技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
汽车的
制动装置,特别是一种汽车刹车盘渐开线的开孔方法。
背景技术
[0002] 随着我国经济的迅速发展,人们的生活
水平日益提高,汽车作为一种较为便捷且高效的交通工具,逐渐得到人们的青睐,其数量也在与日俱增,科技的快速发展促使汽车各个方面不断优化,在人们不断享受高车速的同时,关系到生命安全的
制动系统则显得尤为重要,制动系统是汽车最重要的系统之一,其安全性和耐用性在人们追求高车速的同时逐步受到人们的关注。而刹车装置是汽车制动系统中最主要的制动部件,目前刹车装置分为三类:盘刹、鼓刹和气刹。旧一代的车很多都是采用前盘后鼓的,现在很多高性能车则开始前后制动系统都采用盘式刹车。因盘刹较鼓刹的
散热好,此外由于盘式刹车零件独立在外,要比鼓式刹车更易于维修。这种制动器散热快,重量轻,构造简单,调整方便。特别是高负载时耐高温性能好,制动效果稳定,而且不怕泥水侵袭,可以在冬季和恶劣路况下行车。
[0003] 盘式刹车的原理是汽车在行进时刹车盘跟随
车轮转动,通过踩踏刹车制动
踏板,令液压装置带动卡钳夹住刹车盘,然后通过两者的
接触产生摩擦,在摩擦的过程中将汽车行驶时的
动能转变成
热能消耗掉,来使汽车的车速降低以及停止。盘式刹车能在高速刹车时制动迅速,散热效果较优,便于安装ABS之类的高级
电子设备,一般装配于高性能车,如赛车、跑车或者运动性汽车。盘式刹车盘分为实心盘和风道盘,实心盘为实心单片盘,风道盘具有透风功效,它在两
块刹车盘之间预留出一个空隙,使气流在空隙中穿过,其
通风散热效果较好,人们一方面希望制动系统能产生合乎要求的
摩擦力,以达到制动的目的,同时又希望磨损量尽量小,以延长其使用寿命、提高其运行
质量,于是采取了在风道盘盘周上钻出许多圆形通风孔,且多数在盘周上割出通风槽,风道刹车盘充分利用风流作用,其热衰减程度要比实心盘更好,刹车能力更优。然而风道盘不仅价格昂贵,且其工作条件极为复杂,盘周上的打孔划线,孔的间距以及大小分布,对刹车盘强度有较大的损伤,极易导致刹车盘出现开裂,掉渣等现象,并且刹车盘和
刹车片之间的摩擦磨损还会产生制动失灵,造成财产损失,严重时还会威胁到人身安全。
发明内容
[0004] 本发明目的在于提供一种在不影响风道刹车盘的强度及散热能力的情况下,使其拥有较好的
耐磨性能和较长使用寿命的高性能跑车风道刹车盘的开孔方法。
[0005] 本发明包括以下执行的步骤:
[0006] (a)确定刹车盘为高性能跑车的风道刹车盘
[0007] (b)收集并确定刹车盘的基本结构参数
[0008] 收集的基本结构参数包括:盘周外径、盘周内径、盘周厚度、盘帽外径、盘帽内径、盘帽高度、风道厚度、风道高度、转速;
[0009] (c)设计刹车盘风道
[0010] 设计刹车盘的内部风道结构,为了延长换热时间和扩大换热面积采用渐开线式的风道;
[0011] (d)确定刹车盘开孔方式
[0012] 开设的通风孔沿渐开线的参数方程,渐开线的参数方程为:
[0013] x=rb×cos(θk)+rb×rad(θk)×sin(θk),y=rb×sin(θk)-rb×rad(θk)×cos(θk);
[0014] 然后收集渐开线方程的参数,式中:rb为渐开线上的所开设的通风孔的
基圆半径,此处以盘帽外径为基圆即rb,θk为渐开线上k点的展
角;
[0015] (e)刹车盘开孔结构分析
[0017] 针对刹车盘的
对流散热以及
辐射散热,刹车盘对流与辐射散失的热能占总摩擦产生热能的比重为η,根据
能量守恒定律,制动后刹车盘对流与辐射散热的热能Qt,表示为:
