外文翻譯（中文）--汽車制動盤的冷卻因素預測和其影響結(jié)果的熱值模擬

1、<p><b>　　中文6265字</b></p><p>　　汽車制動盤的冷卻因素預測和其影響結(jié)果的熱值模擬</p><p>　　M. PEVEC, I. POTRC, G. BOMBEKand D. VRANESEVIC</p><p>　　1) 產(chǎn)品開發(fā)—制動和懸架，Cimos d. d.，Marezganskega upor

2、a 2，科佩爾 6000、斯洛文尼亞　　</p><p>　　2) 機械工程學院，馬里博爾大學，馬里博爾2000,斯洛文尼亞</p><p>　　摘 要：在制動盤的開發(fā)過程中，有必要對適應性設(shè)計進行預測，可以肯定用預測的方式，即使用不考慮冷卻因素的模型也能滿足所有客戶的請求，通常制動盤適用性測試的不同順序制動測試中，將達到最高溫度作為制動盤是否合適的標準。如何預測制動盤的行為，在預試

3、期之前對開發(fā)成本和時間有很大影響。預測制動盤制動溫度常見的方法是數(shù)值模擬分析法，借助于計算流體動力學，流經(jīng)汽車的空氣流量由制動盤的尺寸參數(shù)決定，對所有汽車速度和制動盤的溫度進行傳熱系數(shù)計算，然后把結(jié)果導入到熱值模擬順序制動測試中進行分析，結(jié)果表明，冷卻因素對溫度的影響很大。要想從數(shù)值模擬和汽車測試模擬中獲得準確的結(jié)果，必須要考慮傳熱系數(shù)的準確性、適當性，數(shù)值模擬法得到更精確的數(shù)值并為開發(fā)工程師在制動盤早期預試階段提供合適的開發(fā)方案。&l

4、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：通風制動盤；傳熱系數(shù)；CFD和有限元法；溫度負荷</p><p><b>　　1. 簡介</b></p><p>　　在制動時，運動的汽車的動能和勢能都轉(zhuǎn)化為熱能。大多數(shù)的熱能被制動盤吸收，然后散失到周圍的空氣。實心制動盤散熱緩慢。因此，目前通風盤通過增強氣流通來改善汽車制動系統(tǒng)冷卻。通風制動盤作為一個離心機，使冷空氣

5、進入內(nèi)側(cè)，冷空氣通過葉片然后被排出。有人指出，通風盤式制動器的對流傳熱系數(shù)大約是那些實心盤式制動器的兩倍(Limpert，1975年)。</p><p>　　由于制動效率取決于汽車重量、最大速度等，所以每種具體汽車制動盤的開發(fā)是不一樣的。迄今為止，制動盤程序開發(fā)通常是復制類似的車型或只是做細微的修改和之前已有的設(shè)計重復。如果設(shè)計能在汽車測試時令人滿意，這個設(shè)計將被批準。直到進行試驗之前沒有人確切知道設(shè)計的制動盤是

6、否會通過汽車行駛過程測試。開發(fā)工程師正在試圖在進行物理測試之前預測制動盤的行為。目前，數(shù)值分析在開發(fā)制動盤過程中已成為一個強大的工具。利用各種各樣的計算機程序進行有限元計算，可提供制動盤的運行狀況。</p><p>　　在過去的幾年里，制動盤熱分析已經(jīng)變得非常流行，有許多關(guān)于制動盤熱分析話題的論文。列車制動盤的熱力學分析使用傳熱系數(shù)(Reibenschuh和Oder，2009年)進行了估計，他們還強調(diào)由于溫度負載

7、確定，對汽車制動盤進行了類似的分析(Gotowicki et al，2005年)，其次，平均對流系數(shù)被認為是由制動器行業(yè)考慮溫度和速度的平均值的實驗而確定的，實驗結(jié)果在90與100之間 。最新的研究是專注于使用計算流體動力學(CFD)改善冷卻。直到現(xiàn)在，雖然，這方面的研究已經(jīng)受到大部分商業(yè)和列車制動盤的限制(Galindo-Lopez和Tirovic，2008年)，盡管大多數(shù)的盤式制動器安裝在客車上，但也已經(jīng)對客車制動盤進行了一些研究。

