制動(dòng)鼓冷卻水循環(huán)系統(tǒng)流量需求分析

田哲文，馬 苗

(武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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制動(dòng)鼓冷卻水循環(huán)系統(tǒng)流量需求分析

田哲文，馬 苗

(武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

設(shè)計(jì)了一套商用車(chē)制動(dòng)鼓冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以回收并循環(huán)利用水箱中的冷卻水?；趥鳠釋W(xué)理論，運(yùn)用三維流體軟件分析了在車(chē)輛下長(zhǎng)坡持續(xù)制動(dòng)工況下，制動(dòng)鼓表面溫度特性，流體溫度特性，以及在不同車(chē)速和冷卻水流量下制動(dòng)鼓表面溫度特性。利用軟件擬合得到制動(dòng)鼓表面溫度與制動(dòng)車(chē)速和冷卻水流量之間的變化關(guān)系，在給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)下得出了不同車(chē)速制動(dòng)時(shí)冷卻水的流量需求。

制動(dòng)鼓；循環(huán)冷卻；溫度特性；流量需求

鼓式制動(dòng)器是大部分商用車(chē)的必要組成部件，其制動(dòng)性能的好壞直接影響到行車(chē)安全。商用車(chē)由于質(zhì)量大，制動(dòng)頻繁，從而在下長(zhǎng)坡時(shí)會(huì)造成制動(dòng)鼓溫度迅速上升，而使制動(dòng)器發(fā)生熱衰退[1]。為了防止熱衰退現(xiàn)象的發(fā)生，廣泛采用將冷卻水直接噴灑在制動(dòng)鼓外表面，從而達(dá)到降低輪轂溫度的目的。然而直接噴灑的淋水方式不僅需要車(chē)輛水箱儲(chǔ)存大量的冷卻水，增加了車(chē)重，而且噴灑后流失到地面會(huì)影響道路的附著力?；谶@種現(xiàn)狀，筆者設(shè)計(jì)的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)可以回收并循環(huán)利用有限的冷卻水，因此大大降低了車(chē)輛對(duì)冷卻水的需求，并在一定程度上減輕了車(chē)重，對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的提升都十分有利，也不會(huì)因冷卻水灑落在路面而影響輪胎與路面之間的附著系數(shù)。

1 制動(dòng)鼓冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

圖1 商用車(chē)?yán)鋮s水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)主要由與輪轂配合的結(jié)合水套、密封裝置、輸水管、電動(dòng)水泵、濾清器和冷卻水箱幾部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。密封水套通過(guò)密封裝置與制動(dòng)鼓外表面形成密閉冷卻空間，電動(dòng)水泵將冷卻水箱里的冷卻水由進(jìn)水口送入水套內(nèi)，并在密閉空間循環(huán)流動(dòng)，由于冷卻水與輪轂接觸且溫度低于制動(dòng)時(shí)輪轂表面的溫度，輪轂的熱能傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高，溫度升高的冷卻水最終通過(guò)出水口流出經(jīng)過(guò)濾清器后回到冷卻水箱進(jìn)行冷卻，經(jīng)過(guò)冷卻后的低溫冷卻水再循環(huán)到水套內(nèi)進(jìn)行冷卻。

2 制動(dòng)鼓溫升理論

2.1 制動(dòng)鼓發(fā)熱機(jī)理

鼓式制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中，輪缸活塞推動(dòng)制動(dòng)蹄壓迫制動(dòng)鼓，制動(dòng)鼓內(nèi)表面受到制動(dòng)蹄片的摩擦作用，轉(zhuǎn)速降低，直到停止轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。制動(dòng)鼓增加的內(nèi)能主要來(lái)自?xún)赡Σ帘砻婵朔Σ磷枇Φ淖饔冒l(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生的摩擦熱，根據(jù)摩擦生熱理論，車(chē)輪鼓式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的摩擦生熱量計(jì)算公式為：

Q=Fx·S

(1)

對(duì)式(1)求導(dǎo)得到熱流密度的計(jì)算公式：

q=Fx·v

(2)