[0018] 收集刹车盘动能摩擦生热转化为热能的参数,主要包括:刹车盘对流与辐射散热所占的比重η、刹车盘的质量M、刹车盘的线速度vc,刹车盘的
转动惯量Jz;
[0019] (e2)进行散热分析
[0020] 刹车盘散热过程,刹车盘可近似看做圆盘,根据圆盘的转动惯量 刹车盘的线速度vc=ωR,其中刹车盘的转速ω=2πn,刹车盘外径R,转速n,
整理后得热能为:Qt=3ηMπ2n2R2;
[0021] (e3)设定通风孔的开孔距离
[0022] 先令通风孔的半径rj不变,开孔
位置距离刹车盘的旋转中心的距离为dj,j取值为1、2、3,此距离从盘周内径向外依次增大,先设置d1;
[0023] (e4)载入物理环境,施加温度载荷
[0024]
盘式制动器在制动过程中,制动器摩擦产生热能最终通过对流和辐射散热形式耗散在周围空气中,热对流是指固体与和它接触的周围
流体之间由于温度梯度的影响而发生的热量交换过程,热对流的计算式用
牛顿冷却方程来表达为:q1=hc(Tw-Tf),对流换热系数为 刹车盘通风孔过渡流换热公式努谢尔数为
[0025] 然后收集刹车盘对流换热相关的热物理参数,主要包括:刹车盘温度Tw,空气温度Tf、空气导热系数λf、
雷诺数Re,空气的流速v=2πnR,空气
密度ρ,空气黏性系数μ、普朗特数Pr、通风孔半径rj,刹车盘开设通风孔厚度z;
[0026] 辐射换热由于自身温度的影响,物体以
电磁波的形式辐射出能量,这些能量被其他物体吸收后而转变成热的热量交换过程,通常用斯蒂芬·波尔兹曼方程来描述此热量传递:q2=εσAF12(T14-T24);
[0027] 然后收集刹车盘辐射换热相关的热物理参数,主要包括:辐射换热系数ε、玻尔兹曼常数σ、A辐射表面积、辐射面形状系数F12、刹车盘的绝对温度T1、空气的绝对温度T2;
[0028] 盘式制动器在制动过程中,刹车盘上的边界条件为:
[0029] 初始条件:t=0时,T(x,y,z,t)=Tf
[0030] 在换热界面上:
[0031] 在摩擦界面上:
[0032] 然后收集刹车盘热物理性能,主要包括:Tf为
环境温度,即空气温度、n为界面法向的单位向量、hc界面对流换热系数、ε界面辐射换热系数、玻尔兹曼常数σ、刹车盘热流密度q1、A辐射表面积;
[0033] 刹车盘开设的通风孔的圆柱面也会辐射,则刹车盘周上在j环的辐射面积:A=π2 2 2
[Rw-Rn-mrj+2mrjz]。其中盘周外径R、盘周内径Rn、通风孔距离刹车盘旋转中心的距离dj,通风孔的半径rj,同一半径dj上的通风孔个数m=12;
[0034] (e5)计算散热参数,提取温度场
[0035] 刹车盘内部的温度分布取决于其内部的热量流动和物体与外部的热量交换,在刹车盘盘周每个点的温度与该点都是对应的,所以建立以
制动盘回转中心为原点,回
转轴为z轴的三维温度场T(x,y,z,t),满足如下三维瞬态温度场无内热源的热导微分方程:对于刹车盘,其为各向同性材料,故
各个方向上的导热系数相同,上述方程可化简为:
[0036] 然后,收集刹车盘的热物理性能参数,主要包括:材料密度ρ、材料
比热c、导热系数λ、T为温度、t为时间,将上述所计算的换热系数输入到ANSYS
软件中,进行温度场的计算,并提取结果;
[0037] (e6)对散热结果进行分析
[0038] 使用ANSYS有限元软件,通过对刹车盘刹车散热过程的模拟,提取出温度场,对散热后的刹车盘温度场的结果进行分析;
[0039] (e7)散热结果是否为优
[0040] 判断散热结果是否较优,温度场的变化是否会对盘帽等位置
应力场有影响,若综合结果为优,则输出最优结果,否则令d=d+Δd,再次进行
