基于虚拟仿真技术的液压盘式制动系统性能分析.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.013基于虚拟仿真技术的液压盘式制动系统性能分析姚燕娜,李亚庆（烟台汽车工程职业学院，山东烟台2 6 5 5 0 0）摘要：为确保液压制动系统的可靠性，基于虚拟仿真技术,对液压系统的动力响应和盘式制动器的热力学特性进行了研究和分析。根据液压加载机理推导出有效制动压力计算方法,在恒压制动条件下,基于Car Sim得出分时控制和并行控制方案的轮缸压力响应。采用热机耦合方法，基于ABAQUS得出风冷盘式制动器的瞬态温度场和应力场。研究结果表明，分时控制可实现更短的制动周期，并行控制能够获得更高的轮缸压力，制动系统的效能较高。关键词：液压制动；动力响应；虚拟仿真；控制方案中图分类号：TH137;TD433Abstract:To ensure the reliability of the hydraulic braking system,based on virtual simulation technology,the dynamic response of thehydraulic system and the thermodynamic characteristics of the disc brake were studied and analyzed.Based on the hydraulic loadingmechanism,a calculation method for effective braking pressure was derived.Under constant pressure braking conditions,the wheel cylinderpressure response of time-sharing control and parallel control schemes was obtained based on Car Sim.Using the thermal mechanical couplingmethod,the transient temperature and stress fields of the air-cooled disc brake were obtained based on ABAQUS.The research results indicatethat time-sharing control can achieve shorter braking cycles,parallel control can achieve higher wheel cylinder pressure,and the brakingsystem has higher efficiency.Key words:hydraulic braking;dynamic response;virtual simulation;control plan0引言液压制动系统广泛应用于交通运输、矿山生产、升降控制等领域，其稳定性和可靠性对于设备的安全运行有着关键的影响 1-2 。由于盘式结构的液压制动系统具有更好的散热性能,因此在很多工程应用中逐步取代了闸瓦制动和鼓式制动。为了确保液压制动系统具有良好的效能 3 ,需要对液压控制系统的响应效果和制动器自身的热力学特性进行研究。以汽车液压制动系统为例，制动距离的控制、刹车响应的反馈均是衡量性能的重要指标 4 。为此,基于车辆的液压控制原理，对恒减速液压控制系统进行仿真分析,并在该条件下通过热机耦合方法对制动器的温度场和应力场进行收稿日期：2 0 2 3-10-16基金项目：山东省职业教育教学改革研究项目（2 0 2 2 3 4 1）作者简介：姚燕娜（19 9 0-），女，山东烟台人，讲师，硕士，主要研究方向为液压工程、虚拟仿真等。文献标志码：APerformance Analysis of Hydraulic Disc Brake System Based onVirtual Simulation TechnologyYAO Yan-na,LI Ya-qing(Yantai Automobile Engineering Professional College,Yantai 265500,China)文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 0 6 7-0 5计算。通过虚拟仿真技术的联合运用，为液压系统的优化提供有效的依据，确保液压系统处于最佳的工作状态。1液压制动系统的响应分析1.1液压制动原理与参数计算目前，小型商用和传统家用汽车以液压盘式制动为主，刹车片和制动盘之间采用钳盘式组合方式，实际摩擦区域取决于刹车片表面积。