成英豪， 徐萬紅

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110870）

0 引言

隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 公路上的車輛不斷增加,載貨載客的車輛越來越多[1]。在行駛的過程中制動鼓內(nèi)表面的散熱情況關(guān)系著制動鼓的使用壽命。根據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計資料調(diào)查顯示: 在車輛本身問題造成的交通事故中,由制動系統(tǒng)故障所引起的事故占到總數(shù)的45%,而在制動系統(tǒng)中故障主要表現(xiàn)為“制動效能熱衰退”及“制動器疲勞破壞”[2]。因此，研究制動器中制動鼓的散熱具有重要的意義。在高速行駛過程內(nèi)，鼓內(nèi)表面溫度會有溫升，通過改變制動鼓結(jié)構(gòu)，加快制動鼓內(nèi)表面空氣流速，有利于制動鼓內(nèi)表面散熱，此外，在汽車行駛過程中，制動鼓接觸面溫度也會急劇上升, 往往會造成接觸面產(chǎn)生不均勻的熱變形，因此對制動鼓內(nèi)部空氣流場進(jìn)行流體力學(xué)分析，能夠較為準(zhǔn)確地看出改進(jìn)后的制動鼓對于鼓內(nèi)表面流速的變化情況。

目前干氣密封技術(shù)已經(jīng)成熟，ZHANG等[3]在浮環(huán)密封上開設(shè)了槽形結(jié)構(gòu)并分析了其穩(wěn)定性和碰磨情況,結(jié)果表明開槽要比無槽好，證明開槽是有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的。而制動鼓作為“旋轉(zhuǎn)機(jī)械”，依舊在國民日常生活、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防軍事中扮演著重要作用[4]。因此可對其內(nèi)表面開干氣密封樣式螺旋槽，增強(qiáng)其內(nèi)表面空氣流速。

本文運(yùn)用CATIA進(jìn)行了制動鼓的三維立體建模，運(yùn)用了ANSYS Workbench 進(jìn)行了鼓內(nèi)表面空氣流速分析及靜力結(jié)構(gòu)分析，可以為后續(xù)鼓式制動器的研究提供理論支持。

1 制動鼓模型結(jié)構(gòu)的建立

選取輪胎內(nèi)徑20 in，則輪轂直徑為

選取制動鼓工作內(nèi)直徑D為420 mm，則制動鼓工作內(nèi)徑與輪轂直徑比值為

根據(jù)國家規(guī)定，貨車制動鼓工作直徑D與輪轂直徑Dr應(yīng)在0.70～0.83 mm范圍內(nèi)，所以制動鼓內(nèi)直徑φ420 mm選取合理。

轎車制動鼓壁厚為7～12 mm，中、重型載貨汽車壁厚為13～18 mm，本文選取壁厚為15 mm。制動鼓工作直徑及制動蹄片寬度尺寸系列ZB T24 005-89如表1所示。

表1 制動鼓工作直徑與制動蹄片寬度選取 mm

制動鼓工作直徑為φ420 mm時選取摩擦片寬度為150 mm，所以將鼓的高度設(shè)置為220 mm。制動鼓在工作時，制動鼓與制動盤相互連接，底盤厚度較多采為20～30 mm，本文取30 mm。

運(yùn)用CATIA進(jìn)行三維建模，建立內(nèi)圓半徑為210 mm、外圓半徑為225 mm的草圖，拉伸高度為220 mm，向內(nèi)拉伸30 mm，如圖1所示。

2 改進(jìn)前鼓內(nèi)流體域空氣流速分析

2.1 邊界條件參數(shù)設(shè)定及載荷工況的設(shè)定

將改進(jìn)前制動鼓模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，對流體域進(jìn)行邊界設(shè)定。

1）模擬工況。卡車的初始速度為60 km/h（即初始速度為v0=16.6734 m/s）

2）邊界條件。定義改進(jìn)前制動鼓及外界空氣初始溫度為20 ℃，流體為空氣，因為模型為裸體圓柱，設(shè)置壁面為旋轉(zhuǎn)條件，流體區(qū)域為鼓內(nèi)封閉區(qū)域，有一個氣體流出面，流體模型為湍流模型。

圖1 改進(jìn)前制動鼓三維模型圖

圖2 改進(jìn)前制動鼓內(nèi)部空氣流速等高線圖

2.2 改進(jìn)前鼓內(nèi)氣體流速分析

改進(jìn)前制動鼓內(nèi)部空氣流速等高線圖如圖2所示，可以看出，改進(jìn)前制動鼓內(nèi)表面空氣流速大約為1.193～1.491 m/s, 最大空氣流速為2.981 m/s。

3 螺旋槽的深度及個數(shù)對制動鼓影響

3.1 改進(jìn)后邊界條件及載荷工況的設(shè)定

將改進(jìn)前制動鼓模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，對流體域進(jìn)行邊界設(shè)定。

1）模擬工況?？ㄜ嚨某跏妓俣葹?0 km/h（即初始速度為v0=16.6734 m/s）。

2）邊界條件。定義改進(jìn)后制動鼓及外界空氣初始溫度為20 ℃，流體為空氣，流體模型為湍流模型，流體區(qū)域不為中心對稱圖形，所以設(shè)置整個流體域，繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，有一個氣體流出面，流體模型為湍流模型。

