一種含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道的車輛制動(dòng)盤的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道的車輛制動(dòng)盤。包括制動(dòng)盤本體，所述制動(dòng)盤本體的軸向兩側(cè)的圓環(huán)面為摩擦面，與摩擦面對應(yīng)的制動(dòng)盤本體上均布設(shè)有曲線風(fēng)道，所述曲線風(fēng)道內(nèi)設(shè)有螺紋，為螺紋管狀。本實(shí)用新型的優(yōu)勢是通過在制動(dòng)盤的曲線風(fēng)道中增加內(nèi)螺紋，提高了風(fēng)道內(nèi)壁的粗糙度，改變制動(dòng)盤上風(fēng)道內(nèi)的空氣流場，減小流動(dòng)邊界層或?qū)恿鞯讓雍穸龋⑶以鰪?qiáng)渦旋擾動(dòng)作用。本實(shí)用新型的另一個(gè)優(yōu)勢是，與現(xiàn)有技術(shù)相比，曲線風(fēng)道的截面為圓形，螺紋管狀的曲線風(fēng)道構(gòu)成了一個(gè)螺紋管型的結(jié)構(gòu)，圓形截面螺旋管?、潔RFhH:臺(tái)白
【專利說明】一種含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道的車輛制動(dòng)盤

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于車輛制動(dòng)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及車輛制動(dòng)盤。
技術(shù)背景
[0002]一般車輛盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過程中，是通過制動(dòng)器摩擦副的摩擦作用將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，從而使車輛減速或者停車。此過程中大部分的熱能被制動(dòng)盤吸收，然后通過盤與空氣熱交換的方式將熱能散發(fā)出去，從而降低制動(dòng)盤片溫度，保持制動(dòng)器本身的效率。溫度過高會(huì)嚴(yán)重衰減制動(dòng)盤與塊的摩擦系數(shù)，降低制動(dòng)器的制動(dòng)效能。因此，為保證制動(dòng)器制動(dòng)效能，對制動(dòng)盤的散熱能力和熱負(fù)荷能力有著較高的要求。所以如何將制動(dòng)盤所吸收的熱量，快速有效的耗散到空氣中是本實(shí)用新型主要想解決的問題。
[0003]中國專利CN200820224945.1、中國專利CN201320008443.6公開了含直線與曲線通風(fēng)道的制動(dòng)盤，主要包括外側(cè)摩擦表面和內(nèi)側(cè)通風(fēng)道。通風(fēng)道用來提高制動(dòng)盤的散熱性能和熱負(fù)荷能力。制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)使通風(fēng)道形成像鼓風(fēng)機(jī)一樣的通風(fēng)作用，使盡可能多的外界冷空氣粒子與制動(dòng)盤表面接觸形成最大的熱交換，提高了制動(dòng)盤的散熱性能。由1991年的“起重運(yùn)輸機(jī)械”中的“盤式制動(dòng)器散熱性能的研究”一文可知曲線通風(fēng)盤比實(shí)心盤的熱負(fù)荷能力提高約29%，直通風(fēng)盤比實(shí)心盤的熱負(fù)荷能力提高約16%。
[0004]目前，汽車上已經(jīng)使用了直線或曲線通風(fēng)道的制動(dòng)盤。其中直線通風(fēng)道制動(dòng)盤由兩個(gè)摩擦片及摩擦片間的肋條組成，肋條呈輻射狀分布在兩摩擦片之間，所以形成的通風(fēng)道橫截面為矩形。曲線通風(fēng)道制動(dòng)盤形狀和直線通風(fēng)道制動(dòng)盤類似，只是它的肋條為曲線形狀，形成的通風(fēng)道橫截面仍為矩形。現(xiàn)有直線或曲線通風(fēng)道的制動(dòng)盤，并不能有效散發(fā)汽車制動(dòng)過程中的熱量，由汽車制動(dòng)器熱衰退誘發(fā)交通事故仍十分常見。