汽車ABS系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)仿真與分析

孫畢，李孝祿

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)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(shì)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(dòng)安全裝置，汽車ABS得到了世界各汽車大國(guó)的關(guān)注，紛紛出臺(tái)了相關(guān)的法律法規(guī)來進(jìn)一步確保ABS的推廣與應(yīng)用［1］。

當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的液壓ABS通過制動(dòng)液在制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)來進(jìn)行制動(dòng)壓力的傳遞，達(dá)到防止車輪抱死的目的。汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)液的性能是影響ABS的制動(dòng)性能和瞬態(tài)壓力的重要因素［2］，制動(dòng)過程中產(chǎn)生的巨大熱量和制動(dòng)液本身的特性會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生氣液兩相流現(xiàn)象，影響制動(dòng)性能［3－5］。J E HUNTER等［6］對(duì)美國(guó)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(dāng)中，1 469輛車的事故原因是因?yàn)锳BS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(dòng)無(wú)效。汽車ABS氣液兩相流是一個(gè)普遍存在于液壓ABS系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象，其對(duì)汽車安全非常重要。然而，目前ABS相關(guān)的研究重點(diǎn)在于ABS控制算法與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)用Fluent對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)進(jìn)行仿真，進(jìn)一步揭示系統(tǒng)內(nèi)部的流場(chǎng)分布。

1 制動(dòng)系統(tǒng)模型建立

1.1 盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)與原理

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

圖1 浮鉗盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理圖

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

雖然制動(dòng)系統(tǒng)具有較好的密封性，制動(dòng)液中仍然不可避免地存在大量極微小的氣泡，導(dǎo)致制動(dòng)液抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)液體壓力降低到飽和蒸汽壓時(shí)，氣泡便膨脹長(zhǎng)大，系統(tǒng)內(nèi)部含氣型氣穴 (Gaseous Cavitation)是由于溶解氣體的擴(kuò)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(dòng)液具有很好的吸水特性，使用一定時(shí)間后制動(dòng)液中會(huì)含有一定的液態(tài)水，造成制動(dòng)液沸點(diǎn)降低，極易導(dǎo)致制動(dòng)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(dòng)過程中，ABS通過增壓－保壓－減壓的不斷循環(huán)來對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，達(dá)到防止車輪抱死的目的。制動(dòng)器的發(fā)熱部位集中在很窄的制動(dòng)襯塊上，在制動(dòng)系統(tǒng)中容易產(chǎn)生氣液兩相流現(xiàn)象，制動(dòng)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(dòng)壓力，造成制動(dòng)遲緩甚至失靈，嚴(yán)重影響汽車的行駛，危害乘客的人身安全。

1.2 盤式制動(dòng)器Fluent計(jì)算模型

圖2 浮鉗盤式制動(dòng)器FLUENT計(jì)算模型

活塞缸和制動(dòng)管路內(nèi)部流場(chǎng)直接影響制動(dòng)性能，因此，為進(jìn)一步深入分析制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)情況，選取活塞、活塞缸及其連接的一段制動(dòng)管路作為研究對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行二維模擬仿真計(jì)算，由于制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤表面間隙很小，單側(cè)間隙一般為0.05～0.15 mm，且制動(dòng)壓力的傳遞是一個(gè)非常迅速的過程，因此，汽車制動(dòng)與不制動(dòng)情況下，制動(dòng)壓力實(shí)際引起制動(dòng)鉗體和活塞的運(yùn)動(dòng)非常小，制動(dòng)力解除時(shí)，活塞和制動(dòng)鉗體松弛到松開位置。因此假設(shè)制動(dòng)過程中制動(dòng)鉗體和活塞保持靜止，計(jì)算過程中忽略熱交換，且不計(jì)流動(dòng)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(duì)材料屬性的影響，調(diào)用Fluent自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中沒有制動(dòng)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(dòng)液DOT4，其參數(shù)為密度ρ=1.075×103kg/m3，黏度μ=1.935 Pa·s。制動(dòng)管路端和活塞端的壓力分別設(shè)置為壓力進(jìn)口與壓力出口的計(jì)算邊界條件，溫度為300 K，分別設(shè)置制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部為單相制動(dòng)液、制動(dòng)液與空氣、制動(dòng)液與水。

