曾繁卓,李偉,王應(yīng)國,雷文,任學(xué)良,翟翊

(中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

0 引言

目前，重型商用車普遍安裝氣壓鼓式制動器，與其他結(jié)構(gòu)的制動器相比，它具有制動力矩大、結(jié)構(gòu)相對簡單以及價格便宜等優(yōu)勢，但是頻繁制動后鼓式制動器的溫升會導(dǎo)致制動效能急劇下降，出現(xiàn)制動熱衰退現(xiàn)象的缺點(diǎn)也十分明顯，這種現(xiàn)象在車輛超載、超速行駛時更為顯著[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，重型商用車出現(xiàn)制動失效的故障絕大部分是由熱衰退引起的。因此，探究車輛載荷、行駛速度和制動距離對制動熱衰退的影響尤為重要。

國內(nèi)對鼓式制動器熱衰退的研究主要是通過選定某一試驗(yàn)車型在某典型高速公路的長下坡路段進(jìn)行實(shí)地測試，記錄制動鼓表面的溫度，分析制動鼓溫度與坡長、坡度、車速和車重的關(guān)系。這類研究的不足之處在于測試過程情況復(fù)雜，一致性難以保證；另外，實(shí)車測試只能記錄制動鼓外表面的溫度，缺乏對熱衰退過程中制動力矩的監(jiān)測。此次研究結(jié)合汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 239-2015《商用車輛行車制動器技術(shù)要求及臺架試驗(yàn)方法》，應(yīng)用重型商用車制動器慣性試驗(yàn)臺架，模擬東風(fēng)某重型商用車的氣壓鼓式制動器在長下坡持續(xù)制動工況下，分析車速、載荷和制動距離對制動器溫升的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)顧永田[2]對312國道馬家坡和藍(lán)小路兩個長下坡路段所經(jīng)過車輛的統(tǒng)計分析中發(fā)現(xiàn)，貨車生產(chǎn)廠家中東風(fēng)商用車占比高達(dá)71%，貨車軸型中三軸載貨車比例為42%。因此，此次選用東風(fēng)商用車公司生產(chǎn)的某三軸車型的鼓式制動器作為研究對象具有一定的普遍性。結(jié)合蘇波等人[3]根據(jù)跟車及問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大貨車在長下坡路段車速為40～65 km/h，并且下坡過程中基本能保持勻速狀態(tài)。因此，試驗(yàn)車速擬設(shè)定為40、50、60和70 km/h。臺架試驗(yàn)所需參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1.1 試驗(yàn)臺主軸轉(zhuǎn)速的計算

制動器慣性試驗(yàn)臺主軸轉(zhuǎn)速與車速按如下關(guān)系換算：

n=2.65v/r

式中：n為制動器慣性試驗(yàn)臺主軸轉(zhuǎn)速，r/min；v為試驗(yàn)車速，km/h；r為車輪滾動半徑，m。

根據(jù)上述公式，計算得到試驗(yàn)車速對應(yīng)的轉(zhuǎn)速如表2所示。

表2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速

1.1.2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)動慣量的計算

試驗(yàn)轉(zhuǎn)動慣量按下式進(jìn)行計算：

I=mr2

式中：I為轉(zhuǎn)動慣量計算值，kg·m2；m為將汽車最大設(shè)計總質(zhì)量按制動力分配比設(shè)計值分配給被試制動器所對應(yīng)車輪承受的那部分質(zhì)量，kg；r為車輪滾動半徑，m。

經(jīng)過上述公式計算得到制動器滿載和超載時的試驗(yàn)轉(zhuǎn)動慣量，如表3所示。

表3 試驗(yàn)轉(zhuǎn)動慣量

1.2 熱電偶的安裝方式

引起熱衰退現(xiàn)象的主要因素是制動器溫度的上升使制動力矩急劇衰減，因此摸清熱衰退過程中制動蹄片和制動鼓的溫度變化尤為重要。參照QC/T 556-1999《汽車制動器 溫度測量和熱電偶安裝》的具體要求，并結(jié)合此次研究的重點(diǎn)，分別在制動襯片表面、制動蹄背鋼板面、制動鼓內(nèi)表面和制動鼓外表面安裝K型熱電偶(測溫范圍：-40～1 300 ℃)。

在靠近制動襯片長寬方向的中心處鉆兩個5 mm的通孔(注意一定要避開筋和散熱片)，將熱電偶測量端固定在孔內(nèi)，偶頭距離制動襯片摩擦表面和制動蹄背鋼板面都為1 mm。在制動鼓摩擦面寬度方向的中心鉆兩個相對于鼓中心對稱的5 mm通孔，將熱電偶測量端固定在孔內(nèi)，偶頭距離制動鼓內(nèi)、外表面為0.3～0.5 mm[4]。制動器安轉(zhuǎn)位置和制動器試驗(yàn)臺架分別如圖1和圖2所示。

