趙剛，王俊偉，周福庚

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

6x4牽引車制動(dòng)盤溫度分析

趙剛，王俊偉，周福庚

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通過對(duì)制動(dòng)盤建立散熱模型，分析制動(dòng)盤的熱平衡溫度，并提出降溫措施。其中，增加制動(dòng)盤的散熱時(shí)間，增加輔助制動(dòng)裝置以有效地分擔(dān)制動(dòng)盤的負(fù)荷，有效地降低制動(dòng)盤的溫度。同時(shí)對(duì)于6x4牽引車匹配半掛車組成的列車在下長(zhǎng)坡時(shí)的制動(dòng)盤溫度進(jìn)行分析，提出多種輔助制動(dòng)裝置經(jīng)過匹配后可以得到更好的制動(dòng)性能，降低制動(dòng)盤的負(fù)荷。

熱平衡溫度；對(duì)流換熱；輔助制動(dòng)

1 概述

目前牽引車匹配盤式制動(dòng)器的配置越來越多，歐洲多數(shù)采用全盤制動(dòng)器和緩速器的配置狀態(tài)。國內(nèi)多數(shù)采用前盤后鼓狀態(tài)，少數(shù)匹配全盤制動(dòng)器，極少數(shù)車型匹配緩速器。盤式制動(dòng)器因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有更好的散熱性能，但由于制動(dòng)盤一般相對(duì)于同等規(guī)格的制動(dòng)鼓重量更輕，其熱容量也更小，因此本文對(duì) 6x4牽引車的前橋盤式制動(dòng)器的熱容量進(jìn)行分析。

2 制動(dòng)盤傳熱模型建立

制動(dòng)盤與摩擦片摩擦產(chǎn)生大量的熱，這些熱量一部分通過熱傳遞散發(fā)，一部分集聚在制動(dòng)盤上使制動(dòng)盤的溫度急劇上升，兩部分又相互影響，溫度越高，傳熱越快。對(duì)制動(dòng)盤而言，當(dāng)輸入的熱量一定時(shí)，制動(dòng)盤溫度升高到一定程度，散發(fā)的熱量與輸入的熱量相等時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生熱平衡，溫度不再上升，此時(shí)的溫度為當(dāng)前工作狀態(tài)的最高溫度。

制動(dòng)盤對(duì)輪轂和摩擦片均會(huì)進(jìn)行熱傳遞，但由于摩擦片的導(dǎo)熱系數(shù)較小，制動(dòng)盤對(duì)輪轂的導(dǎo)熱面積較小，其進(jìn)行熱傳遞的量相比制動(dòng)盤的對(duì)流換熱量較小，因此忽略制動(dòng)盤的熱傳遞。同時(shí)，制動(dòng)盤被輪輞包圍，類似封閉空間，制動(dòng)盤對(duì)輪輞熱輻射傳熱時(shí)，輪輞也對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行輻射傳熱，溫度較低時(shí)其實(shí)際傳熱量較小，忽略制動(dòng)盤的輻射傳熱。即只考慮制動(dòng)盤的對(duì)流換熱。

當(dāng)總質(zhì)量為m車輛在坡度為θ的坡道上以速度為v下長(zhǎng)坡勻速行駛時(shí)：

圖1 制動(dòng)盤散熱圖示

dt時(shí)間內(nèi)對(duì)單個(gè)制動(dòng)盤的加熱能力為：

dt時(shí)間內(nèi)單個(gè)制動(dòng)盤的散熱能力為：

制動(dòng)盤dt時(shí)間內(nèi)的溫升：

上述式(1)至式(3)中，β為制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)，h為制動(dòng)盤對(duì)流換熱系數(shù)（20-100w/（m2.℃）[1]），S為制動(dòng)盤摩擦面面積(m2)，T為制動(dòng)盤的溫度(℃)，c為制動(dòng)盤的比熱容（470J/（kg.℃）），md 為制動(dòng)盤的質(zhì)量(kg)[2]。

由上述式子可知，在勻速下長(zhǎng)坡時(shí)，制動(dòng)盤的溫度是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。

