基于计算流体力学的汽车制动盘散热特性研究

张霞　郑伟奇　陈勇

摘要：文章基于计算流体力学的方法，数值模拟了气流在车轮拱轮中的运动轨迹，分析了导流通道对制动盘散热特性的影响，结果表明：开设导流通道可在保持风阻系数基本不变的情况下，增强制动盘的散热效果。

关键词：计算流体力学；汽车制造；导流通道；制动盘；散热性能；车轮拱轮 文献标识码：A

中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2016）13-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.005

当车辆处于紧急制动、频繁制动或持续下坡制动时，制动盘的温度会急剧升高，这容易导致制动失效或轮胎起火等严重交通事故。如何使制动盘在工作过程中迅速降温是汽车安全行驶的前提。通常，制动盘安装在汽车车轮的内部，其冷却过程与轮辐、轮拱等周边零部件的结构及布置方式等关系密切。因此，分析车轮的轮拱结构对制动盘散热特性的影响规律，具有重要的工程意义。

近年来，国内外学者对汽车制动过程中的动力学问题进行了大量的研究。Arthur Stephens采用实验的方法测量了在多种实际工况下，旋转径向通风制动盘的内部空气流动情况。测试工况包括：单个制动盘在静止的空气中旋转；将制动盘安装至车轮相应位置后，在静止的空气中旋转；将制动盘安装在车轮中，在流动的空气中旋转以及用四分之一实车模拟的公路制动工况。研究结果表明：与单个制动盘的制动效果相比，四分之一实车模拟的公路制动工况下的制动盘内部通道的气流显著减少。类似的，G P Voller等学者也发现：车轮的存在的确削弱了制动盘的散热效果。为了提高车辆制动的冷却效率，Zheng WQ首次提出了一种风扇式轮辐结构，它能够在保证制动盘结构不变的情况下，增强车辆的对流散热效果，并应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）方法研究了辐板数量以及辐板扭转角对制动盘冷却效果的影响规律。Thomas Schuetz以提高制动散热效果为目标，对车身结构进行了优化设计，将由发动机排出的气流直接被引流至制动器区域，大大增加了流经车轮结构及制动盘内的空气流量。

为增加车轮轮拱内的气体流量，增强车辆的制动散热效果，本文以车轮及其所在的轮拱为研究对象，在车身结构的进气格栅与轮拱之间增设导流通道，采用计算流体力学方法，分析其对制动盘散热性能的影响规律。

1 数值模型的建立

选取某款常见轿车的车身结构（基准轮拱的长、宽、高分别为2681.7mm、1196.37mm、943.72mm）为研究对象，在距离车底盘8cm高度处，增设入口面积为7000mm2的导流通道。采用有限元法建立三维数值模型，分别使用四面体网格、六面体与四面体混合网格划分车轮总成结构。经过网格无关解验证后，最终确定网格总单元数为1520204。有限元模型中的各部件主要参数为轮辐、轮辋及螺栓部件的密度为7840kg/m3，定压比热为465J/（kg·K），导热系数为48W/（m·K）；制动鼓密度为7570kg/m3，定壓比热为470J/（kg·K），导热系数为36W/（m·K）；空气密度为1.029kg/m3，动力黏性系数为2.06×10-5kg/（m·s），定压比热为1009J/（kg·K），导热系数为0.0296W/（m·K）。

设置车身为无滑移边界条件，采用稳态求解器进行求解。汽车车轮制动鼓散热时，车轮和车身周围空气的对流换热问题为非定常三维不可压流动传热问题，需满足如下的连续方程、动量方程及能量方程：

式中：u为速度分量；T为温度；μ为动力黏性系数；F为质量力；ρ为密度；Cp为定压比热；k为导热系数。在计算车轮及车身外部流动换热问题时，还需考虑车轮结构内部的导热问题，即满足式（3）中的能量方程。应用一阶迎风格式描述动量及能量方程的离散格式，采用基于压力求解器的隐式求解算法对式（1）至式（3）进行求解。

2 结果分析

增设导流通道后，车轮制动盘表面对流换热系数的分布云图，如图1所示。从该图可知：增设导流流通道后，制动盘表面平均对流换热系数有所提高，可达91.97W/m2·K。

从图2中可知：开设导流通道后，轮拱内部流场分布非常复杂，由于车轮的旋转及其复杂的几何形状，形成了大量的流动分离和涡流。来自车辆前方的气流通过导流通道进入轮拱，一部分流经车轮外侧直接进入周围空气；另一部分流经制动盘表面后，以涡旋流动的形式散失在轮拱外部，制动盘的散热效果增强。

3 结语

本文采用计算流体力学方法，分析了导流通道对制动盘散热效果的影响。由数值模拟结果可知：在通向轮拱内，开设导流通道可有效提高制动盘的散热特性。

参考文献

[1]赵凯辉.汽车制动器热衰退性能及相关制动安全检测

研究[D].长安大学，2010.

[2]Burst.US patent Aerodynamic brake cooling spoiler：

United States，4810021[P].1989.

[3]Moedinger.US patent Arrangement for supplying cooling

air to a brake disc：United States，4805747[P].1989.

[4]Kawaguchi.US patent Disc brake apparatus with cooling

fins：United States，4456099[P].1984.

[5]Stephens A.Aerodynamic Cooling of Automotive Disc

brakes[D].RMIT University，2006.

[6]Voller G P，Tirovic M，Morris R，et al.Analysis of

automotive disc brake cooling characteristics[J].

Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，

Part D：Journal of Automobile Engineering，2003，217

（8）.

[7]Tirovic，M，Voller，et al.Commercial vehicle brake

cooling-ventilated disc or ventilated wheel carrier

[A].Royal Armouries Museum，Leeds，ENGLAND：

PROFESSIONAL ENGINEERING PUBLISHING

LTD[C].2004.

[8]Kang N，Zheng WQ，Liu XD.An investigation of the

influence of the wheel spoke type on the convective

cooling of the brake disc using the computational fluid

dynamics method[J].Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile

Engineering，2013，227（11）.

[9]Schutz T，Kuthada T，Wiedemann J，Wickern G.

Brake disk cooling CFD-simulation and validation

[A].F2008-12-061，FISITA 2008 World Automotive

Congress[C].2008.

基金項目：山东省2015年民办本科高校优势特色专业支持计划。

作者简介：张霞（1959-），女，黑龙江哈尔滨人，青岛理工大学琴岛学院机电工程系副教授，研究方向：计算流体力学方面的数值模拟。

（责任编辑：黄银芳）