趙靜海，李國鵬，王德宸

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

制動(dòng)盤熱仿真分析方法研究

趙靜海，李國鵬，王德宸

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

制動(dòng)盤熱仿真是制動(dòng)盤研究的一大課題。通過計(jì)算制動(dòng)盤熱能生成與仿真熱能散失，對(duì)制動(dòng)盤熱仿真分析方法進(jìn)行研究，并通過臺(tái)架試驗(yàn)證明了制動(dòng)盤熱仿真分析方法的有效性，為制動(dòng)盤設(shè)計(jì)提供借鑒。

通風(fēng)式制動(dòng)盤；熱傳導(dǎo)；熱仿真

0 前言

汽車通風(fēng)盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過程中因摩擦生熱使制動(dòng)盤溫度升高，制動(dòng)盤通過表面散熱。制動(dòng)盤的散熱性是制動(dòng)盤最重要的性能，它直接影響制動(dòng)盤DTV及制動(dòng)過程中熱變形及熱應(yīng)力等情況［1］。

制動(dòng)盤熱仿真能夠通過仿真體現(xiàn)制動(dòng)盤的散熱性能，目前國內(nèi)研究制動(dòng)盤熱仿真廣泛采用熱機(jī)耦合的分析方法［2］。但熱機(jī)耦合由于模型復(fù)雜，邊界條件多，計(jì)算時(shí)間長，仿真精度也不易保證，并沒有得到廣泛應(yīng)用。文中采用熱傳導(dǎo)仿真分析原理，針對(duì)某制動(dòng)盤進(jìn)行熱仿真研究，并通過臺(tái)架試驗(yàn)證明分析方法的有效性。

1 制動(dòng)盤熱仿真分析方法

1.1 制動(dòng)盤熱仿真模型的建立

制動(dòng)盤工作原理十分簡(jiǎn)單，制動(dòng)盤與摩擦片摩擦產(chǎn)生熱量進(jìn)入制動(dòng)盤，制動(dòng)盤通過表面散失熱量，當(dāng)進(jìn)入制動(dòng)盤的熱量大于制動(dòng)盤散失的熱量時(shí)，制動(dòng)盤溫度升高，反之制動(dòng)盤溫度降低。依據(jù)這一原理開展此次分析。

根據(jù)制動(dòng)盤圓周方向上相似分布的特性，將制動(dòng)盤模型簡(jiǎn)化為局部扇形進(jìn)行分析，這樣可以提升計(jì)算效率。切割局部扇形時(shí)，需要注意保證單位扇形的選取。

由于四面體網(wǎng)格具有各種復(fù)雜幾何體網(wǎng)格劃分的通用性，故采用四面體進(jìn)行制動(dòng)盤網(wǎng)格劃分，得到如圖1所示的制動(dòng)盤有限元分析網(wǎng)格模型。

1.2 制動(dòng)盤熱流密度計(jì)算

熱流密度是指單位時(shí)間單位面積上輸入的熱量。制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤將整車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。分析中，將整車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，以熱流密度形式施加至制動(dòng)盤摩擦面上［3］。制動(dòng)任意時(shí)刻下，制動(dòng)盤吸收的熱量Q為：

將熱量Q對(duì)時(shí)間求導(dǎo)并除以摩擦面積，即可得到任意時(shí)刻下制動(dòng)盤摩擦表面的熱流密度計(jì)算公式，如下：

式中：q為制動(dòng)盤與摩擦片接觸區(qū)域熱流密度，W／m2；

λ為制動(dòng)能量分配系數(shù)；

m為軸質(zhì)量，kg；

a為制動(dòng)減速度，m／s2；

v0為制動(dòng)初速度，m／s；

v為任意時(shí)刻下的制動(dòng)速度，m／s；

n為制動(dòng)盤參與摩擦面數(shù)；

A為制動(dòng)盤每側(cè)參與摩擦的面積，m2。

1.3 制動(dòng)盤熱能散失

通風(fēng)式制動(dòng)盤在旋轉(zhuǎn)過程中，由于與外界空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，熱能得以散失，采用流場(chǎng)分析軟件對(duì)制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)過程進(jìn)行仿真，得到制動(dòng)盤表面對(duì)流換熱系數(shù)［4］，如圖2所示?？梢钥闯觯褐苿?dòng)盤散熱效率可以大致分為幾個(gè)區(qū)域。依據(jù)這一思路，根據(jù)散熱效率的大小，通過大致擬合，將制動(dòng)盤散熱區(qū)域分為6個(gè)部分，如表1所示。

表1 制動(dòng)盤各個(gè)表面對(duì)流換熱系數(shù)表 W·m－2·K－1

1.4 制動(dòng)盤熱傳導(dǎo)分析

制動(dòng)盤散熱能力多采用多次反復(fù)制動(dòng)來進(jìn)行考量，文中以圖3所示的15次重復(fù)制動(dòng)工況為條件，開展制動(dòng)盤熱傳導(dǎo)分析。