8、對冷卻通道的形狀進行了優(yōu)化以促進制動冷卻(Palmer et al，2009年)，繼續(xù)在這個領(lǐng)域工作是合理的,不僅對通道進行最優(yōu)化，使其達到最大的冷卻效率,也對制動盤的尺寸形狀包括CFD計算的熱值分析。這是一個試圖使數(shù)值分析盡可能精確的新方法。</p><p>　　本文所提出的方法將會把已知尺寸圖形的冷卻因素考慮進去并且為熱過程在標準的順序制動試驗提供更準確的結(jié)果?？紤]冷卻的數(shù)值分析的溫度分布結(jié)果將與沒有考慮冷卻

9、的試驗結(jié)果進行同樣的分析。</p><p>　　在論文的第一部分，將會計算出制動盤兩種不同區(qū)域的冷卻因素。這個因素將在熱分析中作為邊界條件使用。在第二部分,將會對10個實驗結(jié)果作出熱分析。首先，在不考慮冷卻的情況下進行分析，第二個分析將前面計算的冷卻因素考慮進去，考慮冷卻的準確性并對這兩個分析的結(jié)果做比較。</p><p><b>　　2. 制動盤散熱</b><

10、/p><p>　　傳熱系數(shù)的評估，要求考慮個別的的貢獻機制，對于制動盤而言包括傳導、對流和輻射，就對流傳熱而言,這個機制可以被視為兩個部分：第一，包括所有外表面的對流，第二，包括通過徑向通道的對流(Galindo-Lopez and Tirovic，2008年)，在這個分析中,這兩個區(qū)將域被命名為支架外表面和通風孔徑向通道。</p><p>　　3. 傳熱系數(shù)的計算</p>&l

11、t;p>　　使用ANSYS CFX(ANSYS，2009年)軟件程序分析通過制動盤和其周圍的氣流，隨后，也可以用作熱分析計算的邊界條件并考慮對流和輻射的傳熱系數(shù)，計算出兩個分隔區(qū)域在所有的轉(zhuǎn)速和溫度下的平均熱傳遞系數(shù)。表一所示，對車速為5、25、50、75、100、125、150、175和200公里/小時的溫度做出的分析，這意味著計算重復了90次。</p><p>　　3.1. 制動盤的3D模型</p

12、><p>　　客車前制動盤的設(shè)計和基本尺寸如圖2所示。制動盤有41個冷卻葉片間距,使其以8.78度的基本角度對稱，選擇這個模型是因為Cimos工廠生產(chǎn)這種制動盤使試驗標本的生產(chǎn)簡單。為CFD數(shù)值計算選擇一個有三個冷卻葉片的3D模型，3D模型的區(qū)域角度為26.34度。</p><p>　　圖1 兩個分離區(qū)域傳熱系數(shù)的計算 圖2 制動盤尺寸和基本維度的分析</p>&l

13、t;p>　　3.2. 制動盤的CFD分析</p><p>　　3.2.1. 網(wǎng)格模型</p><p>　　該計算模型代表一個環(huán)繞著制動盤部分的26.34度蛋糕片狀的區(qū)域，高度是制動盤的4倍，長度是制動盤的3倍的半徑區(qū)域。如圖3, 模型最重要的是區(qū)域周圍的制動盤壁，網(wǎng)格為這個地區(qū)提供良好的質(zhì)量。其余的模型大約是網(wǎng)狀的,沒有特別的規(guī)律，因為它只對流入和流出的空氣模式可視化。</p&

14、gt;<p>　　該模型是網(wǎng)狀的，使用補丁方法確認四面體網(wǎng)格，用于產(chǎn)生649272個有限元素和125091個節(jié)點，四面體網(wǎng)格由于其自動生成網(wǎng)格的通用性和易用性被用于這個分析，但進一步的研究應該與其他網(wǎng)格類型進行比較和提高其質(zhì)量。</p><p>　　3.2.2. 臨界條件</p><p>　　該模型適用于周期性邊界條件劃分的兩側(cè)。因為制動盤是由翻沙灰口鑄鐵鑄造而成，表面粗糙度