因此，已知制動(dòng)盤通的散熱能力仍不完全有效，制動(dòng)盤風(fēng)道通風(fēng)效果還可以進(jìn)一步優(yōu)化，以進(jìn)一步降低制動(dòng)盤的溫升。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]為解決現(xiàn)有制動(dòng)盤在制動(dòng)過程中溫升高的問題，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，本實(shí)用新型提供一種含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道的車輛制動(dòng)盤。
[0006]一種含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道的車輛制動(dòng)盤包括制動(dòng)盤本體，所述制動(dòng)盤本體的軸向兩側(cè)的圓環(huán)面為摩擦面，與摩擦面對應(yīng)的制動(dòng)盤本體上均布設(shè)有曲線風(fēng)道，所述曲線風(fēng)道內(nèi)設(shè)有螺紋，為螺紋管狀。
[0007]所述曲線風(fēng)道的中徑為3?4mm，螺紋圈數(shù)為12?15圈。
[0008]本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果是:本實(shí)用新型中使用的含內(nèi)螺紋的曲線風(fēng)道，與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，能夠改變風(fēng)道內(nèi)的空氣流場，能夠減小流動(dòng)邊界層或?qū)恿鞯讓雍穸龋⑶以鰪?qiáng)渦旋擾動(dòng)作用。已知曲線風(fēng)道的制動(dòng)盤風(fēng)道中，空氣基本上以層流形式流動(dòng)。同現(xiàn)有制動(dòng)盤技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)勢是曲線風(fēng)道中增加了內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋增加了風(fēng)道粗糙度，增加了氣流的紊流程度。本實(shí)用新型的另一個(gè)優(yōu)勢是，與現(xiàn)有技術(shù)相比，曲線風(fēng)道的截面為圓形，并含內(nèi)螺紋，構(gòu)成了一個(gè)螺紋管型的結(jié)構(gòu)，圓形截面螺旋管道流阻性能優(yōu)良。
[0009]本實(shí)用新型的科學(xué)原理說明如下:
[0010]1983年的太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)上“徑向通風(fēng)制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)及散熱”一文的第127頁記載，徑向通風(fēng)制動(dòng)盤如采用曲線通風(fēng)道，比直線通風(fēng)道更加優(yōu)越。采用曲線通風(fēng)道，能使散熱表面積增加30%，產(chǎn)生的穩(wěn)定制動(dòng)功率高出直線型12%。2010年的華東理工大學(xué)的“螺旋管道內(nèi)的流動(dòng)阻力和傳熱性能研究”一文第45頁記載，矩形截面的螺旋管道比圓形截面的螺旋管道的壓強(qiáng)損失、剪切力和阻力系數(shù)都大，因此相比較而言，圓形截面螺旋管道流阻性能優(yōu)于矩形截面螺旋管道。本實(shí)用新型中的內(nèi)螺紋相當(dāng)于一個(gè)螺旋管道。因此，含內(nèi)螺紋的曲線風(fēng)道是本實(shí)用新型的主要特色，能夠有效改善兩制動(dòng)摩擦片間的通風(fēng)效率，加快散熱，提高制動(dòng)效能。
