輪輞結構對制動盤散熱性能的影響分析

翟輝輝，李慧云，周海超*

（1.鎮江高等專科學校 電氣與交通學院，江蘇 鎮江 212028；2.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013）

汽車制動器是汽車安全行駛必不可少的重要組成部件。制動器在車輛制動過程中產生大量的內能，宏觀上則表現為剎車盤的整體溫度在短時間內迅速提高，同時受氣流的影響，這種溫度分布可能并不是均勻的。同時過高的溫度可能會導致制動器產生熱衰減，這種溫度的改變有極大可能破壞制動器，從而導致制動失效的情況發生。

目前國內外的研究大多針對制動盤結構對于制動盤散熱的影響，同時也有學者開始關注車輪附近氣流對于制動盤散熱的作用。ZHAO等分析了車輪附近的流場對制動盤表面的氣流有很大的影響。JIAN等通過仿真模擬，證明了車輪附近空氣流場對于制動盤的散熱性能有著重要而不可忽視的作用。楊志剛等發現提高流經制動盤的空氣流量能大幅度提高制動盤的散熱能力。另外在國內外學者研究下可知輪輻結構對于制動盤散熱能力有著重要作用。但目前就不同輪輞結構對于制動器散熱影響的研究鮮有報道，因此，開展關于汽車輪輞結構對于制動盤散熱影響的研究是必要的。

1 輪胎的幾何建模及網格劃分

1.1 輪胎的幾何建模

為充分研究在制動過程之中制動盤散熱和輪輻之間的散熱聯系，選定了三種輪輻，其主要是由輪輞的開口幅度區分。并且在輪輞結構上選擇了較為圓潤的模型，仿真模型半徑為150 mm，寬度為87 mm。以輪胎中心為坐標原點，垂直于地面向上為軸，平行于地面垂直于制動盤向外為軸，平行于地面與汽車行駛方向相反為軸。模型圖如圖1—圖3所示。

1.2 網格劃分與邊界條件

1.2.1 網格劃分

在理想情況之下，忽略輪胎胎面和地面接觸造成的彈性形變。輪胎與地面之間存在一個超小的銳角，在進行網格劃分的時候，這個小銳角會導致網格質量的大幅度降低。為了得到一個相對準確的仿真結果，在胎體與地面接觸的地方建立一個2 mm的突起面。讓突起面直接與地面接觸，這使得接觸角度變成直角。

圖4為包括車輪在內的流場計算域，圖5為車輪表面網格信息，圖6為計算域體網格信息。本次仿真實驗共計設置了1 091 555個節點數和1 776 836個網格。

1.2.2 邊界條件

本次仿真實驗基于壓力基的穩態計算，為進一步提高仿真精度，本仿真實驗考慮重力對仿真結果的影響，同時設置重力加速度為9.8 m/s。

本次仿真主要針對在普通條件和正常行駛的工況下車輛采取制動措施。考慮到現實中的車輛制動情況，本次仿真實驗將計算域的入口速度設置為20 m/s。為準確捕獲流動信息，設置了湍流強度為5%，入口溫度為300 K。由于車輪的旋轉特性，車輪采用多重參考系（MRF）方法設置為旋轉壁面邊界條件，旋轉速度為80 rad/s。在完成了制動盤的固體域設置之后，設置制動盤每秒產熱能力為486 W，設置每單位體積產熱功率為15×10W。設置壓力出口條件，出口溫度為300 K。

2 制動盤流場的計算控制方程

質量守恒方程也被叫做連續方程，是在一個流體系統中固定時間內質量的增加，等于同一時間里進入該系統的凈質量。表達式為

式中，為時間；為流體密度；同時、、的三個方向上速度矢量的分量則分別是、、。

動量守恒方程，這個方程可以從牛頓第二定律推導后得到：=，表示流體系統當中的動量對時間的導數，也等于作用于這個系統所有的外力之和。當然在不同的方向上也可以成立，如、、的三個方向上的動量守恒方程。