15、為100µm，圓盤表面被均勻加熱，圓盤模型附加到絕熱軸的軸向長度范圍。假設(shè)周圍的空氣是30攝氏度，上限，下限和徑向末端的相對壓力用開放的零邊界。</p><p>　　盤和軸的一系列等角速度是建模使用的旋轉(zhuǎn)的參照系。在圖3中，它作為周期性邊界條件必要的，因為求解不允許在旋轉(zhuǎn)的情況，只有旋轉(zhuǎn)邊界條件的情況。</p><p>　　材料屬性在空氣溫度為25攝氏度時失效于Ansys材料數(shù)據(jù)

16、圖書館，因為制動盤工作條件為露天，參考壓力設(shè)置為1個標準大氣壓。建議在類似的分析(Chi，2008年)時湍流強度設(shè)置為一個較低的值，因為氣流相對緩慢的和湍流模型使用k -ε(ANSYS，2009年)，由于輻射也考慮在內(nèi)，輻射率為0.55，輻射分數(shù)為1，這是用于制動盤生產(chǎn)材料的物理性質(zhì)、等級en - grey- 250灰色鑄鐵(Galindo-Lopez和Tirovic，2008年）決定的。浮力效應被忽視，因為泵氣作用的制動盤幾乎完全依賴

17、于制動盤的旋轉(zhuǎn)運動(Galindo-Lopez和Tirovic，2008年)。</p><p>　　表1 制動盤溫度傳熱系數(shù)計算(攝氏度)</p><p>　　采用有限元軟件Ansys求解,CFX計算傳熱系數(shù)在邊界條件下使用以下公式: </p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　是一個指定的傳熱系數(shù)

18、，問是在墻上的熱通量邊界；</p><p>　　是指定的邊界溫度(即外流體域)；</p><p>　　內(nèi)部靠近壁面邊界元中心節(jié)點的溫度.</p><p>　　為使結(jié)果普遍應用，該求解器必須設(shè)置對流傳熱系數(shù)相對于環(huán)境(常數(shù))溫度值:</p><p><b>　　(2)</b></p><p><

19、;b>　　是恒定的環(huán)境溫度。</b></p><p>　　圖3 邊界條件的CFD分析制動盤</p><p>　　3.3. CFD分析的結(jié)果</p><p>　　結(jié)果在預置剩余目標近似迭代結(jié)果的萬分之十三內(nèi)，則表明網(wǎng)格和邊界條件的選擇是適當?shù)摹?lt;/p><p>　　如圖5所示氣流線（如圖4）直接影響傳熱系數(shù)，可以注意到那里的冷

20、卻氣流速故傳熱系數(shù)高。圖4和圖5分別代表車速為100km / h的氣流和制動盤溫度在300攝氏度的傳熱系數(shù)。 </p><p>　　如果我們更仔細地檢查圖5，我們可以注意到，外端冷卻葉片的冷卻效率比內(nèi)部冷卻效率低，這表明由于壓降過高冷卻葉片的設(shè)計尚不完善，因此提供了進一步研究的機會。

21、 </p><p>　　3.3.1. 準備的結(jié)果輸入到熱分析</p><p>　　為進一步將計算數(shù)據(jù)應用于這個研究，傳熱系數(shù)必須被安排成可以作為熱模擬輸入，傳熱系數(shù)必須安排在平均溫度和平均速度下。</p><p>　　圖6顯示了可以用作以下制動盤熱值分析的輸入的傳熱系數(shù)值，這些系數(shù)提供了車速和制動盤溫度的關(guān)系函數(shù)，在計算值之間，借助微軟Exc

22、el的幫助得到平均值。二次曲線是由于熱輻射和偏移量的曲線是在更高的車速擴大后強制對流的條件下得到的。由于課程的傳熱系數(shù)非常明顯，通過定義函數(shù)曲線計算重復的數(shù)量可以大幅降低。但是應該進行進一步的研究來確定該方法的準確性。</p><p>　　4. 制動盤的熱計算</p><p>　　4.1. 測試過程描述</p><p>　　在接下來的熱分析中，利用有限元模擬軟件Ab

