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)
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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