CN104813057B - 包括多孔芯的机械摩擦设备 - Google Patents

Abstract

一种制动盘或离合器盘摩擦设备(10)包括夹在两个外部的摩擦层(18.1、18.2)之间的中心层(16)。中心层(16)具有比两个摩擦层(18.1、18.2)更高的孔隙率水平。中心层(16)以作为热传递装置的线框结构的形式将热量传递离开外部的摩擦层(18.1、18.2)的摩擦表面。线框结构是X型晶格夹层结构或线织膨松金刚石结构。

Description

包括多孔芯的机械摩擦设备

技术领域

本发明涉及一种包括多孔芯的机械摩擦设备。本发明尤其(但不排他地)涉及包括夹在两个外部的摩擦层之间的多孔层的制动盘(brakedisc)或离合器盘(clutchdisc)。

背景技术

在车辆上制动系统是必不可少的。在众多制动系统中，盘式制动器已经被广泛地应用，以在制动盘与制动片(brakepad)之间的接触界面处将动能转化为热量。熟悉盘式制动器的操作的人会知道，在制动期间，机械负荷和热负荷两者同时施加到制动盘。因此，制动盘不仅需要能够承受由制动片施加在其上的压力，还需要能够处理由制动盘和制动片之间的摩擦力导致的热负荷。

在制动期间，连续的夹紧力由制动片施加在制动盘上。已经确定的是，对于中型货运汽车来说，比如梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)的Atego，大约120kN的夹紧力被施加在制动盘上，其接触面积为大约19.49×10^-3m²(0.2107m×0.0925m)，该面积覆盖大约制动盘总面积的六分之一。基于上述参数，大约6MPa的平均压应力被直接施加在制动片下方的制动盘材料上。

还已经确定的是，由于制动盘与制动片之间的摩擦发热，强加在中型货运汽车(比如梅赛德斯奔驰的Atego)的制动盘上的热通量大约是0.2MW/m²。这个数值是基于以恒定速度80km/h、恒定坡度3.5％下降的车辆。

大量研究显示，温度有多高以及这些温度在制动盘上的分布有多不均匀会导致制动失效以及制动盘和制动片两者的磨损增大。引发的热应力场可能导致制动盘的低周疲劳、破裂、甚至灾难性故障。如果整体温度过高，卡钳缸(callipercylinder)中的制动流体会沸腾，这可能导致‘流体失效(fluidfade)’以及制动力减小的潜在危险。

为了解决这些制动失效的问题，制动盘必须能够处理高水平的热通量。当前正在使用的处理高热通量的一个方法是借助制动盘中包括的热交换元件来去除热量。公知的技术方案是将制动盘设计为包括槽或孔，当制动盘旋转时，在这些槽和孔中引发强制的对流空气流。另一个已知的技术方案是包括热交换元件，比如制动盘本体中的气流通道中的径向叶片、弯曲叶片以及钉状翅片(pin-fin)。这类盘式制动器通常在行业中是指通气或通风盘式制动器。

当制动盘旋转时，冷却流被吸入通风通道。一类通风制动盘包括多个环状间隔通道，其中每一个都沿径向延伸。另一类通风制动盘包括定位在两个外部的摩擦盘之间的单个环形通道，在使用中，该外部摩擦盘接合制动片。多个热交换元件位于环形通道中并且在两个外部摩擦盘之间延伸。

对围绕仅在其通风通道中装备有径向叶片的通风制动盘的速度场(velocityfield)的研究已经显示出，在进入通风通道之前，冷却流以反向旋转方向相对于制动盘轴线旋动。由于科里奥利力(Coriolisforce)，入射流对叶片通道的角度变大，导致流动与叶片的前边缘分离。因此，大的流动循环区域形成在每个叶片的吸入侧，这减小了通风通道中的冷却流的量。为了增加通风通道中的冷却流，已经想出了一些改进的叶片设计，比如抑制流动分离的弯曲叶片。结果，据报道，冷却流的质量流率以及相应的冷却性能被进一步改进。然而，由径向分布的叶片引起的高度不均匀的热传递还导致在接近叶片的制动盘中的高的温度梯度。因此，热应力使这样的制动盘易于沿着这些叶片产生与热疲劳有关的破裂，这限制了它们在重型载重车辆中的应用。在尝试减少制动盘内的大温度梯度中，开发出了带有钉状翅片的制动盘，其径向和周向地分布在通风通道中。

