汽車制動盤溫度場瞬態分析方法的研究

朱晴　陳群　史亨波（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

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汽車制動盤溫度場瞬態分析方法的研究

朱晴陳群史亨波
（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

【摘要】針對汽車制動盤在整車熱容量工況下溫度變化的問題，建立運用Starccm+軟件與RadTherm軟件耦合的制動盤溫度場瞬態仿真計算分析方法，其計算結果與供應商計算結果對比誤差在合理范圍內，說明該計算方法合理可行。運用該方法對4種不同結構制動盤的溫度場進行計算對比分析，得出方案2結構最優，該計算方法為制動盤的設計與選型提供依據。

主題詞：制動盤溫度場瞬態分析

1　　前言

汽車制動器的制動過程是將運動部件的動能轉化成熱能并耗散，對制動器摩擦副溫度進行試驗測試，其測量結果的準確性往往依賴于傳感器布置的數量，同時還不能獲得摩擦副任意點處的溫度值變化，使得僅通過試驗研究方法實現對汽車制動器散熱性機理的精確研究變得困難，因此運用仿真計算手段對制動器摩擦表面的溫度場分析有著重大意義。

機械摩擦式制動器可分為鼓式、盤式兩種類型，本文車型所用為盤式制動器，其摩擦副旋轉元件為制動盤［1］。目前制動盤溫度場瞬態計算方法主要采用有限元軟件對局部制動盤進行計算分析，過程復雜且耗時較長，不適合在設計初期工程中應用。針對以上情況，本文對一種新的計算方法進行研究，該方法首先運用Starccm+軟件對制動盤進行穩態流動計算，得出制動盤表面換熱系數，然后將其作為邊界條件輸入到Rad-Therm軟件中再對制動盤溫度場進行瞬態仿真計算。

2　　穩態計算分析

2.1三維計算模型

輪腔的氣流流場很復雜，而制動盤位于輪腔之中，其散熱性受到車身結構的影響。整車模型情況下對制動盤的散熱性進行分析具有實際的工程意義。本文的制動盤計算基于整車模型進行，整車模型包括整車車身、發動機、變速器、冷卻模塊、制動轉向系統、底盤和進排氣系統等影響前艙和底盤處氣體流動的關鍵零件，模型如圖1所示。由于氣體在汽車發動機艙內的流動受到外流場的影響，因此采用適用于外流場的計算域。為了提高計算精度，確保計算穩定和加快計算收斂，依據流場在各區域變化程度的不同，對體網格按區域進行不同程度的細化，并將整車生成邊界層，使用Starccm+中Trim網格形式生成體網格，數量為1 200萬，如圖2所示。

制動盤三維模型見圖3所示。為了提高計算精度，將輪輞與制動盤做成一個旋轉域模型，如圖4所示。整個輪胎結構包括輪胎、輪輞、輪轂、轉向節和擋塵盤等，模型見圖5。

2.2邊界條件設定

計算域入口采用速度入口，為100 km∕h；出口采用壓力出口，為標準大氣壓。換熱器包括高溫散熱器、冷凝器、低溫散熱器，采用多孔介質模型來模擬氣流在其厚度方向的壓力降，阻尼系數通過試驗數據擬合獲得。風扇與制動盤采用旋轉參考坐標系（MRF）方式處理［2，3］。

2.3穩態計算結果

穩態計算的目的主要是以制動盤表面換熱系數作為制動盤溫度場瞬態計算的邊界條件。通過制動盤的氣體主要是外部空氣，少量為通過換熱器與風扇的熱空氣，如圖6和圖7所示。

制動盤表面氣流速度與換熱系數分布如圖8和圖9所示。將換熱系數作為邊界條件輸入到熱分析軟件RadTherm中。

3　　瞬態計算分析

在摩擦制動過程中，接觸表面的摩擦力做功產生熱量，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、剪切、斷裂以及由機械切削作用造成的接觸區域周圍材料產生塑性變形而產生的熱量，這部分熱量使制動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生的熱量，這部分熱量僅占總摩擦能力的2%，所以在分析計算中通常忽略不計。在制動盤的冷卻過程中，大部分熱量以熱對流的方式散發到周圍空氣里，只有一小部分熱量以熱傳導、熱輻射的方式散發［4］。

應用熱分析軟件RadTherm分析在熱容量工況下制動盤、制動片的溫度場分布以及溫度場隨時間的變化。

3.1瞬態計算方法

RadTherm軟件主要是通過熱力學第一定律和斯蒂芬—波爾茲曼定律進行求解。汽車制動過程中整車動能幾乎全部通過制動器摩擦副和輪胎地面摩擦副轉變為熱能。其中，大多數動能通過制動器的摩擦轉化為熱能，這些熱能一部分被摩擦片吸收，大部分則被制動盤吸收，制動盤溫度升高。制動能量Eb表達式為［5］：

