汽車ABS系統內部流動仿真與分析

孫畢，李孝祿

(中國計量學院機電工程學院，浙江杭州310018)

現代汽車朝著安全、舒適、節能、環保的趨勢迅猛發展，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應用到現代汽車上，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注，紛紛出臺了相關的法律法規來進一步確保ABS的推廣與應用［1］。

當前應用比較廣泛的液壓ABS通過制動液在制動系統內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的制動性能和瞬態壓力的重要因素［2］，制動過程中產生的巨大熱量和制動液本身的特性會導致制動系統內部產生氣液兩相流現象，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查表明:在發生交通事故的總共254 056輛汽車當中，1 469輛車的事故原因是因為ABS系統內部發生氣液兩相流現象，產生氣阻，最終導致汽車制動無效。汽車ABS氣液兩相流是一個普遍存在于液壓ABS系統內部的流動現象，其對汽車安全非常重要。然而，目前ABS相關的研究重點在于ABS控制算法與結構設計等，較少涉及到汽車ABS系統內部的氣液兩相流現象。文中運用Fluent對制動系統內部兩相流動進行仿真，進一步揭示系統內部的流場分布。

1 制動系統模型建立

1.1 盤式制動器結構與原理

制動器是制動系統中用以產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部的流場分布，文中取目前應用廣泛的浮鉗盤式制動器為研究對象，其結構如圖1所示。

圖1 浮鉗盤式制動器結構原理圖

如圖1所示，制動鉗支架7固定在轉向節上，制動鉗體2可沿導向銷8相對于制動鉗支架7軸向滑動，活塞4位于活塞缸5內部，活塞缸5內部充滿制動液。汽車進行制動時，活塞缸5內部的制動液將制動主缸產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，制動盤兩側的制動襯塊在兩側壓力的作用下夾緊制動盤，在制動盤上產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，系統內部含氣型氣穴 (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水，造成制動液沸點降低，極易導致制動液和液態水液化成為蒸氣，在系統內部形成含汽型氣穴 (Vaporous Cavitation)，含汽型氣穴是由于液體汽化而形成的氣穴，其發育將是“爆發性”的［8］。

制動過程中，ABS通過增壓－保壓－減壓的不斷循環來對制動壓力進行精細調節，達到防止車輪抱死的目的。制動器的發熱部位集中在很窄的制動襯塊上，在制動系統中容易產生氣液兩相流現象，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內部的流動情況，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對系統內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 材料參數設置

忽略壓力和溫度的變化對材料屬性的影響，調用Fluent自帶的數據庫中材料的物性參數，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自帶數據庫中沒有制動液 DOT4的物性參數，經查閱相關資料，在Fluent中創建材料制動液DOT4，其參數為密度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，分別設置制動系統內部為單相制動液、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。制動系統內部制動液流動為湍流流動，在數值仿真中，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變化的，因此選用非穩態求解器進行求解，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中的分布情況。

圖3 制動壓力邊界條件

2 仿真結果與分析

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時系統內部壓力分布如圖4—7所示，根據所選邊界條件，圖中制動壓力為相對壓力，單位為Pa。

圖4 單相制動液時系統內部壓力分布

圖5 初始空氣體積分數1%時系統內部壓力分布

圖6 初始空氣體積分數3%時系統內部壓力分布

圖7 初始空氣體積分數5%時系統內部壓力分布

由圖4可以看出:當制動系統內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域為低壓區，制動正常。而當制動系統內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，本應為低壓區域的位置出現相對較高的壓力，在實際制動過程中，當ABS電控單元發出指令需要制動壓力降低時，由于空氣的存在，壓力響應出現之后，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致車輪抱死;同一時刻下，制動液中空氣體積分數越大，低壓區域分布越小，這是因為兩相流中制動液和空氣兩相介質相互摻混，導致混合介質的可壓縮性遠大于單相流體，制動壓力波傳播速度降低。相關研究表明:含氣率的增加會導致壓力波傳播速度減緩［12－13］;而蔣丹等人［14］的研究結果發現:隨著液壓油中初始氣泡體積的增大，壓力響應出現一定的滯后，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:空氣體積分數越大，制動壓力的傳遞越緩慢，仿真結果與相關文獻研究結果相符。

當制動液中空氣和水的初始體積分數相同 ，t=60 s時，制動系統內部壓力分布如圖8—9所示。

圖8 初始水體積分數為5%時系統內部壓力分布

圖9 初始空氣體積分數5%時系統內部壓力分布

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生的影響可以忽略。

當空氣初始體積分數為5%，t=60 s和t=180 s時，系統內部空氣體積分數分布如圖10—11所示。可以看出:當制動液中初始空氣體積分數相同時，t=60 s時比t=180 s時制動系統內部低壓區域分布少，這是因為隨著制動過程的不斷進行，制動液在制動系統內部的流動更加充分，制動壓力能夠較為充分地進行傳遞。

圖10 t=60 s時系統內部空氣體積分數

圖11 t=180 s時系統內部空氣體積分數

3 結論

運用Fluent對汽車ABS系統內部流動進行仿真與分析，得到制動過程中ABS系統內部壓力場分布。當制動液中出現氣液兩相流時，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，當制動系統空氣初始體積分數相同時，隨著制動過程的不斷進行，制動系統壓力分布狀態出現好轉。

初步研究了制動系統內部流場，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、制動系統內部氣泡的產生和破滅以及氣穴現象等。

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