戴海燕，張繼華，李長玉

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東廣州510800）

汽車制動器在制動過程中經(jīng)常會發(fā)生熱衰退而導(dǎo)致制動失效，鼓式制動器因其結(jié)構(gòu)的原因更容易發(fā)生熱衰退，出于安全考慮，危險(xiǎn)品運(yùn)輸車一般采用穩(wěn)定性較好的盤式制動器。盤式制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對其散熱情況影響較大，為了獲得更好的盤式制動器抗熱衰退性能，大量的研究人員對盤式制動器制動時(shí)產(chǎn)生的熱場進(jìn)行了研究，主要可歸結(jié)如下：

1998年，周志勇等[1]根據(jù)蠕變理論和熱疲勞理論對盤式制動盤的高溫失效機(jī)理和壽命進(jìn)行了計(jì)算，通過對計(jì)算結(jié)果分析得出：鉆機(jī)、修井機(jī)盤式制動盤失效是高溫時(shí)熱疲勞和蠕變相結(jié)合的結(jié)果，并提出了其壽命的計(jì)算公式。2007年，張謙等[2]對高速列車制動盤溫度場特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并且利用紅外熱像儀對制動盤制動過程進(jìn)行了溫度場觀測，在三個(gè)初始速度中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了制動盤制動過程中溫度的分布，以及各種情況下，不同的溫度數(shù)據(jù)。2008年，韓建榮等[3]對盤式制動器利用熱源法計(jì)算出制動盤的溫度場，得出了制動盤的溫度分布，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，并繪制了制動盤不同時(shí)刻相應(yīng)熱變形的對比曲線。相對前面兩個(gè)，通過對實(shí)踐與理論相結(jié)合的側(cè)重，得到了更準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)。2019年，張婷婷等[4]利用Starccm+計(jì)算出瞬態(tài)狀況下溫度場的變化，建立了計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）聯(lián)合仿真模型，為制動盤溫度場的分析提供了一種方法。

從文獻(xiàn)分析可發(fā)現(xiàn)，對制動盤制動的研究主要集中在溫度場的變化、溫度對制動盤的熱變形以及熱失效影響，但是對于制動盤上每個(gè)點(diǎn)的溫度變化以及制動襯片的溫度點(diǎn)變化缺少分析，對散熱部分以及散熱通孔的設(shè)計(jì)缺少研究分析。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于危險(xiǎn)品運(yùn)輸車的盤式制動器，分析了典型制動工況下該盤式制動器制動時(shí)各點(diǎn)溫度變化情況、接觸面產(chǎn)熱和表面散熱情況，以及制動盤側(cè)面通風(fēng)孔對制動盤表面溫度產(chǎn)熱和散熱情況的影響。

1 制動盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)了三軸式運(yùn)油車盤式制動器，底盤選型EQ1250GSZ5DJ，輪胎規(guī)格數(shù)據(jù)為295/80R22.5，總質(zhì)量為25 000 kg。

1.2 制動盤各參數(shù)的計(jì)算和確定

根據(jù)羅永革等主編的《汽車設(shè)計(jì)》進(jìn)行剎車盤參數(shù)確定。

（1）制動盤直徑D。制動盤在選取時(shí)盡量取大一些，這樣可以增加制動盤的有效半徑，減小制動鉗的夾緊力，更好地降低襯塊的單位壓力和剎車時(shí)溫度的大小。剎車盤大小受輪輞直徑的限制，直徑通常為輪輞的70%～90%。經(jīng)計(jì)算，剎車盤直徑選為420 mm。

（2）制動盤厚度h。制動盤的厚度對工作時(shí)的溫度產(chǎn)生和散失有很大影響，為了減少溫升，制動盤的厚度應(yīng)大一些，為了散熱效果更佳，應(yīng)在剎車盤表面與側(cè)面增加散熱孔。一般選取實(shí)心制動盤厚度為10～20 mm，通風(fēng)制動盤一般選取20～50 mm，采用較多的為20～30 mm。根據(jù)要求制動盤厚度選為30 mm，側(cè)面通風(fēng)孔厚度為20 mm。

（3）摩擦襯塊外半徑R2與內(nèi)半徑R1。推薦外半徑R2/R1比值≤1.5。若比值偏大，工作時(shí)磨損不均勻。經(jīng)計(jì)算，R1=125 mm，R2=187.5 mm，R2/R1=1.5。

（4）制動襯塊工作面積A。制動襯塊的設(shè)計(jì)與汽車質(zhì)量有關(guān)，一般取值范圍在1.6～3.5 kg/cm2。此處取為2.7 kg/cm2。

