李晉澤 馮文

(中國人民解放軍63820部隊五七五工廠,四川綿陽 621000)

車輛行車制動器的研究現(xiàn)狀及展望

李晉澤 馮文

(中國人民解放軍63820部隊五七五工廠,四川綿陽 621000)

分別對國內(nèi)外車輛行車制動器使用類別、摩擦副間壓力分布規(guī)律、摩擦偶件溫度場及應(yīng)力場的分布、制動噪聲等方面的研究現(xiàn)狀進行了綜述和評價,并對車輛行車制動器的某些研究內(nèi)容提出了新的見解,通過對車輛行車制動器的類別、摩擦片的壓力分布規(guī)律、溫度場和應(yīng)力場和噪聲控制的分析,最后展望了車輛行車制動器的研究方向及其發(fā)展動態(tài)。

行車制動器 制動噪聲 溫度場

1 引言

行車制動器作為關(guān)系車輛安全性能的關(guān)鍵部件，一直以來都被國內(nèi)外研究學(xué)者所關(guān)注。其制動性能的好壞，制動效率的高低將直接影響到交通運輸?shù)陌踩?，而這些都與行車制動器的摩擦特性密切相關(guān)。行車制動器的摩擦特性將直接決定車輛制動系統(tǒng)的整體制動性能。行車制動器的合理選用，對車輛制動時散熱特性、制動效能特性息息相關(guān)。

因此對車輛行車制動器使用類別、摩擦副間壓力分布規(guī)律、摩擦偶件溫度場及應(yīng)力場的分布、制動噪聲、制動過程的影響因素、整體散熱特性進行綜合闡述，對車輛行車制動器的設(shè)計、開發(fā)、以及理論研究都有著至關(guān)重要的作用。

2 車輛行車制動器的類別

根據(jù)車輛的車型及其綜合使用工況，行車制動器通常分為通風(fēng)盤式制動器、鼓式制動器、濕式全封閉多盤制動器等，如圖1所示。三類制動器各有互補的優(yōu)缺點，因此各自應(yīng)用于不同的車型和工況，其中通風(fēng)盤式制動器多用于乘用車前后橋制動器、客貨車前橋制動器；鼓式制動器多用于客貨車后橋制動器；濕式全封閉多盤制動器則多用于非公路礦用自卸車，輪式挖掘機，井下采煤車等工作在惡劣環(huán)境中的重型車輛。

在以上三種制動器中，各自的優(yōu)缺點非常明顯，通風(fēng)盤式制動器的優(yōu)點在于：相對于鼓式制動器，其熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性好；制動力矩與汽車運動方向無關(guān)；其易構(gòu)成雙回路制動系，系統(tǒng)有較高的可靠性和安全性；其幾何尺寸小，質(zhì)量小，散熱較為良好；摩擦襯塊上的制動壓力分布比較均勻，襯塊上摩擦材料所受磨損也很均勻。但是通風(fēng)盤式制動器的主要缺點在于難以完全防止塵污和銹蝕；而且在作駐車制動器時，所需附加的駐車制動驅(qū)動機構(gòu)較復(fù)雜。

而濕式全封閉多盤制動器相比以上兩種制動器來說優(yōu)點更加突出，由于其特殊的全封閉工作環(huán)境，可防水防塵，制動性能穩(wěn)定，不易受外界工作環(huán)境的影響，維護成本低，散熱良好，并且耐磨損，壽命長，摩擦副溫度與普通制動器相比顯著降低。通過改變摩擦盤數(shù)量，即使不增大摩擦片尺寸，也可根據(jù)需求來調(diào)節(jié)制動力矩，且接觸沖擊小，動力傳遞效率高，結(jié)構(gòu)尺寸小，易于布置，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。

在車輛制動系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了減少成本，在不影響整車制動性能的前提下，一般采用前盤后鼓的原則，用于惡劣工況的設(shè)備則選用濕式全封閉多盤制動器。

