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）

汽車制動器是汽車安全行駛必不可少的重要組成部件。制動器在車輛制動過程中產(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間內(nèi)迅速提高，同時受氣流的影響，這種溫度分布可能并不是均勻的。同時過高的溫度可能會導(dǎo)致制動器產(chǎn)生熱衰減，這種溫度的改變有極大可能破壞制動器，從而導(dǎo)致制動失效的情況發(fā)生。

目前國內(nèi)外的研究大多針對制動盤結(jié)構(gòu)對于制動盤散熱的影響，同時也有學(xué)者開始關(guān)注車輪附近氣流對于制動盤散熱的作用。ZHAO等分析了車輪附近的流場對制動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)制動盤的空氣流量能大幅度提高制動盤的散熱能力。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)對于制動器散熱影響的研究鮮有報道，因此，開展關(guān)于汽車輪輞結(jié)構(gòu)對于制動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

為充分研究在制動過程之中制動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超小的銳角，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時候，這個小銳角會導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量的大幅度降低。為了得到一個相對準(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個節(jié)點(diǎn)數(shù)和1 776 836個網(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措施?？紤]到現(xiàn)實(shí)中的車輛制動情況，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。在完成了制動盤的固體域設(shè)置之后，設(shè)置制動盤每秒產(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，是在一個流體系統(tǒng)中固定時間內(nèi)質(zhì)量的增加，等于同一時間里進(jìn)入該系統(tǒng)的凈質(zhì)量。表達(dá)式為

式中，為時間；為流體密度；同時、、的三個方向上速度矢量的分量則分別是、、。

動量守恒方程，這個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)中的動量對時間的導(dǎo)數(shù)，也等于作用于這個系統(tǒng)所有的外力之和。當(dāng)然在不同的方向上也可以成立，如、、的三個方向上的動量守恒方程。

式中，為流體的密度；為壓力；為速度；為時間。三個空間坐標(biāo)分別是、、，動力粘度是；動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)。同時制動盤高溫側(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盤的溫度特征，通過這一組穿過制動盤表面最高溫度的線來看可以很好地反應(yīng)出制動盤的溫度分布特性。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)制動盤最高溫度表現(xiàn)為609 ℃，寬輪輻制動盤表現(xiàn)為604 ℃，而窄輪輻制動盤的最高溫度表現(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。

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

通過圖11—圖13可知，在通過制動盤中心的水平截面上，在制動盤中心區(qū)域普遍存在一個高溫區(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)域形成了一個渦流中心，氣流運(yùn)動速度顯著降低，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，制動盤周圍空氣溫度都很低。封閉式輪輞結(jié)構(gòu)中，制動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渦流，致使本應(yīng)積聚熱量的位置的氣體得到更好的流動，提高了散熱性能。由此可見氣流的雙向流動對于輪輞內(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，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盤區(qū)域則有顯著的氣流繞流現(xiàn)象，這就會增加氣流對熱量的耗散，從而降低制動盤溫度。

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盤的散熱能力，輪輞開口面積的大小和制動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，且易于向輪輞外部流動，增強(qiáng)熱量交換，從而降低制動盤溫度；而封閉式輪輞容易限制氣流外部流動，而著重傾向于在輪輞內(nèi)部流動，不易形成熱量交換，從而對制動盤散熱不利。