輪輞結(jié)構(gòu)對制動(dòng)盤散熱性能的影響分析

翟輝輝，李慧云，周海超*

（1.鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 電氣與交通學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

汽車制動(dòng)器是汽車安全行駛必不可少的重要組成部件。制動(dòng)器在車輛制動(dòng)過程中產(chǎn)生大量的內(nèi)能，宏觀上則表現(xiàn)為剎車盤的整體溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速提高，同時(shí)受氣流的影響，這種溫度分布可能并不是均勻的。同時(shí)過高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器產(chǎn)生熱衰減，這種溫度的改變有極大可能破壞制動(dòng)器，從而導(dǎo)致制動(dòng)失效的情況發(fā)生。

目前國內(nèi)外的研究大多針對制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)對于制動(dòng)盤散熱的影響，同時(shí)也有學(xué)者開始關(guān)注車輪附近氣流對于制動(dòng)盤散熱的作用。ZHAO等分析了車輪附近的流場對制動(dòng)盤表面的氣流有很大的影響。JIAN等通過仿真模擬，證明了車輪附近空氣流場對于制動(dòng)盤的散熱性能有著重要而不可忽視的作用。楊志剛等發(fā)現(xiàn)提高流經(jīng)制動(dòng)盤的空氣流量能大幅度提高制動(dòng)盤的散熱能力。另外在國內(nèi)外學(xué)者研究下可知輪輻結(jié)構(gòu)對于制動(dòng)盤散熱能力有著重要作用。但目前就不同輪輞結(jié)構(gòu)對于制動(dòng)器散熱影響的研究鮮有報(bào)道，因此，開展關(guān)于汽車輪輞結(jié)構(gòu)對于制動(dòng)盤散熱影響的研究是必要的。

1 輪胎的幾何建模及網(wǎng)格劃分

1.1 輪胎的幾何建模

為充分研究在制動(dòng)過程之中制動(dòng)盤散熱和輪輻之間的散熱聯(lián)系，選定了三種輪輻，其主要是由輪輞的開口幅度區(qū)分。并且在輪輞結(jié)構(gòu)上選擇了較為圓潤的模型，仿真模型半徑為150 mm，寬度為87 mm。以輪胎中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直于地面向上為軸，平行于地面垂直于制動(dòng)盤向外為軸，平行于地面與汽車行駛方向相反為軸。模型圖如圖1—圖3所示。

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

1.2.1 網(wǎng)格劃分

在理想情況之下，忽略輪胎胎面和地面接觸造成的彈性形變。輪胎與地面之間存在一個(gè)超小的銳角，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候，這個(gè)小銳角會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量的大幅度降低。為了得到一個(gè)相對準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，在胎體與地面接觸的地方建立一個(gè)2 mm的突起面。讓突起面直接與地面接觸，這使得接觸角度變成直角。

圖4為包括車輪在內(nèi)的流場計(jì)算域，圖5為車輪表面網(wǎng)格信息，圖6為計(jì)算域體網(wǎng)格信息。本次仿真實(shí)驗(yàn)共計(jì)設(shè)置了1 091 555個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和1 776 836個(gè)網(wǎng)格。

1.2.2 邊界條件

本次仿真實(shí)驗(yàn)基于壓力基的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，為進(jìn)一步提高仿真精度，本仿真實(shí)驗(yàn)考慮重力對仿真結(jié)果的影響，同時(shí)設(shè)置重力加速度為9.8 m/s。

本次仿真主要針對在普通條件和正常行駛的工況下車輛采取制動(dòng)措施。考慮到現(xiàn)實(shí)中的車輛制動(dòng)情況，本次仿真實(shí)驗(yàn)將計(jì)算域的入口速度設(shè)置為20 m/s。為準(zhǔn)確捕獲流動(dòng)信息，設(shè)置了湍流強(qiáng)度為5%，入口溫度為300 K。由于車輪的旋轉(zhuǎn)特性，車輪采用多重參考系（MRF）方法設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件，旋轉(zhuǎn)速度為80 rad/s。在完成了制動(dòng)盤的固體域設(shè)置之后，設(shè)置制動(dòng)盤每秒產(chǎn)熱能力為486 W，設(shè)置每單位體積產(chǎn)熱功率為15×10W。設(shè)置壓力出口條件，出口溫度為300 K。

2 制動(dòng)盤流場的計(jì)算控制方程

質(zhì)量守恒方程也被叫做連續(xù)方程，是在一個(gè)流體系統(tǒng)中固定時(shí)間內(nèi)質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間里進(jìn)入該系統(tǒng)的凈質(zhì)量。表達(dá)式為

式中，為時(shí)間；為流體密度；同時(shí)、、的三個(gè)方向上速度矢量的分量則分別是、、。

動(dòng)量守恒方程，這個(gè)方程可以從牛頓第二定律推導(dǎo)后得到：=，表示流體系統(tǒng)當(dāng)中的動(dòng)量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，也等于作用于這個(gè)系統(tǒng)所有的外力之和。當(dāng)然在不同的方向上也可以成立，如、、的三個(gè)方向上的動(dòng)量守恒方程。

式中，為流體的密度；為壓力；為速度；為時(shí)間。三個(gè)空間坐標(biāo)分別是、、，動(dòng)力粘度是；動(dòng)量守恒方程中的廣義源項(xiàng)分別是、、所代表。