虽然已经证明，带有叶片和钉状翅片的制动盘的热传递性能得到了整体提高，但是制动盘的设计限制使得很难同时优化其设计的每个方面。令人期望的是，同时优化制动盘的重量和刚度，以及它们的冷却能力。这导致了设计需求的冲突。

通风盘通道中热交换元件的设计灵活性通常考虑到这样的事实被限制：元件必须具有足够的结构完整性以承受制动片与制动盘之间的高的夹紧力或压力。由于这个原因，在轻型和重型载重车辆中使用的通风制动盘具有多于由垂直于制动盘突出的固体热交换元件所占据的通风盘通道体积的30％。热交换元件这种布置的一个问题在于，不存在沿着制动盘的周向传播的热量，这引起了周向热应力。

在热量方面，通风制动盘首先需要确保在制动盘和制动片上的低温度，其次是确保沿径向和周向的低温度梯度。而且，由于在强制对流中从通风通道和热交换元件去除热量的冷却流是通过制动盘的离心运动而吸入的，所以通常期望横越热交换器元件的低压降。

本发明的目的是缓解现有机械摩擦设备(比如制动盘或离合器盘)所经历的至少一些问题。

本发明的另一目的是提供一种机械摩擦设备，特别是制动盘或离合器盘，其会是对现有摩擦设备的有用的替代。

本发明又一目的是提供一种用于制动盘或离合器盘以及其它摩擦设备的结构，当与已知通风盘式制动器相比时，本发明的结构减轻了重量，同时具有必要的强度、刚度以及提高的散热特性。

发明内容

根据本发明，提供一种机械摩擦设备，该机械摩擦设备包括夹在两个外部的摩擦层之间的中心层，该中心层具有比两个摩擦层更高的孔隙率水平，其中该中心层以起到热传递装置的作用的线框结构的形式来传递热量离开外部的摩擦层的摩擦表面。

在本发明的一个实施例中，线框结构是X型晶格夹层结构。在本发明的另一个实施例中，线框结构是线织膨松金刚石结构(wire-wovenbulkdiamondstructure)。

中心层可以具有至少大约40％的孔隙率水平，优选的是大约90％。

中心层优选地由钢制成。

两个外部的摩擦层优选地由铸铁或钢制成。

摩擦设备可以是制动盘或离合器盘。

根据本发明的第二方案，提供了一种作为机械摩擦设备(例如制动盘或离合器盘)中的散热装置的线框结构的用途。

线框结构可处于X型晶格夹层结构的形式，或线织膨松金刚石结构的形式。

线框结构优选地夹在两个外部的摩擦层之间，这些摩擦层具有比线框结构更低的孔隙率水平。

附图说明

这里将仅经由示例，参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的呈盘式制动器组件的制动盘形式的机械摩擦设备的立体图；

图2示出了图1制动盘的立体图，其中切除了一部分以示出包括线框结构的中心层；

图3示出了在X型晶格夹层结构中的线排布，该结构可以作为图1的制动盘的线框结构来使用；

图4示出了在线织膨松金刚石结构中的线排布，该结构可以作为图1的制动盘的线框结构来使用；

图5示出了图1的制动盘在实验测试中使用的环形线织膨松金刚石结构及其晶胞(unitcell)；

图6示出了整合到通风制动盘的图5的线织膨松金刚石结构；

图7示出了在实验测试期间作为参考而使用的现有技术钉状翅片制动盘的尺寸；

图8示出了图6制动盘的入口流样式；

图9示出了图6的WBD(wire-wovenbulkdiamond，线织膨松金刚石)制动盘的冷却性能与图7的钉状翅片制动盘的冷却性能相比较的瞬态局部表面温度比较；