3 車輛行車制動器摩擦片的壓力分布規(guī)律

車輛制動時摩擦片表面的壓力分布不但影響行車制動器的制動力矩容量、制動熱容量和磨損，而且直接影響摩擦界面上的工作溫度，從而影響熱衰退性能、造成熱平衡失穩(wěn)及產(chǎn)生熱裂紋。制動器制動過程中摩擦副間溫度分布不均勻，會導(dǎo)致局部溫度過高，使該處熱膨脹量大于摩擦副其他接合處，一旦摩擦界面上的小塊面積開始承受不均勻的載荷且其溫度比周圍表面高，它將膨脹并形成“熱斑”。局部熱斑的形成會導(dǎo)致制動壓力不均勻分布的持續(xù)惡化，這又造成局部溫度進一步升高，加劇摩擦界面表面溫度梯度的變化，最終導(dǎo)致熱機失穩(wěn)。制動而產(chǎn)生的瞬時高溫使摩擦副和附近零件溫度升高，高溫會使得摩擦材料的摩擦系數(shù)下降，導(dǎo)致熱衰退，磨損加劇，嚴(yán)重時使摩擦材料損壞，對偶零件產(chǎn)生龜裂或撓曲，附近軸承潤滑油脂變稀而流失，或間隙變小而膠合。在汽車盤式制動器中，該問題尤為突出，從而降低了汽車剎車性能，并造成較大的經(jīng)濟損失。因此，摩擦界面間壓力分布是否合理直接決定著制動性能的好壞和使用壽命的長短。

4 行車制動器摩擦副的溫度場和應(yīng)力場

車輛制動時通常會產(chǎn)生大量的熱量，由溫度的不均勻而產(chǎn)生的高溫點所引起的摩擦片局部燒損或翹曲和裂紋的現(xiàn)象，也成為車輛行車制動器常見的失效形式。摩擦副溫度場和應(yīng)力場的獲得可通過解析法、數(shù)值法和試驗等方法[1]。幾何形狀和邊界條件比較簡單的情況下，運用解析法可獲得較為精確的求解。

隨著有限元技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，利用計算機對摩擦副熱應(yīng)力場進行數(shù)值仿真，如圖2所示，已是目前研究濕式多盤制動器的主要手段。文獻[2]在假定濕式多盤制動器各摩擦副間襯片壓力沿徑向均布相等的前提下，建立了以摩擦盤橫截面中軸線為對稱線的溫度場有限元分析模型；文獻[3]利用有限元間隙單元針對整個濕式多盤制動器各摩擦副間襯片壓力分布規(guī)律，建立了軸對稱溫度場和應(yīng)力場的有限元分析模型，并闡述了摩擦襯片彈性模量對制動器對偶鋼盤溫度和應(yīng)力的影響，提出了濕式多盤制動器的等熱流密度設(shè)計原則，并討論了冷卻油與摩擦副間對流換熱現(xiàn)象對行車制動器摩擦副特定溫度點的影響。

5 行車制動器的噪聲控制

早期對制動時的制動尖叫現(xiàn)象一般簡單地歸結(jié)為當(dāng)靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)或動摩擦系數(shù)隨相對滑動速度的變化率小于零時，制動摩擦系統(tǒng)的自激振動問題。早期通常采用純試驗方法研究鼓式制動器的制動尖叫，通過增加底板剛度，抑制制動尖叫噪聲。進入20世紀(jì)80年代中后期，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，逐步從簡化模型進入對實際制動器結(jié)構(gòu)的研究，定量地解釋制動噪聲的各類現(xiàn)象。關(guān)于制動噪音的研究大多集中在干式制動器(盤式、鼓式等)，有限元、模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)閉環(huán)耦合模式等研究方法較為成熟。齊鋼[4]等借助有限元和模態(tài)綜合技術(shù)建立了盤式制動器制動尖叫摩擦耦合模型，通過復(fù)特征分析，得到對應(yīng)于每階振動模態(tài)的阻尼與頻率，模態(tài)阻尼值揭示了哪些模態(tài)不穩(wěn)定并可能產(chǎn)生尖叫，最后運用耦合模型研究了摩擦系數(shù)和子結(jié)構(gòu)模態(tài)對制動尖叫的影響。楊國俊[5]等從制動器振動的角度探討了制動尖叫噪聲分析方法，在制動器摩擦閉環(huán)耦合模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了系統(tǒng)尖叫模態(tài)的饋入能量計算方法。通過基于振動頻率的分析，可較直觀地看出一些結(jié)構(gòu)參數(shù)對制動噪聲的影響，如摩擦系數(shù)、制動塊形狀、剛度及有重要影響的子結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，并有助于分析抑制噪聲的結(jié)構(gòu)修改方案。該方法對制動器結(jié)構(gòu)振動噪聲的分析具有指導(dǎo)意義。

