高速轻载车辆仿生制动盘的热力与摩擦性能优化研究

本文针对高速轻载车辆制动盘在制动过程中温升急剧导致热疲劳裂纹的问题，研究人员开展了仿生非光滑结构制动盘的设计及其热力与摩擦性能研究。通过仿真与实验发现，直沟槽结构制动盘在120/160/200 km/h初速下摩擦温度降低27.16%~36.25%，等效应力虽增加但低于材料屈服强度，且摩擦系数略降(0.32–0.48)、温度显著降低(41.7°C–77.9°C vs. 96.7°C)。研究表明仿生结构可有效提升制动盘散热性能与可靠性，为高速轻载车辆制动系统设计提供了新思路。

　　

在高速轻载车辆的制动过程中，制动盘因频繁摩擦会产生急剧温升，导致热疲劳裂纹的形成，严重影响制动性能与行车安全。这一现象已成为制约高速轻载车辆发展的关键技术瓶颈。传统光滑制动盘在高温下易出现热衰退和应力集中，降低制动效率并缩短使用寿命。因此，开发新型制动盘结构以改善其热力与摩擦性能，具有重要的工程意义与应用价值。本研究通过仿生学方法，在制动盘接触表面构建非光滑结构，旨在提升散热能力并优化应力分布，相关成果发表于《Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials》。

研究主要采用仿真模拟与实验测试相结合的技术方法。通过有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）模拟制动过程温度场与应力场分布，实验部分使用高速制动台架测试，样本为仿生直沟槽结构制动盘与光滑制动盘对比，在120 km/h、160 km/h和200 km/h初速下进行制动性能评估。关键参数包括摩擦温度、等效应力、摩擦系数等，所有实验均基于实际制动工况设计。

仿生制动盘设计

通过仿生非光滑结构（如直沟槽与进气口）设计新型制动盘，以增强表面散热与应力释放能力。

仿真结果分析

仿真表明，与光滑制动盘相比，直沟槽结构在初速120 km/h、160 km/h和200 km/h下摩擦温度分别降低27.16%、36.25%和31.20%，但等效应力增加61.64%、46.92%和71.58%，均低于材料屈服强度，说明结构改进未引发塑性变形。

实验结果验证

实验测得仿生制动盘摩擦系数为0.32–0.48，略低于光滑盘（0.56），摩擦温度显著降低至41.7°C–77.9°C（光滑盘为96.7°C），直沟槽与进气口组合结构表现最佳，因散热能力优异。

性能机制讨论

仿生非光滑结构通过增大表面积和促进空气流动提升热 dissipation（散热），同时应力分布更均匀，避免局部应力集中。

研究结论表明，仿生非光滑结构可有效改善高速轻载车辆制动盘的热力与摩擦性能，显著降低工作温度并控制应力水平，在工程应用上为提高制动可靠性与耐久性提供了新途径。该设计方法不仅适用于现有制动系统，还可推广至其他高速摩擦部件，具有广泛的工业前景。此外，本研究为仿生学在机械工程中的应用提供了实证案例，强调了多学科交叉在解决实际工程问题中的重要性。