图10示出了图6的WBD制动盘的冷却性能与图7的钉状翅片制动盘的冷却性能相比较的瞬态平均表面温度比较；

图11示出了从图9中的(II)表示的虚线提取的图6的WBD制动盘与图7的钉状翅片制动盘相比较的径向温度曲线；

图12示出了由红外线摄像机(IRcamera)在1000rpm下拍摄的图6的WBD制动盘与图7的钉状翅片制动盘相比较的代表性的盘表面温度曲线；

图13示出了图7的钉状翅片制动盘以ReDh＝14400稳定冷却的由红外线摄像机测量的内部端壁温度图像；

图14示出了图6的WBD制动盘以ReDh＝14400稳定冷却的由红外线摄像机测量的内部端壁温度图像；

图15示出了通过沿图13和图14中的线III(a)所取的平均温度进行标准化的图6的WBD制动盘和图7的钉状翅片制动盘的测量的方位角温度曲线；

图16示出了通过沿图13和图14中的线III(a)所取的平均温度进行标准化的图6的WBD制动盘和图7的钉状翅片制动盘的θ＝22.5°时测量的径向温度曲线；

图17示出了图6的WBD制动盘和图7的钉状翅片制动盘的测量的离开径向速度曲线；

图18示出了当静止时，图6的WBD制动盘和图7的钉状翅片制动盘两者的压降与冷却剂进入速度之比；

图19示出了当静止时，图6的WBD制动盘和图7的钉状翅片制动盘两者的摩擦因子与雷诺数之比；

图20示出了作为制动盘旋转速度的函数，图6的WBD制动盘和图7的钉状翅片制动盘两者的泵送能力。

具体实施方式

参考附图，其中相同的数字指代相同的特征，根据本发明的机械摩擦设备的非限制性实例通常由附图标记10来指代。

在附图中，机械摩擦设备被示出为盘式制动器组件的制动盘。制动盘10包括轮毂12和盘14(有时还被称为转子)。盘14具有位于盘的两个外部部分18.1和18.2之间的环形通风通道16。外部部分18.1和18.2也被称为摩擦盘。在使用中，盘14的两个摩擦盘18.1和18.2在制动期间接合制动片(未在附图中示出)。必须理解的是，盘式制动器组件通常包括两个制动片，在制动期间这两个制动片将盘14夹紧在它们之间。也就是说，摩擦盘18.1和18.2的外表面20.1和20.2在制动期间与制动片接触。因此，摩擦盘18.1和18.2的外表面20.1和20.2起到制动片和制动盘10之间的摩擦表面或摩擦界面的作用。摩擦盘18.1和18.2因此还被称为摩擦层。

盘14中的平均压应力从盘-片界面朝向该盘的轴向中心减小，即朝向通道16的位置减小。该应力的减小能够允许在盘14中心包含孔材料层22。在示出的实施例中，中心材料层22由位于中心通道16中的重量轻、高度多孔的蜂窝状结构22组成，使得其被夹在两个外部摩擦盘18.1和18.2之间。包含夹在两个外部摩擦表面18.1、18.2之间的多孔材料层22不仅导致重量的减轻，还提高了散热，因为该多孔材料层在制动时起到热传递装置的作用。关于此的更多内容将在以下说明。

在优选的实施例中，多孔层22的结构呈线框结构的形式。线框的定义应该被解释为包括由连接或相交于共同节点的伸长线构建的任何三维结构。图3和4中表明了线框结构的两个示例。图3的线框结构被称为X型晶格夹层结构30，而图4的线框结构被称为线织膨松金刚石(WBD)结构40。虽然可以使用很多其它形式的线框结构，但是在本说明书中只详细描述了X型晶格夹层结构30和WBD结构40。

参考图3，X型晶格夹层结构30由两组交错支柱(staggeredstruts)32形成，这两组交错支柱以金字塔34的形状布置，并且通过沿着多行偏置节点(offsetnode)36折叠展开的金属板，然后将该折叠结构(作为芯)与顶面板和底面板钎焊在一起而形成夹层结构来制造。应该相信，该结构适合在轻型载重车的盘式制动器中使用。

参考图4，WBD结构40是通过螺旋编织形成的金属线42制造而成的。螺旋线42沿六个方向被组装和编织，以形成具有类似金刚石晶胞的多层线织膨松金刚石结构。图4示出了由八面体或近似八面体晶胞组成的多层线织膨松金刚石结构的透视图。如给出其相较于X型晶格夹层结构30的相对密度、强度和刚度，可以相信的是，WBD结构40适合在重型载重车的盘式制动器中使用。

