本周我們來聊聊剎車制動盤冷卻的CFD分析。

首先來了解一下汽車的剎車制動系統，一般制動方式可以分為鼓式制動和盤式制動。

鼓式制動是通過液壓裝置將剎車鼓內的剎車片往外推，使剎車片與剎車鼓之間形成摩擦產生制動效果。其特點是成本低，工作可靠，制動力大，但是散熱較差，抗熱衰退性較弱。目前主要應用在入門級車的后輪制動器，更多的是應用于商用車領域。盤式制動如下圖所示，通過卡鉗將剎車片壓緊制動盤，靠剎車片與制動盤之間的摩擦來實現制動。它的特點是成本較高，散熱好，抗熱衰退性強，制動效果好，目前乘用車基本采用的是這種盤式制動。

根據散熱性能要求的不同，盤式制動還可以分為普通的盤式制動，通風盤式制動和打孔通風盤式制動。普通盤式制動，即沒有通風結構，通常會布置在后制動器上。通風盤式制動，即在普通盤式制動基礎上增加了通風結構，散熱更好，是目前最常見的制動盤形式。而對于一些高性能的跑車，在通風盤基礎上還會增加很多通風孔，進一步提高它的冷卻效果。

                                 保時捷911上的打孔通風制動盤

說完結構原理和分類，我們就要談談什么是制動器的熱衰退性。簡單一些來說，就是溫度升高后制動摩擦副的摩擦系數會降低，制動性能會下降。所以如果一個制動系統的散熱比較好，長時間制動后摩擦副的溫度也不高，那么我們就說這個制動器的抗熱衰退性能較好。

為了提高制動系統的抗熱衰退性，就需要對制動盤進行散熱，有研究表明，制動盤冷卻過程中，有90%的熱量是通過熱對流形式的帶走的，通過熱輻射帶走的熱量則不到10%。因此對制動盤進行合理的設計，組織制動盤周圍氣流，加強其對流散熱能力，是提高制動器制動性能的重要方法。

實際中一些性能跑車，為了提高制動盤的散熱能力，也有設計一些專門的導風結構，比如保時捷911 GT3中設計如下圖所示的通風口和導流罩。

既然提到了導風結構以及對流換熱，那我們的CFD又該派上大用場了。沒錯，通過CFD仿真的方法，可以評估經過若干制動循環后制動盤溫是否滿足要求，既可以用于導風結構的優化設計，也可以用于制動盤的設計選型。

下面就介紹下CFD仿真在制動盤冷卻中的應用。

根據分析目的的不同，有以下幾種分析類型：

（1） 對于制動盤結構的設計，可以僅對制動盤進行分析，模擬制動盤測試臺架上的測試過程。重點關注不同轉速下制動盤表面的對流換熱系數分布，也可以對比分析不同制動盤通風結構在不同轉速下的通風盤空氣流量。

                                                  參考文獻[4]

（2） 對于制動系統導風結構的設計，比如通風口、風道、導風罩等，則需要求建立整車的風洞模型，分析不同車速下機艙內的流場情況，分析通風口是否能有效引流，風道的壓損是否合理，可以對比不同導風結構情況下的對流換熱系數，從而對導風結構進行優化。

                                              參考文獻[3]

（3） 對整車制動系統制動循環中的瞬態盤溫進行計算。這時需要將以上兩者分析結合起來，通過整車模型分析不同工況下的對流換熱系數，再通過單個制動盤模型分析瞬態溫升。最后評價制動盤設計能否滿足散熱要求。

最后以AMS100制動循環為例講解一下計算制動盤溫的CFD仿真流程。

EXA公司有Powerflow+Powertherm的仿真方法，有發表過幾篇SAE論文（以后貼上），不過我沒用過不太了解。

分析的方法有很多，我這里介紹的是基于STARCCM+計算整車模型條件下制動盤的對流換熱系數，然后在制動盤模型中通過計算熱對流和熱傳導來計算瞬態盤溫。熱輻射的影響這里沒有考慮。

AMS100可以簡單的理解為以最大加速度加速到100km/h的車速，然后以最大減速度剎車至0，如此循環十次，測試最后制動盤的溫度。

首先計算前我們需要得到一組能估算制動系統發熱功率的AMS100試驗數據（需包括整車參數，加速時間，制動時間，制動距離，加速度等信息），我們最后計算的盤溫是基于這個試驗數據的發熱功率得到的。所以當整個項目結束后，我們還需要對前期仿真的計算參數進行修正，以形成閉環，用于下一個項目的仿真中。

發熱功率的計算原理非常簡單，即認為制動過程中整車的動能全部轉化為了制動系統的發熱功率，所以有：、

Q=mav（Q為發熱功率，m為整備質量，a為制動減速度，v為瞬時車速）

然后根據前后軸制動力分配系數來分配前后輪的發熱功率?？梢愿鶕涷灮蛘哂嬎愎皆龠M行制動盤和剎車片的熱量分配。

第二步是計算不同車速下整車模型中制動盤的對流換熱系數，以AMS100為例，可以選取100km/h，80km/h，60km/h，40km/h，20km/h五個車速，分別計算不同車速下制動盤的對流換熱系數，然后可以采用插值的方法得到0-100km/h范圍內車速和對流換熱系數之間的關系。

第三步結合制動盤的發熱功率以及對流換熱系數，就可以計算AMS循環中瞬態的盤溫變化。在制動盤模型中我們需要考慮固體的導熱，摩擦副中的熱流密度以及與空氣接觸面的對流換熱系數。這里可以采用滑移網格的方法考慮制動盤的轉動。最后可以得到如下的制動盤溫度分布以及瞬態的制動盤最高溫度變化曲線[5]。

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參考資料

[1]https://www.autohome.com.cn/tech/200810/46997.html

[2]https://chejiahao.autohome.com.cn/info/4909435#pvareaid=28086821202

[3] 杜旭之[1], 楊志剛[1], 李啟良[1], et al. 某乘用車制動盤冷卻特性的研究[J]. 同濟大學學報：自然科學版, 2016(44):793.

[4]蘆克龍. 基于CFD的汽車制動盤散熱性數值計算與優化[D]. 2011.

[5] 周凡華, 吳光強, 沈浩, et al. 盤式制動器15次循環制動溫度計算[J]. 汽車工程, 2001, 23(6):411-413.