[0011]1991年的起重運(yùn)輸機(jī)械上“盤式制動(dòng)器散熱性能的研究”一文中第16、17頁記載，氣流在通風(fēng)道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況影響制動(dòng)盤的散熱性能。當(dāng)空氣流速增加，流動(dòng)邊界層厚度或?qū)恿鞯讓雍穸茸儽『蜏u旋擾動(dòng)散熱作用加強(qiáng)，散熱系數(shù)增大。因此減少層流厚度有利于散熱。應(yīng)用該空氣動(dòng)力學(xué)理論，本實(shí)用新型中在含曲線通風(fēng)道的車輛制動(dòng)盤的曲線通風(fēng)道內(nèi)開設(shè)內(nèi)螺紋。1993年的熱力發(fā)電上的“內(nèi)螺紋水冷壁管的傳熱及阻力特性研究” 一文中第2頁記載，這一改進(jìn)能夠改變風(fēng)道內(nèi)的空氣流場，能夠減小流動(dòng)邊界層或?qū)恿鞯讓雍穸龋⑶以鰪?qiáng)渦旋擾動(dòng)作用，從而加快熱量散發(fā)，使制動(dòng)盤快速冷卻，進(jìn)一步提高制動(dòng)效能。
[0012]增加散熱面積
[0013]本實(shí)用新型不同于其他已知實(shí)用新型的地方在于通風(fēng)道內(nèi)開有內(nèi)螺紋，制動(dòng)盤的散熱面積增加。針對某型汽車前盤制動(dòng)器，這里計(jì)算曲線通風(fēng)道3的個(gè)數(shù)η為24，內(nèi)螺紋4的圈數(shù)為13圈，內(nèi)螺紋4的截面半圓形半徑為1.5mm的制動(dòng)盤散熱面積的增加量:
[0014]2007年出版的濮良貴、紀(jì)名剛的機(jī)械設(shè)計(jì)一書中第393頁記載，彈簧展開長度I計(jì)算公式為:.πΕΜ,
[0015]I =-- ,(I)
COSO:
[0016]由于彈簧的螺旋升角α很小，cosa ^ 1，所以
[0017]I ^ JI Dn1, (2)
[0018]因此散熱面積增加量S為
(I , Λ
[0019]S = n 鮮1 -1rlj,(3)
2D D
[0020]D =.......ζ?...................^..............^.............，(4)

Z)j +
[0021]式中，L為彈簧展開長度，D為彈簧的中徑這里指等效直徑，H1為內(nèi)螺紋4的圈數(shù)，a為彈簧的螺旋升角，S為增加的散熱面積，η為曲線通風(fēng)道3個(gè)數(shù)，！■為內(nèi)螺紋4的截面半圓形的半徑，D1為通風(fēng)道小圓直徑，D2為通風(fēng)道大圓直徑。表I給出了符合本實(shí)用新型要求的，一種制動(dòng)盤的幾何參數(shù)。計(jì)算參數(shù)值見表I。
[0022]表I參數(shù) D1_D2_r_Ii1 η_
數(shù)值 5.5mm 9mm 1.5mm 13 24
[0023]將表I中參數(shù)分別代入式2、3、4計(jì)算得:
[0024]D = 6.83mm,
[0025]L = 278.94mm,
[0026]S = 3576.85mm2.
[0027]由此可見，含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道制動(dòng)盤散熱面積凈增加3576.85_2。
[0028]由1983年的太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)上“徑向通風(fēng)制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)及散熱”一文的可知，強(qiáng)制對流散熱系數(shù)0為:
W^yPf
[0029]a = ^(5)
[0030]式中，V為通道中相對氣流的平均值，f為空氣與管道壁的摩擦系數(shù)，為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，Yf為空氣運(yùn)動(dòng)粘度，Pf、Pm為空氣普朗特?cái)?shù)。
[0031]可見對于同為曲線風(fēng)道的制動(dòng)盤來講，當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，本實(shí)用新型新增的內(nèi)螺紋增加了曲線風(fēng)道的粗糙度，因而提高了空氣與管道壁的摩擦系數(shù)f。因此，由式(5)可知，強(qiáng)制對流散熱系數(shù)α增大，有利于制動(dòng)盤散熱。
[0032]由1991年的起重運(yùn)輸機(jī)械上“盤式制動(dòng)器散熱性能的研究” 一文中可知，制動(dòng)盤穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的冷卻系數(shù)b可用來評定其散熱性能，
[0033]冷卻系數(shù)b的計(jì)算:
‘I Σ4(^ + ?)
