朱晴　陳群　史亨波（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

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汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)瞬態(tài)分析方法的研究

朱晴陳群史亨波
（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

【摘要】針對(duì)汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)在整車(chē)熱容量工況下溫度變化的問(wèn)題，建立運(yùn)用Starccm+軟件與RadTherm軟件耦合的制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)瞬態(tài)仿真計(jì)算分析方法，其計(jì)算結(jié)果與供應(yīng)商計(jì)算結(jié)果對(duì)比誤差在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明該計(jì)算方法合理可行。運(yùn)用該方法對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，得出方案2結(jié)構(gòu)最優(yōu)，該計(jì)算方法為制動(dòng)盤(pán)的設(shè)計(jì)與選型提供依據(jù)。

主題詞：制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)瞬態(tài)分析

1　　前言

汽車(chē)制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程是將運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能并耗散，對(duì)制動(dòng)器摩擦副溫度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性往往依賴于傳感器布置的數(shù)量，同時(shí)還不能獲得摩擦副任意點(diǎn)處的溫度值變化，使得僅通過(guò)試驗(yàn)研究方法實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)制動(dòng)器散熱性機(jī)理的精確研究變得困難，因此運(yùn)用仿真計(jì)算手段對(duì)制動(dòng)器摩擦表面的溫度場(chǎng)分析有著重大意義。

機(jī)械摩擦式制動(dòng)器可分為鼓式、盤(pán)式兩種類(lèi)型，本文車(chē)型所用為盤(pán)式制動(dòng)器，其摩擦副旋轉(zhuǎn)元件為制動(dòng)盤(pán)［1］。目前制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算方法主要采用有限元軟件對(duì)局部制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行計(jì)算分析，過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)較長(zhǎng)，不適合在設(shè)計(jì)初期工程中應(yīng)用。針對(duì)以上情況，本文對(duì)一種新的計(jì)算方法進(jìn)行研究，該方法首先運(yùn)用Starccm+軟件對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算，得出制動(dòng)盤(pán)表面換熱系數(shù)，然后將其作為邊界條件輸入到Rad-Therm軟件中再對(duì)制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算。

2　　穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析

2.1三維計(jì)算模型

輪腔的氣流流場(chǎng)很復(fù)雜，而制動(dòng)盤(pán)位于輪腔之中，其散熱性受到車(chē)身結(jié)構(gòu)的影響。整車(chē)模型情況下對(duì)制動(dòng)盤(pán)的散熱性進(jìn)行分析具有實(shí)際的工程意義。本文的制動(dòng)盤(pán)計(jì)算基于整車(chē)模型進(jìn)行，整車(chē)模型包括整車(chē)車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、冷卻模塊、制動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、底盤(pán)和進(jìn)排氣系統(tǒng)等影響前艙和底盤(pán)處氣體流動(dòng)的關(guān)鍵零件，模型如圖1所示。由于氣體在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)受到外流場(chǎng)的影響，因此采用適用于外流場(chǎng)的計(jì)算域。為了提高計(jì)算精度，確保計(jì)算穩(wěn)定和加快計(jì)算收斂，依據(jù)流場(chǎng)在各區(qū)域變化程度的不同，對(duì)體網(wǎng)格按區(qū)域進(jìn)行不同程度的細(xì)化，并將整車(chē)生成邊界層，使用Starccm+中Trim網(wǎng)格形式生成體網(wǎng)格，數(shù)量為1 200萬(wàn)，如圖2所示。

制動(dòng)盤(pán)三維模型見(jiàn)圖3所示。為了提高計(jì)算精度，將輪輞與制動(dòng)盤(pán)做成一個(gè)旋轉(zhuǎn)域模型，如圖4所示。整個(gè)輪胎結(jié)構(gòu)包括輪胎、輪輞、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)和擋塵盤(pán)等，模型見(jiàn)圖5。

2.2邊界條件設(shè)定

計(jì)算域入口采用速度入口，為100 km∕h；出口采用壓力出口，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。換熱器包括高溫散熱器、冷凝器、低溫散熱器，采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬氣流在其厚度方向的壓力降，阻尼系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得。風(fēng)扇與制動(dòng)盤(pán)采用旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系（MRF）方式處理［2，3］。

