周彬，張振華，王歡銳

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

淺談國(guó)內(nèi)重卡制動(dòng)鼓失效的原因

周彬，張振華，王歡銳

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

本文首先描述了目前國(guó)內(nèi)制動(dòng)鼓存在的龜裂、掉底、斷裂的失效模式，接著從制動(dòng)鼓材質(zhì)、組織、配合、工況及使用方面對(duì)其失效進(jìn)行原因分析并歸納整理。

龜裂；片狀石墨；輪輞

CLC NO.: U463.5 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2014)09-10-03

前言

在汽車的制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)鼓是其主要部件之一，隨著汽車向高速重載方向的發(fā)展，制動(dòng)鼓的失效問(wèn)題成為行業(yè)不可忽視的排名前十的售后失效模式。當(dāng)制動(dòng)鼓發(fā)生龜裂或斷裂失效后，會(huì)嚴(yán)重威脅人們的安全。目前國(guó)內(nèi)各制動(dòng)鼓生產(chǎn)廠家、車橋廠、主機(jī)廠及高校從各個(gè)方面對(duì)制動(dòng)鼓的失效進(jìn)行分析改進(jìn)，以期延長(zhǎng)制動(dòng)鼓的使用壽命。

1、制動(dòng)鼓的失效模式

目前，根據(jù)各主機(jī)廠售后三包件統(tǒng)計(jì)，制動(dòng)鼓失效主要包括以下幾種：開(kāi)裂、龜裂、掉底及磨損。其中，掉底失效多發(fā)生于前橋，而斷裂、龜裂及磨損好發(fā)于中、后橋，尤其以后橋最嚴(yán)重。

根據(jù)某公司2011年統(tǒng)計(jì)，制動(dòng)鼓總體行駛里程發(fā)生在1-3萬(wàn)公里的故障數(shù)最高，占總故障數(shù)的46.71%，其次是0-1萬(wàn)公里外，占26.14%，5萬(wàn)公里以上的僅占10.35%。按車型統(tǒng)計(jì)，6*4車型的制動(dòng)鼓失效占到60%以上，這種車型主要為自卸車，用于礦區(qū)，其速度不高，但載重量較大，最終導(dǎo)致制動(dòng)鼓失效平均里程減少，龜裂和斷裂失效頻率增大。

2、制動(dòng)鼓失效原因分析

2.1 制動(dòng)鼓材質(zhì)

制動(dòng)鼓的硬度及摩擦系數(shù)影響其制動(dòng)性能，高的硬度可以提高其耐磨性，但過(guò)高的硬度又會(huì)降低其摩擦系數(shù)，為兼顧兩者[1]，必須嚴(yán)格規(guī)定制動(dòng)鼓的化學(xué)成分、組織及性能。

文獻(xiàn)[2],[3]指出，制動(dòng)鼓碳硅當(dāng)量保證在3.8-4.0之間，同時(shí)Si/C推薦值為0.6-0.9，添加一定量的Cu、Cr，或其他諸如V、Ti、Sn、Nb等微合金元素，制動(dòng)鼓各項(xiàng)性能較好。國(guó)內(nèi)目前有從材料角度提高制動(dòng)鼓強(qiáng)度到300MPa以上的，即降低碳當(dāng)量，犧牲導(dǎo)熱性，這會(huì)帶來(lái)加工性能惡化的問(wèn)題以及制動(dòng)嘯叫問(wèn)題；碳當(dāng)量過(guò)高，制動(dòng)鼓強(qiáng)度、硬度降低，易于發(fā)生早期磨損及掉底現(xiàn)象。

2.2 制動(dòng)鼓金相組織及硬度

文獻(xiàn)[4]指出，制動(dòng)鼓基體硬度在190-210之間，珠光體含量在95%以上時(shí)，制動(dòng)鼓摩擦磨損性能較好。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的為HT250制動(dòng)鼓，A型片狀石墨，石墨長(zhǎng)度3-5級(jí)，不允許存在其他類型的石墨，如圖2所示的B型過(guò)冷石墨，會(huì)降低制動(dòng)鼓基體強(qiáng)度。

有文獻(xiàn)[5]指出，石墨形態(tài)為蠕蟲(chóng)狀的鑄鐵強(qiáng)度比灰鐵高得多，導(dǎo)熱性能比球鐵好，彈性模量比球鐵小，應(yīng)力集中系數(shù)比灰鐵小[6]，因此其抗熱疲勞性能好于球鐵、球鐵好于灰鐵。

