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基于的赛车制动盘瞬态热分析
28 公 路 与 汽 运
HighwaysAutomotive Applications 第5期
2013年9月 基于ANSYS的FSAE赛车制动盘瞬态热分析
何海浪,郭潇然,田顺
(长安大学汽车学院,陕西西安710061)
摘要:赛车制动具有车速高、强度大等特点,随着制动时间的推移,制动盘上积累的热能会越
来越多,其所承受的热负荷也越来越大,过高温度会降低刹车盘的扭矩传递能力,造成刹车失灵等
严重同题。文中针对上海国际赛场的实际赛道条件,应用ANSYS软件的瞬态热分析模块,对赛
车的紧急刺动与耐久赛项目中的连续制动工况进行仿真分析,根据制动盘的制动原理和传热原
理,甍定了瞬态熟分析过程中的载荷、边界条件及加栽过程争模拟工况,为赛车制动盘的选型及提
高制动系统的可靠性提供理论依据。
关键词:汽车I赛车;制动盘;瞬态热;仿真分析
中图分类号:U469.6 文献标志码:A 文章编号:1671— 2668(2013)05一0028— 02
盘式摩擦制动器具有结构简单、工作可靠、热稳 流密度q与时间t的关系为:
定性好等优点,已广泛运用于各类车辆。在制动过
程中,制动盘与制动块摩擦产生的热量巨大,丙温度 q一;fF—(c£,—。一厨r) ?
01’ 过高是导致制动盘失效的主要原因之一。该文根据 式中:r为制动盘平均有效半径(m);f为制动盘与
FSAE方程式汽车大赛的赛道特点及路面条件,针
制动块的摩擦因素,取0.4;F为卡钳夹紧力(N);
对赛车的紧急制动与连续制动工况,分别进行瞬态
1.00为制动盘初始角速度(rad/s);』9为制动盘角减速
热温度场的仿真分析。
’
度(rad/s2),卢一zg/R。;鬈为制动强度;g为重力加
速度;R。为车轮有效半径(m);r为制动时长(s);
l模型简化与处理
S。为刹车片的摩擦面积(m2)。
制动盘体材料为马氏体不锈钢,理论研究指出,
(2)对流换热系数。对流换热是一个受许多因
对于有机摩擦材料的制动块,制动期间产生的热量
素影响且其强度变化幅度很大的复杂过程,对流换
有95%被制动盘吸收,剩余5%的热量由制动块吸
热系数与导热系数不同,它取决于流体流动状态、流
收。物理模型简化的假设条件为:
体物理性质、壁面温度及壁面的几何形状,而与材料
(1)制动器在制动过程中产生的全部热量由制
无关。由平面散热问题的传热学理论可知:
动盘所吸收。
(2)制动盘的法兰盘虽然与轮毂接触,但因其 口一o.664(!丝)“‘P,1/3拿 (2) 距离摩擦生热面较远,在短时间内传导的热量非常 式中:乱o。为空气流动速度(m/s);L为壁面长度
小,假设其问没有热量传递。 (m);£,为空气的运动粘度(m2Is);P,为普朗特数;
(3)制动块本身热导性能很差,故接触热阻很
A。为空气导热系数[W/(m· K)]。
大,传导热量很小,忽略不计。 忽略制动盘周围空气温度变化的影响。为简化
(4)假设单位时间产生的热量均匀分布在摩擦 计算,取赛车速度近似于空气流速u00。
盘的摩擦面上,忽略摩擦面内端与外端转速差对摩 (3)辐射率。制动盘的辐射换热系数为
擦生热的影响。
2约束及边界条件 口,一去
“一而
¨’
式中:q,为单位面积辐射换热量(W/m2);T为制动 (1)热流密度。制动盘温度场分析中的热载荷
盘表面温度(K);T。为环境温度(K)。
为热流密度,加载于制动盘面与制动块摩擦的表面
对于辐射换热,根据斯特藩一玻尔兹曼定律,制
上,其意义为单位时间、单位面积上产生的热量。热
动盘与周围空气的辐射换热服从下式:
万方数据
公 路 与 汽 运
总第158期 HighwaysAutomotive Applications 29
q,=阳o(T4一T3) (4) 海国际赛道23个弯道的特点,结合路面附着系数、
式中:£为制动盘表面黑度,£=0.50;盯。为黑体辐射 弯道半径及赛车最大加速度随车速的变化关系,可
常数,盯o=5.67×10_8 w/(m2· K4)。 得出最佳制动点、制动时长及单圈最短时间。为了
3模型求解 简化模型,认为每次制动参数保持一致。赛车在赛
道上的最高速度为75 km/h,最低速度为25 km/h, 3.1紧急制动工况 制动周期4 s,制动时长1.181 S,制动次数23次,总
赛车在行驶过程中随时会遇到突发状况,这时 时长92 S。热流密度以线性梯度形式周期性地加载
需要车手全力制动紧急刹车。选取赛车的紧急制动 到制动盘的摩擦面上(如图3所示)。仿真结果及温
工况,根据路面条件,最大制动强度为1.3,最高车 度随时间的变化如图4、图5所示。
速可一160 km/h,计算可得制动时长约为3.24
S。
2
热流密度选用表格加载方式,随着时间的变化,热
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