迭代,直至较优解的出现;
[0041] (e8)输出开孔距离d
[0042] 将散热结果较优的开孔距离d1输出;
[0043] (e9)设置通风孔的半径r
[0044] 此时在通风孔距离较优解d1不变的情况下,改变通风孔的大小r1;
[0045] (e10)施加温度载荷
[0046] 此处温度载荷与步骤(e1)中的的热量温度载荷相同,制动后刹车盘对流与辐射散热的热能Qt表示为:
[0047] (e11)计算散热参数
[0048] 对流换热的热流密度计算公式使用步骤(e4)牛顿冷却方程:q1=hc(Tw-Tf),对流换热系数 刹车盘通风孔过渡流换热公式努谢尔数为辐射换热的热流密度用斯蒂芬·波尔兹
曼方程来描述:q2=εσAF12(T14-T24),对于刹车盘周上在j环的辐射面积:A=π[Rw2-Rn2-mrj2+
2mrjz],所用到的参数和计算结果在步骤(e4)中已进行计算;
[0049] (e12)提取温度场,并对散热结果进行分析
[0050] 根据所计算出的散热参数,使用ANSYS软件进行计算,然后提取温度场,对提取的温度场结果进行散热分析;
[0051] (e13)散热结果是否为优
[0052] 判断散热结果是否较优,若结果为优,则输出最优结果,否则令r=r+Δr,进行迭代,直至最优解的出现;
[0053] (e14)输出通风孔位置d和半径r
[0054] 最后输出通风孔的位置d1和半径r1,并结束这一组的运算;
[0055] 重复步骤e1-8和e9-14,得到余下的两组通风孔数据;
[0056] (f)判断开孔是否满足最优散热
[0057] 根据多组模拟出的温度场进行对比分析,判断开孔位置d及开孔的大小r能否满足最优散热方法,若满足则进入步骤(g),否则重新确定开孔参数;
[0058] (g)输出设计性能较优的刹车盘参数。
[0060] 1、设计的风道盘保留了通风孔,通风孔的合理化开设,保留了其良好的通风散热效果,且采用渐开线式的风道结构,使其通风散热性能更优,有利于提高刹车盘的冷却性能,降低其热衰减程度,提供更好的刹车能力。
[0061] 2、通风孔孔径的差异化开设,使刹车盘盘周的损伤和磨损量较小,保障其刹车盘的运行质量,延长其使用寿命,较好的保障驾驶人员的人身安全。
附图说明
[0063] 图3为本发明刹车盘开孔位置及大小的示意图。
[0064] 图2为本方法开孔位置及大小的求解流程图。
[0065] 图4为本发明
实施例得到的刹车盘的三维视图。
[0066] 图中:1-盘周,2-盘帽,3-渐开线,4-通风孔,5-安装孔,6-风道。
具体实施方式
[0067] 现以高性能跑车的风道刹车盘为例,如图1所示,高性能跑车风道刹车盘的开孔方法包括以下由计算机执行的步骤:
[0068] (a)确定刹车盘为高性能跑车的风道刹车盘
[0069] (b)收集并确定刹车盘的基本结构参数
[0070] 所收集的刹车盘基本结构参数如表1所示;
[0071] 表1刹车盘基本结构参数
[0072]
[0073] (c)设计刹车盘风道
[0074] 设计刹车盘的内部风道结构,为了延长换热时间和扩大换热面积采用渐开线式的风道;
[0075] (d)确定刹车盘开孔方式
[0076] 开设的通风孔沿渐开线的参数方程,渐开线的参数方程为:
[0077] x=rb×cos(θk)+rb×rad(θk)×sin(θk),y=rb×sin(θk)-rb×rad(θk)×cos(θk);
[0078] 然后收集渐开线方程的参数,主要包括:渐开线上的所开设的通风孔的基圆半径rb,此处以盘帽外径为基圆即rb=148mm,θk为渐开线上k点的展角;