式中，I為轉動慣量；m為汽車總質量；V1為汽車制動初速度；V2為汽車制動結束時刻的速度；ω1為制動初始角速度；ω2為制動結束時角速度。

如果車輛制動至停止，則V2=ω2=0，制動能量Eb表達式變為：

由于制動盤與輪胎轉速相同，則V1=Rω1，Eb表達式變為：

式中，k為旋轉質量修正系數（乘用車在高速擋時為1.05～1.15，低速擋時為1.3～1.5，常用值為1）；R為輪胎半徑。

制動功率Pb表達式為：

如果減速度a恒定，速度V（t）=V1-at，則制動功率Pb表達式變為：

3.2模型建立

由于主要針對制動盤在連續制動工況下溫度的變化進行瞬態計算，所以計算模型包括輪胎、輪輞、輪轂、制動盤、制動鉗和雙側制動片，模型如圖10和圖11所示。模型的網格為在Starccm+中生成的面網格，最小網格尺寸為5 mm，網格數量為81 394個。

3.3邊界條件設定

制動盤計算工況為熱容量工況，即在室溫20℃環境下，車輛初始速度為100 km∕h，并以4.87 m∕s2的減速度制動至停止，制動時間為5.7 s，間隔時間30 s，以35.7 s為一個制動循環。總共進行10次制動循環，共計時間357 s。制動盤與制動片在熱容量工況下的制動生熱量如圖12和圖13所示。制動片與制動盤接觸面設置如圖14所示［6］。

3.4瞬態計算結果

在熱容量工況下，制動片和制動盤都存在熱傳導和對流方式的熱交換，即制動時有摩擦熱量的產生，在非制動期內沒有摩擦熱量的產生而處于自由散熱階段。

制動盤在熱容量工況連續制動10次后溫度分布如圖15所示。最高溫度區域為制動盤環狀工作表面的平均半徑區域，即摩擦襯塊的工作半徑區域。可知，無論是徑向還是軸向方向，離摩擦表面的工作半徑位置越遠，制動盤的溫度越低。

圖16所示為采用本文計算方法的計算結果與供應商提供結果對比分析。供應商計算連續10次制動最高溫度為452.3℃，RadTherm計算結果最高溫度為473.7℃，兩者誤差在合理范圍內，說明運用RadTherm熱分析軟件計算制動盤溫度變化合理可行，其為制動盤計算熱容量工況提供有效途徑。

3.5不同結構形式制動盤溫度場比較分析

圖17所示為4種不同結構的制動盤，其中方案1結構與方案4結構為外通風形式，且方案4結構的盤帽高度大于方案1；方案2與方案3為內通風形式，區別見圖17b和圖17c圓圈內區域。

運用Starccm+與RadTherm耦合的瞬態計算方法對4種不同結構制動盤在熱容量工況下的溫度變化進行仿真計算，結果如圖18所示。可以看出，4種制動盤溫度變化趨勢一致，其中方案4溫度較高，熱容量工況下最高溫度可達483℃；方案2溫度相對較低，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，針對熱容量工況，方案2的制動盤結構及通風方式相對最優。

由以上計算與研究分析可以看出，該制動盤溫度場瞬態計算方法是一種準確、高效、簡便的計算方法，既滿足精度需求，又可縮短計算周期，為設計早期與多方案選型提供依據。

4　結束語

a.在CFD穩態計算中，基于整車環境下將制動盤與輪輞做成一個旋轉區域，得到制動盤周圍氣體流動情況與表面換熱系數，為溫度場瞬態計算提供邊界條件。

b. 應用RadTherm軟件對汽車制動盤在熱容量工況下的瞬態溫度場進行了仿真分析，計算結果與供應商提供結果吻合，誤差在合理范圍內，說明該計算方法可行，為制動盤在設計初期提供了一種工程分析方法。

c.運用該研究方法對4種不同結構的制動盤溫度場進行對比分析，得出方案2結構溫升較小，為制動盤選型提供依據。

參考文獻

1蘆克龍.基于CFD的汽車制動盤散熱性數值計算與優化：［學位論文］.長沙：湖南大學，2011.

2Vijay Damodaran，Radhika Cherukuru，Ajith Jayasundera. CFD Based Lumped Parameter Method to Predict the Thermal Performance of Brake Rotors in Vehicle.SAE Paper2003-01-0601.

3Manohar Reddy S，Mallikarjuna J M，Ganesan V.Flow and Heat Transfer Analysis of a Ventilated Disc Brake Rotor Using CFD.SAE Paper 2008-01-0822.

4楊仁華.基于ANSYS的制動盤瞬態熱仿真分析.中國西部科技，2015，14（10）：88～91.

5Rudolf Limpert.Brake Design and Safety.SAE International，1999.

6James E Hertel，Jared R Suster，et al.Finite Difference Heat Transfer Model of a Steel-clad Aluminum Brake Rotor. SAE Paper 2005-01-3943.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年4月1日。

中圖分類號：U463.51

文獻標識碼：A

文章編號：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