汽车ABS系统内部流动仿真与分析

孙毕，李孝禄

(中国计量学院机电工程学院，浙江杭州310018)

现代汽车朝着安全、舒适、节能、环保的趋势迅猛发展，汽车的安全性也越来越受到更多的重视，越来越多的汽车安全技术应用到现代汽车上，其中，作为一种重要的汽车主动安全装置，汽车ABS得到了世界各汽车大国的关注，纷纷出台了相关的法律法规来进一步确保ABS的推广与应用［1］。

当前应用比较广泛的液压ABS通过制动液在制动系统内部的流动来进行制动压力的传递，达到防止车轮抱死的目的。汽车制动时，制动液的性能是影响ABS的制动性能和瞬态压力的重要因素［2］，制动过程中产生的巨大热量和制动液本身的特性会导致制动系统内部产生气液两相流现象，影响制动性能［3－5］。J E HUNTER等［6］对美国华盛顿州的交通事故原因的调查表明:在发生交通事故的总共254 056辆汽车当中，1 469辆车的事故原因是因为ABS系统内部发生气液两相流现象，产生气阻，最终导致汽车制动无效。汽车ABS气液两相流是一个普遍存在于液压ABS系统内部的流动现象，其对汽车安全非常重要。然而，目前ABS相关的研究重点在于ABS控制算法与结构设计等，较少涉及到汽车ABS系统内部的气液两相流现象。文中运用Fluent对制动系统内部两相流动进行仿真，进一步揭示系统内部的流场分布。

1 制动系统模型建立

1.1 盘式制动器结构与原理

制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件，气液两相流直接影响内部的流场分布，文中取目前应用广泛的浮钳盘式制动器为研究对象，其结构如图1所示。

图1 浮钳盘式制动器结构原理图

如图1所示，制动钳支架7固定在转向节上，制动钳体2可沿导向销8相对于制动钳支架7轴向滑动，活塞4位于活塞缸5内部，活塞缸5内部充满制动液。汽车进行制动时，活塞缸5内部的制动液将制动主缸产生的制动压力施加到活塞4上，活动制动衬块3被制动钳体2推向制动盘6，与此同时，作用在制动钳体2上的反向液压力推动制动钳体2沿导向销8向右移动，使固定在制动钳体2上的固定制动衬块1压到制动盘6上。于是，制动盘两侧的制动衬块在两侧压力的作用下夹紧制动盘，在制动盘上产生与运动方向相反的制动力矩，促使汽车制动。

虽然制动系统具有较好的密封性，制动液中仍然不可避免地存在大量极微小的气泡，导致制动液抗压强度降低，当液体压力降低到饱和蒸汽压时，气泡便膨胀长大，系统内部含气型气穴 (Gaseous Cavitation)是由于溶解气体的扩散或加热、减压而形成的气穴，其发育的速度很缓慢［7］;而制动液具有很好的吸水特性，使用一定时间后制动液中会含有一定的液态水，造成制动液沸点降低，极易导致制动液和液态水液化成为蒸气，在系统内部形成含汽型气穴 (Vaporous Cavitation)，含汽型气穴是由于液体汽化而形成的气穴，其发育将是“爆发性”的［8］。

制动过程中，ABS通过增压－保压－减压的不断循环来对制动压力进行精细调节，达到防止车轮抱死的目的。制动器的发热部位集中在很窄的制动衬块上，在制动系统中容易产生气液两相流现象，制动压力压缩的是气体和液体的混合物，影响施加在活塞上的制动压力，造成制动迟缓甚至失灵，严重影响汽车的行驶，危害乘客的人身安全。

1.2 盘式制动器Fluent计算模型

图2 浮钳盘式制动器FLUENT计算模型

活塞缸和制动管路内部流场直接影响制动性能，因此，为进一步深入分析制动系统内部的流动情况，选取活塞、活塞缸及其连接的一段制动管路作为研究对象，运用计算流体力学软件Fluent对系统内部流场进行二维模拟仿真计算，由于制动衬块与制动盘表面间隙很小，单侧间隙一般为0.05～0.15 mm，且制动压力的传递是一个非常迅速的过程，因此，汽车制动与不制动情况下，制动压力实际引起制动钳体和活塞的运动非常小，制动力解除时，活塞和制动钳体松弛到松开位置。因此假设制动过程中制动钳体和活塞保持静止，计算过程中忽略热交换，且不计流动过程中的能量损失，所建立二维模型如图2所示，图中单位为mm。

1.3 材料参数设置

忽略压力和温度的变化对材料属性的影响，调用Fluent自带的数据库中材料的物性参数，其中，空气密度 ρg=1.225 kg/m3，黏度μg=1.759 4 ×10－5Pa·s，水的密度为 ρl=998.2 kg/m3，黏度 μl=0.001 003 Pa·s。由于Fluent自带数据库中没有制动液 DOT4的物性参数，经查阅相关资料，在Fluent中创建材料制动液DOT4，其参数为密度ρ=1.075×103kg/m3，黏度μ=1.935 Pa·s。制动管路端和活塞端的压力分别设置为压力进口与压力出口的计算边界条件，温度为300 K，分别设置制动系统内部为单相制动液、制动液与空气、制动液与水。