3.2 螺旋槽頂角到鼓面邊緣的距離對散熱影響

為防止開槽后的螺旋槽減小摩擦片與制動鼓的摩擦面積，根據(jù)鼓高220 mm、摩擦片厚度150 mm、制動底盤厚度30 mm及鼓內(nèi)間隙，先將螺旋槽頂角到制動鼓面邊緣線距離設(shè)置為30 mm。

3.3 螺旋槽深度對鼓散熱影響

取含有螺旋槽形狀、大小、數(shù)目相同，深度不同的制動鼓進(jìn)行仿真。

1）當(dāng)螺旋槽開槽深度取為0.01 mm時，鼓內(nèi)表面空氣流速大約為1.643～2.053 m/s，鼓內(nèi)空氣最大流速為4.106 m/s，如圖3所示。

2）現(xiàn)將開槽深度擴(kuò)大10倍，當(dāng)螺旋槽開槽深度取0.1 mm時,鼓內(nèi)表面空氣流速大約為1.712～2.140 m/s，鼓內(nèi)空氣最大流速為4.28 m/s，如圖4所示。

圖3 槽深為0.01 mm鼓內(nèi)空氣流速等高線圖

圖4 槽深為0.1 mm鼓內(nèi)空氣流速等高線圖

可以發(fā)現(xiàn)，隨著螺旋槽深度的增加，鼓內(nèi)空氣流速在逐漸增大。下面再將螺旋槽深度擴(kuò)大10倍，取開槽深度為1 mm。

3）當(dāng)螺旋槽開槽深度取為1 mm時，鼓內(nèi)表面空氣流速大約為1.770～2.213 m/s，鼓內(nèi)空氣最大流速為4.426 m/s，如圖5所示。

4）當(dāng)螺旋槽開槽深度取9 mm時，鼓內(nèi)表面被穿透，改變了強(qiáng)度，因此選開槽深度為1～8 mm，分別對鼓內(nèi)空氣流速進(jìn)行研究，如表2所示。

圖5 槽深為1 mm鼓內(nèi)空氣流速等高線圖

從表2可以看出，隨著槽深度的增加，鼓內(nèi)空氣流速及內(nèi)表面空氣流速大體上呈現(xiàn)上升趨勢，且在槽深為5 mm和8 mm時，鼓內(nèi)表面空氣流速有較大變化，變化范圍分別為1.787～2.234 m/s和1.795～2.244 m/s。

為了找到開槽深度范圍，現(xiàn)對開槽深度為5.5 mm和8.5 mm鼓內(nèi)空氣流速繼續(xù)仿真研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)槽深度為5.5 mm和8.5 mm時空氣最大流速都為4.491 m/s，鼓內(nèi)表面空氣流速范圍也都為1.796～2.245 m/s。

3.4 螺旋槽深度對制動鼓強(qiáng)度的影響

為了得到一個更為準(zhǔn)確的槽深范圍，現(xiàn)對槽深為5.5 mm和8.5 mm進(jìn)行靜力學(xué)分析，簡化模型，設(shè)置一個固定面，材料為制動鼓材料（灰口鑄鐵），制動鼓整體繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5.3，得到等效應(yīng)力圖分別如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，當(dāng)槽深為5.5 mm時的等效應(yīng)力最大為0.032 528 MPa，當(dāng)槽深為8.5 mm，等效應(yīng)力為0.038 063 MPa。由此可見，當(dāng)鼓表面開槽深度為5.5 mm時鼓的強(qiáng)度較好。由表2可以看出，當(dāng)鼓內(nèi)開槽深度為6 mm時，鼓內(nèi)空氣流速有了下降，所以在制動鼓表面開槽時深度應(yīng)在5.5～6.0 mm間。

表2 不同槽深鼓內(nèi)空氣流速表

圖6 槽深5.5 mm等效應(yīng)力圖

圖7 槽深8.5 mm等效應(yīng)力圖

3.5 螺旋槽個數(shù)對制動鼓影響

取含有螺旋槽形狀、大小、深度相同，數(shù)目不同的制動鼓進(jìn)行仿真。考慮到零件加工時對稱性容易加工，所以將開槽個數(shù)都定為偶數(shù)進(jìn)行仿真。不同槽數(shù)下，鼓內(nèi)空氣流速如表3所示。

由表3 可以看出，隨著開槽數(shù)的增加，制動鼓內(nèi)空氣流速整體呈現(xiàn)增大趨勢，在開槽為8 mm時達(dá)到最大，鼓內(nèi)空氣流速最大值達(dá)到4.495 m/s，鼓內(nèi)表面空氣流速達(dá)到1.798～2.248 m/s，綜上所述，鼓內(nèi)開槽數(shù)為8個時較為合適。

4 結(jié)論

運(yùn)用CATIA借鑒干氣密封螺旋槽的特點(diǎn)，對制動鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，運(yùn)用Workbench 對改進(jìn)后的鼓內(nèi)表面空氣流速及制動鼓強(qiáng)度作了仿真分析。

1）在制動鼓內(nèi)表面開螺旋槽時，深度范圍應(yīng)選取5.5～6.0 mm，螺旋槽個數(shù)應(yīng)選取為8個，有利于鼓內(nèi)表面空氣流速的增加，從而增強(qiáng)了制動鼓的內(nèi)表面散熱；2）制動鼓內(nèi)開螺旋槽有利于增強(qiáng)制動鼓的強(qiáng)度。

表3 不同槽數(shù)下制動鼓內(nèi)空氣流速