汽车前舱热气流对制动盘散热性能的影响

吴佳伟+杨志刚+赵兰萍

摘要：针对制动盘对流传热计算多基于单个制动盘或基于整车外壳模型下的制动盘，未考虑汽车前舱内高温气流对制动盘散热性能影响的问题，基于含有前舱部件的某SUV整车模型，对其通风制动盘散热性能进行数值计算并分析，得到在不同前舱产热工况以及不同车速下通风制动盘的外流场、外温度场、表面对流传热系数和散热功率.在前舱热源相同时，车速变高会提高制动盘对流传热性能，而在车速固定时前舱热源越大则制动盘的散热性能越差.

关键词：汽车； 制动盘； 前舱； 内流场； 散热性能； 对流传热； 热源

中图分类号： U463.512；TB115.1

文献标志码：B

Abstract：As to the issue that the calculation of convective heat transfer of brake disk is mostly based on single brake disk or the brake disks within whole vehicle shell model， for which the effect of the high temperature airflow from underhood on the brake disk dissipation performance is not considered， the dissipation performance of the ventilation brake disk of a SUV model with underhood parts is numerical calculated and analyzed. The outer flow field and temperature field， the surface convective heat transfer coefficient and the heat transfer power of the ventilation brake disk are obtained under different underhood heat generation condeions and vehicle velocities. The convective heat performance of brake disk can be improved with the increase of vehicle velocity under the same underhood heat source， but the dissipation performance of brake disk decreases with the increase of underhood heat source under the same vehicle velocity.

Key words：automobile； brake disk； underhood； internal flow field； dissipation performance； convective heat transfer； heat source

0引言

制动性能在乘用车设计中十分关键，良好的制动性能是行车安全的重要保证.随着现代乘用车技术的逐步发展，盘式制动器正逐渐取代鼓式制动器.盘式制动器散热快、质量小，高负载时耐高温性能好，制动效果稳定.但是，乘用车在长下坡或连续制动过程中，制动盘的温度会不断上升，极易导致制动热衰退.[1]因制动盘的温度过高导致制动效能降低引发的交通事故数不胜数.

以往的制动盘热性能仿真主要针对单一制动盘模型热性能[2-3]，定义无冷却气流或仅一个方向的气流吹过制动盘[4-5]；然而制动盘处于车轮轮腔中，流场十分复杂，自定义的气流流动与实际冷却气流流动相差甚远.部分学者在计算中考虑整车模型[6]，但模型仅包括汽车外形，底盘用一个平面封闭形成，虽然能近似模拟制动盘的外流场，但未考虑汽车前舱和底盘复杂结构下的内流场对制动盘的影响.少数学者考虑汽车内流场对制动盘散热性能的影响[7]，但未考虑汽车前舱热源和内流场综合作用时汽车制动盘的散热性能.

在汽车运行中，汽车前舱和底盘存在大量热源部件，如CRFM模块（冷凝器、散热器和风扇集成模块）、发动机、变速箱、油底壳、控制器和排气管等.[8]外界空气通过进气格栅进入前舱内部，温度急速升高，此后该部分高温气流扩散到4个车轮轮腔，使得制动盘周围空气温度升高，影响制动盘的对流传热性能.

为探究汽车前舱内流场和车身外流场综合作用下汽车制动盘的散热性能，针对某款SUV车型进行整车外形、前舱内部和底盘结构三维建模，定义前舱内的部件（如冷凝器、散热器和发动机等）的产热功率和温度，采用FLUENT计算前舱流出的热气流对制动盘散热性能的影响.

1整车和制动盘的建模及数值计算

1.1整车和制动盘模型

针对某款SUV车型建立三维模型，见图1，包括汽车外表面、前舱部件、传动机构和底盘等，简化处理如门把手、前后窗之间的凸缘等.整车模型尺寸为4 620 mm×1 800 mm×1 710 mm，轮胎直径为737 mm，轮辐为均布的5个直方钣金.该款车型通风制动盘内有36个通风道，通风道由直方的肋板构造而成.通风制动盘三维模型和通风道剖面见图2.实际车辆前后制动盘有一定区别，前轮为盘式制动器，后轮为盘鼓一体式制动器.在车辆制动过程中，盘鼓一体式制动盘的热容量非常大，前盘温度远高于后盘，故后轮制动器基本不存在热衰退问题.[9]为比较分析前后轮轮腔内的制动盘散热性能，模型中设定前后轮的制动盘为相同的通风制动盘模型.

在汽车制动过程中，车轮和制动盘是旋转的，通风制动盘的通风道和车轮轮辐相当于叶轮，使得大量空气通过并带走热量.[10]设定每个制动盘通风道内的计算域和每个车轮轮辐包围的空腔区域为移动参考系（Moving Reference Frame，MRF）区域，汽车前端进气口2个冷却风扇所处区域为MRF区域，散热器和冷凝器的内部为多孔介质区域.整车计算域网格数为1 600万个.