蠕墨鑄鐵可以達(dá)到340MPa以上強(qiáng)度，塑性達(dá)到1.5%以上，由于石墨端部形態(tài)圓鈍，如圖4，疲勞強(qiáng)度比灰鐵可以提高一倍，剛度提高50%，而熱疲勞沖擊試驗(yàn)結(jié)果：900℃加熱45S，水中冷卻至20℃保持15 S，灰鐵220次循環(huán)出現(xiàn)裂紋，蠕鐵275次出現(xiàn)裂紋。但是，要保證蠕化率超過(guò)80%，目前國(guó)內(nèi)能穩(wěn)定大批量生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的廠家僅個(gè)別幾家，因而不能有穩(wěn)定的供貨能力，其次，蠕墨鑄鐵的導(dǎo)熱率也將由50-67(W/m.K)減至36--48 (W/m.K)，其影響是必須要考慮并加以仔細(xì)驗(yàn)證的。因?yàn)樵诳焖傩旭偟那闆r下，蠕墨鑄鐵會(huì)因?yàn)閷?dǎo)熱性不足，可能導(dǎo)致制動(dòng)過(guò)熱而出現(xiàn)不安全事故。

2.3 制動(dòng)鼓與其他件的配合

制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄總成的蹄鼓間隙、輪輞與制動(dòng)鼓結(jié)合面的平面度、車輪螺栓松動(dòng)與否、制動(dòng)底板兩端孔與中間與橋管配合大孔的位置度都會(huì)影響摩擦片與制動(dòng)鼓的接觸受力。某公司對(duì)底板兩孔位置度為0.8時(shí)的蹄鼓接觸印跡進(jìn)行了檢測(cè)，如圖5所示，蹄面接觸分布非常不均勻，而且差別非常明顯，試驗(yàn)中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)鼓，總在某個(gè)固定位置轉(zhuǎn)動(dòng)非常吃力，即使是合格的制動(dòng)底板也一樣，測(cè)量制動(dòng)鼓跳動(dòng)在這個(gè)位置是0.21，而制動(dòng)鼓拆下來(lái)測(cè)量鼓面跳動(dòng)0.07。這個(gè)結(jié)果也表明，即使裝配中測(cè)量蹄鼓間隙，也不能完全真實(shí)的反映接觸均勻情況，因?yàn)樘忝骈_(kāi)口側(cè)和內(nèi)側(cè)的接觸有可能是不一樣的。

輪輞平面度的規(guī)定，在國(guó)外一般規(guī)定為0.3mm，而國(guó)產(chǎn)化后均放寬到了1mm，經(jīng)驗(yàn)得出，當(dāng)輪輞平面度超過(guò)0.3mm后，裝配使用后，由于接觸面不平，車輪螺栓受力不均，極

易發(fā)生松動(dòng)、滑絲或斷裂，導(dǎo)致輪轂與制動(dòng)鼓貼實(shí)度差，接觸印跡較差，如圖6，局部受力較大，輪輞發(fā)生扭曲變形或開(kāi)裂，制動(dòng)鼓底部邊緣啃傷，進(jìn)而失效。

2.4 工況及使用情況

不同工況，關(guān)注的焦點(diǎn)不同，解決制動(dòng)鼓失效的辦法也應(yīng)該有所不同。比如，城市公交車頻繁制動(dòng)，帶來(lái)的可能在30-40公里每小時(shí)的行駛速度后就出現(xiàn)的200℃甚至還高的高溫；牽引車在道路不寬、交通繁忙的高速公路上的高速行駛制動(dòng)；自卸車的相對(duì)低速、超載嚴(yán)重、路面惡劣下的制動(dòng)。

隨著目前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的鑄造車橋被用于自卸車，制動(dòng)鼓失效的情形發(fā)生了變化，表現(xiàn)在前鼓的龜裂和掉底日益增多，大約50%的失效鼓其底面出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象；其次，制動(dòng)鼓失效比例與前幾年比增加一倍以上，行駛里程降到2.4萬(wàn)公里（前幾年故障里程為3萬(wàn)公里）。自卸車在礦山速度較低，而此時(shí)，造成制動(dòng)鼓失效的主要原因就在于其惡劣的路面狀況和超額的載荷，如在內(nèi)蒙運(yùn)行的某水泥攪拌車在負(fù)荷交大、下長(zhǎng)坡、頻繁制動(dòng)、行駛速度 40-50Km的工況下，制動(dòng)鼓在1.5萬(wàn)公里時(shí)就發(fā)生了過(guò)熱，表層0.6mm范圍出現(xiàn)針狀馬氏體，如圖7，這表明鼓表層溫度應(yīng)該在900℃左右，以這樣高的表層溫度，短時(shí)間內(nèi)制動(dòng)鼓必然發(fā)生龜裂。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：循環(huán)的最高溫度對(duì)龜裂有較大影響，隨最高溫度越高，首次出現(xiàn)裂紋的次數(shù)迅速降低。

