汽車前艙熱氣流對制動盤散熱性能的影響

吳佳偉+楊志剛+趙蘭萍

摘要：針對制動盤對流傳熱計算多基于單個制動盤或基于整車外殼模型下的制動盤，未考慮汽車前艙內高溫氣流對制動盤散熱性能影響的問題，基于含有前艙部件的某SUV整車模型，對其通風制動盤散熱性能進行數值計算并分析，得到在不同前艙產熱工況以及不同車速下通風制動盤的外流場、外溫度場、表面對流傳熱系數和散熱功率.在前艙熱源相同時，車速變高會提高制動盤對流傳熱性能，而在車速固定時前艙熱源越大則制動盤的散熱性能越差.

關鍵詞：汽車； 制動盤； 前艙； 內流場； 散熱性能； 對流傳熱； 熱源

中圖分類號： U463.512；TB115.1

文獻標志碼：B

Abstract：As to the issue that the calculation of convective heat transfer of brake disk is mostly based on single brake disk or the brake disks within whole vehicle shell model， for which the effect of the high temperature airflow from underhood on the brake disk dissipation performance is not considered， the dissipation performance of the ventilation brake disk of a SUV model with underhood parts is numerical calculated and analyzed. The outer flow field and temperature field， the surface convective heat transfer coefficient and the heat transfer power of the ventilation brake disk are obtained under different underhood heat generation condeions and vehicle velocities. The convective heat performance of brake disk can be improved with the increase of vehicle velocity under the same underhood heat source， but the dissipation performance of brake disk decreases with the increase of underhood heat source under the same vehicle velocity.

Key words：automobile； brake disk； underhood； internal flow field； dissipation performance； convective heat transfer； heat source

0引言

制動性能在乘用車設計中十分關鍵，良好的制動性能是行車安全的重要保證.隨著現代乘用車技術的逐步發展，盤式制動器正逐漸取代鼓式制動器.盤式制動器散熱快、質量小，高負載時耐高溫性能好，制動效果穩定.但是，乘用車在長下坡或連續制動過程中，制動盤的溫度會不斷上升，極易導致制動熱衰退.[1]因制動盤的溫度過高導致制動效能降低引發的交通事故數不勝數.

以往的制動盤熱性能仿真主要針對單一制動盤模型熱性能[2-3]，定義無冷卻氣流或僅一個方向的氣流吹過制動盤[4-5]；然而制動盤處于車輪輪腔中，流場十分復雜，自定義的氣流流動與實際冷卻氣流流動相差甚遠.部分學者在計算中考慮整車模型[6]，但模型僅包括汽車外形，底盤用一個平面封閉形成，雖然能近似模擬制動盤的外流場，但未考慮汽車前艙和底盤復雜結構下的內流場對制動盤的影響.少數學者考慮汽車內流場對制動盤散熱性能的影響[7]，但未考慮汽車前艙熱源和內流場綜合作用時汽車制動盤的散熱性能.

在汽車運行中，汽車前艙和底盤存在大量熱源部件，如CRFM模塊（冷凝器、散熱器和風扇集成模塊）、發動機、變速箱、油底殼、控制器和排氣管等.[8]外界空氣通過進氣格柵進入前艙內部，溫度急速升高，此后該部分高溫氣流擴散到4個車輪輪腔，使得制動盤周圍空氣溫度升高，影響制動盤的對流傳熱性能.

為探究汽車前艙內流場和車身外流場綜合作用下汽車制動盤的散熱性能，針對某款SUV車型進行整車外形、前艙內部和底盤結構三維建模，定義前艙內的部件（如冷凝器、散熱器和發動機等）的產熱功率和溫度，采用FLUENT計算前艙流出的熱氣流對制動盤散熱性能的影響.

1整車和制動盤的建模及數值計算

1.1整車和制動盤模型

針對某款SUV車型建立三維模型，見圖1，包括汽車外表面、前艙部件、傳動機構和底盤等，簡化處理如門把手、前后窗之間的凸緣等.整車模型尺寸為4 620 mm×1 800 mm×1 710 mm，輪胎直徑為737 mm，輪輻為均布的5個直方鈑金.該款車型通風制動盤內有36個通風道，通風道由直方的肋板構造而成.通風制動盤三維模型和通風道剖面見圖2.實際車輛前后制動盤有一定區別，前輪為盤式制動器，后輪為盤鼓一體式制動器.在車輛制動過程中，盤鼓一體式制動盤的熱容量非常大，前盤溫度遠高于后盤，故后輪制動器基本不存在熱衰退問題.[9]為比較分析前后輪輪腔內的制動盤散熱性能，模型中設定前后輪的制動盤為相同的通風制動盤模型.

在汽車制動過程中，車輪和制動盤是旋轉的，通風制動盤的通風道和車輪輪輻相當于葉輪，使得大量空氣通過并帶走熱量.[10]設定每個制動盤通風道內的計算域和每個車輪輪輻包圍的空腔區域為移動參考系（Moving Reference Frame，MRF）區域，汽車前端進氣口2個冷卻風扇所處區域為MRF區域，散熱器和冷凝器的內部為多孔介質區域.整車計算域網格數為1 600萬個.