以下表1中示出了有关三个选定长细比的WBD结构40的性质。所有这三个示例的孔隙率水平都在90％以上。

表1：线织膨松金刚石结构的材料性质

基于上述线框结构的相对密度水平(大约90％以上)，可以看出与通风盘的传统热交换元件相比(该传统热交换元件通常具有大约50％的最大相对密度水平)，中心层22是高度多孔的。使用WBD结构40的抗压测试结果已经证明，对于很低的相对密度，多孔细胞状结构能够承受制动期间夹紧力所引起的高压应力。

除了减轻在制动盘通道16中使用的材料大约30％的重量之外(在轻型车辆的通风制动盘的情况下)，已经发现这个高度多孔中心层22能充当有效的热交换器。以下所详细讨论的实验结果表明，发生在中心层22内的三维的流动混合与在传统通风制动盘中大部分二维的流动混合不同。三维流动混合的优点是它将会导致径向和周向热量传播，这进而导致最小化的径向和周向温度梯度。

使用高度多孔中心层22的另一个优点是，通过线框结构的薄纽带而增加的局部热分散，导致整体的热传递增强了。较小的整体流阻导致该线框结构还允许更多冷却流、或以增加的质量流率进入通风盘通道16。

基于线框结构承受在制动期间强加在制动盘10上的压力和热负荷的能力，可以相信其成为在通风制动盘中使用的好的热传递装置。除其结构特性和热特性之外，当与传统盘式制动器相比时，线框结构还具有重量轻从而引起整体重量减轻的优点。

可以相信，由于制动期间降低的操作温度和最小化的局部热不均匀性，根据本发明的包括高度多孔层22的制动盘10会延长制动器寿命。而且，可以设想的是，较轻的制动盘将会减小燃料消耗。

实验结果

在实验测试中已经对根据本发明的制动盘10中的线框结构的使用的优点进行了全面研究。在实验中使用WBD结构形式的线框结构。

图5和6中示出了金属的(特别是低碳钢)WBD结构和其整合到通风制动盘中的情况。首先使用直径为d_WBD的钢线制造单层WBD结构。通过以螺距I_h一起扭转四根线使线形成为螺旋形状。之后，螺旋线被三维地组装以形成特定的拓扑结构(topology)。然后，该组件被喷涂铜浆(来自SCMMetalProducts,Inc的Cubond^TMgrade17LR)并且在H₂-N₂混合物的去氧气氛中以1120℃进行钎焊。作为钎焊的结果，钢线或纽带在它们的接触点处连接到彼此，与非钎焊的WBD结构相比，这可以显著地提高的热机械性能。在单层WBD结构被切割成环形之后，被夹在两个低碳钢摩擦盘之间且被钎焊到这两个低碳钢摩擦盘上(如图6所示)。

测试样本

具有大约32.3W/(mK)的热导率的由铸铁制成的商业的钉状翅片制动盘作为参考被测试。钉状翅片制动盘100包含四行夹在两个摩擦盘之间的钉状翅片102。中间两行的钉状翅片具有圆形横截面，而最里行和最外行的钉状翅片具有钝端(平端)(如图7所示)。总共设置有120个钉状翅片，每行30个。这些钉状翅片占据通风通道总体积的大约30％，通风通道具有大约0.7的孔隙率水平。钉状翅片阵列的表面积密度被计算为约81m²/m³。对于静止测试，为了进行端壁热传递测量而移除内侧摩擦盘。测试期间使用的钉状翅片制动盘的详细尺寸在下面的表2中进行汇总。

参数	数值	参数	数值
				dp	12.5	Ri	93.0
Hh1	56.5	Ro	168.0
				Hh2	68.5	Rp1	96.0
Hp	12.0	Rp2	121.5
				Lp	13.5/16.0	Rp3	139.0
rp1	5.0/6.0	Rp4	163.5
				rp2	3.0/3.0	tr	11.0
Rh1	73.0	Wp	10.0/12.0
				Rh2	82.0

表2：钉状翅片制动盘的详细尺寸(全部以毫米为单位)

