不關于同材料的通風盤式制動器散熱特性的 探索
作者張毅
近幾十年來，國內(nèi)外許多學者已經(jīng)對制動器進行了深入的研究。Voller利用計算機流體力學(CFD)分析發(fā)現(xiàn)車輛制動器的散熱特性與盤式制動器外表面有直接的關系。Choi對比了普通實心制動盤和螺旋式通風盤式制動盤兩種制動盤的散熱能力，并使用有限元分析技術(shù)模擬制動盤在重復制動下的溫度分布狀態(tài)。
1 制動盤生熱和傳熱理論
1.1 盤式制動器的制動發(fā)熱理論
制動器的散熱能力對于保證制動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起了關鍵的作用。車輛制動過程中，通過制動盤轉(zhuǎn)子和摩擦塊的相互滑動摩擦使車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低了車輛的轉(zhuǎn)速。對于長時間的重復制動，產(chǎn)生的熱量如果不能及時散發(fā)將會對制動性能造成極大的影響，因此我們有必要對其進行研究。
1.2盤式制動器的散熱理論分析
傳熱的本質(zhì)是物體內(nèi)部的分子、原子、電子動能向外傳播的過程。熱傳遞通常有熱傳導、熱輻射、熱對流3種方式。摩擦片主要通過與其相鄰部件以熱傳導方式散熱，與周圍空氣以對流和輻射的方式散熱。根據(jù)車輛的基本參數(shù)，計算在制動過程中制動盤轉(zhuǎn)子與摩擦塊之間摩擦產(chǎn)生的熱量：
其中：σ為波爾茲曼數(shù)；e為制動盤表面熱輻射率；A。d為制動盤熱輻射面積；T"為制動盤平均溫度；T。，為制動盤周圍環(huán)境溫度。在計算熱傳遞問題時，制動盤主要通過熱對流方式與空氣進行散熱。因此我們研究制動盤表面溫度分布時，主要考慮制動盤與空氣間的傳熱方式。
2制動盤不同材料屬性
隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展，對不同材料的優(yōu)化分布可以生產(chǎn)出擁有質(zhì)量更輕和熱特性更好的制動器。本文選擇了目前使用廣泛的新型材料：鋁基復合材料、灰鑄鐵、碳纖維來進行熱量分布對比。
鋁基復合材料主要由Al—Si-C三種元素的合金組成，其耐磨性、散熱特性、熱穩(wěn)定性好，密度小，僅為鑄鐵密度的40%，從而可以大大降低制動盤的重量。
灰鑄鐵是由Fe、C、Si三種元素組成的合金，灰鑄鐵因其具有良好的熱性能、價格低、變形程度低、熱傳導性能好、可鑄造性和機加工性能高等優(yōu)點，成為車輛制動盤目前廣泛使用的金屬材料。
陶瓷碳纖維是高溫條件下碳纖維與碳化硅合成的增強型復合材料。這種材料密度極低，不到鑄鐵材料的一半。
3對盤式制動器進行有限元分析
首先需要使用ANSYS CFX對盤式制動盤進行建模，建模是進行分析最重要的一步，合理的模型可以保證后續(xù)計算的精度和可靠性。本文以奔馳C200轎車制動盤為例進行ANSYS CFX分析。表1為奔馳C200轎車制動工況具體參數(shù)。
車輛在制動過程中，制動盤會繞著中心軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生空氣紊流，同時車輛也會向前運動，此時的空氣流動為湍流，因此選擇目前使用最多的k-e標準來解決空氣湍流問題。由于本文主要研究的是在外界條件完全相同的情況下，不同材料制動盤的熱量分布影響，因此分析時可以不考慮整車對制動系統(tǒng)的影響，從而簡化制動器空氣流場模型，大大減少了計算工作量。
3.1 用ANSYS CFX建立制動盤模型
使用ANSYS軟件建立制動盤模型如圖1所示。
3.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設定
該模型主要由制動盤固體區(qū)域、靜止和旋轉(zhuǎn)的空氣區(qū)域3部分組成。靜止和旋轉(zhuǎn)空氣區(qū)域均采用四面體網(wǎng)格單元劃分，制動盤要先采用四面體網(wǎng)格單元劃分后再對制動盤轉(zhuǎn)子摩擦面進行網(wǎng)格細化加密。劃分完畢后，各個域網(wǎng)格單元數(shù)和網(wǎng)格節(jié)點數(shù)見表2。
網(wǎng)格劃分后，要分析制動盤在制動過程的瞬態(tài)熱分布，首先對制動盤模型進行穩(wěn)態(tài)計算，此時設置車輛的制動初速度為90 km／h。在ANSYS CFX中該系統(tǒng)包含了3個區(qū)域和3種類型的邊界條件。分別建立靜止空氣域、旋轉(zhuǎn)空氣流場和制動盤固體區(qū)域，并設置制動盤固體區(qū)域起始溫度為22℃。邊界條件分別設為人口、出口和壁面邊界。流體入口給定流速條件，數(shù)值設置為汽車的初始運行速度90 km/h;流體出口壓力相對于大氣壓力為零；壁面施加起始溫度和相對壓力后進行穩(wěn)態(tài)計算，迭代次數(shù)設置為100次。穩(wěn)態(tài)分析完成后保存文件，對模型進行瞬態(tài)分析。為了模擬車輛制動過程瞬態(tài)的溫度變化，需要在轉(zhuǎn)子表面設定與摩擦塊等面積區(qū)域，以施加摩擦產(chǎn)生的熱源。當汽車以90 km/h的初速度緊急制動時，入口邊界條件即為25 m/s，出口邊界壓力為O Pa。車輛制動減速度為6．94 m/s2，前處理設置后如圖2所示。
制動盤材料分別選取灰鑄鐵、鋁基復合材料、碳纖維，灰鑄鐵、鋁基復合材料、碳纖維的材料屬性見表3，其溫度的計算機仿真云圖分別見圖3～圖5。
4結(jié)論
根據(jù)計算機仿真的云圖我們可知：不同材料的盤式制動器其表面溫度分布大不相同；三者中碳纖維盤式制動器表面溫度最高，其表面最高溫度可達711 K；鑄鐵材料制動盤在制動過程中最高溫度為587 K;鋁基復合材料制動盤的溫度最低，在制動過程中制動器表面最高溫度僅僅為359 K。
通過對3種不同材料的制動盤進行ANSYS CFX瞬態(tài)熱分析，我們可以得知：汽車企業(yè)生產(chǎn)小功率低速車可以使用鑄鐵盤式制動器，因為其相對于其他材料溫度升高幅度低且分布均勻；對于高級轎車而言，可以使用鋁基復合材料這種散熱特性相對較好的材料，可以使得制動性能受高溫影響較小，制動性能相對更加穩(wěn)定；賽車速度較快，空氣對流明顯增強，應該盡可能選擇通風盤式碳纖維制動盤。
5摘要：主要研究制動盤熱量的產(chǎn)生機理以及散熱過程，結(jié)合ANSYS CFX軟件，模擬計算奔馳C200在緊急制動情況下，速度從90 km/h下降到O km/h的過程中，不同材料的通風盤式制動器的制動盤的熱量分布情況，得到不同材料制動盤散熱特性，為企業(yè)生產(chǎn)盤式制動器提供合理的參考。
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