23、aqus(達索系統(tǒng)，2008年)模擬AMS制動試驗(實體，2005年)。</p><p>　　這個程序被選中，是因為幾乎被所有的歐洲汽車制造商廣泛使用。必須指出，本文提出每一個順序制動試驗將是適當類型的分析。</p><p>　　AMS程序最初由汽車運動雜志比較汽車制動性能(實體，2005年)的標準的制動評價測試。它由十個基本環(huán)節(jié)組成，每個環(huán)節(jié)包括從100km / h的制動減速度和冷卻，然

24、后汽車加速回到100km / h，整個計算是10個基本環(huán)節(jié)的計算。因為汽車加速，車速作為一個新的變量必須在數(shù)值模擬引入“FV1”，它正在改變整個分析，因為冷卻強度依賴于周圍的氣流相對于車的速度，這種依賴表現(xiàn)為膜系數(shù)依賴于FV1。熱分析的輸出是溫度在不同的時間間隔內(nèi)分布的。</p><p>　　圖4 通過通風制動盤的冷卻氣流線 圖5 氣流通過制動盤時的傳熱系數(shù)</p><p>　　

25、FV1的過程如圖7，基本環(huán)節(jié)始于FV1 = 100 km / h，然后線性下降到0km / h的制動階段(t = 2.8 s)，此時表明加速階段的開始，F(xiàn)V1在15.9秒內(nèi)再次上升到100km / h，總時間僅18.7秒，總AMS過程時間是187.8秒。</p><p>　　4.2. 載荷和邊界條件的確定</p><p>　　制動盤是對稱的，所以只需對26.34度扇形區(qū)進行建模。在Cimo

26、s材料實驗室與溫度有關(guān)的材料數(shù)據(jù)是確定的層流灰口EN-GJL-250。如表2所示在20攝氏度時的一些基本物理性質(zhì)。</p><p>　　對產(chǎn)品規(guī)格和盡可能不失真的網(wǎng)格于極大的關(guān)注，因此，所有的小切片都刪除,取而代之的是更重要的斜面，這個網(wǎng)是由3個獨立的約束部分(中心圓盤，實體部分和葉片)組成，用于熱分析的元素類型DC3D8(線性傳熱塊)。網(wǎng)格劃分如圖8所示。</p><p>　　圖6 熱分

27、析輸入平均溫度數(shù)據(jù) </p><p>　　圖7 自動對盤及成交系統(tǒng)測試- FV1、實驗時間</p><p>　　圖8 制動盤網(wǎng)格的劃分</p><p>　　建模表面由于熱對流和熱輻射進行冷卻，膜層散熱系數(shù)被定義為屬性表，該表中的系數(shù)取決于溫度和車速，如我們在前一章討論的。 </p><p>　　制動片分為兩個區(qū)域:冷卻葉片和其余的部分。

28、“虛擬”薄膜的屬性適于冷卻葉片和圓盤的剩下部分的內(nèi)表面的屬性。周圍空氣溫度(水槽溫度)定為30攝氏度，AMS標準（ESSE，2005年）中所定的，制動片初始溫度為100攝氏度。對模型的對稱區(qū)域來說模型的側(cè)部區(qū)域是隔熱的。每次制動時，制動片表面的適合熱流密度的初始值為2.7，當停車時線性下降到零，制動片徑向熱通量被預測為常數(shù)。制動盤的討論中圖9繪制曲面代表了制動盤和制動襯塊之間的實際接觸。制動片的外直徑比制動盤的外徑小0.5毫米，內(nèi)直徑比

29、制動盤的大12mm(不包括冷環(huán)節(jié)）。制動盤兩側(cè)的制動墊尺寸相同。</p><p>　　為簡化分析徑向熱通量看成是常量，此外，出于同樣的原因，制動盤的旋轉(zhuǎn)和熱通量都沒有計算在內(nèi)，所以是靜態(tài)分析。</p><p>　　由于汽車制動，作用于制動盤表面熱通量可通過基本的汽車數(shù)據(jù)計算，這些數(shù)據(jù)就是合理的前后制動分配，即被制動盤和基制動盤尺寸體所吸收的熱量份額，如圖2所示。</p>&