液压系统内的轮缸程对称分布,对于冲击性扭矩的影响较小，利于制动过程中的车身稳定 5 。根据液压推力方式的不同，可将制动系统分为固定性和浮动式。由于固定式液压系统所需的液压缸数量更多，对于液压系统的空间要求较高，部分油路中的汽化问题相对明显,因此制动效率总体上不如浮动式液压制动系统。浮动式液压制动系统的组成如图1所示，制动嵌体在液压油作用下将沿着定位销平移。制动力矩由轮缸控制，右侧刹车片的嵌体67液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期在轮缸反向压力载荷作用下,将与左侧刹车片同步向制动盘中心移动，从而执行核心的液压制动任务。(a)制动状态(b)非制动状态(a)Braking state(b)Non braking state1.制动盘2.制动钳体3.刹车片4.活塞5.液压油人口6.定位销7.连接架图1液压制动系统组成Fig.1 Composition of hydraulic braking system根据内部结构特点，制动盘又分为实心盘和风冷盘两种,其中风冷盘具有中空肋片结构,因此换热能力更强，但是对于压力载荷的响应也更复杂，因此需要对其应力的分布进行分析和验证。在理想条件下，刹车片与风冷盘之间的接触偏差较小，因此实际的制动力矩可计算为：dM,=pdSp=ppdydp式中，从一一摩擦副的滑动摩擦系数P制动钳单位面积内的推力,PaS一一刹车片有效接触面积,mP刹车片的曲率半径，m由于制动钳同步控制两侧的刹车片，因此总的制动力矩为：M,=2u式中，r一一刹车片的内圈半径,mR一刹车片的外圈半径,m依据车辆工程领域对于制动载荷的量化方法，可得出盘式制动器摩擦副的有效制动压力为：PnmPmmP=T(R-r)20式中，P一一液压轮缸的输出力,Nnm一一液压系统的传递效率1.2恒压制动设计恒压制动是衡量液压控制能力的重要指标，为确保压力控制的均衡性,设计并应用液压控制回路如图2所示。可以看出，当液压盘式制动器工作时，为了输出稳定的制动压力，车辆启动后就会向蓄能器作增压处理,待压力达到预设值时,将处于保压状态。在液压系68统中,前轮缸的活塞处在中心位置,被分离的两个油腔内可分别设置油压，与液压管路并联后,能够准确地输出活塞位移。为进一步优化恒压控制效果，液压系统2设置有两种控制方案：并行控制和分时控制，分别用于紧急制动和常规制动。分时控制对于能耗的要求更低，在制动力矩需求较小的情况下，能够降低控制电机的功率 6 。并行制动的原理与电子制动相似 7 ,对于制动压力的响应要求更高，比如确保一个以上的液压缸压力始终大于常规预设值，因此能够在紧急制动条件下获得足够的制动力矩。910611ZMy区4山(1)1.油液过滤器2.变量泵3.控制电机4.9.单向阀5.安全阀6.换向阀7.溢流阀8.制动器10.蓄能器器11.节流阀图2 制动系统的液压回路Fig.2Hydraulic circuit of brake syste1.33系统响应分析为了验证液压系统的控制效果,基于 Car Sim系统对液压回路进行动态响应的仿真分析。定义车辆在满=up0(R-rP)(2)4Pp.2T0(R?-)8载条件下,以低速运行为初始条件，通过恒压10 MPa制动完成减速为0。通过仿真计算，最终得出不同制动控制方式的减速效果和轮缸压力响应结果，分别如图3和图4 所示。可以看出，两种控制方式均有着快速的响应能力，在恒压和低速条件下，分时控制方式有着更短的制动周期,并行控制能够获得更高的轮缸压力。(3)54210Fig.3Comparison of deceleration effects一并行控制-分时控制12t/s图3 减速效果对比345NT11/Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.202416刻1 s之后,局部的热集中现象有减弱趋势;风冷盘中14一并行控制-分时控制128642F0Fig.4Comparison of wheel cylindercontrol response2液压制动器的热力学仿真与分析2.1模型建立热力学特性是衡量液压制动系统稳定性的重要依据。在特定的制动压力下，对液压盘式制动器进行热机耦合仿真。温度场的仿真计算能够得出制动器表面的温度分布，避免局部温度过高导致摩擦系数失效。应力场的仿真结果能够验证结构可靠性，避免风冷盘的中空结构发生失效,确保强度满足工作要求。综合考虑有限元耦合计算的精度和效率，对盘式制动器的结构进行了简化处理，避免对仿真结果影响较小的结构对网格畸变程度造成不良影响。基于SolidWorks建立制动器的参数化模型，导人ABAQUS中进行网格的设置和划分。采用六面体网格类型，以扫略形式进行划分。对风冷盘肋片结构位置进行网格细化，最终得出总的单元数量为18 2 8 0，节点数量为29548，如图5 a所示；为了研究径向方向上的热力学变化规律，设定路径节点如图5 b所示。