目前很多用戶為降低制動(dòng)鼓制動(dòng)時(shí)的溫度，都會(huì)選擇自裝淋水裝置，但使用方法不當(dāng)也會(huì)造成鼓的早期失效。如某公司車橋用于水泥攪拌車上，使用工況為滿載下坡，車流量大，需要頻繁制動(dòng)，用戶自裝淋水系統(tǒng)，但該淋水裝置并不能覆蓋整個(gè)制動(dòng)鼓外表面，根據(jù)對(duì)舊件的解剖分析，發(fā)現(xiàn)頻繁制動(dòng)，造成制動(dòng)鼓失圓變形，形成結(jié)構(gòu)應(yīng)力，同時(shí)淋水時(shí)冷卻不及時(shí)、不均勻又形成熱應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力及熱應(yīng)力作用下，制動(dòng)鼓發(fā)生早期龜裂失效。若在制動(dòng)前開(kāi)啟淋水裝置，使用排氣制動(dòng)，或緩速器等，對(duì)制動(dòng)鼓過(guò)熱龜裂問(wèn)題的解決會(huì)很有幫助。

2.5 其他

引起制動(dòng)鼓失效的原因，除了以上幾點(diǎn)，制動(dòng)鼓的結(jié)構(gòu)、散熱方式、制動(dòng)蹄片的質(zhì)量、輪轂軸承的滑轉(zhuǎn)等都會(huì)影響，而且近幾年為解決制動(dòng)疲軟，采用了更大的制動(dòng)器氣室和氣壓：24—28---30″、0.8—0.9MPa，這樣制動(dòng)鼓將承受更大的接觸壓力和應(yīng)力！

3、結(jié)論

制動(dòng)鼓失效原因眾多，本文僅總結(jié)歸納以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）灰鐵制動(dòng)鼓的碳硅當(dāng)量、石墨形態(tài)、珠光體含量及硬度等都會(huì)影響其性能；

（2）蠕墨鑄鐵制動(dòng)鼓其抗熱疲勞性能較好，但不太適于連續(xù)下長(zhǎng)坡的工況，其導(dǎo)熱性能較差；

（3）與制動(dòng)鼓相配的底板孔位置度、輪輞平面度（控制在0.3較好）均需嚴(yán)格控制；

（4）重載、頻繁制動(dòng)、惡劣路況及司機(jī)制動(dòng)后淋水、不使用排氣制動(dòng)等都會(huì)加速制動(dòng)鼓的失效。

[1] 陳翌慶,蘇勇等.提高汽車制動(dòng)鼓耐磨性的研究[J].熱加工工藝,2000,(3):28.

[2] 胡家聰，袁亞娟.對(duì)提高缸體和缸蓋鑄件材質(zhì)的幾點(diǎn)看法[J].現(xiàn)代鑄鐵，1 998,(2).

[3] 陸文華.鑄鐵及其熔煉[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[4] 周順隆等.制動(dòng)摩擦材料試驗(yàn)方法研究[J].摩擦磨損,1980,(1).

[5] 孫小撈,賈利曉等.石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵熱疲勞性能的影響[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2006,4.

[6] 黃惠松，盛達(dá)等.蠕墨鑄鐵.北京：清華大學(xué)出版社，1982.

Discuss on the failure cause of domestic heavy trucks’ brake drums

Zhou Bin, Zhang Zhenhua, Wang Huanrui
（Shaanxi Hande axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

This paper firstly describe the present dominant failure mode for domestic heavy trucks’ brake drums, then the reasons were analyzed and summed up from the aspects of material, microstructure, parts’ cooperation, the varying run conditions and the drivers’ habits.

cracking; flake graphite; rim

U463.5

B

1671-7988(2014)09-10-03

周彬，就職于陜西漢德車橋有限公司。