式中，為流體的密度；為壓力；為速度；為時間。三個空間坐標分別是、、，動力粘度是；動量守恒方程中的廣義源項分別是、、所代表。

3 溫度場計算結果分析

通過分析圖7—圖9可知，窄輻輪輞結構中高溫區域最小，寬幅輪輞結構次之，封閉式輪輞結構高溫區域最大。因此我們初步認為開口面積更大的輪輞結構具有更好的散熱性能。但是我們也能看出窄幅輪輞結構中制動盤低溫區域最大，而封閉輪輞結構和寬幅輪輞結構低溫區域大小相近，甚至封閉式輪輞結構低溫區域面積要大于寬幅輪輞結構。同時制動盤高溫側輪輞溫度隨輪輻面積增大而減小，產生這種差異性的原因主要是窄輪輞更大的空間體積加速了氣流通過，從而加劇熱量擴散。

圖10給出了三種不同輪輻下制動盤的溫度特征，通過這一組穿過制動盤表面最高溫度的線來看可以很好地反應出制動盤的溫度分布特性。以輪胎圓心為坐標原點，不難看出在軸上接近?0.03的地方是制動盤的產熱高區。在高精度顯示下，封閉的輪輻結構制動盤最高溫度表現為609 ℃，寬輪輻制動盤表現為604 ℃，而窄輪輻制動盤的最高溫度表現為598 ℃。雖然在0.07以后區域開口輪輞結構溫度有上升趨勢，但遠低于中心區域高溫。

同時在三組輪輻結構中，在制動盤中心區域普遍存在一個高溫區域，這主要是由于在輪輞內腔的氣流在該區域形成了一個渦流中心，氣流運動速度顯著降低，致使該區域熱量難以擴散交換。

通過圖11—圖13可知，在通過制動盤中心的水平截面上，在制動盤中心區域普遍存在一個高溫區域，但是窄幅輪輞高溫區域寬度最小，寬幅輪輞次之，封閉式輪輞高溫區域最大，主要是由于在輪輞內腔的氣流在該區域形成了一個渦流中心，氣流運動速度顯著降低，致使該區域熱量難以擴散交換。在窄輪輞結構中，制動盤附近氣流向輪胎兩側擴散順暢，使輪胎兩側熱量擴散的很快，除了背風處外，制動盤周圍空氣溫度都很低。封閉式輪輞結構中，制動盤附近氣流的熱量只能向一側擴散，且很明顯在輪輞內腔有一個渦流。與之相比，寬幅輪輞結構內腔和輪輻外各存在一個渦流，致使本應積聚熱量的位置的氣體得到更好的流動，提高了散熱性能。由此可見氣流的雙向流動對于輪輞內腔散熱具有重要意義。

4 流場結果分析

由圖14—圖16可知，寬幅輪輞和封閉式輪輞結構的輪胎和輪輞交界處均存在較多的空氣流動，而窄幅輪輞結構因輪輻過小表現不明顯。不同之處在于，寬幅輪輞結構氣流沿著輪輻表面流入輪輞內部；而封閉式輪輞胎體與輪輞接觸處氣流較多，向中心處逐漸降低。這主要是因為封閉輪輞內部氣流很難向外界流通，反映于在內部流速快且流量密的現象。

綜合圖17—圖19可知，在這個三水平面流場流線圖在整體的外流場上非常相近，較為不同的是封閉輪輞在胎體與地面接觸后方氣流數量更多，而且氣流的面積明顯大于另外二者，同時封閉輪輞外部氣流也表現出更加的不穩定。而窄輪輞和寬輪輞在制動盤區域則有顯著的氣流繞流現象，這就會增加氣流對熱量的耗散，從而降低制動盤溫度。

5 結論

本文針對三種不同的輪輞結構對制動盤散熱的影響進行了仿真模擬。結果表明，輪輞的開口程度在很大因素上影響了制動盤的散熱能力，輪輞開口面積的大小和制動盤的散熱效率成正相關。窄輪輞具有更大的開口面積，使輪輞內部氣流更易加速流動，且易于向輪輞外部流動，增強熱量交換，從而降低制動盤溫度；而封閉式輪輞容易限制氣流外部流動，而著重傾向于在輪輞內部流動，不易形成熱量交換，從而對制動盤散熱不利。