根據(jù)尺寸繪制設(shè)計(jì)的盤式制動器的三維模型如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)的盤式制動器三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Design ofthree-dimensionalstructureof disc brake

2 制動盤瞬態(tài)傳熱分析

2.1 物理模型建立

為對該制動盤制動時(shí)溫度變化以及產(chǎn)生和散發(fā)的熱量進(jìn)行分析，建立如下數(shù)學(xué)模型：

式中：ρ為剎車盤各材質(zhì)的密度；CP為剎車盤各材質(zhì)的恒壓比熱容；u為制動盤和制動摩擦片相對速度；k為制動器各位置熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q為熱源；Qted為熱彈性阻尼；?為微分算子。

制動盤和制動摩擦片均暴露在空氣中進(jìn)行強(qiáng)制對流散熱，所以邊界條件設(shè)置為

式中：q0為制動器外表面對流產(chǎn)生的熱流量；h為對流換熱系數(shù)；Tair為空氣溫度。

制動器的制動盤和制動摩擦片存在輻射傳熱，輻射傳熱情況如下：

式中：Tamb為環(huán)境溫度；ε為表面輻射率；σ為玻爾茲曼常數(shù)。

整個(gè)制動器在制動初始t=0時(shí)刻溫度為

2.2 數(shù)值計(jì)算

設(shè)置汽車行駛的初速度為v0=20 m/s，汽車制動加速度為a=-10 m/s2，車輪半徑r=0.35 m，在t=2 s時(shí)開始剎車，t=5 s時(shí)剎車結(jié)束，具體的汽車制動時(shí)速度和時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。空氣溫度設(shè)置為Tair=300 K，汽車質(zhì)量為mcar=25 000 kg，制動器摩擦片和制動盤之間的摩擦系數(shù)為μ=0.3。計(jì)算式制動盤的表面熱輻射率取值0.8，制動摩擦片的熱輻射率取值 0.28[5]。

圖2 制動時(shí)汽車速度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 Relationship between vehicle speed and time when braking

傳熱計(jì)算時(shí)制動盤和制動摩擦片的熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 制動器各部件熱物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of each layer

汽車開始制動2 s后，剎車盤和剎車片的交界面開始發(fā)生接觸，忽略剎車外部的曳力和其他部件的損耗，剎車的延遲功率P由汽車動能時(shí)間導(dǎo)數(shù)的負(fù)值給出：

在確定相關(guān)計(jì)算所用到的公式和參數(shù)之后，本文采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算，采用comsol軟件對制動器進(jìn)行自由四面體網(wǎng)格劃分。

2.3 結(jié)果與分析

圖3為初始模型在4 s時(shí)的溫度狀態(tài)，經(jīng)過剎車時(shí)間2 s溫度將近上升210 K左右。由圖可見：在該時(shí)刻剎車盤中心與外側(cè)溫度變化較低，與剎車片接觸部分溫度最高，說明在該時(shí)刻熱量還未傳達(dá)到剎車盤內(nèi)外兩側(cè)。剎車片下表面的溫度最高，接觸面溫度將近210 K，是該時(shí)刻溫度的最高值。剎車片有條顏色較淺的白色紋路，說明熱量從接觸面開始向剎車襯片表面擴(kuò)散，反映了其熱量由內(nèi)往外的傳遞路徑[6]。

圖3 無通風(fēng)孔模型4 s時(shí)刻溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram at 4 s of no vent model

圖4為優(yōu)化模型在4 s時(shí)刻的溫度云圖。由圖可見：該時(shí)刻的溫度最高值并未達(dá)到510 K，而是接近450 K，溫度上升幅度可達(dá)150 K，剎車盤內(nèi)側(cè)溫度變化較小，在300 K左右，而外側(cè)變化較于明顯，在400～450 K范圍之內(nèi)[7]。剎車盤與剎車片的接觸面溫度變化明顯，達(dá)到制動盤溫度的最高值，剎車片上中間的顏色比兩邊淺，所以中間溫度比兩側(cè)高，變化明顯。

圖4 有通風(fēng)孔模型4 s時(shí)刻溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of ventilation hole model at 4 s