制造两个单独的WBD制动盘10。首先，使用冷轧低碳钢丝(SAE1006B)来制造直径d_WBD＝1.5mm的环形WBD结构。一个WBD结构被钎焊到两个低碳钢摩擦盘上以用于旋转测试，而第二结构则被钎焊到一个低碳钢摩擦盘上以用于静止测试。用于摩擦盘的低碳钢(SAE1006)具有大约64.9W/(mK)的热导率。WBD结构的晶胞由两类纽带组成：长度为9.5mm(＝0.5l_h)的纽带I以及长度为19mm(＝l_h)的纽带II。晶胞的整体尺寸被测量为：L_WBD＝13.0mm，W_WBD＝13.0mm以及H_WBD＝14.0mm。因此，现在的WBD结构的孔隙率水平以及表面积密度分别被计算为大约0.9以及大约300m²/m³，以上计算使用以下公式：

$\mathrm{\ϵ}=1-\frac{2\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{WBD}}^2{l}_h}{L_{\mathrm{WBD}}{W}_{\mathrm{WBD}}{H}_{\mathrm{WBD}}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SA}}=\frac{8\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{WBD}}{l}_h}{L_{\mathrm{WBD}}{W}_{\mathrm{WBD}}{H}_{\mathrm{WBD}}}---\left(2\right)$

其中ε和ρ_SA分别是WBD结构的孔隙率和表面积密度。WBD结构的等效屈服强度、最大强度以及杨氏模量分别被测量为3.2MPa，4.8MPa和1.08GPa。WBD制动盘的其它尺寸与钉状翅片制动盘的相等。

测试

进行了三个不同类型的测试。第一测试是静止测试，特点是压降和局部端壁热传递。第二测试是旋转测试，研究瞬态和稳态的冷却性能，而第三测试也是旋转测试，研究稳态热流体的特性和冷却流量(coolingflowrate)。

结果的讨论

入口流动模式

当制动盘旋转时，冷却流被吸取并进入两个摩擦盘之间形成的通风通道。为了理解制动盘入口处的流动模式，通过悬浮氦气泡(neutrallybuoyantheliumbubble)使入口流动模式形象化且结果在图8中示出。氦气泡由放置在通风制动盘上游的旋转轴线上的发生器释放。

制动盘的旋转产生了通风通道中的离心力，该离心力起初使流体向外流动，降低通风通道入口处的静压。因此，发生周围空气吸入到通道中(由图8中的路径线A和B示出)。离心力将空气连续地驱动到通风通道之外。以相似的方式，靠近摩擦盘的外表面的周围空气还被离心力径向向外驱动(如路径线C所指示的)。摩擦盘的通风通道内侧的流动和越过摩擦盘的外表面的流动有助于制动盘的冷却。

瞬态和稳态冷却性能

为了描绘制动盘的冷却性能的特征，模拟40km/h的车速(即200rpm)、2％坡度连续下坡制动来进行制动测试。模拟的制动功率是1.9kW，相当于空载中型卡车的标准车轮载重(900kg)。图9是将在选定的时间区间、由预校准的红外线摄像机为每个制动盘拍摄的钉状翅片制动盘和WBD制动盘的表面温度分布进行定性地比较。摩擦盘(外侧)上的表面温度的平稳周向分布表明制动片和制动盘之间的良好接触。总的来说，WBD制动盘的表面温度比钉状翅片制动盘的表面温度低，这表明WBD结构提供了在通风通道中更好的冷却。为了量化摩擦盘上的表面温度如何随时间变化，来自一系列红外线热像(包括图9中那些)的面积平均的表面温度(图9中表明的区域(I))被获取，且图10中绘示了结果。当制动开始时，两种制动盘的表面温度都大幅增加，但其比率逐渐降低，最后在t＝4300s之后达到稳态值。应注意到，球墨铸铁(用于钉状翅片制动盘)具有与低碳钢(用于WBD制动盘)相似的密度和特定的热量。在稳态状态(regime)中，例如t>4300s，WBD制动盘显示了比钉状翅片制动盘明显较低的表面温度，大约比钉状翅片制动盘的表面温度低24.0％。

接下来考虑两种制动盘上表面温度的径向变化。图11显示了从图9中的虚线(表示为(II))获取的径向表面温度曲线。对于两种制动盘，首先表面温度增加，达到大致为r/R₀＝0.8的最高点，然后以r/R₀递减。这表明了较好的冷却靠近于制动轮毂，其归因于以下事实：由于摩擦发热所产生的热量被传导到作为额外的延伸表面的实体轮毂。接近最外侧摩擦盘的表面温度略有降低，这是由摩擦表面上的较高局部传热系数导致的，该系数是由来自在较大半径处的较强离心力的较高剪切应力所引发的。在r/R₀>0.68时，WBD制动盘具有低得多的表面温度。例如，在r/R₀＝0.8时表面温度低大约90℃。

