汽车制动盘温度场瞬态分析方法的研究

朱晴　陈群　史亨波（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）



汽车制动盘温度场瞬态分析方法的研究

朱晴陈群史亨波
（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

【摘要】针对汽车制动盘在整车热容量工况下温度变化的问题，建立运用Starccm+软件与RadTherm软件耦合的制动盘温度场瞬态仿真计算分析方法，其计算结果与供应商计算结果对比误差在合理范围内，说明该计算方法合理可行。运用该方法对4种不同结构制动盘的温度场进行计算对比分析，得出方案2结构最优，该计算方法为制动盘的设计与选型提供依据。

主题词：制动盘温度场瞬态分析

1　　前言

汽车制动器的制动过程是将运动部件的动能转化成热能并耗散，对制动器摩擦副温度进行试验测试，其测量结果的准确性往往依赖于传感器布置的数量，同时还不能获得摩擦副任意点处的温度值变化，使得仅通过试验研究方法实现对汽车制动器散热性机理的精确研究变得困难，因此运用仿真计算手段对制动器摩擦表面的温度场分析有着重大意义。

机械摩擦式制动器可分为鼓式、盘式两种类型，本文车型所用为盘式制动器，其摩擦副旋转元件为制动盘［1］。目前制动盘温度场瞬态计算方法主要采用有限元软件对局部制动盘进行计算分析，过程复杂且耗时较长，不适合在设计初期工程中应用。针对以上情况，本文对一种新的计算方法进行研究，该方法首先运用Starccm+软件对制动盘进行稳态流动计算，得出制动盘表面换热系数，然后将其作为边界条件输入到Rad-Therm软件中再对制动盘温度场进行瞬态仿真计算。

2　　稳态计算分析

2.1三维计算模型

轮腔的气流流场很复杂，而制动盘位于轮腔之中，其散热性受到车身结构的影响。整车模型情况下对制动盘的散热性进行分析具有实际的工程意义。本文的制动盘计算基于整车模型进行，整车模型包括整车车身、发动机、变速器、冷却模块、制动转向系统、底盘和进排气系统等影响前舱和底盘处气体流动的关键零件，模型如图1所示。由于气体在汽车发动机舱内的流动受到外流场的影响，因此采用适用于外流场的计算域。为了提高计算精度，确保计算稳定和加快计算收敛，依据流场在各区域变化程度的不同，对体网格按区域进行不同程度的细化，并将整车生成边界层，使用Starccm+中Trim网格形式生成体网格，数量为1 200万，如图2所示。

制动盘三维模型见图3所示。为了提高计算精度，将轮辋与制动盘做成一个旋转域模型，如图4所示。整个轮胎结构包括轮胎、轮辋、轮毂、转向节和挡尘盘等，模型见图5。

2.2边界条件设定

计算域入口采用速度入口，为100 km∕h；出口采用压力出口，为标准大气压。换热器包括高温散热器、冷凝器、低温散热器，采用多孔介质模型来模拟气流在其厚度方向的压力降，阻尼系数通过试验数据拟合获得。风扇与制动盘采用旋转参考坐标系（MRF）方式处理［2，3］。

2.3稳态计算结果

稳态计算的目的主要是以制动盘表面换热系数作为制动盘温度场瞬态计算的边界条件。通过制动盘的气体主要是外部空气，少量为通过换热器与风扇的热空气，如图6和图7所示。

制动盘表面气流速度与换热系数分布如图8和图9所示。将换热系数作为边界条件输入到热分析软件RadTherm中。

3　　瞬态计算分析

在摩擦制动过程中，接触表面的摩擦力做功产生热量，其热量主要分为两部分：一部分是摩擦表面的微凸体与接触界面的粘结、剪切、断裂以及由机械切削作用造成的接触区域周围材料产生塑性变形而产生的热量，这部分热量使制动器元件的温度迅速升高，是摩擦能量的主要部分；另一部分是摩擦材料在一定温度下热降解产生的热量，这部分热量仅占总摩擦能力的2%，所以在分析计算中通常忽略不计。在制动盘的冷却过程中，大部分热量以热对流的方式散发到周围空气里，只有一小部分热量以热传导、热辐射的方式散发［4］。

应用热分析软件RadTherm分析在热容量工况下制动盘、制动片的温度场分布以及温度场随时间的变化。

3.1瞬态计算方法

RadTherm软件主要是通过热力学第一定律和斯蒂芬—波尔兹曼定律进行求解。汽车制动过程中整车动能几乎全部通过制动器摩擦副和轮胎地面摩擦副转变为热能。其中，大多数动能通过制动器的摩擦转化为热能，这些热能一部分被摩擦片吸收，大部分则被制动盘吸收，制动盘温度升高。制动能量Eb表达式为［5］：

