一种含内螺纹曲线风道的车辆制动盘的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种含内螺纹曲线风道的车辆制动盘。包括制动盘本体，所述制动盘本体的轴向两侧的圆环面为摩擦面，与摩擦面对应的制动盘本体上均布设有曲线风道，所述曲线风道内设有螺纹，为螺纹管状。本实用新型的优势是通过在制动盘的曲线风道中增加内螺纹，提高了风道内壁的粗糙度，改变制动盘上风道内的空气流场，减小流动边界层或层流底层厚度，并且增强涡旋扰动作用。本实用新型的另一个优势是，与现有技术相比，曲线风道的截面为圆形，螺纹管状的曲线风道构成了一个螺纹管型的结构，圆形截面螺旋管?、洁RFhH:台白
【专利说明】一种含内螺纹曲线风道的车辆制动盘
【技术领域】
[0001]本实用新型属于车辆制动系统【技术领域】，具体涉及车辆制动盘。
技术背景
[0002]一般车辆盘式制动器在制动过程中，是通过制动器摩擦副的摩擦作用将车辆的动能转化成热能，从而使车辆减速或者停车。此过程中大部分的热能被制动盘吸收，然后通过盘与空气热交换的方式将热能散发出去，从而降低制动盘片温度，保持制动器本身的效率。温度过高会严重衰减制动盘与块的摩擦系数，降低制动器的制动效能。因此，为保证制动器制动效能，对制动盘的散热能力和热负荷能力有着较高的要求。所以如何将制动盘所吸收的热量，快速有效的耗散到空气中是本实用新型主要想解决的问题。
[0003]中国专利CN200820224945.1、中国专利CN201320008443.6公开了含直线与曲线通风道的制动盘，主要包括外侧摩擦表面和内侧通风道。通风道用来提高制动盘的散热性能和热负荷能力。制动时制动盘旋转使通风道形成像鼓风机一样的通风作用，使尽可能多的外界冷空气粒子与制动盘表面接触形成最大的热交换，提高了制动盘的散热性能。由1991年的“起重运输机械”中的“盘式制动器散热性能的研究”一文可知曲线通风盘比实心盘的热负荷能力提高约29%，直通风盘比实心盘的热负荷能力提高约16%。
[0004]目前，汽车上已经使用了直线或曲线通风道的制动盘。其中直线通风道制动盘由两个摩擦片及摩擦片间的肋条组成，肋条呈辐射状分布在两摩擦片之间，所以形成的通风道横截面为矩形。曲线通风道制动盘形状和直线通风道制动盘类似，只是它的肋条为曲线形状，形成的通风道横截面仍为矩形。现有直线或曲线通风道的制动盘，并不能有效散发汽车制动过程中的热量，由汽车制动器热衰退诱发交通事故仍十分常见。因此，已知制动盘通的散热能力仍不完全有效，制动盘风道通风效果还可以进一步优化，以进一步降低制动盘的温升。
实用新型内容
[0005]为解决现有制动盘在制动过程中温升高的问题，通过结构改进，本实用新型提供一种含内螺纹曲线风道的车辆制动盘。
[0006]一种含内螺纹曲线风道的车辆制动盘包括制动盘本体，所述制动盘本体的轴向两侧的圆环面为摩擦面，与摩擦面对应的制动盘本体上均布设有曲线风道，所述曲线风道内设有螺纹，为螺纹管状。
[0007]所述曲线风道的中径为3?4mm，螺纹圈数为12?15圈。
[0008]本实用新型的有益技术效果是:本实用新型中使用的含内螺纹的曲线风道，与现有技术方案相比，能够改变风道内的空气流场，能够减小流动边界层或层流底层厚度，并且增强涡旋扰动作用。已知曲线风道的制动盘风道中，空气基本上以层流形式流动。同现有制动盘技术相比，本实用新型的优势是曲线风道中增加了内螺纹，内螺纹增加了风道粗糙度，增加了气流的紊流程度。本实用新型的另一个优势是，与现有技术相比，曲线风道的截面为圆形，并含内螺纹，构成了一个螺纹管型的结构，圆形截面螺旋管道流阻性能优良。
[0009]本实用新型的科学原理说明如下:
[0010]1983年的太原重型机械学院学报上“径向通风制动盘的设计及散热”一文的第127页记载，径向通风制动盘如采用曲线通风道，比直线通风道更加优越。采用曲线通风道，能使散热表面积增加30%，产生的稳定制动功率高出直线型12%。2010年的华东理工大学的“螺旋管道内的流动阻力和传热性能研究”一文第45页记载，矩形截面的螺旋管道比圆形截面的螺旋管道的压强损失、剪切力和阻力系数都大，因此相比较而言，圆形截面螺旋管道流阻性能优于矩形截面螺旋管道。本实用新型中的内螺纹相当于一个螺旋管道。因此，含内螺纹的曲线风道是本实用新型的主要特色，能够有效改善两制动摩擦片间的通风效率，加快散热，提高制动效能。