稳态热传递特性

已经比较了具有钉状翅片结构的商业通风制动盘以及具有多孔WBD结构的制动盘两者的整体冷却情况，现在模拟处于40kW/h(即200rpm)车速和1.9kW的制动力的2％坡度的连续下坡制动。这对冷却性能如何受到操作条件，比如车速(或制动盘的旋转速度)的影响具有重要的实际意义。为了这个目的，描绘了在100rpm至1000rpm旋转速度的广阔范围中的稳态整体热传递。

图12显示了由红外线摄像机在1000rpm处所拍摄的这两种制动盘上典型的盘表面温度。结果证明，在稳态条件下，WBD制动盘具有比钉状翅片制动盘明显更低的表面温度，这与制动测试结果一致。基于图12中表明的区域上的平均表面温度来计算对流的热传递(以努塞尔数(Nusseltnumber)的形式)。对于从100rpm至1000rpm的旋转速度的范围，努塞尔数与旋转雷诺数(Reynoldsnumber)的函数相关联：

${\mathrm{Nu}}_{\mathrm{Ro}}={\mathrm{CRe}}_{\mathrm{Ro}}^n---\left(3\right)$

其中对于钉状翅片，C＝0.8609以及n＝0.5836；而对于WBD制动盘，C＝0.5776以及n＝0.6431。这两种制动盘的努塞尔数均随着旋转雷诺数单调增加。WBD制动盘优于钉状翅片制动盘，提供多出大约16％(处于100rpm)至大约36％(处于1000rpm)的热量排除。当处于200rpm时，WBD结构示出为比钉状翅片所实现的要多排除约27％热量，这恰好与图10中所观察到的24％的摩擦盘温度减少量相吻合。

WBD结构具有比钉状翅片阵列(大约81m²/m³)大很多的表面积密度(大约300m²/m³)，这部分地有助于在WBD制动盘中所观察到的整体热传递的显著增强。

热均匀性

在制动盘表面上最小化热梯度或最大化热均匀性已经是重要的设计参数之一。使用红外线摄像机绘制在静止的通风通道的内部端壁表面上详细的局部温度分布。

图13示出了带有钉状翅片结构的通风通道的局部温度分布图像。高度不均匀的温度分布是明显的。由于传导到钉状翅片，每个钉状翅片上或者其附近区域的局部端壁温度比其它区域更低。另一方面，WBD结构的顶点要小得多并且广泛地展开，然而在每个顶点上或顶点附近，局部端壁温度比其它相似于钉状翅片盘的区域低(图14)。因此，WBD结构提供了沿径向和周向的更均匀的热分布。

图15和图16定量地示出了WBD结构能够实现的比钉状翅片结构更均匀的温度分布，其中局部温度数据是从图13和图14获取的，沿着III(a)获取方位角曲线以及沿着III(b)获取径向曲线。对于方位角(图15)，WBD结构在局部端壁温度的大小和频率方面呈现出较小波动。引人注意的是，多个区域间的端壁温度差是微小的，其中WBD结构构造出最开放的流动路径(即θ＝0°)以及最闭合的流动路径(即θ＝25°)。对于径向(图16)，局部温度有朝向钉状翅片盘外表面少量增加的趋势(由于当冷却流减速时较小的局部雷诺数)，然而从WBD盘可以得到更均匀状(uniform-like)的径向分布。

