曾繁卓,雷文,周移民,王應(yīng)國

(中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

0 引言

隨著道路質(zhì)量的提升，汽車的行駛速度普遍提高，同時車流密度也在不斷增大。為了保證行駛安全，汽車制動系統(tǒng)的可靠性尤為重要。制動執(zhí)行機構(gòu)主要包括盤式制動器和鼓式制動器。相比于鼓式制動器制動過程中溫升高、制動效能熱衰退嚴(yán)重的缺點，盤式制動器具有制動效能穩(wěn)定、散熱快和制動力度線性度好的優(yōu)點[1]。目前，國內(nèi)的乘用車和客車普遍采用盤式制動器，制動盤作為盤式制動器總成的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到行車安全性和駕駛舒適性。

2017年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會共同發(fā)布了強制性法規(guī)GB7258-2017《機動車運行安全技術(shù)條件》，其中規(guī)定了2019年1月1日起危險品貨物運輸半掛車必須配備盤式制動器，2020年1月1日起新生產(chǎn)欄板式、倉柵式半掛車必須配備盤式制動器[2]，足見制動盤的性能已經(jīng)引起了整個汽車行業(yè)的重視。制動盤過度磨損或者磨損不均勻，會引起制動效能下降、制動距離增長；在高溫條件下容易產(chǎn)生變形和裂紋，影響持續(xù)制動力，有安全隱患；過度磨損的制動盤如不及時更換會加劇制動片的磨損，縮短制動片使用壽命。在整車測試過程中對制動盤性能的探究有一定難度，相反，在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和試驗驗證階段通過慣性試驗臺架對制動盤的性能進行考核測試更為實際可行。因此，本文作者通過Link 3900慣性試驗臺架模擬制動盤在熱容量試驗、高溫驟冷試驗和熱裂紋試驗過程中的性能變化。

1 試驗設(shè)計

此次研究利用國家機動車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(重慶)的Link 3900慣性試驗臺，對某款乘用車型的制動盤進行性能測試。根據(jù)整車參數(shù)的具體要求并結(jié)合相關(guān)制動盤生產(chǎn)企業(yè)的實際需要，通過臺架試驗的方式模擬制動盤在高溫驟冷(水冷方式)以及高溫下連續(xù)進行制動試驗，主要考核在不同的極端條件下制動盤上是否會出現(xiàn)貫穿性的裂紋，制動盤的熱容量以及試驗前、后制動盤的厚度變化參數(shù)。臺架試驗所需參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

1.1 試驗準(zhǔn)備

1.1.1 試驗臺主軸轉(zhuǎn)速的計算

制動器慣性試驗臺主軸轉(zhuǎn)速與車速按如下關(guān)系換算：

n=2.65v/r

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

經(jīng)過上述公式計算得到試驗車速對應(yīng)的轉(zhuǎn)速如表2所示。

表2 試驗轉(zhuǎn)速

1.1.2 試驗轉(zhuǎn)動慣量的計算

試驗中后制動盤試驗轉(zhuǎn)動慣量分配原則為

I后盤=I0.5整車×25%

I0.5整車=0.5mr2

式中：I后盤為后制動盤試驗慣量，kg·m2；I0.5整車為整車計算慣量的一半，kg·m2；m為汽車滿載質(zhì)量，kg；r為車輪滾動半徑，m。

經(jīng)過上述公式計算得到的后制動器的試驗轉(zhuǎn)動慣量為40.6 kg·m2。

1.2 安裝方式

1.2.1 制動盤安裝方式

對于盤式制動器來說，摩擦片與制動盤表面的貼合程度對制動效能有很大影響，因此，試驗開始前利用百分表在制動盤外沿向內(nèi)10 mm的圓周上打表測量，必須保證制動盤端面圓跳動控制在0.05 mm以內(nèi)，盤式制動器總成的拖滯力矩保證在5 N·m以內(nèi)。同時，在進行熱容量試驗、高溫驟冷試驗以及熱裂紋試驗開始前必須先進行磨合試驗，保證摩擦片與制動盤表面接觸良好。

