制动器是汽车中涉及行驶安全性的关键部件，它直接影响影响汽车行驶的安全性、耐久性和乘坐舒适性。随着汽车工业的发展，车速越来越高，载荷越来越大，而对制动器的尺寸要求越来越小。这意味着制动器部件单位面积所承受的载荷及吸收的能量会大大增加，因而对制动器性能的要求也了越来越高。车轮制动器利用摩擦制动车轮，车胎与路面间的摩擦力使汽车制动停车。
对行驶的汽车进行制动时，将摩擦部件(摩擦片)压到车辆的转动部件(制动盘)上，摩擦使转动部件减速和停止转动。因此发热是动摩擦的必然结果。在载荷作用下，摩擦部件产生了大量的热。摩擦热严重地影响着材料的物理力学性能及化学性能(热弹性不稳定性、材料的热降解、热变型等)，它是影响材料磨损机理的直接因素”。摩擦面之间吸收了大量热量使得接触表面变形、粘着点撕裂，出现“制动热衰退”现象，促使磨粒的形成，加剧材料的磨损。
21 世纪汽车技术发展的趋势是高速、环保和节能，因此对摩擦制动器提出了更高的要求。对车用盘式制动器而言，要求其具有高而稳定的制动力，尽可能小的振动，较低的磨损率。特别是制动摩擦系数，必须在任何条件下保持稳定性。因此，有必要深入了解制动摩擦表面接触温度分布状况及特点，分析影响制动摩擦热的因素。
下面将运用 ABAQUS软件对某型轿车前轮盘式制动器在不同刹车前速度，刹车片不同材料情况下产生刹车热，进行有限元法的热分析。
盘式制动器的热分析有限元分析模型
根据某型轿车盘式制动器摩擦副尺寸参数(表1)，在建立有限元模型之前，首先对摩擦副实体进行必要的简化工作。去除制动盘上的装配孔及不参与制动摩擦工作的部分，将一些与分析对象无关的倒角、圆角、孔径简化，根据摩擦副的对称关系，只选取其一半工作面进行研究。
表1 某型轿车盘式制动器摩擦副的结构参数
表2 制动盘和摩擦片的材料参数
表3 摩擦片材料的弹性模量和热膨胀系数
根据上述结构尺寸和材料参数，建立有限元的三维实体模型。在制动盘体上共划分了588个节点，336个单元;在摩擦片体上共划分了200个节点，112个单元。首先根据车速在 60，80，100，120(km)刹车情况下，建立了四种工况，然后进行制动器刹车时的有限元摩擦热分析。
然后再通过改变制动器摩擦系数，其变化范围从0.25到0.65;考察对刹车时产生的摩擦热的影响。
图1 摩擦副的3维实体单元的有限元模型
图2 初速在 60kmh下产生的摩擦热
根据不同车速下产生摩擦热的情况可知，车速对摩擦热的影响成正比而且影响很大。制动盘在制动过程中，其最大温升不是在制动的终止时刻，而是在终止前的某一时刻。这是因为摩擦过程将要结束时摩擦功已降低，产生的热量或已传导到外界介质、或被摩擦副吸收，其值已较小，所以摩擦产生的热量已小于热传导散失的热量。
同样摩擦系数对于摩擦热的影响是很大的。选择较低摩擦系数的材料，能在相同的制动初速度和压紧力作用下，产生较小的温升，十分有利于减少刹车摩擦热。但是摩擦系数较小时会导致制动性能降低。此外，由计算结果可知:在制动的初期，摩擦片上的高温区域主要集中在最先与制动盘进行摩擦的部分，而随着制动时间的推移，高温区域会逐渐转移到摩擦片的中心区域。
通过上述不同工况下的热分析结果，得到盘式制动器改进设计建议如下：
(1)通过对制动盘的结构进行的改进，改善其通风条件，合理地引导高速气流通过制动盘，能够有效地减少摩擦热的累积。
(2) 设计空心制动盘，在其两个工作面之间以若干角度为间隔，设计一整圈的通风孔道。这些通风孔道能够引导高速气流流过，有效地带走了部分的摩擦热，能很好地起到了散热作用。
(3) 从减少摩擦热的角度上出发，应选取摩擦系数较小的材料，但是其却不能提供足够的制动力。为平衡两者之间的关系，选材时应优先考虑材料的摩擦系数稳定性、热导率、高温时的耐磨性和承受负荷的能力。
(4) 根据摩擦材料性能的对比情况。选用有机类的半金属压膜摩擦材料是较为理想的。
(5) 由于制动摩擦热与制动压紧力成正比。制动压紧力的大小是由制动踏板力决定的，因此要求驾驶者要尽量避免紧急制动的要求，即尽量避免施加超过正常制动液压力的踏板力。无论是在高速，还是低速行驶的时候，都应于前面行驶汽车保持一定的制动安全距离，这样能够有效地避免被动的紧急制动。在实际的驾驶操作上避免紧急制动，避免施加过大的制动踏板力，是减少制动摩擦热的生成有效途径之一。
资料来源：达索官方
