孫畢，李孝祿

(中國計量學院機電工程學院，浙江杭州310018)

現(xiàn)代汽車朝著安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保的趨勢迅猛發(fā)展，汽車的安全性也越來越受到更多的重視，越來越多的汽車安全技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代汽車上，其中，作為一種重要的汽車主動安全裝置，汽車ABS得到了世界各汽車大國的關(guān)注，紛紛出臺了相關(guān)的法律法規(guī)來進一步確保ABS的推廣與應(yīng)用［1］。

當前應(yīng)用比較廣泛的液壓ABS通過制動液在制動系統(tǒng)內(nèi)部的流動來進行制動壓力的傳遞，達到防止車輪抱死的目的。汽車制動時，制動液的性能是影響ABS的制動性能和瞬態(tài)壓力的重要因素［2］，制動過程中產(chǎn)生的巨大熱量和制動液本身的特性會導(dǎo)致制動系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生氣液兩相流現(xiàn)象，影響制動性能［3－5］。J E HUNTER等［6］對美國華盛頓州的交通事故原因的調(diào)查表明:在發(fā)生交通事故的總共254 056輛汽車當中，1 469輛車的事故原因是因為ABS系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生氣液兩相流現(xiàn)象，產(chǎn)生氣阻，最終導(dǎo)致汽車制動無效。汽車ABS氣液兩相流是一個普遍存在于液壓ABS系統(tǒng)內(nèi)部的流動現(xiàn)象，其對汽車安全非常重要。然而，目前ABS相關(guān)的研究重點在于ABS控制算法與結(jié)構(gòu)設(shè)計等，較少涉及到汽車ABS系統(tǒng)內(nèi)部的氣液兩相流現(xiàn)象。文中運用Fluent對制動系統(tǒng)內(nèi)部兩相流動進行仿真，進一步揭示系統(tǒng)內(nèi)部的流場分布。

1 制動系統(tǒng)模型建立

1.1 盤式制動器結(jié)構(gòu)與原理

制動器是制動系統(tǒng)中用以產(chǎn)生阻礙車輛運動或運動趨勢的力的部件，氣液兩相流直接影響內(nèi)部的流場分布，文中取目前應(yīng)用廣泛的浮鉗盤式制動器為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 浮鉗盤式制動器結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1所示，制動鉗支架7固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上，制動鉗體2可沿導(dǎo)向銷8相對于制動鉗支架7軸向滑動，活塞4位于活塞缸5內(nèi)部，活塞缸5內(nèi)部充滿制動液。汽車進行制動時，活塞缸5內(nèi)部的制動液將制動主缸產(chǎn)生的制動壓力施加到活塞4上，活動制動襯塊3被制動鉗體2推向制動盤6，與此同時，作用在制動鉗體2上的反向液壓力推動制動鉗體2沿導(dǎo)向銷8向右移動，使固定在制動鉗體2上的固定制動襯塊1壓到制動盤6上。于是，制動盤兩側(cè)的制動襯塊在兩側(cè)壓力的作用下夾緊制動盤，在制動盤上產(chǎn)生與運動方向相反的制動力矩，促使汽車制動。

雖然制動系統(tǒng)具有較好的密封性，制動液中仍然不可避免地存在大量極微小的氣泡，導(dǎo)致制動液抗壓強度降低，當液體壓力降低到飽和蒸汽壓時，氣泡便膨脹長大，系統(tǒng)內(nèi)部含氣型氣穴 (Gaseous Cavitation)是由于溶解氣體的擴散或加熱、減壓而形成的氣穴，其發(fā)育的速度很緩慢［7］;而制動液具有很好的吸水特性，使用一定時間后制動液中會含有一定的液態(tài)水，造成制動液沸點降低，極易導(dǎo)致制動液和液態(tài)水液化成為蒸氣，在系統(tǒng)內(nèi)部形成含汽型氣穴 (Vaporous Cavitation)，含汽型氣穴是由于液體汽化而形成的氣穴，其發(fā)育將是“爆發(fā)性”的［8］。

制動過程中，ABS通過增壓－保壓－減壓的不斷循環(huán)來對制動壓力進行精細調(diào)節(jié)，達到防止車輪抱死的目的。制動器的發(fā)熱部位集中在很窄的制動襯塊上，在制動系統(tǒng)中容易產(chǎn)生氣液兩相流現(xiàn)象，制動壓力壓縮的是氣體和液體的混合物，影響施加在活塞上的制動壓力，造成制動遲緩甚至失靈，嚴重影響汽車的行駛，危害乘客的人身安全。

1.2 盤式制動器Fluent計算模型

圖2 浮鉗盤式制動器FLUENT計算模型

活塞缸和制動管路內(nèi)部流場直接影響制動性能，因此，為進一步深入分析制動系統(tǒng)內(nèi)部的流動情況，選取活塞、活塞缸及其連接的一段制動管路作為研究對象，運用計算流體力學軟件Fluent對系統(tǒng)內(nèi)部流場進行二維模擬仿真計算，由于制動襯塊與制動盤表面間隙很小，單側(cè)間隙一般為0.05～0.15 mm，且制動壓力的傳遞是一個非常迅速的過程，因此，汽車制動與不制動情況下，制動壓力實際引起制動鉗體和活塞的運動非常小，制動力解除時，活塞和制動鉗體松弛到松開位置。因此假設(shè)制動過程中制動鉗體和活塞保持靜止，計算過程中忽略熱交換，且不計流動過程中的能量損失，所建立二維模型如圖2所示，圖中單位為mm。