[0079] (e)刹车盘开孔结构分析,如图3所示
[0080] (e1)考虑温度载荷及物理环境
[0081] 汽车制动过程是刹车盘和
摩擦片之间的摩擦生热的过程,即将汽车的动能转化为内能的过程,刹车盘从高速至静止的过程,即为将其动能转化为刹车盘与刹车片的热能,制动时,刹车盘会同时存在辐射散热、与刹车片热传递散失掉的热量以及与空气的对流散热,本方法设计主要针对刹车盘的对流散热以及辐射散热,刹车盘对流与辐射散失的热能占总摩擦产生热能的比重为η,根据能量守恒定律,制动后刹车盘对流与辐射散热的热能Qt,可以表示为: 式中:刹车盘对流与辐射散热所占的比重η=80%、刹车盘的质量M=16kg、刹车盘的线速度vc,刹车盘的转动惯量Jz;
[0082] (e2)进行散热分析
[0083] 刹车盘散热过程,刹车盘可近似看做圆盘,根据圆盘的转动惯量 刹车盘的线速度vc=ωR,其中刹车盘的转速ω=2πn,收集刹车盘参数:主要刹车盘外径R=
0.288m,刹车盘的转速n=15000r/min=250r/s,整理并带入数据得热能为:Qt=3ηMπ2n2R2=3×0.8×16×π2×2502×0.2882=1964698.7J;
[0084] (e3)设定通风孔的开孔距离
[0085] 如图2所示,先令通风孔4的半径rj=1mm不变,开孔位置在渐开线3上,并且距离刹车盘的旋转中心的距离为dj,j取值为1、2、3,此距离从盘周1内径向外依次增大,先取d1=85mm;
[0086] (e4)载入物理环境,施加温度载荷
[0087] 盘式制动器在制动过程中,制动器摩擦产生热能最终通过对流和辐射散热形式耗散在周围空气中,热对流是指固体与和它接触的周围流体之间由于温度梯度的影响而发生的热量交换过程,热对流的计算式用牛顿冷却方程来表达为:q1=hc(Tw-Tf),对流换热系数为 刹车盘通风孔过渡流换热公式努谢尔数为
[0088] 然后收集刹车盘对流换热相关的热物理参数,主要包括:刹车盘温度Tw,空气温度Tf=20℃、空气导热系数λf=0.0267W/m·K、雷诺数Re=ρvrj/μ,空气的流速v=2πnR=3 -5
452.4m/s,空气密度ρ=1.21Kg/m ,空气黏性系数μ=2.593×10 Pa/s、普朗特数Pr=1.81、通风孔半径rj,刹车盘开设通风孔厚度z=0.015m;
[0089] 辐射换热由于自身温度的影响,物体以电磁波的形式辐射出能量,这些能量被其他物体吸收后而转变成热的热量交换过程,通常用斯蒂芬·波尔兹曼方程来描述此热量传4 4
递:q2=εσAF12(T1-T2);
[0090] 然后收集刹车盘辐射换热相关的热物理参数,主要包括:辐射换热系数ε=0.52、玻尔兹曼常数σ=5.67×10-8w/(m2k4)、A辐射表面积,因是刹车盘辐射热量全部辐射到空气中,故辐射面的形状系数F12=1、刹车盘的绝对温度T1=Tf+273、空气的绝对温度T2=20+273=293℃;
[0091] 盘式制动器在制动过程中,刹车盘上的边界条件为:
[0092] 初始条件:t=0时,T(x,y,z,t)=Tf
[0093] 在换热界面上:
[0094] 在摩擦界面上:
[0095] 然后收集刹车盘热物理性能,主要包括:Tf为环境温度,即空气温度、n为界面法向的单位向量、hc界面对流换热系数、ε界面辐射换热系数、玻尔兹曼常数σ=5.67×10-8w/2 4
(mk)、刹车盘热流密度q1、A辐射表面积;
[0096] 如图2所示,刹车盘开设的通风孔的圆柱面也会辐射,则刹车盘周上在j环的辐射面积:A=π[Rw2-Rn2-mrj2+2mrjz]。其中盘周外径Rw=0.288m、盘周内径Rn=0.164m、通风孔距离刹车盘旋转中心的距离dj,通风孔的半径rj,同一半径dj上的通风孔个数m=12;