基于WBD结构的形态，期望高度空气动力学各向异性。图17示出了在覆盖方位角θ＝0°到45°的WBD盘的出口处测量的速度曲线，其中径向速度(U₀)被平均出口速度U_out标准化。出口速度高度不均匀，表明重大的空气动力学各向异性。进入通风通道的冷却流可以是均匀的，但根据通道内部介质的形态所形成的流阻(或堵塞)而重新分配。借助WBD结构，冷却流在θ＝0°处遭遇最小的流动堵塞，这提供了优选的流动路径，而在θ＝22.5°处存在最大的堵塞，降低了该流动路径中的冷却流量。应注意到，相较于WBD制动盘，钉状翅片的空气动力学各向异性是可以忽略的(图17)。虽然存在这样强的空气动力学各向异性，但WBD盘上的端壁热传递分布仍然是高度均匀的。这被认为是沿着较开放的流动路径对流的冷却流具有较高的动量。这表明了增加的局部雷诺数，其导致更多的热量排除。另一方面，具有沿着最闭合流动路径对流的最少动量的冷却流经历由WBD纽带促进的高水平流动混合，这排除了热量。这两种不同机构的结合提供了所观察到的均匀状的端壁热传递(或温度)分布。这样的热流特性被认为在旋转环境下是可适用的，这是由在WBD结构形态上的对流和热传递的强相关性导致的。而且，图13至图16中的端壁热分布还暗示了在WBD盘表面上较小的局部温度梯度使热应力最小化。

借助WBD结构的热传递增强

压降和吸入能力

在通风制动盘中，当制动盘旋转时，在强制对流中从散热元件排除热量的冷却流被离心力所吸取。为了将更多的冷却流吸取到通风通道中，需要穿过芯结构的低压降。已经在质量流率的宽范围中测量了穿过静止钉状翅片制动盘和WBD制动盘的压降。图18示出了在通风通道入口处随冷却流速度变化的穿过每个结构的压降。要考虑在整个速度范围内来自WBD结构的比钉状翅片结构更高的压降以及以该冷却流速度的压降的单调增加。由于通风通道是沿r轴发散的，存在与不可逆的压力损失相反的压力恢复。因此，已测量的压降包含可逆的与不可逆的压力分量。

为了通过该结构获得真实压力损失，可逆的压力恢复被估算为：

${\mathrm{\Δp}}_r=\frac{{\mathrm{\ρU}}_{\mathrm{in}}^2}{2}[{\left(\frac{R_i}{R_{\mathrm{in}}}\right)}^2-{\left(\frac{R_i}{R_{\mathrm{out}}}\right)}^2]---\left(4\right)$

其中，R_in和R_out分别是在通风通道入口和出口处的两个测压处(pressuretapping)的径向位置。应该指出的是，对于两种制动盘，如果假设插入的芯结构占据通道中的相同体积，那么压力恢复有助于依据所测量的压降的系统偏差而达到所测量的压降。两种制动盘具有不同的孔隙率，即在通风通道中钉状翅片多占据大约20％的体积，但是为了简化而忽略其不同。可逆压力恢复构成所测量的压降的大约20％，这有利于减少压力损失。

测量的压力数据以无维度的形式被再次绘示为图19中的摩擦因子。其包括经过线织膨松Kagome(WBK)结构的层流的摩擦因子以进行对比，其中WBK结构具有与WBD结构相似的拓扑结构和孔隙率。基于雷诺数范围以及来自WBK结构的可辨别的斜率，可以看出经过WBD制动盘的冷却流在湍流状态内，因此，型阻(formdrag，形状阻力)控制压力损失。

在所考虑的雷诺数整个范围内，经过WBD结构的压降大约比经过钉状翅片结构的压降高15％至30％。应注意到，钉状翅片占据通风通道总体积的大约30％，而WBD结构占有该总体积的大约10％。总之，为了给定的冷却流量，WBD制动盘引起比钉状翅片制动盘更多的压降，即使WBD制动盘所具有的占据流动通道的材料比钉状翅片制动盘少大约20％。这个高压降是由WBD结构形态所构造的高度扭曲的流动路径促成的较强流动混合导致的。

可以推断出，WBD结构中较高的压降阻碍了冷却流的吸入，除非WBD结构产生更强的离心力以用于制动盘的给定旋转速度。图20描绘了所测量的冷却流的质量流率，其随着两种制动盘的旋转速度而改变。令人惊讶的是，两种制动盘吸取几乎相同数量的冷却流，遵循冷却剂质量流率和旋转速度之间相同的线性相关。因此，可以推断出，对于固定旋转速度的相同的结果冷却剂质量流率表明，具有少大约20％的材料的WBD结构能够产生较强的离心力，该离心力克服由WBD结构所引起的较高压降并随后使该压降平衡。