[0034]■ =__(6)
-mm
[0035]式中，W、Cm分別為制動(dòng)盤的重量和材料的比熱，Cd為制動(dòng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的熱交換系數(shù)，Ap a PCi分別為制動(dòng)盤穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，各表面的散熱面積和對應(yīng)的對流散熱系數(shù)、幅射散熱系數(shù)。
[0036]所以，對于同為曲線風(fēng)道的制動(dòng)盤來講，當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，本實(shí)用新型在曲線風(fēng)道中新增的內(nèi)螺紋，減少了制動(dòng)盤的重量W，由式(3)可知，增加了制動(dòng)盤表面的散熱面積Ai和幅射散熱系數(shù)Ci，由式(5)可知，增加了對流散熱系數(shù)ait)因此，由式(6)可知，冷卻系數(shù)b提聞，提聞了制動(dòng)盤的散熱性能。
[0037]由以上定性分析可知，本實(shí)用新型在曲線風(fēng)道中新增的內(nèi)螺紋，能夠提高制動(dòng)盤的散熱性能。
[0038]增加風(fēng)道粗糙度
[0039]本實(shí)用新型不同于其他已知實(shí)用新型的地方在于通風(fēng)道內(nèi)開有螺旋槽，增加了通風(fēng)道的粗糙度，制動(dòng)盤通風(fēng)道內(nèi)的氣流紊流程度增加。2008年出版的李玉柱、苑明順的“流體力學(xué)”一書中記載，實(shí)驗(yàn)表明，層流邊層厚度Λ與主流的湍流程度有關(guān)。湍流程度愈劇烈，層流邊層愈薄。則層流邊層厚度Λ計(jì)算公式:
[0040](7)
_ ud pud
[0041]Rs = — =--(8)
V μ
[0042]式中，d為圓管直徑或水力直徑，λ為摩擦阻力系數(shù)，U為管內(nèi)平均流速，V= μ/P為運(yùn)動(dòng)粘度，μ為動(dòng)力粘度，P為流體密度，Re為雷諾數(shù)。
[0043]由以上公式可知，假設(shè)管道的粗糙度為δ，當(dāng)δ < Λ時(shí)，管壁的凹凸(粗糙)部分淹沒在層流中，δ對湍流無影響；當(dāng)δ > Λ時(shí)，管壁的凹凸(粗糙)部分突出到湍流中，層流邊層被破壞。
[0044]仿真計(jì)算驗(yàn)證
[0045]根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論,利用有計(jì)算流體力學(xué)分析軟件starccm,對本實(shí)用新型的制動(dòng)盤進(jìn)行了流體力學(xué)分析仿真分析，獲得了制動(dòng)盤通風(fēng)道內(nèi)可視化空氣流場圖。在該仿真中，為了減少仿真時(shí)間，在進(jìn)行制動(dòng)盤建模時(shí)，只取兩組共計(jì)6個(gè)曲線風(fēng)道。其中，線I1-1I左上方一組是光滑的曲線通風(fēng)道，右下方一組是含內(nèi)螺紋的曲線通風(fēng)道。為了獲得更好仿真效果，制動(dòng)盤風(fēng)道部分網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，最小值為0.5_。為了節(jié)約仿真時(shí)間，入口處網(wǎng)格畫的比較大，最大值為10mm。三維網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，邊界層設(shè)置為三層。邊界條件設(shè)置為，速度入口和壓力出口。
[0046]仿真結(jié)果顯示，在靠近風(fēng)道壁處，氣流在內(nèi)螺紋槽內(nèi)形成紊流，邊界層出的層流層被破壞。風(fēng)道內(nèi)氣流平穩(wěn)，風(fēng)道壁邊界層處幾乎沒有紊流現(xiàn)象。對比可知，含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道與光滑曲線風(fēng)道相比，含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道增加了氣流的紊流程度，增加了對流散熱系數(shù)，提聞了冷卻系數(shù)。
[0047]可見氣體介質(zhì)在含內(nèi)螺紋風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)時(shí)散熱得到強(qiáng)化，風(fēng)道管壁上的螺紋溝槽破壞了管壁上流體膜邊界層，使內(nèi)表面及增加，迫使流體旋轉(zhuǎn)，將氣體拋向管壁，使管壁得到良好的冷卻。連續(xù)螺旋凸起使流體流過時(shí)，產(chǎn)生流體脫離區(qū)，形成強(qiáng)度不同、大小不一的漩渦，這些漩渦改變了流體的形態(tài)，增加了近壁區(qū)流體渦流度，從而強(qiáng)化散熱。