[0097] (e5)计算散热参数,提取温度场
[0098] 刹车盘内部的温度分布取决于其内部的热量流动和物体与外部的热量交换,在刹车盘盘周每个点的温度与该点都是对应的,所以可以建立以制动盘回转中心为原点,回转轴为z轴的三维温度场T(x,y,z,t),满足如下三维瞬态温度场无内热源的热导微分方程:对于刹车盘,其为各向同性材料,故
各个方向上的导热系数相同,上述方程可化简为:
[0099] 然后,收集刹车盘的热物理性能参数,主要包括:材料密度ρ=7220kg/m3、材料比热c=419J/(kg·K)、导热系数λ=48.46W/(m·K)、T为温度、t为时间,将上述所计算的换热系数输入到ANSYS软件中,进行温度场的计算,并提取结果;
[0100] (e6)对散热结果进行分析
[0101] 使用ANSYS有限元软件,通过对刹车盘刹车散热过程的模拟,提取出温度场,对散热后的刹车盘温度场的结果进行分析;
[0102] (e7)散热结果是否为优
[0103] 判断散热结果是否较优,温度场的变化是否会对盘帽等位置应力场有影响,若综合结果为优,则输出最优结果,否则令d=d+Δd,再次进行迭代,直至较优解的出现;
[0104] (e8)输出开孔距离d
[0105] 将散热结果较优的开孔距离d1输出;
[0106] (e9)设置通风孔的半径r
[0107] 此时在通风孔距离较优解d1不变的情况下,改变通风孔的大小r1;
[0108] (e10)施加温度载荷
[0109] 此处温度载荷与步骤(e1)中的的热量温度载荷相同,制动后刹车盘对流与辐射散热的热能Qt表示为: 将相关公式参数带入后整理得热能为:Qt=3ηMπ2n2R2=3×0.8×16×π2×2502×0.2882=1964698.7J;
[0110] (e11)计算散热参数
[0111] 对流换热的热流密度计算公式使用步骤(e4)牛顿冷却方程:q1=hc(Tw-Tf),对流换热系数 刹车盘通风孔过渡流换热公式努谢尔数为辐射换热的热流密度用斯蒂芬·波尔兹
4 4 2 2 2
曼方程来描述:q2=εσAF12(T1-T2),对于刹车盘周上在j环的辐射面积:A=π[Rw-Rn-mrj +
2mrjz],所用到的参数和计算结果在步骤(e4)中已进行计算;
[0112] (e12)提取温度场,并对散热结果进行分析
[0113] 根据所计算出的散热参数,使用ANSYS软件进行计算,然后提取温度场,对提取的温度场结果进行散热分析;
[0114] (e13)散热结果是否为优
[0115] 判断散热结果是否较优,若结果为优,则输出最优结果,否则令r=r+Δr,进行迭代,直至最优解的出现;
[0116] (e14)输出通风孔位置d和半径r
[0117] 最后输出通风孔的位置d1和半径r1,并结束这一组的运算;
[0118] 重复步骤e1-8和e9-14,得到余下的两组通风孔数据;
[0119] (f)判断开孔是否满足最优散热方法
[0120] 根据多组模拟出的温度场进行对比分析,判断开孔位置d及开孔的大小r能否满足最优散热方法,若满足则进入步骤(g),否则重新确定开孔参数;
[0121] (g)输出设计性能较优的刹车盘参数,由本方法所得的刹车盘的开孔位置及开孔大小数据如下表:
[0122] 表2刹车盘通风孔参数
[0123]
[0124] 本方法设计的刹车盘其结构如图4所示,盘周1上开设的通风孔4,通风孔的大小沿着盘周由内而外依次减小,盘帽2上开设安装孔5,安装在汽车
轮毂上,风道6是采用的渐开线式的风道结构。