大量研究显示，由于很强的科里奥利力，布置在通风通道中的“交错的”钉状翅片阵列(从静止点来看)充当旋转环境中“内联的(inline)”钉状翅片阵列。通常，交错的阵列引起比内联阵列更高的压降，大约比在圆形钉状翅片阵列中高约40％。因此，在旋转条件中由WBD结构产生的离心力可能比静止条件中所观察到的更强。另一方面，由于WBD结构的高度复杂的、三维的性质，静止条件和旋转条件之间的压降差可能并不大。

死流动区域(deadflowregions)的抑制

通风通道中交错的钉状翅片阵列(从静止点来看)充当旋转条件下“内联的”钉状翅片阵列。大的分流区域和回流区域存在于每个厚的钉状翅片后面。这些不利区域被彼此孤立而几乎没有相互作用。然而，在WBD制动盘中，每个薄纽带后面的尾随流区都很窄。由WBD结构的三维形态促进的流动混合可以引起这些尾随流区之间的强相互作用，这有助于更新尾随流区中的液体，导致在WBD制动盘中所观察到的整体和局部对流热传递的增强。

材料热导率

在WBD制动盘的制造中使用的低碳钢具有大约64.9W/(mK)的热导率，而在钉状翅片制动盘中使用的球墨铸铁具有32.3W/(mK)的较低的热导率。为了确保所观察到的WBD结构的较好冷却性能不归因于其较高的热导率，对于钉状翅片制动盘，通过软件包ANSYSCFX14.5对三维共轭流动(conjugateflow)和热传递进行数值模拟，为了简洁，这里不进行详细表述。经过深入的实验验证之后发现，制动盘材料(至少对于两个选定值，即低碳钢和铸铁)的热导率对于确定通风制动盘中局部和整体热传递不起作用，该通风制动盘在最大旋转速度下的偏差小于2.5％。

从上述实验结果可以作出如下结论：

i)在连续下坡制动期间，通过WBD结构实现了摩擦盘表面温度显著减小(大约24％)。

ii)在稳态制动中，WBD结构提供了比钉状翅片制动盘高16％-36％的整体冷却性能，并且对应的旋转速度范围是从100rpm到1000rpm。

iii)WBD结构的三维构造的薄纽带导致方位角和径向更均匀的热传递。

iv)尽管高度多孔的WBD结构引起比钉状翅片结构更高的压降，但WBD较强的吸入能力引起对于给定的制动盘旋转速度的相等结果的冷却剂流量。

v)较强的流动混合与WBD结构的扩大的热传递面积一同对热传递的增强做贡献。

Claims (11)

1.一种机械摩擦设备，所述机械摩擦设备包括夹在两个外部的摩擦层之间的中心层，所述中心层具有比所述两个外部的摩擦层更高的孔隙率水平，其中所述外部的摩擦层处于在其之间限定通风通道的盘的形式，并且其中所述中心层处于由位于所述通风通道中的线框结构制成的环形芯的形式，以充当热传递装置将热量传递离开所述外部的摩擦层的摩擦表面。

2.根据权利要求1所述的机械摩擦设备，其中所述线框结构是X型晶格夹层结构或线织膨松金刚石结构。

3.根据权利要求1或2所述的机械摩擦设备，其中所述中心层具有至少40％的孔隙率水平。

4.根据权利要求3所述的机械摩擦设备，其中所述中心层具有大约90％的孔隙率水平。

5.根据权利要求1所述的机械摩擦设备，其中所述中心层由钢制成。

6.根据权利要求1所述的机械摩擦设备，其中所述两个外部的摩擦层由钢或铸铁制成。

7.根据权利要求1所述的机械摩擦设备，其中所述摩擦设备是制动盘或离合器盘。

8.一种环形线框芯作为散热装置的应用，所述散热装置位于机械摩擦设备的两个外部的摩擦层之间的通风通道中，以便将热量传递离开所述外部的摩擦层的摩擦表面。

9.根据权利要求8所述的应用，其中所述线框芯是X型晶格夹层结构或线织膨松金刚石结构。

10.根据权利要求8或9所述的应用，其中所述线框芯被夹在所述两个外部的摩擦层之间，所述摩擦层具有比所述线框芯更低的孔隙率水平。

11.根据权利要求8所述的应用，其中所述摩擦设备是制动盘或离合器盘。