[0048]因此，風(fēng)道內(nèi)氣流層流邊層厚度Λ減小，又由于開設(shè)內(nèi)螺紋槽，能夠增加管道的粗糙度S，能夠保證通風(fēng)道內(nèi)δ > Δ ;所以，管壁的凹凸部分突出到湍流中，層流邊層會(huì)被破壞，氣流紊流程度增加。
[0049]由1991年的起重運(yùn)輸機(jī)械上“盤式制動(dòng)器散熱性能的研究”一文中第16頁，可知對流傳遞熱量比導(dǎo)熱方式強(qiáng)得多，因此本實(shí)用新型中含內(nèi)螺紋風(fēng)道，與不含內(nèi)螺紋的風(fēng)道相比，有效提高了風(fēng)道內(nèi)紊流程度，提高了散熱效率。
[0050]仿真結(jié)果驗(yàn)證了以上理論與計(jì)算的定性分析，本實(shí)用新型中在制動(dòng)盤風(fēng)道內(nèi)開設(shè)的內(nèi)螺紋，有效增加散熱面積，能夠增加氣流的紊流程度，增加對流散熱系數(shù)，提高冷卻系數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0052]圖2為圖1的剖視圖。
[0053]圖3為圖1的右視圖。
[0054]圖4為圖1的局部放大圖。
[0055]上圖中序號(hào):制動(dòng)盤本體1、制動(dòng)摩擦面2、曲線通風(fēng)道3、內(nèi)螺紋4。

【具體實(shí)施方式】
[0056]下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0057]制動(dòng)盤本體I的軸向兩側(cè)的圓環(huán)面為制動(dòng)摩擦面2，與制動(dòng)摩擦面2對應(yīng)的制動(dòng)盤本體I上均布設(shè)有24條曲線通風(fēng)道3 ;參見圖4，曲線通風(fēng)道3內(nèi)設(shè)有內(nèi)螺紋4，為螺紋管狀，其中徑為3mm，螺紋圈數(shù)為13圈。
[0058]氣流由螺紋管狀的曲線通風(fēng)道3進(jìn)口進(jìn)入，由氣流出口流出，在此過程中，氣流的最大流速為65.063m/s，最小流速為0.09m/s。與不含內(nèi)螺紋的曲線風(fēng)道且相比，螺紋管狀的的曲線通風(fēng)道3大大增加了氣流的紊流程度。
[0059]本實(shí)用新型中使用的螺紋管狀的曲線通風(fēng)道3，與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，能夠改變風(fēng)道內(nèi)的空氣流場，能夠減小流動(dòng)邊界層或?qū)恿鞯讓雍穸?，并且增?qiáng)渦旋擾動(dòng)作用。已知曲線風(fēng)道的制動(dòng)盤風(fēng)道中，空氣基本上以層流形式流動(dòng)。同現(xiàn)有制動(dòng)盤技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)勢是通過在曲線通風(fēng)道3中增加內(nèi)螺紋4，提高了風(fēng)道內(nèi)壁的粗糙度，增加了氣流的紊流程度。本實(shí)用新型的另一個(gè)優(yōu)勢是，與現(xiàn)有技術(shù)相比，曲線通風(fēng)道3的截面為圓形。螺紋管狀的曲線通風(fēng)道3，構(gòu)成了一個(gè)螺紋管型的結(jié)構(gòu)，圓形截面螺旋管道流阻性能優(yōu)良。
【權(quán)利要求】
1.一種含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道的車輛制動(dòng)盤，包括制動(dòng)盤本體，所述制動(dòng)盤本體的軸向兩側(cè)的圓環(huán)面為摩擦面，與摩擦面對應(yīng)的制動(dòng)盤本體上均布設(shè)有曲線風(fēng)道，其特征在于:所述曲線風(fēng)道內(nèi)設(shè)有螺紋，為螺紋管狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含內(nèi)螺紋曲線風(fēng)道的車輛制動(dòng)盤，其特征在于:所述曲線風(fēng)道的中徑為3?4 mm，螺紋圈數(shù)為12?15圈。
【文檔編號(hào)】F16D65/12GK204025464SQ201420339094
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】魏道, 高許可, 王波, 陳長鶴, 朱偉偉 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)