圖1 制動器安轉(zhuǎn)位置

圖2 制動器試驗(yàn)臺架

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

由于制動器制動襯片表面與制動鼓內(nèi)表面的貼合程度對制動力矩產(chǎn)生很大影響，因此，試驗(yàn)開始前必須保證制動鼓內(nèi)表面的圓跳動控制在10絲以內(nèi)，制動襯片與制動鼓內(nèi)表面的間距約為0.5 mm。同時，在進(jìn)行模擬長下坡持續(xù)制動的熱衰退試驗(yàn)開始前，需要先進(jìn)行磨合試驗(yàn)，保證制動襯片與制動鼓內(nèi)表面接觸良好。

長下坡持續(xù)制動的熱衰退試驗(yàn)主要模擬在長下坡路段汽車持續(xù)較長時間重復(fù)制動以達(dá)到控制車速的目的。目前，重型商用車的額定工作氣壓已經(jīng)普遍提高到1.0 MPa，為了能夠更真實(shí)地還原持續(xù)頻繁制動過程，試驗(yàn)氣壓設(shè)置為0.7 MPa，制動周期設(shè)置為1 min，各種速度下進(jìn)行15次全制動，同時記錄制動力矩、制動蹄片和制動鼓的溫度。

1.3.1 磨合試驗(yàn)

(1)制動初速度50 km/h；

(2)試驗(yàn)冷卻風(fēng)速11 m/s，冷卻空氣的溫度為室溫；

(3)調(diào)整制動管路壓力，使制動減速度達(dá)到0.3g，從制動初速度進(jìn)行制動，到終速度為零；

(4)制動間隔時間以控制制動器初溫不超過100 ℃而定；

(5)磨合次數(shù)以使制動襯片與制動鼓之間的接觸面積達(dá)到80%以上而定，磨合試驗(yàn)次數(shù)一般設(shè)置為500次。

1.3.2 模擬長下坡持續(xù)制動的熱衰退試驗(yàn)

(1)制動初速度40、50、60、70 km/h；

(2)采用恒定輸入方式進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)整控制氣壓為0.75 MPa，從制動初速度進(jìn)行制動，到終速度為零；

(3)首次制動溫度不高于60 ℃，在第一次制動進(jìn)行前關(guān)閉試驗(yàn)臺冷卻系統(tǒng)，整個試驗(yàn)過程中不對制動器吹風(fēng)降溫；

(4)制動周期設(shè)置為1 min；

(5)各種速度下各進(jìn)行15次全制動。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)戈若愚等[5]通過實(shí)車測試發(fā)現(xiàn)影響制動鼓溫度的因素主要包括車輛載重、行駛速度、坡長和坡度。由于臺架試驗(yàn)的限制無法模擬坡度，因此文中主要從車輛載荷、行駛車速、制動距離這3個方面進(jìn)行分析。從模擬長下坡持續(xù)制動過程的試驗(yàn)條件可知，輸入氣壓恒定，因此可分析多次反復(fù)制動過程中制動器溫度與上述三者之間的關(guān)系。

臺架試驗(yàn)中分別采集了制動鼓內(nèi)表面、外表面、襯片表面和背筋板面的溫度，通過對制動器滿載、車速60 km/h情況下4個位置的溫升情況分析，可以看出制動鼓內(nèi)表面溫度的變化最顯著，鼓外表面溫度次之，制動蹄背鋼板面的溫度變化靈敏度最低。此次研究以制動鼓內(nèi)表面溫升為主要研究對象。制動器4個不同位置溫度變化情況如圖3所示。

圖3 制動器4個不同位置溫度變化情況(滿載，車速60 km/h)

2.1 車輛載荷

由圖4制動鼓內(nèi)表面溫度與載荷的關(guān)系曲線可以看出：當(dāng)行駛速度一定時，由于車輛載荷的增加，其存儲的動能更多，車輛制動過程中轉(zhuǎn)換的熱能越多。所以，在制動距離和行駛速度不變的情況下，制動鼓內(nèi)表面的溫度隨載荷的增加而上升。

圖4 制動鼓內(nèi)表面溫度與載荷的關(guān)系曲線(制動距離1 500 m)

2.2 行駛車速

由圖5制動鼓內(nèi)表面溫度與車速的關(guān)系曲線可以看出：當(dāng)載荷一定時，由于車速的增加，初始狀態(tài)具有的動能更大，車輛制動過程中由動能轉(zhuǎn)換的熱能也更多。所以，在載荷和制動距離一定的前提下，制動鼓內(nèi)表面的溫度隨速度的升高而增加。