式中:Q為摩擦生熱量；Fx為作用于車(chē)輪的制動(dòng)力；S為車(chē)輛行駛距離；v為車(chē)輛行駛速度。

2.2 制動(dòng)鼓傳熱理論

車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，由于摩擦作用，制動(dòng)鼓內(nèi)表面溫度迅速升高，此時(shí)，內(nèi)表面溫度高于外表面。根據(jù)傳熱學(xué)理論，當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度差異，熱量將從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，內(nèi)表面產(chǎn)生的熱量將向外表面?zhèn)鲗?dǎo)。根據(jù)傅里葉定律可以得到導(dǎo)熱量的表達(dá)式：

(3)

熱量傳導(dǎo)到外表面使外表面溫度升高，外表面溫度高于冷卻水溫度，在制動(dòng)鼓與冷卻水接觸面發(fā)生對(duì)流換熱，制動(dòng)鼓的內(nèi)能被冷卻水循環(huán)帶走。冷卻水與制動(dòng)鼓外表面之間的對(duì)流換熱可依據(jù)牛頓冷卻公式計(jì)算：

Q=h·A·(tw-tf)·Δt

(4)

式中:h為對(duì)流換熱系數(shù)；tw為制動(dòng)鼓外表面溫度；A為換熱面積；tf為冷卻流體溫度；Δt為制動(dòng)時(shí)間。

2.3 制動(dòng)鼓熱平衡理論

由熱力學(xué)第二定律可知，相互接觸的物體若存在溫度差異，則熱量將從高溫物體傳遞到低溫物體。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同熱量傳遞方式可分為3種，分別是熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流[4]。

鼓式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)溫度變化依賴(lài)于制動(dòng)鼓內(nèi)的熱平衡關(guān)系。制動(dòng)產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)傳導(dǎo)散熱、對(duì)流散熱和輻射散熱等方式散失掉，而另一部分將在制動(dòng)鼓內(nèi)積累，使制動(dòng)鼓溫度升高。

通過(guò)上述分析，可知制動(dòng)鼓吸收的熱量為：

ΔQ=Q-Q1-Q2-Q3

(5)

式中，Q、Q1、Q2、Q3分別為系統(tǒng)摩擦生熱量、對(duì)流散熱量、輻射散熱量和傳導(dǎo)散熱量。

根據(jù)理論分析和經(jīng)驗(yàn)表明，制動(dòng)鼓制動(dòng)時(shí)，傳導(dǎo)散熱量所占的比例很小，輻射散熱量約占制動(dòng)鼓散熱量的 5%～ 10%[5]，而冷卻液冷卻循環(huán)系統(tǒng)輪轂主要散熱區(qū)域不與空氣直接接觸，因此，輻射散熱量更少。對(duì)流換熱是鼓式制動(dòng)器最主要的散熱方式，占總散熱量的 80%以上，對(duì)于冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，由于是強(qiáng)制對(duì)流換熱，對(duì)流換熱量所占比例將更高。

基于以上理論，通過(guò)軟件建立制動(dòng)鼓冷卻液循環(huán)系統(tǒng)模型，可得到制動(dòng)鼓的溫升及散熱特性。

3 三維流體穩(wěn)態(tài)傳熱分析

3.1 三維流體模型的建立

以某公司生產(chǎn)的載貨汽車(chē)輪轂為對(duì)象在三維軟件CATIA中建立模型，然后將其導(dǎo)入到三維流體軟件FloEFD中分析制動(dòng)鼓溫度特性和冷卻水溫度特性。

由于制動(dòng)鼓、密封水套、進(jìn)水口和出水口(分析時(shí)將其封閉)組成密閉空間，如圖2所示，因此在三維流體分析時(shí)可采用內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析。

3.2 表面熱源的計(jì)算

根據(jù)能量守恒定律，車(chē)輛在下長(zhǎng)坡持續(xù)制動(dòng)時(shí)，動(dòng)能和勢(shì)能的減少將轉(zhuǎn)化為制動(dòng)鼓的內(nèi)能。忽略緩速制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)等，可推導(dǎo)出車(chē)輛制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)的整車(chē)總摩擦生熱量：