[0011]1991年的起重运输机械上“盘式制动器散热性能的研究”一文中第16、17页记载，气流在通风道内的运动状况影响制动盘的散热性能。当空气流速增加，流动边界层厚度或层流底层厚度变薄和涡旋扰动散热作用加强，散热系数增大。因此减少层流厚度有利于散热。应用该空气动力学理论，本实用新型中在含曲线通风道的车辆制动盘的曲线通风道内开设内螺纹。1993年的热力发电上的“内螺纹水冷壁管的传热及阻力特性研究” 一文中第2页记载，这一改进能够改变风道内的空气流场，能够减小流动边界层或层流底层厚度，并且增强涡旋扰动作用，从而加快热量散发，使制动盘快速冷却，进一步提高制动效能。
[0012]增加散热面积
[0013]本实用新型不同于其他已知实用新型的地方在于通风道内开有内螺纹，制动盘的散热面积增加。针对某型汽车前盘制动器，这里计算曲线通风道3的个数η为24，内螺纹4的圈数为13圈，内螺纹4的截面半圆形半径为1.5mm的制动盘散热面积的增加量:
[0014]2007年出版的濮良贵、纪名刚的机械设计一书中第393页记载，弹簧展开长度I计算公式为:.πΕΜ,
[0015]I =-- ,(I)
COSO:
[0016]由于弹簧的螺旋升角α很小，cosa ^ 1，所以
[0017]I ^ JI Dn1, (2)
[0018]因此散热面积增加量S为
(I , Λ
[0019]S = n 鮮1 -1rlj,(3)
2D D
[0020]D =.......ζ?...................^..............^.............，(4)
Z)j +
[0021]式中，L为弹簧展开长度，D为弹簧的中径这里指等效直径，H1为内螺纹4的圈数，a为弹簧的螺旋升角，S为增加的散热面积，η为曲线通风道3个数，！■为内螺纹4的截面半圆形的半径，D1为通风道小圆直径，D2为通风道大圆直径。表I给出了符合本实用新型要求的，一种制动盘的几何参数。计算参数值见表I。
[0022]表I参数 D1_D2_r_Ii1 η_
数值 5.5mm 9mm 1.5mm 13 24
[0023]将表I中参数分别代入式2、3、4计算得:
[0024]D = 6.83mm,
[0025]L = 278.94mm,
[0026]S = 3576.85mm2.
[0027]由此可见，含内螺纹曲线风道制动盘散热面积净增加3576.85_2。
[0028]由1983年的太原重型机械学院学报上“径向通风制动盘的设计及散热”一文的可知，强制对流散热系数0为:
W^yPf
[0029]a = ^(5)
[0030]式中，V为通道中相对气流的平均值，f为空气与管道壁的摩擦系数，为空气导热系数，Yf为空气运动粘度，Pf、Pm为空气普朗特数。
[0031]可见对于同为曲线风道的制动盘来讲，当其它参数不变时，本实用新型新增的内螺纹增加了曲线风道的粗糙度，因而提高了空气与管道壁的摩擦系数f。因此，由式(5)可知，强制对流散热系数α增大，有利于制动盘散热。
[0032]由1991年的起重运输机械上“盘式制动器散热性能的研究” 一文中可知，制动盘稳定运行时的冷却系数b可用来评定其散热性能，
[0033]冷却系数b的计算:
‘I Σ4(^ + ?)
[0034]■ =__(6)
-mm
[0035]式中，W、Cm分别为制动盘的重量和材料的比热，Cd为制动器稳定运行时的热交换系数，Ap a PCi分别为制动盘稳定运行时，各表面的散热面积和对应的对流散热系数、幅射散热系数。
[0036]所以，对于同为曲线风道的制动盘来讲，当其它参数不变时，本实用新型在曲线风道中新增的内螺纹，减少了制动盘的重量W，由式(3)可知，增加了制动盘表面的散热面积Ai和幅射散热系数Ci，由式(5)可知，增加了对流散热系数ait)因此，由式(6)可知，冷却系数b提闻，提闻了制动盘的散热性能。
[0037]由以上定性分析可知，本实用新型在曲线风道中新增的内螺纹，能够提高制动盘的散热性能。
[0038]增加风道粗糙度
[0039]本实用新型不同于其他已知实用新型的地方在于通风道内开有螺旋槽，增加了通风道的粗糙度，制动盘通风道内的气流紊流程度增加。2008年出版的李玉柱、苑明顺的“流体力学”一书中记载，实验表明，层流边层厚度Λ与主流的湍流程度有关。湍流程度愈剧烈，层流边层愈薄。则层流边层厚度Λ计算公式:
[0040](7)
_ ud pud
[0041]Rs = — =--(8)
V μ
[0042]式中，d为圆管直径或水力直径，λ为摩擦阻力系数，U为管内平均流速，V= μ/P为运动粘度，μ为动力粘度，P为流体密度，Re为雷诺数。
