其试验过程包括以下步骤：2011、参数初始化：根据热衰退试验方法规定的第一次热衰退试验的试验工况，确定对被测试制动器进行虚拟试验的试验参数，包括被测试制动器所处车辆的初始车速V₀、汽车制动减速度a和被测试制动器的初始温度T₀；调用参数设置单元输入所述试验参数和汽车及制动器的结构参数；此时，V₀＝V₁，a＝a₁，T₀＝T₁，且将所设定的参数V₁、a₁和T₁相应转存为V₀、a₁和T₀后存入存储单元内；2012、初始参数设定与存储：根据第一次热衰退试验中被测试制动器的循环制动次数及制动周期对总循环次数m和循环周期t进行设定，同时根据测试精度及效率需求设定时间步长Δt，并计算出每一次循环制动过程的时间总步数k＝t/Δt；此时m＝m₁，t＝t₁，k₁＝t₁/Δt，且将所设定的参数m₁、t₁和k₁相应转存为m、t和k后存入存储单元内；2013、初始固定参数计算：调用参数计算单元且根据公式和分别计算出被测试制动器中旋转部件的初始角速度ω₀和所述旋转部件的旋转角减速度ε，并将初始角速度ω₀转存为ω后同步存入存储单元内；并根据常规计算方法且调用参数计算单元，计算出被测试制动器所承受的转动惯量I和惯性载荷M_b；所述旋转部件为所述鼓式制动器的制动鼓或盘式制动器的制动盘；2014、按照步骤2011、步骤2012和步骤2013中所设定与计算得出的参数，分m次对所述制动器的摩擦性能热衰退过程进行循环虚拟测试，其中每一次热衰退试验的虚拟测试过程均包括制动试验过程和散热试验过程，每一次热衰退试验的虚拟测试过程均相同且所需的时间步数均为k，每一个时间步对应的时间步长为Δt；对于任一次热衰退试验的虚拟测试过程而言，先进行制动试验，其测试过程如下：20141、调用循环测试模块进行制动试验过程中第一个时间步长Δt内的试验，其试验过程如下：20141a、调用所述参数计算单元，且根据公式P_b＝M_bω计算出被测试制动器的吸收制动功率P_b；20141b、调用所述参数计算单元，且根据温度变化微分方程P_b·dt-h·A[T(t)-T_E]dt＝m·c·dT(t)，求解出此时间步长Δt内被测试制动器的瞬时动态温度T(t)并同步存入所述存储单元内，并对所述存储单元内的温度参数进行实时更新；式中，h为被测试制动器的对流换热系数，m为被测试制动器旋转部件的质量，c为被测试制动器旋转部件所采用材料的比热，T_E为环境温度；20141c、调用所述参数计算单元，根据步骤103中验证的函数关系μ＝f(T)且结合步骤20141b中计算出来的瞬时动态温度T(t)，计算出被测试制动器在此时间步长Δt内的热态摩擦系数μ并相应存入存储单元内；20141d、调用所述参数计算单元，根据制动器效能因数和制动管路压力的常规计算方法且结合步骤20141c中计算出来的热态摩擦系数μ，计算得出制动器的效能因数BF和制动管路压力p，并存入存储单元内；20141e、调用角速度计算模块且根据公式ω_i＝ω-ε×Δt对此时间步长Δt结束时所述旋转部件的实时角速度进行计算，并将实时所计算出来的角速度ω_i转存为ω后同步存入存储单元内，以对所述存储单元内所存储的角速度参数进行实时更新；20142、调用循环测试模块进行制动测试过程中下一时间步长Δt内的测试，其测试过程如下：20142a、调用所述参数计算单元，且根据公式P_b＝M_bω计算出被测试制动器的吸收制动功率P_b，此时ω为当前所述存储单元内更新后的角速度参数；20142b、调用所述参数计算单元，且根据温度变化微分方程P_b×dt-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，求解出此时间步长Δt内制动器的瞬时动态温度T(t)并同步存入所述存储单元内，并对所述存储单元内的温度参数进行实时更新，式中T_E为环境温度；20142c、调用所述参数计算单元，且根据步骤103中验证的函数关系μ＝f(T)且结合步骤20142b中计算出来的瞬时动态温度T(t)，计算出制动器在此时间步长Δt内的热态摩擦系数μ并相应存入存储单元内；20142d、调用所述参数计算单元，根据制动器效能因数和制动管路压力的常规计算方法且结合步骤20142c中计算得出的热态摩擦系数μ，计算得出被测试制动器的效能因数BF和制动管路压力p，并存入存储单元内；20142e、调用角速度计算模块且根据公式ω_i＝ω-ε×Δt对此时间步长Δt结束时所述旋转部件的实时角速度进行计算，并将实时所计算出来的角速度ω_i转存为ω后同步存入存储单元内，以对所述存储单元内所存储的角速度参数进行实时更新；20142f、本时间步长Δt结束时，对当前所述存储单元内更新后的角速度ω进行判断：当ω＞0时，返回步骤20142a，继续进行制动试验过程中的下一时间步长Δt内的试验测试，如此不断循环；当ω≤0时，说明已经完成本次热衰退试验虚拟测试过程中的制动试验过程，则进入步骤20143，此时本次热衰退试验中制动试验过程所用时间步数为n₁；20143、散热试验，其试验过程如下：20143a、调用循环散热模块进行循环散热试验过程中第一个时间步长Δt内的