對(duì)制動(dòng)盤與摩擦片摩擦區(qū)域施加熱流密度，對(duì)制動(dòng)盤表面施加對(duì)流換熱系數(shù)，并根據(jù)制動(dòng)工況進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，開展仿真分析，得到仿真結(jié)果，繪制制動(dòng)盤最高溫度與制動(dòng)時(shí)間曲線見圖4?？梢钥闯觯涸谥苿?dòng)過程中，制動(dòng)盤溫度隨之升高，當(dāng)制動(dòng)末了，制動(dòng)熱流密度引起的制動(dòng)盤溫度升高小于制動(dòng)盤表面對(duì)流換熱系數(shù)引起的制動(dòng)盤溫度降低時(shí)，制動(dòng)盤溫度降低，故制動(dòng)盤未結(jié)束制動(dòng)即出現(xiàn)制動(dòng)盤溫度降低，加速過程中，制動(dòng)盤溫度降低，從制動(dòng)盤最高溫度變化曲線上來說，制動(dòng)盤溫度仿真符合實(shí)際情況。

2 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

采用慣性試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)仿真條件下的制動(dòng)工況，對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)制動(dòng)盤布置熱電偶測(cè)試制動(dòng)盤制動(dòng)過程中的最高溫度。由于熱電偶只能采集每次制動(dòng)的最高溫度，故將15次制動(dòng)每次制動(dòng)采集的制動(dòng)盤最高溫度與仿真進(jìn)行匯總，見圖5，可以看出制動(dòng)盤最高溫度試驗(yàn)與仿真結(jié)果核對(duì)較好，證明了仿真的有效性。

3 結(jié)束語

通過流場(chǎng)分析計(jì)算制動(dòng)盤表面散熱系數(shù)，并通過能量守恒理論計(jì)算制動(dòng)盤熱載荷，通過指定工況下的設(shè)置，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)并與仿真進(jìn)行對(duì)照，證明了文中提出的制動(dòng)盤熱仿真方法的有效性。該分析方法，相對(duì)于制動(dòng)盤熱機(jī)耦合，存在分析方法簡(jiǎn)單、計(jì)算精度高、效率快等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

【1】孟德建，張立軍，余卓平.通風(fēng)盤式制動(dòng)器熱－機(jī)耦合理論建模與分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：890－897.

【2】楊智勇，韓建民，李衛(wèi)京，等.制動(dòng)盤制動(dòng)過程的熱－機(jī)耦合仿真［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010（1）：88－92.

【3】孫新芳，李芾，孫樹磊，等.快速貨車制動(dòng)盤熱應(yīng)力分析［J］.鐵道機(jī)車車輛，2012（2）：36－38.

【4】Pever M，Lerher T.Numerical Temperature Analysis of Brake Disc Considerinc Cooling［J］.Advanced Engineering 4（2010）1.

《汽車零部件》征稿啟事

一、《汽車零部件》雜志簡(jiǎn)介

《汽車零部件》是由國家科技部主管，中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、中國汽車零部件工業(yè)公司主辦，機(jī)械工業(yè)汽車零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心承辦的以汽車零部件技術(shù)發(fā)展為內(nèi)容的科技期刊，是國家新聞出版廣電總局第一批認(rèn)定的學(xué)術(shù)期刊。

《汽車零部件》2006年1月起試刊 （內(nèi)部交流），2008年1月正式創(chuàng)刊，2009年1月改成月刊，每月28號(hào)出版，大16開，精美全彩色印刷，國際刊號(hào)ISSN 1674?1986，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)CN11?5661／TH，面向全國公開發(fā)行。

《汽車零部件》內(nèi)容上著重介紹關(guān)于汽車零部件產(chǎn)品的理論研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造工藝技術(shù)、設(shè)備使用維修和技術(shù)改造方面的最新科研生產(chǎn)成果和國內(nèi)外最新發(fā)展動(dòng)向。

刊物的主要欄目：研究與開發(fā)、檢測(cè)與維修、動(dòng)態(tài)與綜述、技術(shù)新視野、市場(chǎng)與信息。

二、稿件要求

征集具有先進(jìn)性、指導(dǎo)性、實(shí)用性、創(chuàng)新性、規(guī)范性和可讀性的科技論文，要求邏輯性關(guān)系明確，脈絡(luò)清晰、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、前提完備、演算正確、符號(hào)規(guī)范，語句通順、圖表清晰、推斷合理、自成系統(tǒng)。文責(zé)由作者自負(fù)，在尊重作者文意的基礎(chǔ)上，編輯部有權(quán)對(duì)稿件進(jìn)行刪改和節(jié)錄發(fā)表。

稿件格式要求規(guī)范，項(xiàng)目齊全，按順序包括：中文標(biāo)題、作者姓名、工作單位 （包括所在省、市和郵政編碼）、中文摘要、中文關(guān)鍵詞、英文標(biāo)題、作者姓名漢語拼音、工作單位英譯名 （包括所在省市漢語拼音和郵政編碼）、英文摘要、英文關(guān)鍵詞、正文、參考文獻(xiàn)、第一作者簡(jiǎn)介（包括出生年，學(xué)位，職稱，研究方向，E?mail）及作者的詳細(xì)聯(lián)系方式 （詳細(xì)通信地址、電話、E?mail）。

三、版權(quán)聲明

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Study of Brake Disc Thermal Simulation Method

ZHAO Jinghai，LIGuopeng，WANG Dechen
（R＆D Center of GreatWall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000，China）

The thermal CAE analysis is one of themost common subject in research area aboutbrake disc.Themethod ofbrake disc ther?mal CAE analysiswas researched through the calculation of the emerging heatof braking disc and the simulation of its lost.The effectiveness of thismethod was proved by bench test.It provides reference for the brake disc design.

Ventilated brake disc；Heat conduction；Thermal simulation

2015－04－20

趙靜海，男，本科，工程師，從事汽車底盤研發(fā)工作。E?mail：cyvpm＠gwm.cn。