30、lt;p>　　熱通量計算使用方程3:</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　是每個前盤制動功率，是制動停頓時間，是制動鉗接觸制動盤整個摩擦路徑的摩擦環(huán)面積。</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　制動功率計算公式中是汽車總質(zhì)量，a是減速度，是

31、路況制動分配系數(shù)，是制動過程的初始速度，是制動盤熱吸收效率。</p><p>　　因為我們知道制動襯墊幾何尺寸,很容易計算摩擦環(huán)的面積:</p><p>　　（5） </p><p>　　這里表示摩擦環(huán)的外徑，代表摩擦環(huán)的內(nèi)徑。</p><p>　　開始制動熱通量最大，然后線性下降為0，當汽車再次制動另一個循環(huán)重

32、復。</p><p><b>　　5. 分析結(jié)果</b></p><p>　　課程提出的制動盤溫度點選擇如10所示。</p><p>　　5.1. 不考慮冷卻對結(jié)果的分析</p><p>　　首先不考慮冷卻的影響進行分析，這意味著所有進入制動盤的能量滯留在制動盤，結(jié)果制動盤溫度不斷上升，如圖11所示。在溫度點處有一個典型

33、的過程低于制動片的溫度。當汽車制動時溫度上升，然后傳導給制動盤的其他部分使溫度下降，遠離摩擦環(huán)的點不遵循這一規(guī)律，溫度是連續(xù)上升的。制動盤最大推薦溫度為825攝氏度，最大操作溫度高于700攝氏度。當溫度過高時，出現(xiàn)制動過度和材料結(jié)構(gòu)開始改變，這個分析得出的結(jié)論是，制動盤的設(shè)計是不恰當?shù)摹?lt;/p><p>　　圖9 制動片表面載荷 圖10 溫度點的劃分</p>

34、<p>　　5.2. 考慮冷卻分析的結(jié)果</p><p>　　第二個分析和第一個完全相同，但考慮冷卻,前面氣流分析依賴表面條件與獲得的溫度和速度值。如果我們檢查圖12，很明顯，最大溫度低于在前面分析的(圖11)最大溫度。在更高的制動盤溫度，冷卻變得更加強烈，制動階段溫度下降的更多。溫度的分析與前面的過程不是線性的，但由于冷卻它的形狀變成曲線。若重復進行25次制動，制動過程(Cimos Develop

35、lent集團，2009年)制動溫度最終穩(wěn)定在某一值，制動盤最大溫度為610攝氏度，低于700攝氏度的邊界值，因此，制動盤的設(shè)計符合要求。后來發(fā)現(xiàn)相同的制動盤在物理汽車測試時最大的溫度略低于600攝氏度(Cimos Developlent集團，2009年)，這個結(jié)果證明了這種數(shù)值模擬方法的準確性。</p><p>　　圖11 不考慮冷卻的溫度數(shù)值模擬圖 圖12 考慮冷卻的溫度數(shù)值模擬圖</p&

36、gt;<p><b>　　6. 結(jié)果討論</b></p><p>　　AMS過程是一個極端的制動試驗。安裝在客車上的制動器使用過程中幾乎從來沒有遇到過這種極端制動和溫度。在AMS汽車測試中制動盤通常處于被破壞，破裂和過熱的狀態(tài)，制動過遲很難達到于AMS測試獲得的溫度。因為在相對較短的時間熱量進入到幾微米下的表面，導致在溫度點處的溫度很快低于制動襯墊處的危險溫度。然而,如圖13所

