制動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中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

制動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中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

制動盤熱仿真是制動盤研究的一大課題。通過計算制動盤熱能生成與仿真熱能散失，對制動盤熱仿真分析方法進行研究，并通過臺架試驗證明了制動盤熱仿真分析方法的有效性，為制動盤設計提供借鑒。

通風式制動盤；熱傳導；熱仿真

0 前言

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

制動盤熱仿真能夠通過仿真體現制動盤的散熱性能，目前國內研究制動盤熱仿真廣泛采用熱機耦合的分析方法［2］。但熱機耦合由于模型復雜，邊界條件多，計算時間長，仿真精度也不易保證，并沒有得到廣泛應用。文中采用熱傳導仿真分析原理，針對某制動盤進行熱仿真研究，并通過臺架試驗證明分析方法的有效性。

1 制動盤熱仿真分析方法

1.1 制動盤熱仿真模型的建立

制動盤工作原理十分簡單，制動盤與摩擦片摩擦產生熱量進入制動盤，制動盤通過表面散失熱量，當進入制動盤的熱量大于制動盤散失的熱量時，制動盤溫度升高，反之制動盤溫度降低。依據這一原理開展此次分析。

根據制動盤圓周方向上相似分布的特性，將制動盤模型簡化為局部扇形進行分析，這樣可以提升計算效率。切割局部扇形時，需要注意保證單位扇形的選取。

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

1.2 制動盤熱流密度計算

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

將熱量Q對時間求導并除以摩擦面積，即可得到任意時刻下制動盤摩擦表面的熱流密度計算公式，如下：

式中：q為制動盤與摩擦片接觸區域熱流密度，W／m2；

λ為制動能量分配系數；

m為軸質量，kg；

a為制動減速度，m／s2；

v0為制動初速度，m／s；

v為任意時刻下的制動速度，m／s；

n為制動盤參與摩擦面數；

A為制動盤每側參與摩擦的面積，m2。

1.3 制動盤熱能散失

通風式制動盤在旋轉過程中，由于與外界空氣進行對流換熱，熱能得以散失，采用流場分析軟件對制動盤旋轉過程進行仿真，得到制動盤表面對流換熱系數［4］，如圖2所示?？梢钥闯觯褐苿颖P散熱效率可以大致分為幾個區域。依據這一思路，根據散熱效率的大小，通過大致擬合，將制動盤散熱區域分為6個部分，如表1所示。

表1 制動盤各個表面對流換熱系數表 W·m－2·K－1

1.4 制動盤熱傳導分析

制動盤散熱能力多采用多次反復制動來進行考量，文中以圖3所示的15次重復制動工況為條件，開展制動盤熱傳導分析。

對制動盤與摩擦片摩擦區域施加熱流密度，對制動盤表面施加對流換熱系數，并根據制動工況進行相應設置，開展仿真分析，得到仿真結果，繪制制動盤最高溫度與制動時間曲線見圖4?？梢钥闯觯涸谥苿舆^程中，制動盤溫度隨之升高，當制動末了，制動熱流密度引起的制動盤溫度升高小于制動盤表面對流換熱系數引起的制動盤溫度降低時，制動盤溫度降低，故制動盤未結束制動即出現制動盤溫度降低，加速過程中，制動盤溫度降低，從制動盤最高溫度變化曲線上來說，制動盤溫度仿真符合實際情況。

2 仿真與試驗驗證

采用慣性試驗臺，根據仿真條件下的制動工況，對制動盤進行相應試驗，對制動盤布置熱電偶測試制動盤制動過程中的最高溫度。由于熱電偶只能采集每次制動的最高溫度，故將15次制動每次制動采集的制動盤最高溫度與仿真進行匯總，見圖5，可以看出制動盤最高溫度試驗與仿真結果核對較好，證明了仿真的有效性。

3 結束語

通過流場分析計算制動盤表面散熱系數，并通過能量守恒理論計算制動盤熱載荷，通過指定工況下的設置，進行相關試驗并與仿真進行對照，證明了文中提出的制動盤熱仿真方法的有效性。該分析方法，相對于制動盤熱機耦合，存在分析方法簡單、計算精度高、效率快等優點，具有較高的工程實用價值。

【1】孟德建，張立軍，余卓平.通風盤式制動器熱－機耦合理論建模與分析［J］.同濟大學學報，2010（6）：890－897.

【2】楊智勇，韓建民，李衛京，等.制動盤制動過程的熱－機耦合仿真［J］.機械工程學報，2010（1）：88－92.

【3】孫新芳，李芾，孫樹磊，等.快速貨車制動盤熱應力分析［J］.鐵道機車車輛，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》雜志簡介

《汽車零部件》是由國家科技部主管，中國科學技術信息研究所、中國汽車零部件工業公司主辦，機械工業汽車零部件產品質量監督檢測中心承辦的以汽車零部件技術發展為內容的科技期刊，是國家新聞出版廣電總局第一批認定的學術期刊。

《汽車零部件》2006年1月起試刊 （內部交流），2008年1月正式創刊，2009年1月改成月刊，每月28號出版，大16開，精美全彩色印刷，國際刊號ISSN 1674?1986，國內統一刊號CN11?5661／TH，面向全國公開發行。

《汽車零部件》內容上著重介紹關于汽車零部件產品的理論研究、產品設計制造工藝技術、設備使用維修和技術改造方面的最新科研生產成果和國內外最新發展動向。

刊物的主要欄目：研究與開發、檢測與維修、動態與綜述、技術新視野、市場與信息。

二、稿件要求

征集具有先進性、指導性、實用性、創新性、規范性和可讀性的科技論文，要求邏輯性關系明確，脈絡清晰、結構嚴謹、前提完備、演算正確、符號規范，語句通順、圖表清晰、推斷合理、自成系統。文責由作者自負，在尊重作者文意的基礎上，編輯部有權對稿件進行刪改和節錄發表。

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咨詢郵箱：autoparts＠gmeri.com。

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，從事汽車底盤研發工作。E?mail：cyvpm＠gwm.cn。