2.3 制動距離

由圖6制動鼓內(nèi)表面溫度與制動距離的關(guān)系曲線可以看出：當(dāng)載荷和車速一定時，由于制動距離的改變導(dǎo)致制動次數(shù)增加，制動鼓內(nèi)表面與襯片的摩擦?xí)r間變長，其表面溫度隨制動距離的增加而上升。

圖5 制動鼓內(nèi)表面溫度與車速的關(guān)系曲線(制動距離1 500 m)

圖6 制動鼓內(nèi)表面溫度與制動距離的關(guān)系曲線(超載)

3 建立制動鼓升溫模型

經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)處理和分析，發(fā)現(xiàn)制動鼓內(nèi)表面溫度與車輛載荷、行駛速度和制動距離都存在一定的關(guān)系。利用試驗(yàn)臺架采集的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計數(shù)多元線性回歸方法，在SSPS軟件上采用逐步篩選策略進(jìn)行分析。設(shè)制動鼓內(nèi)表面溫度T(單位℃)、車輛軸荷G(單位t)、行駛速度v(單位m/s)、制動距離S(單位m)，則模擬長下坡制動鼓溫度的數(shù)學(xué)模型可以設(shè)置為

T=b0+b1G+b2v+b3S

式中：G、v、S為自變量；T為因變量；b0為截距，即常量；b1、b2、b3為回歸系數(shù)。

將制動距離S、行駛速度v以及車輛軸荷G依次引入模型，當(dāng)每次引入1個變量后都進(jìn)行F檢驗(yàn)，并對模型內(nèi)的變量逐個進(jìn)行t檢驗(yàn)，如果當(dāng)原來引入的變量由于后面變量的引入變得不再顯著時，則將其刪除，這是一個反復(fù)的過程，直到既沒有顯著的變量選入回歸方程，也沒有不顯著的變量從回歸方程中剔除為止[6]。輸入和移除的變量如表4所示，其中因變量是溫度。

表4 輸入/移除的變量

回歸方程中復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.969，決定系數(shù)R2為0.940，調(diào)整決定系數(shù)R2為0.938，標(biāo)準(zhǔn)估計的誤差為33.333。R2越接近1，所反映的兩個變量的共變量比例越高，模型和數(shù)據(jù)的擬合程度越好。R2=0.940，表示整個回歸方程能夠解釋制動鼓內(nèi)表面溫度的94.0%。模型匯總?cè)绫?所示，其中因變量是溫度。

表5 模型匯總

注：a.預(yù)測變量：(常量)，距離；b.預(yù)測變量：(常量)，距離, 速度；c.預(yù)測變量：(常量)，距離, 速度, 載荷。

方差分析表顯示出各模型中對多個自變量的總體檢驗(yàn)， Sig值為0.000，即完全有把握認(rèn)為回歸方程是有用的；F值為601.146，查F分布表得F0.05(3,116)=2.68，即F>F0.05(3,116)，即可判定回歸方程中的各個自變量聯(lián)合起來對因變量有顯著影響。方差分析表如表6所示，其中因變量是溫度。

表6 方差分析表

注：a.預(yù)測變量：(常量)，距離；b.預(yù)測變量：(常量)，距離, 速度；c.預(yù)測變量：(常量)，距離, 速度, 載荷。

系數(shù)表羅列出常量、非標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)、回歸系數(shù)檢驗(yàn)的t統(tǒng)計量觀測值和響應(yīng)的概率值。根據(jù)模型建立的多元線性回歸方程為

y=-92.547+5.215x1+14.926x2+0.086x3

方程中的常數(shù)項(xiàng)為-92.547，回歸系數(shù)b1為5.215，b2為14.926，b3為0.086，經(jīng)t檢驗(yàn)，顯著性概率P值均為0.000，按照顯著性水平為0.05的情況下，即可判定回歸方程中的各個自變量都對因變量有顯著影響。系數(shù)表如表7所示，其中因變量是溫度。

表7 系數(shù)表

綜上所述，回歸分析得到的回歸方程為

T=-92.547+5.215G+14.926v+0.086S

式中：T為制動鼓內(nèi)表面溫度，℃；G為車輛軸荷，t；v為行駛車速，m/s；S為制動距離，m。

4 結(jié)論

此次研究通過臺架試驗(yàn)的方式模擬了重型商用車長下坡持續(xù)制動的工作過程，設(shè)計了一套完整的試驗(yàn)方法并采集了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析出制動鼓內(nèi)表面溫度與載荷、車速和制動距離的關(guān)系；運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)中多元線性回歸的方法，利用SPSS軟件建立了制動鼓內(nèi)表面溫度與上述三者的預(yù)測模型。預(yù)測的溫升模型為實(shí)車制動路試以及整車制動系統(tǒng)的匹配提供參考。