2.3穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)態(tài)計(jì)算的目的主要是以制動(dòng)盤(pán)表面換熱系數(shù)作為制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算的邊界條件。通過(guò)制動(dòng)盤(pán)的氣體主要是外部空氣，少量為通過(guò)換熱器與風(fēng)扇的熱空氣，如圖6和圖7所示。

制動(dòng)盤(pán)表面氣流速度與換熱系數(shù)分布如圖8和圖9所示。將換熱系數(shù)作為邊界條件輸入到熱分析軟件RadTherm中。

3　　瞬態(tài)計(jì)算分析

在摩擦制動(dòng)過(guò)程中，接觸表面的摩擦力做功產(chǎn)生熱量，其熱量主要分為兩部分：一部分是摩擦表面的微凸體與接觸界面的粘結(jié)、剪切、斷裂以及由機(jī)械切削作用造成的接觸區(qū)域周?chē)牧袭a(chǎn)生塑性變形而產(chǎn)生的熱量，這部分熱量使制動(dòng)器元件的溫度迅速升高，是摩擦能量的主要部分；另一部分是摩擦材料在一定溫度下熱降解產(chǎn)生的熱量，這部分熱量?jī)H占總摩擦能力的2%，所以在分析計(jì)算中通常忽略不計(jì)。在制動(dòng)盤(pán)的冷卻過(guò)程中，大部分熱量以熱對(duì)流的方式散發(fā)到周?chē)諝饫铮挥幸恍〔糠譄崃恳詿醾鲗?dǎo)、熱輻射的方式散發(fā)［4］。

應(yīng)用熱分析軟件RadTherm分析在熱容量工況下制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)片的溫度場(chǎng)分布以及溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化。

3.1瞬態(tài)計(jì)算方法

RadTherm軟件主要是通過(guò)熱力學(xué)第一定律和斯蒂芬—波爾茲曼定律進(jìn)行求解。汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中整車(chē)動(dòng)能幾乎全部通過(guò)制動(dòng)器摩擦副和輪胎地面摩擦副轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｆ渲?，大多?shù)動(dòng)能通過(guò)制動(dòng)器的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能一部分被摩擦片吸收，大部分則被制動(dòng)盤(pán)吸收，制動(dòng)盤(pán)溫度升高。制動(dòng)能量Eb表達(dá)式為［5］：

式中，I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為汽車(chē)總質(zhì)量；V1為汽車(chē)制動(dòng)初速度；V2為汽車(chē)制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻的速度；ω1為制動(dòng)初始角速度；ω2為制動(dòng)結(jié)束時(shí)角速度。

如果車(chē)輛制動(dòng)至停止，則V2=ω2=0，制動(dòng)能量Eb表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

由于制動(dòng)盤(pán)與輪胎轉(zhuǎn)速相同，則V1=Rω1，Eb表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

式中，k為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量修正系數(shù)（乘用車(chē)在高速擋時(shí)為1.05～1.15，低速擋時(shí)為1.3～1.5，常用值為1）；R為輪胎半徑。

制動(dòng)功率Pb表達(dá)式為：

如果減速度a恒定，速度V（t）=V1-at，則制動(dòng)功率Pb表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

3.2模型建立

由于主要針對(duì)制動(dòng)盤(pán)在連續(xù)制動(dòng)工況下溫度的變化進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，所以計(jì)算模型包括輪胎、輪輞、輪轂、制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鉗和雙側(cè)制動(dòng)片，模型如圖10和圖11所示。模型的網(wǎng)格為在Starccm+中生成的面網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為5 mm，網(wǎng)格數(shù)量為81 394個(gè)。

3.3邊界條件設(shè)定

制動(dòng)盤(pán)計(jì)算工況為熱容量工況，即在室溫20℃環(huán)境下，車(chē)輛初始速度為100 km∕h，并以4.87 m∕s2的減速度制動(dòng)至停止，制動(dòng)時(shí)間為5.7 s，間隔時(shí)間30 s，以35.7 s為一個(gè)制動(dòng)循環(huán)?？偣策M(jìn)行10次制動(dòng)循環(huán)，共計(jì)時(shí)間357 s。制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)片在熱容量工況下的制動(dòng)生熱量如圖12和圖13所示。制動(dòng)片與制動(dòng)盤(pán)接觸面設(shè)置如圖14所示［6］。

