基于計算流體力學(xué)的汽車制動盤散熱特性研究

張霞　鄭偉奇　陳勇

摘要：文章基于計算流體力學(xué)的方法，數(shù)值模擬了氣流在車輪拱輪中的運動軌跡，分析了導(dǎo)流通道對制動盤散熱特性的影響，結(jié)果表明：開設(shè)導(dǎo)流通道可在保持風(fēng)阻系數(shù)基本不變的情況下，增強(qiáng)制動盤的散熱效果。

關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)；汽車制造；導(dǎo)流通道；制動盤；散熱性能；車輪拱輪 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2016）13-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.005

當(dāng)車輛處于緊急制動、頻繁制動或持續(xù)下坡制動時，制動盤的溫度會急劇升高，這容易導(dǎo)致制動失效或輪胎起火等嚴(yán)重交通事故。如何使制動盤在工作過程中迅速降溫是汽車安全行駛的前提。通常，制動盤安裝在汽車車輪的內(nèi)部，其冷卻過程與輪輻、輪拱等周邊零部件的結(jié)構(gòu)及布置方式等關(guān)系密切。因此，分析車輪的輪拱結(jié)構(gòu)對制動盤散熱特性的影響規(guī)律，具有重要的工程意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對汽車制動過程中的動力學(xué)問題進(jìn)行了大量的研究。Arthur Stephens采用實驗的方法測量了在多種實際工況下，旋轉(zhuǎn)徑向通風(fēng)制動盤的內(nèi)部空氣流動情況。測試工況包括：單個制動盤在靜止的空氣中旋轉(zhuǎn)；將制動盤安裝至車輪相應(yīng)位置后，在靜止的空氣中旋轉(zhuǎn)；將制動盤安裝在車輪中，在流動的空氣中旋轉(zhuǎn)以及用四分之一實車模擬的公路制動工況。研究結(jié)果表明：與單個制動盤的制動效果相比，四分之一實車模擬的公路制動工況下的制動盤內(nèi)部通道的氣流顯著減少。類似的，G P Voller等學(xué)者也發(fā)現(xiàn)：車輪的存在的確削弱了制動盤的散熱效果。為了提高車輛制動的冷卻效率，Zheng WQ首次提出了一種風(fēng)扇式輪輻結(jié)構(gòu)，它能夠在保證制動盤結(jié)構(gòu)不變的情況下，增強(qiáng)車輛的對流散熱效果，并應(yīng)用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，簡稱CFD）方法研究了輻板數(shù)量以及輻板扭轉(zhuǎn)角對制動盤冷卻效果的影響規(guī)律。Thomas Schuetz以提高制動散熱效果為目標(biāo)，對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，將由發(fā)動機(jī)排出的氣流直接被引流至制動器區(qū)域，大大增加了流經(jīng)車輪結(jié)構(gòu)及制動盤內(nèi)的空氣流量。

為增加車輪輪拱內(nèi)的氣體流量，增強(qiáng)車輛的制動散熱效果，本文以車輪及其所在的輪拱為研究對象，在車身結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣格柵與輪拱之間增設(shè)導(dǎo)流通道，采用計算流體力學(xué)方法，分析其對制動盤散熱性能的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型的建立

選取某款常見轎車的車身結(jié)構(gòu)（基準(zhǔn)輪拱的長、寬、高分別為2681.7mm、1196.37mm、943.72mm）為研究對象，在距離車底盤8cm高度處，增設(shè)入口面積為7000mm2的導(dǎo)流通道。采用有限元法建立三維數(shù)值模型，分別使用四面體網(wǎng)格、六面體與四面體混合網(wǎng)格劃分車輪總成結(jié)構(gòu)。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)解驗證后，最終確定網(wǎng)格總單元數(shù)為1520204。有限元模型中的各部件主要參數(shù)為輪輻、輪輞及螺栓部件的密度為7840kg/m3，定壓比熱為465J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為48W/（m·K）；制動鼓密度為7570kg/m3，定壓比熱為470J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為36W/（m·K）；空氣密度為1.029kg/m3，動力黏性系數(shù)為2.06×10-5kg/（m·s），定壓比熱為1009J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為0.0296W/（m·K）。

設(shè)置車身為無滑移邊界條件，采用穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解。汽車車輪制動鼓散熱時，車輪和車身周圍空氣的對流換熱問題為非定常三維不可壓流動傳熱問題，需滿足如下的連續(xù)方程、動量方程及能量方程：

式中：u為速度分量；T為溫度；μ為動力黏性系數(shù)；F為質(zhì)量力；ρ為密度；Cp為定壓比熱；k為導(dǎo)熱系數(shù)。在計算車輪及車身外部流動換熱問題時，還需考慮車輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部的導(dǎo)熱問題，即滿足式（3）中的能量方程。應(yīng)用一階迎風(fēng)格式描述動量及能量方程的離散格式，采用基于壓力求解器的隱式求解算法對式（1）至式（3）進(jìn)行求解。

2 結(jié)果分析

增設(shè)導(dǎo)流通道后，車輪制動盤表面對流換熱系數(shù)的分布云圖，如圖1所示。從該圖可知：增設(shè)導(dǎo)流流通道后，制動盤表面平均對流換熱系數(shù)有所提高，可達(dá)91.97W/m2·K。

從圖2中可知：開設(shè)導(dǎo)流通道后，輪拱內(nèi)部流場分布非常復(fù)雜，由于車輪的旋轉(zhuǎn)及其復(fù)雜的幾何形狀，形成了大量的流動分離和渦流。來自車輛前方的氣流通過導(dǎo)流通道進(jìn)入輪拱，一部分流經(jīng)車輪外側(cè)直接進(jìn)入周圍空氣；另一部分流經(jīng)制動盤表面后，以渦旋流動的形式散失在輪拱外部，制動盤的散熱效果增強(qiáng)。

3 結(jié)語

本文采用計算流體力學(xué)方法，分析了導(dǎo)流通道對制動盤散熱效果的影響。由數(shù)值模擬結(jié)果可知：在通向輪拱內(nèi)，開設(shè)導(dǎo)流通道可有效提高制動盤的散熱特性。

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基金項目：山東省2015年民辦本科高校優(yōu)勢特色專業(yè)支持計劃。

作者簡介：張霞（1959-），女，黑龍江哈爾濱人，青島理工大學(xué)琴島學(xué)院機(jī)電工程系副教授，研究方向：計算流體力學(xué)方面的數(shù)值模擬。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）