[0043]由以上公式可知，假设管道的粗糙度为δ，当δ < Λ时，管壁的凹凸(粗糙)部分淹没在层流中，δ对湍流无影响；当δ > Λ时，管壁的凹凸(粗糙)部分突出到湍流中，层流边层被破坏。
[0044]仿真计算验证
[0045]根据空气动力学理论,利用有计算流体力学分析软件starccm,对本实用新型的制动盘进行了流体力学分析仿真分析，获得了制动盘通风道内可视化空气流场图。在该仿真中，为了减少仿真时间，在进行制动盘建模时，只取两组共计6个曲线风道。其中，线I1-1I左上方一组是光滑的曲线通风道，右下方一组是含内螺纹的曲线通风道。为了获得更好仿真效果，制动盘风道部分网格进行了加密处理，最小值为0.5_。为了节约仿真时间，入口处网格画的比较大，最大值为10mm。三维网格为六面体网格，边界层设置为三层。边界条件设置为，速度入口和压力出口。
[0046]仿真结果显示，在靠近风道壁处，气流在内螺纹槽内形成紊流，边界层出的层流层被破坏。风道内气流平稳，风道壁边界层处几乎没有紊流现象。对比可知，含内螺纹曲线风道与光滑曲线风道相比，含内螺纹曲线风道增加了气流的紊流程度，增加了对流散热系数，提闻了冷却系数。
[0047]可见气体介质在含内螺纹风道内流动时散热得到强化，风道管壁上的螺纹沟槽破坏了管壁上流体膜边界层，使内表面及增加，迫使流体旋转，将气体抛向管壁，使管壁得到良好的冷却。连续螺旋凸起使流体流过时，产生流体脱离区，形成强度不同、大小不一的漩涡，这些漩涡改变了流体的形态，增加了近壁区流体涡流度，从而强化散热。
[0048]因此，风道内气流层流边层厚度Λ减小，又由于开设内螺纹槽，能够增加管道的粗糙度S，能够保证通风道内δ > Δ ;所以，管壁的凹凸部分突出到湍流中，层流边层会被破坏，气流紊流程度增加。
[0049]由1991年的起重运输机械上“盘式制动器散热性能的研究”一文中第16页，可知对流传递热量比导热方式强得多，因此本实用新型中含内螺纹风道，与不含内螺纹的风道相比，有效提高了风道内紊流程度，提高了散热效率。
[0050]仿真结果验证了以上理论与计算的定性分析，本实用新型中在制动盘风道内开设的内螺纹，有效增加散热面积，能够增加气流的紊流程度，增加对流散热系数，提高冷却系数。
【专利附图】
【附图说明】
[0051]图1为本实用新型结构示意图。
[0052]图2为图1的剖视图。
[0053]图3为图1的右视图。
[0054]图4为图1的局部放大图。
[0055]上图中序号:制动盘本体1、制动摩擦面2、曲线通风道3、内螺纹4。
【具体实施方式】
[0056]下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0057]制动盘本体I的轴向两侧的圆环面为制动摩擦面2，与制动摩擦面2对应的制动盘本体I上均布设有24条曲线通风道3 ;参见图4，曲线通风道3内设有内螺纹4，为螺纹管状，其中径为3mm，螺纹圈数为13圈。
[0058]气流由螺纹管状的曲线通风道3进口进入，由气流出口流出，在此过程中，气流的最大流速为65.063m/s，最小流速为0.09m/s。与不含内螺纹的曲线风道且相比，螺纹管状的的曲线通风道3大大增加了气流的紊流程度。
[0059]本实用新型中使用的螺纹管状的曲线通风道3，与现有技术方案相比，能够改变风道内的空气流场，能够减小流动边界层或层流底层厚度，并且增强涡旋扰动作用。已知曲线风道的制动盘风道中，空气基本上以层流形式流动。同现有制动盘技术相比，本实用新型的优势是通过在曲线通风道3中增加内螺纹4，提高了风道内壁的粗糙度，增加了气流的紊流程度。本实用新型的另一个优势是，与现有技术相比，曲线通风道3的截面为圆形。螺纹管状的曲线通风道3，构成了一个螺纹管型的结构，圆形截面螺旋管道流阻性能优良。
【权利要求】
1.一种含内螺纹曲线风道的车辆制动盘，包括制动盘本体，所述制动盘本体的轴向两侧的圆环面为摩擦面，与摩擦面对应的制动盘本体上均布设有曲线风道，其特征在于:所述曲线风道内设有螺纹，为螺纹管状。
2.根据权利要求1所述的一种含内螺纹曲线风道的车辆制动盘，其特征在于:所述曲线风道的中径为3?4 mm，螺纹圈数为12?15圈。
【文档编号】F16D65/12GK204025464SQ201420339094
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】魏道, 高许可, 王波, 陈长鹤, 朱伟伟 申请人:合肥工业大学