可以解得：

從上式可知，制動(dòng)盤的溫度上升到一定程度時(shí)，其加熱量與散熱量相等，溫度不再上升，此時(shí)制動(dòng)盤處于熱平衡狀態(tài)，制動(dòng)盤熱平衡的溫度Tc：

從式(5)中可以看出，熱平衡溫度與整車的熱量輸入和散熱能力有關(guān)，而與制動(dòng)盤的熱容量無關(guān)。若要控制制動(dòng)盤溫度，則需要控制熱量輸入或提高散熱能力。

3 牽引車單車制動(dòng)盤溫度分析

根據(jù)摩擦片的性能可知，當(dāng)制動(dòng)盤的溫度超過300℃后，摩擦片材料可能發(fā)生分解，其摩擦系數(shù)等性能將急劇變差，制動(dòng)性能衰退嚴(yán)重，影響行駛安全。因此后續(xù)計(jì)算以 300℃為制動(dòng)盤的溫升判別值。

6x4牽引車涉及相關(guān)參數(shù)如下：整車總質(zhì)量m為25T（考慮單車滿載），道路下坡度取4%，車速60km/h，制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)為0.33，制動(dòng)盤對(duì)流換熱系數(shù)h取60w/（m2.℃），制動(dòng)盤面S面積為0.2m2，制動(dòng)盤面質(zhì)量md為20kg，下坡過程中不考慮行駛阻力的影響。

可得溫度與時(shí)間關(guān)系為：

從上式(6)可知，制動(dòng)盤理論熱平衡的溫度為2250℃，實(shí)際上制動(dòng)盤和摩擦片材料的工作溫度遠(yuǎn)低于此溫度，即此時(shí)溫升若不控制，將直接導(dǎo)致制動(dòng)失效。

根據(jù)式(6)可以計(jì)算得出，當(dāng)T=300℃時(shí)，t=112s，即112s后制動(dòng)盤溫升達(dá)到300℃，此時(shí)車輛行駛約1.87km。顯然，此制動(dòng)盤的工作能力遠(yuǎn)不能滿足整車的使用需求。

4 制動(dòng)盤降溫措施

4.1 提高散熱能力

制動(dòng)盤包圍在車輪輪輞內(nèi)，其結(jié)構(gòu)本身不具備較好的散熱能力，同時(shí)，制動(dòng)盤散熱相當(dāng)于強(qiáng)制風(fēng)冷，其最大的換熱系數(shù)約為100w/（m2.℃）[1]，散熱能力極其有限。

市場(chǎng)上不少用戶加裝淋水裝置，對(duì)制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓淋水，以達(dá)到重載下坡時(shí)對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行降溫。水強(qiáng)制對(duì)流的換熱系數(shù)為 1000-15000w/（m2.℃）[1]，是空氣散熱能力至少 10倍以上，淋水裝置可以輕松地將制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓的熱平衡溫度降到300℃以內(nèi)。

但是，對(duì)高溫的制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓淋水，容易導(dǎo)致制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓開裂損壞，同時(shí)使用后的水遺留在道路上，在冬天有可能結(jié)冰，容易導(dǎo)致其他的過往車輛行駛不安全。

4.2 降低熱量輸入

從前面的論述中可以知道，減小載質(zhì)量，降低下坡時(shí)的行駛速度，可以降低制動(dòng)盤的熱量輸入，但低載質(zhì)量和低行駛速度會(huì)使得車輛的運(yùn)輸效率急劇降低，顯然不可取。

另一種方法是采用較好的輔助制動(dòng)系統(tǒng)，其能吸收較多的熱量，降低制動(dòng)盤的熱量輸入。以前文中的6x4牽引車為例，若制動(dòng)盤的熱平衡溫度控制在 300℃，則輔助制動(dòng)系統(tǒng)需要承擔(dān)142kw的熱量輸入，全車所有制動(dòng)器承擔(dān)約21kw的熱量輸入。

當(dāng)整車質(zhì)量、坡度、行駛速度進(jìn)一步提升時(shí)，則輸入的熱量更大，但制動(dòng)器能夠承擔(dān)的熱量輸入相對(duì)比整車的熱量輸入非常小，必須匹配輔助制動(dòng)系統(tǒng)來分擔(dān)。