1.2.2 貼片式熱電偶的安裝方式

由于此次研究主要是對制動盤性能的考核，對于制動盤表面的溫度更為關(guān)注。在QC/T 556-1999《汽車制動器溫度測量和熱電偶安裝》中制動盤溫度測量采用在盤面上打孔并深埋熱電偶的方式，但這樣就造成了對制動盤的破壞，影響制動盤測試結(jié)果?；谝陨显?，試驗過程中采用貼片式熱電偶的溫度測量方法，將貼片式熱電偶安裝在制動盤有效工作半徑的位置上，貼片式熱電偶的安裝位置如圖1所示。

圖1 貼片式熱電偶安裝位置照片

1.3 制動盤厚度測量及裂紋評定方法

1.3.1 制動盤周向厚薄差的測量

在進行熱容量試驗和熱裂紋試驗時，需要測量制動盤的軸向厚薄差。以往的測量方式主要是利用外徑千分尺來測量制動盤不同位置的厚度，但是該方法存在弊端：(1)外徑千分尺縱深較淺，只能測量到制動盤的外徑；(2)外徑千分尺精確到百分位，千分位為估讀，測量誤差較大?；谝陨蟽牲c原因，作者采用3組非接觸式的位移傳感器(量程0～2.5 mm，精度0.001 mm)測量制動盤周向厚薄差。在測量前首先確定制動盤的內(nèi)徑、中徑和外徑，測點直徑參數(shù)定義如表3所示，測量位置示意圖如圖2所示。

表3 制動盤測點直徑參數(shù)定義

圖2 制動盤測點直徑位置示意

將3組非接觸式的位移傳感器安裝在制動盤內(nèi)、中、外徑的位置上(見圖3)，試驗前、后分別記錄各測量點左、右傳感器距制動盤的位移值。通過試驗后位移值減試驗前位移值的方式確定制動盤的厚度變化。非接觸式位移傳感器測量原理示意如圖4所示。

圖3 非接觸式位移傳感器安裝位置照片

圖4 非接觸式位移傳感器測量原理示意

1.3.2 制動盤失效判定準(zhǔn)則

臺架試驗過程中，當(dāng)制動盤出現(xiàn)如下現(xiàn)象之一時，則判定制動盤樣品失效：(1)制動盤摩擦面的徑向裂紋長度超過制動盤摩擦面寬度的2/3；(2)制動盤摩擦面的裂紋達到了制動盤摩擦面內(nèi)徑或外徑；(3)制動盤摩擦面上有貫穿性徑向裂紋；(4)在摩擦面外的任何區(qū)域有任何類型的結(jié)構(gòu)損傷或裂紋[3]。

裂紋類型如圖5所示。

圖5 裂紋類型

1.4 試驗方法與步驟

1.4.1 熱容量試驗

從能量角度看，制動是把車輛的動能轉(zhuǎn)換為機械能并必將以熱的形式耗散的過程。這個能量是在制動階段時制動盤和摩擦片的總熱量，能量以熱的形式耗散。一般情況下，摩擦片材料的導(dǎo)熱系數(shù)要比制動盤的小，所以工程中普遍認(rèn)為制動過程中產(chǎn)生的大部分熱量均被制動盤所吸收[4]。熱容量試驗中按指定條件進行10次連續(xù)制動并記錄制動盤的溫度、管路壓力、制動力矩、制動減速度以及試驗前后制動盤周向厚度變化情況，具體實現(xiàn)方法如下所示。

1.4.1.1 磨合試驗

(1)制動初速度80 km/h，制動末速度0 km/h；(2)試驗冷卻風(fēng)速11 m/s，冷卻空氣的溫度為室溫；(3)調(diào)節(jié)制動管路壓力，使制動過程中管路壓力恒定為2.0 MPa；(4)制動間隔時間以控制制動盤初溫不超過100 ℃而定；(5)磨合試驗次數(shù)為25次。

1.4.1.2 熱容量試驗

在常溫環(huán)境下，制動初速度為100 km/h，以4.87 m/s2(0.5g)的減速度制動至停車，制動時間為5.7 s，間隔時間為30 s，以35.7 s為一個制動循環(huán)。又從初速度為100 km/h，同樣以4.87 m/s2的減速度制動至停車，總共進行10次制動循環(huán)，共計時間357 s；除首次制動時允許通過風(fēng)冷使制動盤達到規(guī)定的初始溫度外，在制動過程中不允許對制動盤進行外部冷卻。具體制動熱容量測試條件如表4所示。熱容量試驗過程照片如圖6所示，熱容量試驗過程曲線如圖7所示。