制动压力设置为10MPa,作用时间为1s,总分析时间为10 s。(a)网格划分结果(b)路径节点设置(a)Mesh division result(b)Path node setting图5制动器模型Fig.5BBrake model2.2温度场仿真通过连续的迭代运算，可得出风冷盘的瞬态温度场云图,如图6 所示。可以看出：风冷盘式制动器对于温度的热传导和热扩散均有着较高的效率，在制动时间的肋片结构对于制动力的分布存在分割性，使得压力载荷不连续,这也是导致温度热点的主要原因之一；由于制动盘的转速较快，环形区域内的非连续接触现象不显著，温度场仍表现出明显对称特点；从传热方向看，风冷盘在轴向的传热速率更高。12t/s图4 轮缸控制响应对比345+2.623e+02+2.361e+02+2.099e+02+1.836e+02+1.574e+02+1.312e+02+1.049e+02+7.870e+01+5.247e+01+2.623e+01+0.000e+00NT11/+1.600e+02+1.467e+02+1.333e+02+1.200e+02+1.067e+02+9.333e+01+7.999e+01+6.666e+01+5.333e+01+4.000e+01+2.666e+01+1.333e+01+0.000e+00图6 瞬态温度场云图Fig.6 Cloud chart of transient temperature field径向方向的温度分布曲线如图7 所示，可以看出：在制动作用的周期内，径向的节点温度在生热、传热和散热的综合作用下呈现出锯齿形上升现象，生热因素占主导；从径向方向看，刹车片中心处的温度最高，靠近主轴中心节点位置的温度值与变化率最小；制动压力消失后,温度在1 3 s范围内急剧下降,最终在热传导和热扩展作用下趋于平衡。2702一250-3-4-5230210190170150130110900Fig.7Radial temperature distribution2.3应力场仿真风冷盘的瞬态应用场云图,如图8 所示。可以看出：在制动力的加载时间内,应力分布与温度分布具有69(a)1.0 s(b)5.0 s24t/s图7 径向温度分布6810液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期相似性,均在摩擦圆环内存在局部集中现象;在极限载荷作用下,制动盘未出现强度问题，肋片位置的应力值最大；风冷盘的残余应力问题较为显著，在制动压力载荷解除时，应力峰值仍处于10 7 Pa的量级中。S,Mises/Pa(Avg:75%)+1.115e+08+1.022e+08+9.289e+07+8.361e+07+7.432e+07+6.503e+07+5.574e+07+4.645e+07+3.716e+07+2.787e+07+1.858e+07+9.289e+06+1.921e-01S,Mises/Pa(Avg:75%)+2.794e+07+2.561e+07+2.328e+07+2.096e+07+1.863e+07+1.630e+07+1.397e+07+1.164e+07+9.314e+06+6.985e+06+4.657e+06+2.328e+06+3.332e-02图8 瞬态应力场云图Fig.8Cloud chart of transient stress field 液压风冷盘式制动器在径向方向的应力分布规律如图9 所示，可看出：由于应力是压力和温度的综合响应结果,因此,径向应力的锯齿形波动与温度变化相似；节点1与节点2 的应力变化趋于一致，节点3 与节点4 的应力变化趋于一致；制动压力消除后,随着温度的下降，残余应力逐渐减小。1.20e+08,12345其性能分析,不但能够有效地节约研发和测试成本，1.00e+08而且能够为结构优化提供有效的依据。通过液压制8.00e+07动系统的响应分析和热力学特性分析，主要得出以下.6.00e+07结论：4.00e+07（1）根据制动工况，液压系统能够切换不同的控.2.00e+070.00e+00.02图9 径向应力分布Fig.9Radial stress distribution2.4实验验证由于模型采用耦合方程计算，并非间接耦合，因此,风冷盘的热力学仿真结果可通过台架试验中的温度测试值进行验证，如图10 所示。可以看出：相同位置节点的温度变化呈现出良好的匹配性，这表明仿真模型具有较高的可靠性和精度。