制动鼓冷却水循环系统流量需求分析

田哲文，马 苗

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)



制动鼓冷却水循环系统流量需求分析

田哲文，马 苗

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)

设计了一套商用车制动鼓冷却水循环系统，该系统可以回收并循环利用水箱中的冷却水。基于传热学理论，运用三维流体软件分析了在车辆下长坡持续制动工况下，制动鼓表面温度特性，流体温度特性，以及在不同车速和冷却水流量下制动鼓表面温度特性。利用软件拟合得到制动鼓表面温度与制动车速和冷却水流量之间的变化关系，在给定的评价指标下得出了不同车速制动时冷却水的流量需求。

制动鼓；循环冷却；温度特性；流量需求

鼓式制动器是大部分商用车的必要组成部件，其制动性能的好坏直接影响到行车安全。商用车由于质量大，制动频繁，从而在下长坡时会造成制动鼓温度迅速上升，而使制动器发生热衰退[1]。为了防止热衰退现象的发生，广泛采用将冷却水直接喷洒在制动鼓外表面，从而达到降低轮毂温度的目的。然而直接喷洒的淋水方式不仅需要车辆水箱储存大量的冷却水，增加了车重，而且喷洒后流失到地面会影响道路的附着力。基于这种现状，笔者设计的冷却水循环系统可以回收并循环利用有限的冷却水，因此大大降低了车辆对冷却水的需求，并在一定程度上减轻了车重，对动力性和经济性的提升都十分有利，也不会因冷却水洒落在路面而影响轮胎与路面之间的附着系数。

1 制动鼓冷却水循环系统

图1 商用车冷却水循环系统结构简图

冷却水循环系统主要由与轮毂配合的结合水套、密封装置、输水管、电动水泵、滤清器和冷却水箱几部分构成，结构简图如图1所示。密封水套通过密封装置与制动鼓外表面形成密闭冷却空间，电动水泵将冷却水箱里的冷却水由进水口送入水套内，并在密闭空间循环流动，由于冷却水与轮毂接触且温度低于制动时轮毂表面的温度，轮毂的热能传递给冷却水，使冷却水温度升高，温度升高的冷却水最终通过出水口流出经过滤清器后回到冷却水箱进行冷却，经过冷却后的低温冷却水再循环到水套内进行冷却。

2 制动鼓温升理论

2.1 制动鼓发热机理

鼓式制动器在制动过程中，轮缸活塞推动制动蹄压迫制动鼓，制动鼓内表面受到制动蹄片的摩擦作用，转速降低，直到停止转动[2]。制动鼓增加的内能主要来自两摩擦表面克服摩擦阻力的作用发生相对位移而产生的摩擦热，根据摩擦生热理论，车轮鼓式制动器制动时的摩擦生热量计算公式为：

Q=Fx·S

(1)

对式(1)求导得到热流密度的计算公式：

q=Fx·v

(2)

式中:Q为摩擦生热量；Fx为作用于车轮的制动力；S为车辆行驶距离；v为车辆行驶速度。

2.2 制动鼓传热理论

车辆制动时，由于摩擦作用，制动鼓内表面温度迅速升高，此时，内表面温度高于外表面。根据传热学理论，当物体内部存在温度差异，热量将从物体的高温部分传递到低温部分，内表面产生的热量将向外表面传导。根据傅里叶定律可以得到导热量的表达式：

(3)

热量传导到外表面使外表面温度升高，外表面温度高于冷却水温度，在制动鼓与冷却水接触面发生对流换热，制动鼓的内能被冷却水循环带走。冷却水与制动鼓外表面之间的对流换热可依据牛顿冷却公式计算：

Q=h·A·(tw-tf)·Δt

(4)

式中:h为对流换热系数；tw为制动鼓外表面温度；A为换热面积；tf为冷却流体温度；Δt为制动时间。

2.3 制动鼓热平衡理论

由热力学第二定律可知，相互接触的物体若存在温度差异，则热量将从高温物体传递到低温物体。根据传热机理的不同热量传递方式可分为3种，分别是热传导、热辐射和热对流[4]。

鼓式制动器制动时温度变化依赖于制动鼓内的热平衡关系。制动产生的热量一部分通过传导散热、对流散热和辐射散热等方式散失掉，而另一部分将在制动鼓内积累，使制动鼓温度升高。

通过上述分析，可知制动鼓吸收的热量为：

ΔQ=Q-Q1-Q2-Q3

(5)

式中，Q、Q1、Q2、Q3分别为系统摩擦生热量、对流散热量、辐射散热量和传导散热量。

根据理论分析和经验表明，制动鼓制动时，传导散热量所占的比例很小，辐射散热量约占制动鼓散热量的 5%～ 10%[5]，而冷却液冷却循环系统轮毂主要散热区域不与空气直接接触，因此，辐射散热量更少。对流换热是鼓式制动器最主要的散热方式，占总散热量的 80%以上，对于冷却液循环系统，由于是强制对流换热，对流换热量所占比例将更高。

基于以上理论，通过软件建立制动鼓冷却液循环系统模型，可得到制动鼓的温升及散热特性。

3 三维流体稳态传热分析

3.1 三维流体模型的建立

以某公司生产的载货汽车轮毂为对象在三维软件CATIA中建立模型，然后将其导入到三维流体软件FloEFD中分析制动鼓温度特性和冷却水温度特性。

由于制动鼓、密封水套、进水口和出水口(分析时将其封闭)组成密闭空间，如图2所示，因此在三维流体分析时可采用内流场进行分析。

3.2 表面热源的计算

根据能量守恒定律，车辆在下长坡持续制动时，动能和势能的减少将转化为制动鼓的内能。忽略缓速制动、发动机制动等，可推导出车辆制动器在制动时的整车总摩擦生热量：

(6)

