汽车需要制动器（俗称刹车）的原因显而易见：你一定不希望制动器发生故障。造成制动器故障的原因有很多，其中一个就是制动盘过热。没有工程师愿意设计出有故障的产品，制动盘设计也是如此。这篇文章，让我们将通过仿真来研究当汽车处于紧急制动模式时，制动盘和制动片的温度如何变化，以及它们在两次制动之间的冷却程度如何。
汽车制动盘和制动片的三维几何结构。制动盘半径为 0.14m，厚度为 0.013m。
制动盘过热时
假设一辆重 1800kg 的汽车以 25m/s（90km/h 或约 56mph）的速度行驶，司机突然急刹车2s。此时，8 个制动片以 10m/s2 的速度使汽车减速(假设车轮没有在路面上打滑）。制动 2s 后，司机松开制动器，让汽车以 5m/s 的速度行驶 8s 而不踩制动器。
当司机踩下刹车时，动能会转化为热能。如果制动盘过热，制动片就会因制动衰减而停止工作，这时制动器的材料特性会因温度过高而发生变化。这就是在设计阶段模拟瞬态加热和对流冷却来确定一系列制动接合之间的最小间隔如此重要的原因。
模拟制动盘的瞬态加热和最终温度
继续上述设想，我们来思考两个问题：
- 制动时，制动盘和制动片的温度如何？
- 制动后的休息时间内，制动盘和制动片的冷却程度如何？
使用 COMSOL Multiphysics 及其附加的传热模块，我们可以模拟汽车盘式制动器在给定的制动和释放程序中的瞬态加热和最终温度。
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| t=1.8s 时松开制动器前制动盘和制动片的表面温度。 | 使用径向线显示温度与时间的关系图。 |
如上图左侧所示，在刹车片和制动盘接触的地方（刹车片边缘）有一个热点。这个区域可能会过热，导致制动失灵或衰减。当然，我们需要进一步检查，这就是右图发挥作用的地方。沿着刹车片中心到边缘的径向线绘制了温度与时间的关系图，可以帮助研究我们发现的热点。实际上，热点表明在踩下刹车 1s 后就出现了约 416K 的最高温度，而不是直觉上认为的 2s。
总发热量（实线）与总散热量（虚线）的比较图。
上图对我们研究冷却制动盘和制动片冷却温度（文中提出的第二个问题）将有所帮助。如图所示，实线表示产生的热量，虚线表示耗散到空气中的热量。在司机停止制动 8s 后，产生的热量仅耗散了一小部分。换句话说，为了充分冷却系统，制动器需要在比 8s 更长的时间（实际上是 100s）内保持分离状态。
更多阅读
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