基于ANSYS的FSAE赛车制动盘瞬态热分析

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1、万方数据28公路与汽运Highways&AutomotiveApplications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

2、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，丙温度过高是导致制动盘失效的主要原因之一。该文根据FSAE方程式汽车大赛的赛道特点及路面条件，针对赛车的紧急制动与连续制动工况，分别进行瞬态热温度场的仿真分析。’l模型简化与处理制动盘体材料为马氏体不锈钢，理论研究指

3、出，对于有机摩擦材料的制动块，制动期间产生的热量有95％被制动盘吸收，剩余5％的热量由制动块吸收。物理模型简化的假设条件为：(1)制动器在制动过程中产生的全部热量由制动盘所吸收。(2)制动盘的法兰盘虽然与轮毂接触，但因其距离摩擦生热面较远，在短时间内传导的热量非常小，假设其问没有热量传递。(3)制动块本身热导性能很差，故接触热阻很大，传导热量很小，忽略不计。(4)假设单位时间产生的热量均匀分布在摩擦盘的摩擦面上，忽略摩擦面内端与外端转速差对摩擦生热的影响。2约束及边界条件(1)热流密度。制动盘温度场分析中的热载荷为热流密度，加载于制动盘面与制动块摩擦的表面上，其意义为

4、单位时间、单位面积上产生的热量。热流密度q与时间t的关系为：；fF(c￡，。一厨)⋯q一——r01’式中：r为制动盘平均有效半径(m)；f为制动盘与制动块的摩擦因素，取0．4；F为卡钳夹紧力(N)；1．00为制动盘初始角速度(rad／s)；』9为制动盘角减速度(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)；S。为刹车片的摩擦面积(m2)。(2)对流换热系数。对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度很大的复杂过程，对流换热系数与导热系数不同，它取决于流体流动状态、流体物理性质、壁面温度及壁面的几何形状，而

5、与材料无关。由平面散热问题的传热学理论可知：口一o．664(!丝)“‘P，1／3拿(2)式中：乱o。为空气流动速度(m／s)；L为壁面长度(m)；￡，为空气的运动粘度(m2Is)；P，为普朗特数；A。为空气导热系数[W／(m·K)]。忽略制动盘周围空气温度变化的影响。为简化计算，取赛车速度近似于空气流速u00。(3)辐射率。制动盘的辐射换热系数为口，一去(3)“一而¨’式中：q，为单位面积辐射换热量(W／m2)；T为制动盘表面温度(K)；T。为环境温度(K)。对于辐射换热，根据斯特藩一玻尔兹曼定律，制动盘与周围空气的辐射换热服从下式：万方数据总第158期公路与汽运Hi

6、ghways&AutomotiveApplications29q，=阳o(T4一T3)(4)式中：￡为制动盘表面黑度，￡=0．50；盯。为黑体辐射常数，盯o=5．67×10_8w／(m2·K4)。3模型求解3．1紧急制动工况赛车在行驶过程中随时会遇到突发状况，这时需要车手全力制动紧急刹车。选取赛车的紧急制动工况，根据路面条件，最大制动强度为1．3，最高车速可一160km／h，计算可得制动时长约为3．24S。热流密度选用表格加载方式，随着时间的变化，热流密度呈线性梯度变化，通过仿真分析，制动盘的温度如1所示，最高温度随时间的变化如图2所示。A：TransientThe兀

7、11a1Temperature勰0呷锄‘呲Time：4图1紧急制动时制动盘温度云图时同／s图2紧急制动时制动盘温度随时间变化的关系通过分析可以发现：刚开始制动时，由于车速较快，热流密度较大，温度急剧上升；随着时间的推移，车速下降，虽然温度继续攀升，但上升速度趋于平缓，最终达到峰值133．22℃，然后慢慢下降，直至赛车制动到完全停止。最高温度出现在停车前，这是由于临近停车时车速较慢，热流量小于对流与辐射散热的缘故。3．2连续制动工况在耐久赛项目中，要求赛车始终保持良好的技术状况直至完成比赛，途中任何车辆故障都可能导致赛车退赛。选取的制动工况为连续制动，