6 結(jié)語

行車制動器在車輛中的使用中必不可少，其研究工作方興未艾。針對其廣泛的用途以及多樣的結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)外專家學(xué)者對行車制動器的研究方向和方法的選擇也不盡相同，有的從理論方面進行專題研究，有的從臺架試驗方面進行實踐研究。然而要對行車制動器進行完整的性能分析，還要從以下幾個方面進一步研究：

(1)行車制動器在制動過程中壓力分布與溫度場及磨損存在典型的熱機耦合，應(yīng)將壓力分布與熱傳導(dǎo)及磨損作為統(tǒng)一的耦合問題來研究，并采用彈塑性理論來求解熱應(yīng)力場；

(2)由于實際摩擦界面表面為粗糙表面，應(yīng)研究粗糙表面的粗糙峰模型，并在該微凸體粗糙峰模型的基礎(chǔ)上研究制動器摩擦磨損熱動力學(xué)；

(3)現(xiàn)今對行車制動器的研究中，缺乏對摩擦材料熱物理特性的深入研究，未來可考慮對特定的制動材料配對進行包括材料熱物理參數(shù)在內(nèi)的整個摩擦、磨損研究。隨著高新技術(shù)的不斷應(yīng)用與發(fā)展及新材料的不斷出現(xiàn)，車輛行車制動器的理論與試驗研究內(nèi)容也將會得到不斷更新與發(fā)展。

[1]朱華,陸斌斌,歷健全.摩擦學(xué)問題研究的非線性理論方法[J].機械工程學(xué)報,2010,46(15):82-86.

[2]Gao Chenghui,Lin Xiezhao.Transient temperature field analysis of brake in no axis metric three-dimensional model[J].Journal of Materials Processing Technical,2002,129(1-3).

[3]吳磊,溫澤峰,金學(xué)松.車輪全滑動輪軌摩擦溫升三維有限元分析[J].機械工程學(xué)報,2008,44(3):57-63.

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表3 經(jīng)濟指標(biāo)對比

3 主傳動系統(tǒng)的比較

上述兩種傳動控制方式在國內(nèi)均有廣泛應(yīng)用，完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求。在系統(tǒng)的構(gòu)成及控制策略上各有千秋，比較如表2，表3所示。

表2，表3中的經(jīng)濟指標(biāo)對比是以目前的市場價格為依據(jù)的，僅作為參考。

4 節(jié)電效益

據(jù)調(diào)查，河北的某1780mm熱連軋生產(chǎn)線，采用的交-直-交變頻主傳動系統(tǒng)，自投產(chǎn)以來噸鋼電耗始終穩(wěn)定在8 0KWh/t-90KWh/t，而廣西的同樣的1780mm熱連軋生產(chǎn)線，采用交-交變頻主傳動系統(tǒng)，自投產(chǎn)以來噸鋼電耗始終穩(wěn)定在90KWh/t-100KWh/ t。相比較可以看出，前者的噸鋼電耗至少低約10KWh/t。

若按照1780mm熱連軋生產(chǎn)線的設(shè)計產(chǎn)能約350萬噸計算，噸鋼電耗每降低10KWh/t，一年就可以節(jié)約用電約3500萬KWh。工業(yè)用電價格按照0.5元/KWh 計算，則相應(yīng)的每年可以節(jié)約電費約1750萬元。

5 結(jié)語

通過上述對比可以看出，相對于交-交變頻主傳動系統(tǒng)，雖然交-直-交變頻主傳動系統(tǒng)的初次投資比較高，但是其經(jīng)濟、技術(shù)指標(biāo)優(yōu)勢顯著，特別是投產(chǎn)兩年以后，在企業(yè)用電管理得當(dāng)、生產(chǎn)線正常運行的前提下，節(jié)電產(chǎn)生的經(jīng)濟效益將非?？捎^。

參考文獻:

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