基于4 s時(shí)刻的兩個(gè)模型溫度云圖，相對于無通風(fēng)孔的模型，可以看出有通孔模型的剎車盤與剎車片所達(dá)到的溫度較低，最高溫度差值將近60 K左右。相對于溫度來說，優(yōu)化后的模型在溫度降低方面有很大提高。再從溫度分布狀況可以發(fā)現(xiàn)：無通風(fēng)孔的模型溫度傳遞較慢，內(nèi)外兩側(cè)與接觸面溫差較大，致使制動盤制動時(shí)，熱量得不到很好地傳遞，造成制動盤熱失效；有通風(fēng)孔的模型，溫度分布較均勻，大大提升了熱量的傳遞效率，對制動盤制動時(shí)的散熱有了明顯提高。通過圖3和圖4的溫度云圖對比，證實(shí)了通風(fēng)孔設(shè)計(jì)的實(shí)用性，對熱疲勞有良好的調(diào)控[8]。

圖5表示了無通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車盤與剎車片接觸面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)。A，C，D實(shí)線分別為無通風(fēng)孔模型剎車盤與剎車片接觸面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)；B，E，F(xiàn)虛線分別為有通風(fēng)孔模型剎車盤與剎車片接觸面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)。

圖5 不同模型接觸面各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.5 Temperature variation with time at various points of contact surface of different models

由圖5可以看出：在2～4 s溫度急劇上升，無論實(shí)線虛線在4 s時(shí)刻達(dá)到最高值480 K，4 s之后開始逐漸降溫至室溫。兩者溫度比較而言，有通風(fēng)孔的模型三個(gè)點(diǎn)所達(dá)到的溫度都小于無通風(fēng)孔的模型，所以從接觸面的分析可知，給剎車盤加通風(fēng)孔能夠有效降低剎車盤的溫度。

圖6為無通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車盤與剎車片上表面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)。A，C，D實(shí)線分別為無通風(fēng)孔模型剎車盤與剎車片上表面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)；B，E，F(xiàn)虛線分別為剎車片上表面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)。由圖可見：4 s之后溫度開始上升，無論實(shí)線虛線，在4～15 s溫度一直上升，實(shí)線的上升速率和達(dá)到的溫度都比虛線快且高；在剎車盤加上通風(fēng)口之后，摩擦襯片達(dá)到的溫度也大大降低，熱量從接觸面到摩擦襯片上表面的傳遞變少[9]。

圖7為無通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車盤表面的溫度變化。圖中，A，C實(shí)線分別為無通風(fēng)孔模型剎車盤表面的兩點(diǎn)，B，D虛線分別為有通風(fēng)孔模型剎車盤上表面的兩點(diǎn)。由圖可見：A，C兩條線2 s之后溫度開始上升，3 s時(shí)達(dá)到最高值；B，D兩條虛線在2.5 s開始增溫，在5.5 s達(dá)到最高值。兩者比較可知，B，D兩條虛線的最高值低于實(shí)線。數(shù)據(jù)可以說明，制動盤開通風(fēng)孔對于制動盤有明顯的降溫效果。

圖6 不同模型剎車襯片上表面各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.6 Temperature variation of various points on the surface of different models of brake linings with time

圖7 不同模型制動盤表面兩點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.7 Temperature variation of two points on the surface of brake disc with time in different models

圖8為無通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車盤的產(chǎn)熱及散熱趨勢（為了使對比的結(jié)果顯著區(qū)分，對產(chǎn)熱和散熱取以10為底的對數(shù)）。

圖8 不同模型產(chǎn)熱散熱隨時(shí)間變化曲線圖[11]Fig.8 Curves of heat generation and heat dissipation with time for different models[11]

由圖8可知：A，B為無通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車盤的產(chǎn)熱及散熱，C，D為無通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車盤的產(chǎn)熱及散熱。由圖可見，4條曲線從第2 s開始熱量急劇上升，在2.5 s時(shí)熱量上升減緩，在5 s左右開始與X軸平行，不再繼續(xù)產(chǎn)熱。無通風(fēng)孔模型與有通風(fēng)孔模型產(chǎn)熱相同，而有通風(fēng)孔模型的散熱相對于無通風(fēng)孔模型提高明顯，對制動系統(tǒng)有較好的保護(hù)，提高了車輛的安全性[10]。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種剎車盤通風(fēng)結(jié)構(gòu)，并對兩者進(jìn)行了分析和比較，可明顯地看出優(yōu)化的效果。結(jié)論如下：①在質(zhì)量方面，優(yōu)化的模型節(jié)省了許多材料，降低了生產(chǎn)成本，減少了運(yùn)輸車總質(zhì)量；②在溫度方面，大大降低了制動盤剎車時(shí)所產(chǎn)生的溫度，提高了剎車盤的壽命，優(yōu)化了剎車盤剎車時(shí)的失效性；③剎車盤設(shè)計(jì)時(shí)，對其側(cè)面或表面開孔，有助于散熱性能的提升。