刹车盘怎么冷却更高效?CFD仿真来教你!

刹车盘怎么冷却更高效?CFD仿真来教你!

本周我们来聊聊刹车制动盘冷却的CFD分析

首先来了解一下汽车的刹车制动系统,一般制动方式可以分为鼓式制动盘式制动

鼓式制动是通过液压装置将刹车鼓内的刹车片往外推,使刹车片与刹车鼓之间形成摩擦产生制动效果。其特点是成本低,工作可靠,制动力大,但是散热较差,抗热衰退性较弱。目前主要应用在入门级车的后轮制动器,更多的是应用于商用车领域。

盘式制动如下图所示,通过卡钳将刹车片压紧制动盘,靠刹车片与制动盘之间的摩擦来实现制动。它的特点是成本较高,散热好,抗热衰退性强,制动效果好,目前乘用车基本采用的是这种盘式制动。

根据散热性能要求的不同,盘式制动还可以分为普通的盘式制动,通风盘式制动和打孔通风盘式制动。普通盘式制动,即没有通风结构,通常会布置在后制动器上。通风盘式制动,即在普通盘式制动基础上增加了通风结构,散热更好,是目前最常见的制动盘形式。而对于一些高性能的跑车,在通风盘基础上还会增加很多通风孔,进一步提高它的冷却效果。

保时捷911上的打孔通风制动盘

说完结构原理和分类,我们就要谈谈什么是制动器的热衰退性。简单一些来说,就是温度升高后制动摩擦副的摩擦系数会降低,制动性能会下降。所以如果一个制动系统的散热比较好,长时间制动后摩擦副的温度也不高,那么我们就说这个制动器的抗热衰退性能较好。

为了提高制动系统的抗热衰退性,就需要对制动盘进行散热,有研究表明,制动盘冷却过程中,有90%的热量是通过热对流形式的带走的,通过热辐射带走的热量则不到10%。因此对制动盘进行合理的设计,组织制动盘周围气流,加强其对流散热能力,是提高制动器制动性能的重要方法。

实际中一些性能跑车,为了提高制动盘的散热能力,也有设计一些专门的导风结构,比如保时捷911 GT3中设计如下图所示的通风口和导流罩。

来源汽车之家

既然提到了导风结构以及对流换热,那我们的CFD又该派上大用场了。没错,通过CFD仿真的方法,可以评估经过若干制动循环后制动盘温是否满足要求,既可以用于导风结构的优化设计,也可以用于制动盘的设计选型。

下面就介绍下CFD仿真在制动盘冷却中的应用

根据分析目的的不同,有以下几种分析类型:

(1) 对于制动盘结构的设计,可以仅对制动盘进行分析,模拟制动盘测试台架上的测试过程。重点关注不同转速下制动盘表面的对流换热系数分布,也可以对比分析不同制动盘通风结构在不同转速下的通风盘空气流量。

参考文献[4]

(2) 对于制动系统导风结构的设计,比如通风口、风道、导风罩等,则需要求建立整车的风洞模型,分析不同车速下机舱内的流场情况,分析通风口是否能有效引流,风道的压损是否合理,可以对比不同导风结构情况下的对流换热系数,从而对导风结构进行优化。

参考文献[3]

(3) 对整车制动系统制动循环中的瞬态盘温进行计算。这时需要将以上两者分析结合起来,通过整车模型分析不同工况下的对流换热系数,再通过单个制动盘模型分析瞬态温升。最后评价制动盘设计能否满足散热要求。

最后以AMS100制动循环为例讲解一下计算制动盘温的CFD仿真流程。

EXA公司有Powerflow+Powertherm的仿真方法,有发表过几篇SAE论文(以后贴上),不过我没用过不太了解。

分析的方法有很多,我这里介绍的是基于STARCCM+计算整车模型条件下制动盘的对流换热系数,然后在制动盘模型中通过计算热对流和热传导来计算瞬态盘温。热辐射的影响这里没有考虑。

AMS100可以简单的理解为以最大加速度加速到100km/h的车速,然后以最大减速度刹车至0,如此循环十次,测试最后制动盘的温度。

首先计算前我们需要得到一组能估算制动系统发热功率的AMS100试验数据(需包括整车参数,加速时间,制动时间,制动距离,加速度等信息),我们最后计算的盘温是基于这个试验数据的发热功率得到的。所以当整个项目结束后,我们还需要对前期仿真的计算参数进行修正,以形成闭环,用于下一个项目的仿真中。

发热功率的计算原理非常简单,即认为制动过程中整车的动能全部转化为了制动系统的发热功率,所以有:

Q=mav(Q为发热功率,m为整备质量,a为制动减速度,v为瞬时车速)

然后根据前后轴制动力分配系数来分配前后轮的发热功率。可以根据经验或者计算公式再进行制动盘和刹车片的热量分配。

第二步是计算不同车速下整车模型中制动盘的对流换热系数,以AMS100为例,可以选取100km/h,80km/h,60km/h,40km/h,20km/h五个车速,分别计算不同车速下制动盘的对流换热系数,然后可以采用插值的方法得到0-100km/h范围内车速和对流换热系数之间的关系。

第三步结合制动盘的发热功率以及对流换热系数,就可以计算AMS循环中瞬态的盘温变化。在制动盘模型中我们需要考虑固体的导热,摩擦副中的热流密度以及与空气接触面的对流换热系数。这里可以采用滑移网格的方法考虑制动盘的转动。最后可以得到如下的制动盘温度分布以及瞬态的制动盘最高温度变化曲线[5]。

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参考资料

[1]autohome.com.cn/tech/20

[2]chejiahao.autohome.com.cn

[3] 杜旭之[1], 杨志刚[1], 李启良[1], et al. 某乘用车制动盘冷却特性的研究[J]. 同济大学学报:自然科学版, 2016(44):793.

[4]芦克龙. 基于CFD的汽车制动盘散热性数值计算与优化[D]. 2011.

[5] 周凡华, 吴光强, 沈浩, et al. 盘式制动器15次循环制动温度计算[J]. 汽车工程, 2001, 23(6):411-413.

编辑于 2019-12-08

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