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商用車:ブレーキ冷却

ブレーキのオーバーヒートを防ぐ


ブレーキシステムはあらゆる車両にとって重要なパートであり、故障が発生すれば乗員に危険が及びます。ブレーキ性能は、過酷な条件下での広範なテストにより保証されなければなりません。ブレーキング効率を低減、さらにはシステムの故障を招くディスクのオーバーヒートを防ぐために、ブレーキシステムの設計には高度な最適化が求められます。対流を介したブレーキディスクの空力冷却は、ブレーキの動作温度を許容範囲内に維持する重要なメカニズムです。ブレーキのエアダクトのような冷却装置を追加することで、ディスクに対する冷却流れを増加することができますが、それは同時に車両重量と空力抵抗も増加し、製造および商品コストが上昇します。さらに、標準的な負荷サイクルでの性能予測を求める規制により、ブレーキの動作は益々制御されています。メーカーは、過度に複雑な設計や後段階での設計変更を防ぎ、コストのかかる実験を最少またはゼロにするために、開発の初期段階でブレーキ性能を正確に予測できなければなりません。

技術課題


ブレーキシステムの性能を正確にテストするためには、従来、プロトタイプの作成を伴う大規模なロードテストや風洞テストの実施が必須でした。このようなテストでは、ブレーキディスクは1回または複数回のブレーキサイクルを通じてブレーキをかけることで高温に熱せられます。そして、その後に続く冷却時間を計測します。最大温度が許容範囲を超える場合、または冷却効率が十分でない場合には、空力上の設計変更が冷却性能を高めるための主な選択肢となります。この種のテストは、プロトタイプが完成する設計の後段階まで実施することができません。設計の初期段階においては、テストベンチでのブレーキディスクのテストを行うことはできますが、これは実際の車両の状態とは異なります。ブレーキシステムは、床下、ボンネット下の流れ、タイヤの回転との相互作用により、非常に複雑な乱流が発生する環境で動作します。ブレーキシステムの形状を調整し評価するためには、この複雑な流れの詳細を視覚化し理解することが不可欠ですが、実験でこの現象を再現することは事実上不可能です。したがって、ブレーキ冷却は、設計サイクルの初期段階で、シミュレーションツールを使用して解析する必要があります。

ブレーキディスクは急速に高温になり、その温度は伝導、輻射、対流による冷却の複雑な相互作用が反映されたものです。シミュレーションでは、この相互作用を正確に予測し、使いやすい形で提示できなければなりません。さらに、極めて重要な冷却は、多くの流体シミュレーションツールで取扱うことができるタイムスケールより長く、本質的に非定常な現象です。

ソリューション


弊社は、過酷なテスト条件におけるブレーキの熱性能を、設計の初期段階で正確に予測可能なソリューションを提供しております。PowerFLOW独自の本質的に非定常な格子ボルツマンに基づく物理特性により、極めて複雑な形状でも、実世界の非定常現象を正確に予測するシミュレーションが可能になります。PowerFLOWと完全に連成するPowerTHERMは、高精度で非定常の、伝導および輻射ソルバーです。PowerFLOWとPowerTHERMを組み合わせることで、3つの熱伝達モードを含む完全な熱解析による温度の正確な予測を行い、ブレーキシステムの流れと温度場を視覚化することができます。これにより、問題のある領域を特定するだけでなく、問題解決のための設計上の提案が可能になります。またモデルの設定、シミュレーション、可視化、設計変更のターンアラウンドタイムが迅速化されることで、ベースラインに対する設計変更をすばやく行い、ブレーキ性能の改善を評価できるようになります。

PowerTHERMは、分単位または時間単位という、比較的長い時間での解析が可能です。またスタンドアロンによる使用では、追加のサーマル・アイソレーションの評価など、設計イタレーションを素早く行うことができます。ブレーキ冷却シミュレーションの詳細なベストプラクティスも用意されています。


画像:シミュレーション手法によって設計改良が可能な部品。グラフ:冷却時のブレーキディスク温度の測定値と予測値の比較

 

弊社のブレーキ冷却ソリューションでは、以下のシミュレーションが可能です。

  • 設計の初期段階で、複数のブレーキサイクルにおけるブレーキディスクの温度上昇と冷却効率を正確に予測する。
  • コストのかかるブレーキ冷却テストやプロトタイプの作成を最少またはゼロにする。
  • 合理的な形状変更によって設計を効率的に最適化し、、空力抵抗や製造および商品コストを増加させる過度に複雑な設計や不要な計測を防ぐ。
  • 車両の多様な運転条件とブレーキサイクルに対応して迅速に設計を行う。

     

EXA SOFTWARE USED FOR THIS APPLICATION

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Simulation: 
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