式中，I为转动惯量；m为汽车总质量；V1为汽车制动初速度；V2为汽车制动结束时刻的速度；ω1为制动初始角速度；ω2为制动结束时角速度。

如果车辆制动至停止，则V2=ω2=0，制动能量Eb表达式变为：

由于制动盘与轮胎转速相同，则V1=Rω1，Eb表达式变为：

式中，k为旋转质量修正系数（乘用车在高速挡时为1.05～1.15，低速挡时为1.3～1.5，常用值为1）；R为轮胎半径。

制动功率Pb表达式为：

如果减速度a恒定，速度V（t）=V1-at，则制动功率Pb表达式变为：

3.2模型建立

由于主要针对制动盘在连续制动工况下温度的变化进行瞬态计算，所以计算模型包括轮胎、轮辋、轮毂、制动盘、制动钳和双侧制动片，模型如图10和图11所示。模型的网格为在Starccm+中生成的面网格，最小网格尺寸为5 mm，网格数量为81 394个。

3.3边界条件设定

制动盘计算工况为热容量工况，即在室温20℃环境下，车辆初始速度为100 km∕h，并以4.87 m∕s2的减速度制动至停止，制动时间为5.7 s，间隔时间30 s，以35.7 s为一个制动循环。总共进行10次制动循环，共计时间357 s。制动盘与制动片在热容量工况下的制动生热量如图12和图13所示。制动片与制动盘接触面设置如图14所示［6］。

3.4瞬态计算结果

在热容量工况下，制动片和制动盘都存在热传导和对流方式的热交换，即制动时有摩擦热量的产生，在非制动期内没有摩擦热量的产生而处于自由散热阶段。

制动盘在热容量工况连续制动10次后温度分布如图15所示。最高温度区域为制动盘环状工作表面的平均半径区域，即摩擦衬块的工作半径区域。可知，无论是径向还是轴向方向，离摩擦表面的工作半径位置越远，制动盘的温度越低。

图16所示为采用本文计算方法的计算结果与供应商提供结果对比分析。供应商计算连续10次制动最高温度为452.3℃，RadTherm计算结果最高温度为473.7℃，两者误差在合理范围内，说明运用RadTherm热分析软件计算制动盘温度变化合理可行，其为制动盘计算热容量工况提供有效途径。

3.5不同结构形式制动盘温度场比较分析

图17所示为4种不同结构的制动盘，其中方案1结构与方案4结构为外通风形式，且方案4结构的盘帽高度大于方案1；方案2与方案3为内通风形式，区别见图17b和图17c圆圈内区域。

运用Starccm+与RadTherm耦合的瞬态计算方法对4种不同结构制动盘在热容量工况下的温度变化进行仿真计算，结果如图18所示。可以看出，4种制动盘温度变化趋势一致，其中方案4温度较高，热容量工况下最高温度可达483℃；方案2温度相对较低，热容量工况最高温度为458℃；方案1与方案3温度居中，热容量工况最高温度分别为473℃和475℃。综合以上分析可以得出，针对热容量工况，方案2的制动盘结构及通风方式相对最优。

由以上计算与研究分析可以看出，该制动盘温度场瞬态计算方法是一种准确、高效、简便的计算方法，既满足精度需求，又可缩短计算周期，为设计早期与多方案选型提供依据。

4　结束语

a.在CFD稳态计算中，基于整车环境下将制动盘与轮辋做成一个旋转区域，得到制动盘周围气体流动情况与表面换热系数，为温度场瞬态计算提供边界条件。

b. 应用RadTherm软件对汽车制动盘在热容量工况下的瞬态温度场进行了仿真分析，计算结果与供应商提供结果吻合，误差在合理范围内，说明该计算方法可行，为制动盘在设计初期提供了一种工程分析方法。

c.运用该研究方法对4种不同结构的制动盘温度场进行对比分析，得出方案2结构温升较小，为制动盘选型提供依据。

参考文献

1芦克龙.基于CFD的汽车制动盘散热性数值计算与优化：［学位论文］.长沙：湖南大学，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杨仁华.基于ANSYS的制动盘瞬态热仿真分析.中国西部科技，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.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年4月1日。

中图分类号：U463.51

文献标识码：A

文章编号：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