37、示微裂隙是圓盤表面局部過熱的結(jié)果，這個圖顯示了實際制動盤損壞后AMS測試所測功。這顯然是觀察到制動盤的徑向的裂紋，因為冷卻葉片導向方向相同，冷卻葉片所占區(qū)域比非冷卻葉片區(qū)域有更好的熱傳導，這是因為極端載荷和摩擦形式導致溫度的差異。</p><p>　　在制動操作的高負載外加高應力下(Yildiz和Duzgun，2010年)，兩者的結(jié)合可能導致制動盤故障，摩擦表面形成的微裂隙低于制動片在最高溫度下形成的微裂隙。因此

38、，有必要制造達到溫度盡可能低的制動盤。</p><p>　　圖13 制動盤表面的裂紋 圖14 實驗溫度測量位置</p><p>　　在Cimos制動系統(tǒng)實驗室鏈接3900全噪音和性能測功器進行實驗，就可以完成固定關(guān)節(jié)定位，這個測試是模仿AMS汽車測試。圖14顯示了實際溫度測量位置，這個位置在摩擦片中間，和圖10的第六點一致。如圖14所示,為了獲得實際的表面溫度和

39、避免在使用嵌入式熱電偶時出現(xiàn)應力集中，實驗期間的溫度測量是用摩擦熱電偶測量的。這個位置被選中是因為在制動時摩擦片中間部位將達到最高溫度，與中間的制動片一樣，它也是由AMS標準規(guī)范(實體,2005年)定義的位置。</p><p>　　為了使數(shù)值更容易處并更好與數(shù)值方法的結(jié)果作比較，只對制動階段的開始時溫度和結(jié)束時的溫度進行了測量分析，結(jié)果如表3所示。為了更好的可視化并與測功機測試的結(jié)果作比較，然后繪制圖形，將這些數(shù)

40、值線性連接，繪制出圖15中曲線。</p><p>　　除了實驗值，對點6在考慮和不考慮冷卻的兩種數(shù)值分析中的最大溫度進行曲線繪制，分析表明不考慮冷卻時的最高溫度比考慮冷卻時的最高溫度高幾乎三分之一，相差215攝氏度，這是個巨大的數(shù)。</p><p>　　這個分析也表明,數(shù)值預測法用于這種分析與實驗結(jié)果有非常好的相關(guān)性。可以從圖15中得出，所有的溫度控制在10%的誤差以內(nèi)。</p>

41、;<p>　　圖15 兩種情況下最大溫度(點6)的比較實驗　　</p><p>　　根據(jù)公司內(nèi)部規(guī)章制度(Cimos Developlent集團，2009年)，數(shù)值分析結(jié)果的精度應該超過90%。因為其他變量在制動試驗無法描述，如材料結(jié)構(gòu)、汽車空氣阻力和車輪滾動阻力，因此我們有必要將制動盤的冷卻效應估計的盡可能準確。</p><p><b>　　結(jié)論</b>

42、;</p><p>　　使用ANSYS CFX軟件方案在不同行駛速度和溫度下對已知尺寸的盤形傳熱系數(shù)進行計算，用邊界條件對熱值進行仿真得到結(jié)果，并對結(jié)果進行了兩個相同的熱值分析：一個不考慮冷卻，另一個考慮冷卻，對溫度圖線比較的結(jié)果決定了適當考慮冷卻因素的意義。</p><p>　　結(jié)果表明，考慮適當?shù)睦鋮s因素對汽車制動盤測試溫度的準確計算是必要的。不考慮冷卻時制動盤模擬的最大溫度達到825

43、攝氏度，超過了制動盤推薦的操作溫度700攝氏度(Cimos Developlent集團，2009年)；考慮冷卻時制動盤模擬最大溫度達到610攝氏度，并行分析得到小于215攝氏度的值。如表3所示，基于實驗結(jié)果仿真考慮冷卻是更精確的，其中排第十的最大溫度達到593攝氏度(Cimos Developlent集團，2009年)。</p><p>　　為確保熱值模擬誤差低于汽車測試實驗結(jié)果所要求的10%，有必要準確地預測制

44、動盤的傳熱系數(shù)。</p><p>　　冷卻葉片的類型對于制動盤有什么影響，應該進一步的研究確定傳熱系數(shù)。</p><p><b>　　表3 實驗結(jié)果</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]. ANSYS (2009). ANSYS CFX, Releas

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