1.4 制动压力边界条件

所选取的一个周期制动压力边界条件如图3所示，利用profile文件写入Fluent中。制动系统内部制动液流动为湍流流动，在数值仿真中，湍流模型为采用时均形式的微分方程［9－11］。由于制动压力是循环变化的，因此选用非稳态求解器进行求解，得出多个制动周期下制动压力的分布，以及流体各相在制动系统中的分布情况。

图3 制动压力边界条件

2 仿真结果与分析

常温下，模拟单相制动液和制动液中初始空气体积分数分别为1%、3%、5%时制动过程中的流场分布，模拟时间为t=180 s时系统内部压力分布如图4—7所示，根据所选边界条件，图中制动压力为相对压力，单位为Pa。

图4 单相制动液时系统内部压力分布

图5 初始空气体积分数1%时系统内部压力分布

图6 初始空气体积分数3%时系统内部压力分布

图7 初始空气体积分数5%时系统内部压力分布

由图4可以看出:当制动系统内部为单相制动液流动时，制动压力分布均匀，此时处于制动压力减压阶段末期，因此制动压力分布区域为低压区，制动正常。而当制动系统内部流动的为制动液和空气的混合物时，由于制动液中空气的影响，本应为低压区域的位置出现相对较高的压力，在实际制动过程中，当ABS电控单元发出指令需要制动压力降低时，由于空气的存在，压力响应出现之后，减压阶段时间变长，制动压力仍处于较高阶段，较大的制动压力可能会直接导致车轮抱死;同一时刻下，制动液中空气体积分数越大，低压区域分布越小，这是因为两相流中制动液和空气两相介质相互掺混，导致混合介质的可压缩性远大于单相流体，制动压力波传播速度降低。相关研究表明:含气率的增加会导致压力波传播速度减缓［12－13］;而蒋丹等人［14］的研究结果发现:随着液压油中初始气泡体积的增大，压力响应出现一定的滞后，气泡对液压管路压力的变化存在抑制作用。从上述各图可以看出:空气体积分数越大，制动压力的传递越缓慢，仿真结果与相关文献研究结果相符。

当制动液中空气和水的初始体积分数相同 ，t=60 s时，制动系统内部压力分布如图8—9所示。

图8 初始水体积分数为5%时系统内部压力分布

图9 初始空气体积分数5%时系统内部压力分布

从图4、图8和图9可以看出:制动液中水的存在对制动压力的影响可以忽略不计，空气对制动压力分布的影响比水大，这是因为常温下水以液态形式存在于制动液中，两相流体仍是不可压缩的，其对制动压力传播速度产生的影响可以忽略。

当空气初始体积分数为5%，t=60 s和t=180 s时，系统内部空气体积分数分布如图10—11所示。可以看出:当制动液中初始空气体积分数相同时，t=60 s时比t=180 s时制动系统内部低压区域分布少，这是因为随着制动过程的不断进行，制动液在制动系统内部的流动更加充分，制动压力能够较为充分地进行传递。

图10 t=60 s时系统内部空气体积分数

图11 t=180 s时系统内部空气体积分数

3 结论

运用Fluent对汽车ABS系统内部流动进行仿真与分析，得到制动过程中ABS系统内部压力场分布。当制动液中出现气液两相流时，制动压力的大小和传播与正常制动时相比差异明显，且空气体积分数越大，压力变化越缓慢;常温下制动液中水的含量对流场分布影响很小，当制动系统空气初始体积分数相同时，随着制动过程的不断进行，制动系统压力分布状态出现好转。

初步研究了制动系统内部流场，然而还有许多问题有待研究和探索，如制动过程中温度的变化对气液两相流动的影响、气液两相流流型、制动系统内部气泡的产生和破灭以及气穴现象等。

【1】卢文博．基于滑移率的液压ABS控制算法研究［D］．长春:吉林大学，2011．

【2】罗昇．制动管路动态特性分析［J］．客车技术与研究，1994，16(1):55 －60．

【3】LEE Kwangjin．Numerical Prediction of Brake Fluid Temperature Rise during Braking and Heat Soaking［R］．SAE Paper，1999 －01 －0483．

【4】丁问司．车辆制动油管液体压力传递特性分析［J］．应用基础与工程科学学报，2011，19(3):466－473．

【5】李孝禄，孙毕．汽车ABS中气液两相流对制动压力的影响［J］．汽车安全与节能学报，2012，3(3):218 －224．

【6】HUNTER J E，CARTIER S S，TEMPLE D J，et al．Brake Fluid Vaporization as a Contributing Factor in Motor Vehicle Collisions［R］．SAE Paper，980371．

【7】蒋丹．存在气穴和气泡时无阀微泵动态特性研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009．

【8】张林夫，夏维洪．空化与空蚀［M］．南京:河海大学出版社，1989:1－10．

【9】曹国强，梁冰，包明宇．基于FLUENT的叶轮机械三维紊流流场数值模拟［J］．机械设计与制造，2005(8):158－162．

【10】顾乐峰，李孝禄，王君，等．高压瞬变下的柴油加热数值仿真［J］．中国计量学院学报，2011，22(4):337 －343．

【11】王福军．计算流体动力学分析［M］．北京:清华大学出版社，2004:120－124．

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【13】黄飞，白博峰，郭烈锦．水平管内气液两相泡状流压力波数学模型及其数值模拟［J］．自然科学进展，2004，14(1):88－94．

【14】蒋丹，李松晶，包钢．伴随气泡和气穴的低压液压管路瞬态分析［J］．工程力学，2007，24(11):36－40．