3 溫度場計(jì)算結(jié)果分析

通過分析圖7—圖9可知，窄輻輪輞結(jié)構(gòu)中高溫區(qū)域最小，寬幅輪輞結(jié)構(gòu)次之，封閉式輪輞結(jié)構(gòu)高溫區(qū)域最大。因此我們初步認(rèn)為開口面積更大的輪輞結(jié)構(gòu)具有更好的散熱性能。但是我們也能看出窄幅輪輞結(jié)構(gòu)中制動(dòng)盤低溫區(qū)域最大，而封閉輪輞結(jié)構(gòu)和寬幅輪輞結(jié)構(gòu)低溫區(qū)域大小相近，甚至封閉式輪輞結(jié)構(gòu)低溫區(qū)域面積要大于寬幅輪輞結(jié)構(gòu)。同時(shí)制動(dòng)盤高溫側(cè)輪輞溫度隨輪輻面積增大而減小，產(chǎn)生這種差異性的原因主要是窄輪輞更大的空間體積加速了氣流通過，從而加劇熱量擴(kuò)散。

圖10給出了三種不同輪輻下制動(dòng)盤的溫度特征，通過這一組穿過制動(dòng)盤表面最高溫度的線來看可以很好地反應(yīng)出制動(dòng)盤的溫度分布特性。以輪胎圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，不難看出在軸上接近?0.03的地方是制動(dòng)盤的產(chǎn)熱高區(qū)。在高精度顯示下，封閉的輪輻結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤最高溫度表現(xiàn)為609 ℃，寬輪輻制動(dòng)盤表現(xiàn)為604 ℃，而窄輪輻制動(dòng)盤的最高溫度表現(xiàn)為598 ℃。雖然在0.07以后區(qū)域開口輪輞結(jié)構(gòu)溫度有上升趨勢，但遠(yuǎn)低于中心區(qū)域高溫。

同時(shí)在三組輪輻結(jié)構(gòu)中，在制動(dòng)盤中心區(qū)域普遍存在一個(gè)高溫區(qū)域，這主要是由于在輪輞內(nèi)腔的氣流在該區(qū)域形成了一個(gè)渦流中心，氣流運(yùn)動(dòng)速度顯著降低，致使該區(qū)域熱量難以擴(kuò)散交換。

通過圖11—圖13可知，在通過制動(dòng)盤中心的水平截面上，在制動(dòng)盤中心區(qū)域普遍存在一個(gè)高溫區(qū)域，但是窄幅輪輞高溫區(qū)域?qū)挾茸钚?，寬幅輪輞次之，封閉式輪輞高溫區(qū)域最大，主要是由于在輪輞內(nèi)腔的氣流在該區(qū)域形成了一個(gè)渦流中心，氣流運(yùn)動(dòng)速度顯著降低，致使該區(qū)域熱量難以擴(kuò)散交換。在窄輪輞結(jié)構(gòu)中，制動(dòng)盤附近氣流向輪胎兩側(cè)擴(kuò)散順暢，使輪胎兩側(cè)熱量擴(kuò)散的很快，除了背風(fēng)處外，制動(dòng)盤周圍空氣溫度都很低。封閉式輪輞結(jié)構(gòu)中，制動(dòng)盤附近氣流的熱量只能向一側(cè)擴(kuò)散，且很明顯在輪輞內(nèi)腔有一個(gè)渦流。與之相比，寬幅輪輞結(jié)構(gòu)內(nèi)腔和輪輻外各存在一個(gè)渦流，致使本應(yīng)積聚熱量的位置的氣體得到更好的流動(dòng)，提高了散熱性能。由此可見氣流的雙向流動(dòng)對于輪輞內(nèi)腔散熱具有重要意義。

4 流場結(jié)果分析

由圖14—圖16可知，寬幅輪輞和封閉式輪輞結(jié)構(gòu)的輪胎和輪輞交界處均存在較多的空氣流動(dòng)，而窄幅輪輞結(jié)構(gòu)因輪輻過小表現(xiàn)不明顯。不同之處在于，寬幅輪輞結(jié)構(gòu)氣流沿著輪輻表面流入輪輞內(nèi)部；而封閉式輪輞胎體與輪輞接觸處氣流較多，向中心處逐漸降低。這主要是因?yàn)榉忾]輪輞內(nèi)部氣流很難向外界流通，反映于在內(nèi)部流速快且流量密的現(xiàn)象。

綜合圖17—圖19可知，在這個(gè)三水平面流場流線圖在整體的外流場上非常相近，較為不同的是封閉輪輞在胎體與地面接觸后方氣流數(shù)量更多，而且氣流的面積明顯大于另外二者，同時(shí)封閉輪輞外部氣流也表現(xiàn)出更加的不穩(wěn)定。而窄輪輞和寬輪輞在制動(dòng)盤區(qū)域則有顯著的氣流繞流現(xiàn)象，這就會(huì)增加氣流對熱量的耗散，從而降低制動(dòng)盤溫度。

5 結(jié)論

本文針對三種不同的輪輞結(jié)構(gòu)對制動(dòng)盤散熱的影響進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明，輪輞的開口程度在很大因素上影響了制動(dòng)盤的散熱能力，輪輞開口面積的大小和制動(dòng)盤的散熱效率成正相關(guān)。窄輪輞具有更大的開口面積，使輪輞內(nèi)部氣流更易加速流動(dòng)，且易于向輪輞外部流動(dòng)，增強(qiáng)熱量交換，從而降低制動(dòng)盤溫度；而封閉式輪輞容易限制氣流外部流動(dòng)，而著重傾向于在輪輞內(nèi)部流動(dòng)，不易形成熱量交換，從而對制動(dòng)盤散熱不利。