根據(jù)前期的輔助制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下表數(shù)據(jù)：

表1 各輔助制動(dòng)的最大制動(dòng)功率

上表1中，液力緩速器自身的最大制動(dòng)功率大于300kw，但整車散熱器的散熱能力達(dá)不到更大，其最大制動(dòng)功率受到限制。

從上表1中可知，要滿足制動(dòng)盤的溫度要求，至少要選擇發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)才能滿足整車滿載下長(zhǎng)坡的要求。

5 列車下長(zhǎng)坡時(shí)制動(dòng)盤溫度分析

6x4牽引車帶三軸半掛車所組成的汽車列車，滿載總質(zhì)量49T，以勻速60km/h在坡度為4%的道路上下長(zhǎng)坡，假定所有制動(dòng)器的參數(shù)一致。當(dāng)輔助制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)，所需要的制動(dòng)功率將達(dá)到320kw，即使匹配液力緩速器，其最大制動(dòng)功率也達(dá)不到要求，需要主制動(dòng)器介入工作，即液力緩速器最大制動(dòng)功率300kw加上主制動(dòng)器制動(dòng)功率21kw。此時(shí)制動(dòng)盤的溫升已接近 300℃。若進(jìn)一步提高車速或道路坡度，列車下坡將存在安全危險(xiǎn)。

上述為輔助制動(dòng)系統(tǒng)的理想狀態(tài)，即在 60km/h的速度時(shí)，輔助制動(dòng)系統(tǒng)剛好達(dá)到最大制動(dòng)功率。實(shí)際因?yàn)閭鲃?dòng)系的速比匹配與輔助制動(dòng)系統(tǒng)工作性能最優(yōu)區(qū)間存在差異，最大制動(dòng)功率發(fā)揮的速度段有較大差異，輔助制動(dòng)性能還可能降低[3]。

因此，多數(shù)高端牽引車在匹配液力緩速器的同時(shí)，還匹配了排氣輔助制動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，二者進(jìn)行較好地補(bǔ)充后，可以提高更大的輔助制動(dòng)力，即可提高滿載列車下長(zhǎng)坡時(shí)的行駛速度和更大的坡度適應(yīng)性[3]。

6 總結(jié)

整車下長(zhǎng)坡制動(dòng)時(shí)，風(fēng)冷制動(dòng)盤的熱平衡溫度通常非常高，其與制動(dòng)盤的熱容量無關(guān)，只與輸入熱量和散熱能力有關(guān)。但制動(dòng)盤的熱容量直接影響單次制動(dòng)的溫升大小。

制動(dòng)盤的散熱能力相比于整車整車運(yùn)行時(shí)的熱量輸入非常小，需要整車匹配性能良好的輔助制動(dòng)系統(tǒng)來分擔(dān)下長(zhǎng)坡絕大部分熱量。

牽引車列車由于載質(zhì)量大，行駛速度高，行駛范圍廣，需要匹配制動(dòng)能力更好的一種或多種輔助制動(dòng)系統(tǒng)來提高下長(zhǎng)坡的制動(dòng)性能。

[1] 楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1980.

[2] 余志生主編. 汽車?yán)碚摚ǖ谒陌妫M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] 王恒凱.商用車輛持續(xù)制動(dòng)裝置對(duì)我國山區(qū)高速公路適應(yīng)性研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2012.

An analyzing for the tempurature of braking disc in 6x4 tractor

Zhao Gang, Wang Junwei, Zhou Fugeng
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, a heat dissipation model was built to analyze the braking disctemperature. Effective cooling can be achieved by extending the cooling time, and adding the auxiliary braking devices to share the load of the disc. Further thermal analysis of the braking disc on a combination vehicle with 6x4 tractor and semi-trailer when driving on a long slope,concludes that matching auxiliary braking devices can bring better braking performance.

banance temperature; convective heat transfer; auxiliary braking

CLC NO.: U463.91 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-91-03

U463.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-91-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.029

趙剛（1982-），男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，從事重型卡車設(shè)計(jì)。