式中:Q为制动过程中制动鼓产生的热量；m为汽车总质量；v1为初始车速；v2为末速度；g为重力加速度；i为道路纵向坡度；f为滚动阻力系数；S为制动距离[6]。

根据车辆的制动力分配系数，可以分别计算出车辆单个后轮制动时的摩擦生热量及单位时间的摩擦生热热流量。

3.3 前处理与求解

内流场计算区域为长方体，尺寸为500mm×500mm×170mm。网格模型如图3所示，计算区域固体网格节点数为153 259，液体网格节点数为246 548，部分网格节点数为173 638。边界条件设定为：密封水套与制动鼓均为刚体，材料分别为铝和铸铁，忽略与空气之间的辐射散热，进水口质量流量为0.3kg/s，制动鼓上施加表面热源35 835W，出水口设施加边界条件为环境压力，收敛目标设置为流体温度达到稳态值。

3.4 计算结果分析

经过迭代计算，达到收敛要求。图4为制动鼓表面温度分布模型，从图4可以看出制动鼓中间区域的温度较高，这是因为摩擦蹄片位于制动鼓摩擦面的中间，热流更加集中，因此制动鼓中间区域是冷却的重要区域。在安装水套时，应该使水套包裹制动鼓的中间区域，以达到最好的冷却效果。制动鼓温度分布不均匀与流体流入水套的角度和压力有关，实际情况中，由于轮毂是转动的，不同区域都能得到同等的冷却，最终温度也将均匀分布。

图2 密闭系统三维模型

图3 网格模型

图4 横向剖视温度分布

图4和图5为计算域内制动鼓与冷却水温度分布图，水套内冷却水平均温度为330K，越靠近轮毂外表面温度越高，达到363K；轮毂温度较高，达到552.33K以上，从进水口到出水口，温度逐步升高，但幅度不大，这是因为进水口冷却水温度低，与轮毂温差梯度大，因此冷却更充分。

图5 纵向剖视温度分布

4 多工况处理与分析

4.1 多工况稳态传热的输入

通过三维流体分析在不同工况下制动鼓的表面温度，将进水口质量流量分别设置为0.1kg/s，0.2kg/s，0.3kg/s，0.4kg/s，0.5kg/s，不同车速制动分别为20km/h，25km/h，30km/h，35km/h，40km/h，即表面热源输入分别为19 736W，25 134W，30 500W，35 835W，41 175W。

4.2 评价指标的拟定

制动鼓发生热衰退现象的直接原因是制动鼓温度的升高。根据摩擦学理论，当摩擦片的工作温度不超过一定温度时，摩擦系数基本保持恒定；但是，当其工作温度超过一定温度后，摩擦系数会显著降低，从而导致制动鼓制动热衰退。因此为了保证制动鼓的制动效能，必须控制制动鼓的温度不超过摩擦系数降低的最大值。这个最大值很大程度上取决于摩擦副的材料，当制动鼓材料为铸铁，摩擦片材料为石棉，根据有关资料，正常制动时，摩擦副的温度在473K左右，摩擦副的摩擦系数为 0.3～0.4，但是当温度超过473K时，摩擦系数会大幅下降[7-10]。因此可以给定一个评价指标，即车辆下长坡持续制动时，制动鼓表面最大温度不能超过473K。

4.3 计算结果拟合与分析

将多工况稳态传热计算得到的制动鼓表面最高温度特性，在Matlab中拟合得到制动鼓表面温度与制动车速和冷却水流量之间的关系，如图6所示。从图6可以看出制动鼓表面温度随制动车速的增加而不断升高，随进水口冷却水质量流量的增加而不断降低。

图7为制动鼓表面温度等高线图，图8为制动鼓表面温度473K等高线，当行驶车速与冷却水流量位于A区域时，制动鼓表面温度低于473K，此时，制动鼓摩擦系数将不会受温度影响而大幅下降，即不会发生热衰退现象。而处于B区域时，制动鼓表面温度降超过473K，制动鼓摩擦因数将随温度的升高而下降，即已经发生热衰退，不利于行车安全。因此，对电动水泵的控制应保证轮毂表面温度，行驶车速的坐标落在473K等高线上，若坐标落于B区域，则应控制电动水泵加大冷却水流量。

图6 表面温度特性图

图7 表面温度等高线

图8 473 K等高线

5 结论

笔者通过建立三维流体模型对制动鼓表面温度特性进行分析，得到车辆在下长坡持续制动这种最易发生热衰退的工况行驶时制动鼓表面温度特性和冷却水温度特性。以此为基础得到制动鼓表面温度与制动车速和冷却水流量之间的三维关系。同时，通过制动鼓不发生热衰退的温度指标，确定了制动鼓在不同车速下制动时不发生热衰退的冷却水流量区间，并得到最优的流量需求，为电动水泵的流量控制提供了依据。

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

[编辑：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，湖北武汉人，武汉理工大学汽车工程学院副教授.

2095-3852(2015)05-0567-04

A

U463.51

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.009