1.3 材料參數(shù)設(shè)置

忽略壓力和溫度的變化對材料屬性的影響，調(diào)用Fluent自帶的數(shù)據(jù)庫中材料的物性參數(shù)，其中，空氣密度 ρg=1.225 kg/m3，黏度μg=1.759 4 ×10－5Pa·s，水的密度為 ρl=998.2 kg/m3，黏度 μl=0.001 003 Pa·s。由于Fluent自帶數(shù)據(jù)庫中沒有制動液 DOT4的物性參數(shù)，經(jīng)查閱相關(guān)資料，在Fluent中創(chuàng)建材料制動液DOT4，其參數(shù)為密度ρ=1.075×103kg/m3，黏度μ=1.935 Pa·s。制動管路端和活塞端的壓力分別設(shè)置為壓力進口與壓力出口的計算邊界條件，溫度為300 K，分別設(shè)置制動系統(tǒng)內(nèi)部為單相制動液、制動液與空氣、制動液與水。

1.4 制動壓力邊界條件

所選取的一個周期制動壓力邊界條件如圖3所示，利用profile文件寫入Fluent中。制動系統(tǒng)內(nèi)部制動液流動為湍流流動，在數(shù)值仿真中，湍流模型為采用時均形式的微分方程［9－11］。由于制動壓力是循環(huán)變化的，因此選用非穩(wěn)態(tài)求解器進行求解，得出多個制動周期下制動壓力的分布，以及流體各相在制動系統(tǒng)中的分布情況。

圖3 制動壓力邊界條件

2 仿真結(jié)果與分析

常溫下，模擬單相制動液和制動液中初始空氣體積分數(shù)分別為1%、3%、5%時制動過程中的流場分布，模擬時間為t=180 s時系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布如圖4—7所示，根據(jù)所選邊界條件，圖中制動壓力為相對壓力，單位為Pa。

圖4 單相制動液時系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

圖5 初始空氣體積分數(shù)1%時系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

圖6 初始空氣體積分數(shù)3%時系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

圖7 初始空氣體積分數(shù)5%時系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

由圖4可以看出:當制動系統(tǒng)內(nèi)部為單相制動液流動時，制動壓力分布均勻，此時處于制動壓力減壓階段末期，因此制動壓力分布區(qū)域為低壓區(qū)，制動正常。而當制動系統(tǒng)內(nèi)部流動的為制動液和空氣的混合物時，由于制動液中空氣的影響，本應(yīng)為低壓區(qū)域的位置出現(xiàn)相對較高的壓力，在實際制動過程中，當ABS電控單元發(fā)出指令需要制動壓力降低時，由于空氣的存在，壓力響應(yīng)出現(xiàn)之后，減壓階段時間變長，制動壓力仍處于較高階段，較大的制動壓力可能會直接導(dǎo)致車輪抱死;同一時刻下，制動液中空氣體積分數(shù)越大，低壓區(qū)域分布越小，這是因為兩相流中制動液和空氣兩相介質(zhì)相互摻混，導(dǎo)致混合介質(zhì)的可壓縮性遠大于單相流體，制動壓力波傳播速度降低。相關(guān)研究表明:含氣率的增加會導(dǎo)致壓力波傳播速度減緩［12－13］;而蔣丹等人［14］的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著液壓油中初始氣泡體積的增大，壓力響應(yīng)出現(xiàn)一定的滯后，氣泡對液壓管路壓力的變化存在抑制作用。從上述各圖可以看出:空氣體積分數(shù)越大，制動壓力的傳遞越緩慢，仿真結(jié)果與相關(guān)文獻研究結(jié)果相符。

當制動液中空氣和水的初始體積分數(shù)相同 ，t=60 s時，制動系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布如圖8—9所示。

圖8 初始水體積分數(shù)為5%時系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

圖9 初始空氣體積分數(shù)5%時系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

從圖4、圖8和圖9可以看出:制動液中水的存在對制動壓力的影響可以忽略不計，空氣對制動壓力分布的影響比水大，這是因為常溫下水以液態(tài)形式存在于制動液中，兩相流體仍是不可壓縮的，其對制動壓力傳播速度產(chǎn)生的影響可以忽略。

當空氣初始體積分數(shù)為5%，t=60 s和t=180 s時，系統(tǒng)內(nèi)部空氣體積分數(shù)分布如圖10—11所示?？梢钥闯?當制動液中初始空氣體積分數(shù)相同時，t=60 s時比t=180 s時制動系統(tǒng)內(nèi)部低壓區(qū)域分布少，這是因為隨著制動過程的不斷進行，制動液在制動系統(tǒng)內(nèi)部的流動更加充分，制動壓力能夠較為充分地進行傳遞。

圖10 t=60 s時系統(tǒng)內(nèi)部空氣體積分數(shù)

圖11 t=180 s時系統(tǒng)內(nèi)部空氣體積分數(shù)

3 結(jié)論

運用Fluent對汽車ABS系統(tǒng)內(nèi)部流動進行仿真與分析，得到制動過程中ABS系統(tǒng)內(nèi)部壓力場分布。當制動液中出現(xiàn)氣液兩相流時，制動壓力的大小和傳播與正常制動時相比差異明顯，且空氣體積分數(shù)越大，壓力變化越緩慢;常溫下制動液中水的含量對流場分布影響很小，當制動系統(tǒng)空氣初始體積分數(shù)相同時，隨著制動過程的不斷進行，制動系統(tǒng)壓力分布狀態(tài)出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

初步研究了制動系統(tǒng)內(nèi)部流場，然而還有許多問題有待研究和探索，如制動過程中溫度的變化對氣液兩相流動的影響、氣液兩相流流型、制動系統(tǒng)內(nèi)部氣泡的產(chǎn)生和破滅以及氣穴現(xiàn)象等。

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