3.4瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果

在熱容量工況下，制動(dòng)片和制動(dòng)盤(pán)都存在熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式的熱交換，即制動(dòng)時(shí)有摩擦熱量的產(chǎn)生，在非制動(dòng)期內(nèi)沒(méi)有摩擦熱量的產(chǎn)生而處于自由散熱階段。

制動(dòng)盤(pán)在熱容量工況連續(xù)制動(dòng)10次后溫度分布如圖15所示。最高溫度區(qū)域?yàn)橹苿?dòng)盤(pán)環(huán)狀工作表面的平均半徑區(qū)域，即摩擦襯塊的工作半徑區(qū)域?？芍?，無(wú)論是徑向還是軸向方向，離摩擦表面的工作半徑位置越遠(yuǎn)，制動(dòng)盤(pán)的溫度越低。

圖16所示為采用本文計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果與供應(yīng)商提供結(jié)果對(duì)比分析。供應(yīng)商計(jì)算連續(xù)10次制動(dòng)最高溫度為452.3℃，RadTherm計(jì)算結(jié)果最高溫度為473.7℃，兩者誤差在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明運(yùn)用RadTherm熱分析軟件計(jì)算制動(dòng)盤(pán)溫度變化合理可行，其為制動(dòng)盤(pán)計(jì)算熱容量工況提供有效途徑。

3.5不同結(jié)構(gòu)形式制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)比較分析

圖17所示為4種不同結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤(pán)，其中方案1結(jié)構(gòu)與方案4結(jié)構(gòu)為外通風(fēng)形式，且方案4結(jié)構(gòu)的盤(pán)帽高度大于方案1；方案2與方案3為內(nèi)通風(fēng)形式，區(qū)別見(jiàn)圖17b和圖17c圓圈內(nèi)區(qū)域。

運(yùn)用Starccm+與RadTherm耦合的瞬態(tài)計(jì)算方法對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤(pán)在熱容量工況下的溫度變化進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖18所示?？梢钥闯?，4種制動(dòng)盤(pán)溫度變化趨勢(shì)一致，其中方案4溫度較高，熱容量工況下最高溫度可達(dá)483℃；方案2溫度相對(duì)較低，熱容量工況最高溫度為458℃；方案1與方案3溫度居中，熱容量工況最高溫度分別為473℃和475℃。綜合以上分析可以得出，針對(duì)熱容量工況，方案2的制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)及通風(fēng)方式相對(duì)最優(yōu)。

由以上計(jì)算與研究分析可以看出，該制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算方法是一種準(zhǔn)確、高效、簡(jiǎn)便的計(jì)算方法，既滿足精度需求，又可縮短計(jì)算周期，為設(shè)計(jì)早期與多方案選型提供依據(jù)。

4　結(jié)束語(yǔ)

a.在CFD穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，基于整車(chē)環(huán)境下將制動(dòng)盤(pán)與輪輞做成一個(gè)旋轉(zhuǎn)區(qū)域，得到制動(dòng)盤(pán)周?chē)鷼怏w流動(dòng)情況與表面換熱系數(shù)，為溫度場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算提供邊界條件。

b. 應(yīng)用RadTherm軟件對(duì)汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)在熱容量工況下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算結(jié)果與供應(yīng)商提供結(jié)果吻合，誤差在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明該計(jì)算方法可行，為制動(dòng)盤(pán)在設(shè)計(jì)初期提供了一種工程分析方法。

c.運(yùn)用該研究方法對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，得出方案2結(jié)構(gòu)溫升較小，為制動(dòng)盤(pán)選型提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

1蘆克龍.基于CFD的汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)散熱性數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化：［學(xué)位論文］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年4月1日。

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）06-0001-04

Research on Transient Analysis Method of Temperature Field of Vehicle Brake Disc

Zhu Qing，Chen Qun，Shi Hengbo
（China FAW Co.，Ltd.R&D Center，Changchun 130011）

【Abstract】For the temperature variation of the vehicle brake disc under the heat capacity operation，we establish the temperature field transient simulation analysis method of brake disc by software Starccm+and RadTherm coupling，and the error of the calculation results compared with that of the supplier falls into a reasonable range，which indicates that the calculation method is reasonable and feasible.Temperature field of four different kinds of brake discs are calculated，compared and analyzed by this method and it is concluded that solution 2 is the best one.This method can provide a reliable basis for the design and selection of the brake disc.

Key words:Brake disc，Temperature field，Transient analysis