试验：由循环散热模块调用所述参数计算单元根据公式-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，求解出此时间步长Δt内被测试制动器的瞬时动态温度T(t)并同步存入所述存储单元内，且对所述存储单元内的温度参数进行实时更新，式中T_E为环境温度；公式-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)中，h为被测试制动器的对流换热系数，m为被测试制动器旋转部件的质量，c为被测试制动器旋转部件所采用材料的比热；20143b、调用循环散热模块进行循环散热试验过程中下一个时间步长Δt内的试验：由循环散热模块调用所述参数计算单元根据公式-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，求解出此时间步长Δt内被测试制动器的瞬时动态温度T(t)并同步存入所述存储单元内，且对所述存储单元内的温度参数进行实时更新，式中T_E为环境温度；20143c、重复步骤20143b，直至对所述被测试制动器相应进行k-n₁次散热子循环试验，至此则完成本次热衰退试验虚拟测试过程中的散热试验，本次热衰退试验虚拟测试过程中的散热试验所用时间步数为k-n₁；20144、重复步骤20141-步骤20143，直至完成m次循环虚拟测试过程，从而完成第一次热衰退试验；202、中间冷却试验，其试验过程包括以下步骤：202a、调用中间冷却模块进行第一个时间步长Δt内的中间冷却试验：由中间冷却模块调用所述参数计算单元根据公式-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，求解出此时间步长Δt内被测试制动器的瞬时动态温度T(t)并同步存入所述存储单元内，且对所述存储单元内的温度参数进行实时更新，式中T_E为环境温度；公式-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)中，h为被测试制动器的对流换热系数，m为被测试制动器旋转部件的质量，c为被测试制动器旋转部件所采用材料的比热；202b、调用中间冷却模块进行循环散热试验过程中下一个时间步长Δt内的试验：由循环散热模块调用所述参数计算单元根据公式-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，求解出此时间步长Δt内被测试制动器的瞬时动态温度T(t)并存入所述存储单元内，且对所述存储单元内的温度参数进行实时更新，式中T_E为环境温度；202c、重复步骤202b，直至完成对所述被测试制动器相应进行L次冷却子循环试验，则完成中间冷却试验且中间冷却试验过程中所用时间步数为L＝t_L/Δt，t_L为中间冷却时间；203、恢复试验：中间冷却过程结束后，对所述制动器进行恢复试验且恢复试验过程与步骤201-步骤20144中对所述制动器进行一次热衰退循环试验的试验过程相同，参照步骤2011，按照恢复试验所需要的试验工况进行参数设定：此时，步骤2011中被测试制动器所处车辆的初始车速V₀＝V₂，T₀＝T₂，k₂＝t₂/Δt且将所设定的参数V₂、a₂和T₂相应转存为V₀、a₁和T₀后存入存储单元内，T₂为步骤202c中中间冷却试验过程结束时所述存储单元内实时更新的温度参数，即中间冷却试验过程结束时被测试制动器的温度；参照步骤2012，按照恢复试验所需要的试验工况进行初始参数设定：此时，步骤2012中m＝m₂，t＝t₂，k₂＝t₂/Δt且将所设定的参数m₂、t₂和k₂相应转存为m、t和k后存入存储单元内；恢复试验时，分m次对所述制动器进行循环虚拟恢复试验，此时m＝m₂，每一次循环虚拟恢复试验过程均相同且均包括k个时间步长Δt的制动过程；且对于任一次循环虚拟恢复试验过程而言，其试验过程与步骤20141-步骤20144中对所述制动器进行一次热衰退循环试验的试验过程相同；204、第二次热衰退：恢复试验结束后，对所述制动器进行第二次热衰退且第二次热衰退过程与步骤201-步骤20144中对所述制动器进行一次热衰退循环试验的试验过程相同，参照步骤2011，按照第二次热衰退试验所需要的试验工况进行参数设定：此时，步骤2011中被测试制动器所处车辆的初始车速V₀＝V₃，T₀＝T₃，k₃＝t₃/Δt且将所设定的参数V₃、a₃和T₃相应转存为V₀、a₁和T₀后存入存储单元内；参照步骤2012，按照第二次热衰退试验所需要的试验工况进行初始参数设定：此时，步骤2012中m＝m₃，t＝t₃，k₃＝t₃/Δt且将所设定的参数m₃、t₃和k₃相应转存为m、t和k后存入存储单元内；第二次热衰退试验时，分m次对所述制动器进行循环热衰退试验，此时m＝m₃，每一次循环热衰退试验过程均相同且均包括k个时间步长Δt的制动过程；且对于任一次热衰退试验过程而言，其试验过程与步骤20141-步骤20144中对所述制动器进行一次热衰退循环试验的试验过程相同；205、输出所述存储单元所存储的所有计算数据，测试过程结束。