(a)1.0 s(a）实验的安装(a)Installation of experiment27025023021019017015013011090(b)5.0 s0Fig.10Experimental verification results3结论基于液压控制的制动系统对于车辆行驶的可靠性和稳定性有着关键的影响,而通过虚拟仿真技术对制模式,均有着良好的响应效率,其中，对于低速重载46t/s通风口制动器传感器1传感器2一仿真结果试验结果0.20.4(b)温度验证(b)Temperature verification图10 实验验证结果810J0.60.8t/s的车辆，分时控制的制动周期更小，而并行控制时的轮缸压力更高,适用于紧急制动。（2）在恒压制动条件下，模拟液压制动器的热力学特性,结果表明,在整个制动分析过程中,风冷盘式制动器表现出较高的散热效率，但在肋片结构处出现应力和温度的局部应力集中和热集中现象。当制动压1.070Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024力解除后，温度和残余应力均出现快速下降，因此热疲QI Hongyuan,QIN Fangfang,ZHANG Lei.Modeling and劳问题不显著。Stress Analysis of the Brake Hub During the Operation of theHigh-speed Train Unit J.Journal of Mechanical Engineering,参考文献2019,55(5):97-103.1易炳辉,王守城,李明通.插销式升降平台液压系统可靠5廖志坚，徐少亭，李龙，等.中低速磁浮列车基础制动装置性分析 J.液压气动与密封,2 0 2 2,4 2（8）：3 6-4 1.制动效率的影响因素 J.城市轨道交通研究,2 0 2 3,2 6YI Binghui,WANG Shoucheng,LI Mingtong.Reliability(8):151 154.Analysis of the Hydraulic System of the Plug-in LiftingLIAO Zhijian,XU Shaoting,LI Long,et al.Factors AffectingPlatform J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2022,42(8):the Braking Efficiency of the Basic Braking Device of Medium36-41.and Low Speed Maglev Trains J.Urban Mass Transit,2史先欢,汤宝石,张嘉根.液压缸装配可靠性能力分析与改进 J.液压气动与密封,2 0 2 3,4 3（1）：8 3-8 6.SHI Xianhuan,TANG Baoshi,ZHANG Jiagen.ReliabilityAnalysis and Improvement of Hydraulic Cylinder AssemblyJ.Hydraulics Pneumatics&Seals,2023,43(1):83-86.3李留政，王正国，刘贺伟，等.多卷筒提升装备液压制动器同步性能仿真 J.液压与气动,2 0 2 3,4 7（8）：12 4-13 2.LI Liuzheng,WANG Zhengguo,LIU Hewei,et al.Simulationof Synchronous Performance of Hydraulic Brakes in Multi DrumHoisting Equipment J.Chinese Hydraulics&Pneumatics,2023,47(8):124-132.4齐红元，秦芳芳，张蕾.动车组运行状态制动毂建模及应力分析 J.机械工程学报，2 0 19,5 5（5）：9 7 10 3.引用本文：姚燕娜,李亚庆.基于虚拟仿真技术的液压盘式制动系统性能分析 J.液压气动与密封,2 0 2 4,4 4(2）：6 7-7 1.YAO Yanna,LI Yaqing.Performance Analysis of Hydraulic Disc Brake System Based on Virtual Simulation Technology J.HydraulicsPneumatics&Seals,2024,44(2):67-71.+2023,26(8):151 154.6李辉,詹普亚，丁福焰，等.线性涡流制动的制动力特性仿真分析 J.铁道机车车辆,2 0 15,3 5（6）：2 5-2 7,3 1.LI Hui,ZHAN Puya,DING Fuyan,et al.Simulation Analysisof Braking Force Characteristics of Linear Eddy CurrentBraking J.Railway 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