1.4 制動(dòng)壓力邊界條件

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

圖3 制動(dòng)壓力邊界條件

2 仿真結(jié)果與分析

常溫下，模擬單相制動(dòng)液和制動(dòng)液中初始空氣體積分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%時(shí)制動(dòng)過程中的流場(chǎng)分布，模擬時(shí)間為t=180 s時(shí)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(dòng)壓力為相對(duì)壓力，單位為Pa。

圖4 單相制動(dòng)液時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

圖5 初始空氣體積分?jǐn)?shù)1%時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

圖6 初始空氣體積分?jǐn)?shù)3%時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

圖7 初始空氣體積分?jǐn)?shù)5%時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

由圖4可以看出:當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部為單相制動(dòng)液流動(dòng)時(shí)，制動(dòng)壓力分布均勻，此時(shí)處于制動(dòng)壓力減壓階段末期，因此制動(dòng)壓力分布區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)，制動(dòng)正常。而當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)的為制動(dòng)液和空氣的混合物時(shí)，由于制動(dòng)液中空氣的影響，本應(yīng)為低壓區(qū)域的位置出現(xiàn)相對(duì)較高的壓力，在實(shí)際制動(dòng)過程中，當(dāng)ABS電控單元發(fā)出指令需要制動(dòng)壓力降低時(shí)，由于空氣的存在，壓力響應(yīng)出現(xiàn)之后，減壓階段時(shí)間變長(zhǎng)，制動(dòng)壓力仍處于較高階段，較大的制動(dòng)壓力可能會(huì)直接導(dǎo)致車輪抱死;同一時(shí)刻下，制動(dòng)液中空氣體積分?jǐn)?shù)越大，低壓區(qū)域分布越小，這是因?yàn)閮上嗔髦兄苿?dòng)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(yuǎn)大于單相流體，制動(dòng)壓力波傳播速度降低。相關(guān)研究表明:含氣率的增加會(huì)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?xì)馀蒹w積的增大，壓力響應(yīng)出現(xiàn)一定的滯后，氣泡對(duì)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?jǐn)?shù)越大，制動(dòng)壓力的傳遞越緩慢，仿真結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果相符。

當(dāng)制動(dòng)液中空氣和水的初始體積分?jǐn)?shù)相同 ，t=60 s時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布如圖8—9所示。

圖8 初始水體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

圖9 初始空氣體積分?jǐn)?shù)5%時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布

從圖4、圖8和圖9可以看出:制動(dòng)液中水的存在對(duì)制動(dòng)壓力的影響可以忽略不計(jì)，空氣對(duì)制動(dòng)壓力分布的影響比水大，這是因?yàn)槌叵滤砸簯B(tài)形式存在于制動(dòng)液中，兩相流體仍是不可壓縮的，其對(duì)制動(dòng)壓力傳播速度產(chǎn)生的影響可以忽略。

當(dāng)空氣初始體積分?jǐn)?shù)為5%，t=60 s和t=180 s時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部空氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖10—11所示?？梢钥闯?當(dāng)制動(dòng)液中初始空氣體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，t=60 s時(shí)比t=180 s時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部低壓區(qū)域分布少，這是因?yàn)殡S著制動(dòng)過程的不斷進(jìn)行，制動(dòng)液在制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)更加充分，制動(dòng)壓力能夠較為充分地進(jìn)行傳遞。

圖10 t=60 s時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部空氣體積分?jǐn)?shù)

圖11 t=180 s時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部空氣體積分?jǐn)?shù)

3 結(jié)論

運(yùn)用Fluent對(duì)汽車ABS系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行仿真與分析，得到制動(dòng)過程中ABS系統(tǒng)內(nèi)部壓力場(chǎng)分布。當(dāng)制動(dòng)液中出現(xiàn)氣液兩相流時(shí)，制動(dòng)壓力的大小和傳播與正常制動(dòng)時(shí)相比差異明顯，且空氣體積分?jǐn)?shù)越大，壓力變化越緩慢;常溫下制動(dòng)液中水的含量對(duì)流場(chǎng)分布影響很小，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)空氣初始體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著制動(dòng)過程的不斷進(jìn)行，制動(dòng)系統(tǒng)壓力分布狀態(tài)出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

初步研究了制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)，然而還有許多問題有待研究和探索，如制動(dòng)過程中溫度的變化對(duì)氣液兩相流動(dòng)的影響、氣液兩相流流型、制動(dòng)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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