(6)

式中:Q為制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)鼓產(chǎn)生的熱量；m為汽車(chē)總質(zhì)量；v1為初始車(chē)速；v2為末速度；g為重力加速度；i為道路縱向坡度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；S為制動(dòng)距離[6]。

根據(jù)車(chē)輛的制動(dòng)力分配系數(shù)，可以分別計(jì)算出車(chē)輛單個(gè)后輪制動(dòng)時(shí)的摩擦生熱量及單位時(shí)間的摩擦生熱熱流量。

3.3 前處理與求解

內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體，尺寸為500mm×500mm×170mm。網(wǎng)格模型如圖3所示，計(jì)算區(qū)域固體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為153 259，液體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為246 548，部分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為173 638。邊界條件設(shè)定為：密封水套與制動(dòng)鼓均為剛體，材料分別為鋁和鑄鐵，忽略與空氣之間的輻射散熱，進(jìn)水口質(zhì)量流量為0.3kg/s，制動(dòng)鼓上施加表面熱源35 835W，出水口設(shè)施加邊界條件為環(huán)境壓力，收斂目標(biāo)設(shè)置為流體溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，達(dá)到收斂要求。圖4為制動(dòng)鼓表面溫度分布模型，從圖4可以看出制動(dòng)鼓中間區(qū)域的溫度較高，這是因?yàn)槟Σ撂闫挥谥苿?dòng)鼓摩擦面的中間，熱流更加集中，因此制動(dòng)鼓中間區(qū)域是冷卻的重要區(qū)域。在安裝水套時(shí)，應(yīng)該使水套包裹制動(dòng)鼓的中間區(qū)域，以達(dá)到最好的冷卻效果。制動(dòng)鼓溫度分布不均勻與流體流入水套的角度和壓力有關(guān)，實(shí)際情況中，由于輪轂是轉(zhuǎn)動(dòng)的，不同區(qū)域都能得到同等的冷卻，最終溫度也將均勻分布。

圖2 密閉系統(tǒng)三維模型

圖3 網(wǎng)格模型

圖4 橫向剖視溫度分布

圖4和圖5為計(jì)算域內(nèi)制動(dòng)鼓與冷卻水溫度分布圖，水套內(nèi)冷卻水平均溫度為330K，越靠近輪轂外表面溫度越高，達(dá)到363K；輪轂溫度較高，達(dá)到552.33K以上，從進(jìn)水口到出水口，溫度逐步升高，但幅度不大，這是因?yàn)檫M(jìn)水口冷卻水溫度低，與輪轂溫差梯度大，因此冷卻更充分。

圖5 縱向剖視溫度分布

4 多工況處理與分析

4.1 多工況穩(wěn)態(tài)傳熱的輸入

通過(guò)三維流體分析在不同工況下制動(dòng)鼓的表面溫度，將進(jìn)水口質(zhì)量流量分別設(shè)置為0.1kg/s，0.2kg/s，0.3kg/s，0.4kg/s，0.5kg/s，不同車(chē)速制動(dòng)分別為20km/h，25km/h，30km/h，35km/h，40km/h，即表面熱源輸入分別為19 736W，25 134W，30 500W，35 835W，41 175W。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的擬定

制動(dòng)鼓發(fā)生熱衰退現(xiàn)象的直接原因是制動(dòng)鼓溫度的升高。根據(jù)摩擦學(xué)理論，當(dāng)摩擦片的工作溫度不超過(guò)一定溫度時(shí)，摩擦系數(shù)基本保持恒定；但是，當(dāng)其工作溫度超過(guò)一定溫度后，摩擦系數(shù)會(huì)顯著降低，從而導(dǎo)致制動(dòng)鼓制動(dòng)熱衰退。因此為了保證制動(dòng)鼓的制動(dòng)效能，必須控制制動(dòng)鼓的溫度不超過(guò)摩擦系數(shù)降低的最大值。這個(gè)最大值很大程度上取決于摩擦副的材料，當(dāng)制動(dòng)鼓材料為鑄鐵，摩擦片材料為石棉，根據(jù)有關(guān)資料，正常制動(dòng)時(shí)，摩擦副的溫度在473K左右，摩擦副的摩擦系數(shù)為 0.3～0.4，但是當(dāng)溫度超過(guò)473K時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)大幅下降[7-10]。因此可以給定一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即車(chē)輛下長(zhǎng)坡持續(xù)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鼓表面最大溫度不能超過(guò)473K。

4.3 計(jì)算結(jié)果擬合與分析

將多工況穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算得到的制動(dòng)鼓表面最高溫度特性，在Matlab中擬合得到制動(dòng)鼓表面溫度與制動(dòng)車(chē)速和冷卻水流量之間的關(guān)系，如圖6所示。從圖6可以看出制動(dòng)鼓表面溫度隨制動(dòng)車(chē)速的增加而不斷升高，隨進(jìn)水口冷卻水質(zhì)量流量的增加而不斷降低。

圖7為制動(dòng)鼓表面溫度等高線(xiàn)圖，圖8為制動(dòng)鼓表面溫度473K等高線(xiàn)，當(dāng)行駛車(chē)速與冷卻水流量位于A區(qū)域時(shí)，制動(dòng)鼓表面溫度低于473K，此時(shí)，制動(dòng)鼓摩擦系數(shù)將不會(huì)受溫度影響而大幅下降，即不會(huì)發(fā)生熱衰退現(xiàn)象。而處于B區(qū)域時(shí)，制動(dòng)鼓表面溫度降超過(guò)473K，制動(dòng)鼓摩擦因數(shù)將隨溫度的升高而下降，即已經(jīng)發(fā)生熱衰退，不利于行車(chē)安全。因此，對(duì)電動(dòng)水泵的控制應(yīng)保證輪轂表面溫度，行駛車(chē)速的坐標(biāo)落在473K等高線(xiàn)上，若坐標(biāo)落于B區(qū)域，則應(yīng)控制電動(dòng)水泵加大冷卻水流量。

圖6 表面溫度特性圖

圖7 表面溫度等高線(xiàn)

圖8 473 K等高線(xiàn)

5 結(jié)論

筆者通過(guò)建立三維流體模型對(duì)制動(dòng)鼓表面溫度特性進(jìn)行分析，得到車(chē)輛在下長(zhǎng)坡持續(xù)制動(dòng)這種最易發(fā)生熱衰退的工況行駛時(shí)制動(dòng)鼓表面溫度特性和冷卻水溫度特性。以此為基礎(chǔ)得到制動(dòng)鼓表面溫度與制動(dòng)車(chē)速和冷卻水流量之間的三維關(guān)系。同時(shí)，通過(guò)制動(dòng)鼓不發(fā)生熱衰退的溫度指標(biāo)，確定了制動(dòng)鼓在不同車(chē)速下制動(dòng)時(shí)不發(fā)生熱衰退的冷卻水流量區(qū)間，并得到最優(yōu)的流量需求，為電動(dòng)水泵的流量控制提供了依據(jù)。

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TIAN Zhewen:Assoc. Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Water Demand Analysis in Cooling Circulation System of Brake Drum

TIANZhewen,MAMiao

A set of brake drum cooling circulation system was designed for commercial vehicle. The system can recovery and recycle the cooling water in the tank. Based on the theory of heat transfer, the temperature characteristics on brake drum surface and temperature of cooling water were calculated in the condition of continuous braking under the long slope by fluid software, as well as the temperature characteristics of brake drum surface at different speed and cooling water flow. The relative relationship of the brake drum surface temperature, vehicle braking speed and brake cooling water flow was simulated by MATLAB. The demand of cooling water under different braking speed in a given evaluation index was then obtained.

brake drum; cooling circulation; temperature characteristic; cooling water demand

2015-04-16.

田哲文(1972-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院副教授.

2095-3852(2015)05-0567-04

A

U463.51

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.009