表4 制動熱容量測試條件

圖6 熱容量試驗過程照片

圖7 熱容量試驗過程曲線

1.4.2 高溫驟冷試驗

車輛在長時間制動后制動盤的溫度可達600～700 ℃，通過水冷的方式對制動盤進行冷卻后容易造成制動盤層裂、龜裂，影響制動器受力；同時，水冷后極易引起制動器局部金屬發(fā)生相變，產(chǎn)生新的物質(zhì)，這些物質(zhì)的硬度等物理性能與制動盤相差很大時，磨損久了就會產(chǎn)生硬點，減少制動器的接觸面積，降低制動效能。高溫驟冷試驗中按指定條件模擬制動盤高溫后涉水驟冷過程，并記錄制動盤的溫度、管路壓力、制動力矩和制動減速度情況，試驗結(jié)束后，待制動盤自然冷卻至室溫后，用染色探傷法檢查制動盤上是否出現(xiàn)裂紋。具體實現(xiàn)方法如下所示。

1.4.2.1 磨合試驗

試驗方法同熱容量試驗前的磨合試驗。

1.4.2.2 高溫驟冷試驗

按表5要求進行制動盤高溫驟冷試驗，在制動過程中不允許對制動盤進行強制冷卻，當(dāng)制動盤溫度不小于500 ℃(最后一次制動必須是一次完整的制動)時，停止制動試驗(慣性臺架繼續(xù)以30 r/min的速度運行，以確保強制冷卻均勻性)，立即按照表6規(guī)定的冷卻方式進行冷卻直至制動盤溫度達到表5的規(guī)定，停止試驗。高溫驟冷試驗過程照片如圖8所示，高溫驟冷試驗過程曲線如圖9所示。

表5 驟冷試驗測試條件

表6 水冷測試條件

圖8 高溫驟冷試驗過程照片

圖9 高溫驟冷試驗過程曲線

1.4.3 熱裂紋試驗

汽車高速行駛過程中動能急劇增加，制動時產(chǎn)生的熱能也不斷提高，巨大的熱負(fù)荷極易使制動盤產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力并導(dǎo)致制動盤出現(xiàn)裂紋[5]。同時，在大減速度制動后，制動盤會出現(xiàn)較大的塑性變形，影響使用壽命。熱裂紋試驗中按指定條件模擬制動盤多次連續(xù)制動使制動盤溫升至650 ℃的過程，并記錄制動盤的溫度、管路壓力、制動力矩、制動減速度、制動盤的周向厚薄差情況。試驗結(jié)束后，待制動盤自然冷卻至室溫后，用染色探傷法檢查制動盤上是否出現(xiàn)裂紋。具體實現(xiàn)方法如下所示。

1.4.3.1 磨合試驗

試驗方法同熱容量試驗前的磨合試驗。

1.4.3.2 熱裂紋試驗

按表7要求進行制動盤熱裂紋試驗，除首次制動時，允許通過風(fēng)冷使制動盤達到規(guī)定的初始溫度外，在制動過程中不允許對制動盤進行外部冷卻。當(dāng)制動盤溫度不小于650 ℃時才能進行風(fēng)冷使其滿足制動初溫要求，每種制動循環(huán)規(guī)程進行500次。具體熱裂紋試驗條件如表7所示。熱裂紋試驗過程照片如圖10所示，熱裂紋試驗過程曲線如圖11所示。

表7 熱裂紋測試條件

圖10 熱裂紋試驗過程照片

圖11 熱裂紋試驗過程曲線

2 試驗結(jié)果分析

2.1 熱容量試驗結(jié)果分析

在進行熱容量試驗過程中，Link 3900慣性試驗臺采集并記錄了每一次制動過程中的制動盤溫度、制動的平均扭矩、制動減速度以及制動管路壓力的變化情況。由圖12可以看出：10次制動后制動盤溫度急劇上升，從初溫40 ℃上升至290 ℃；為保證制動平均扭矩和減速度基本恒定，制動管壓出現(xiàn)一定的波動。通過制動盤溫度的變化直觀地反映出制動過程中熱量的變化情況。

圖12 熱容量試驗制動主要參數(shù)變化情況

在制動盤的熱容量研究中，分別測量了制動盤外徑和內(nèi)徑的周向厚度變化，從圖13可以清晰地看出內(nèi)徑的厚度變化稍大于外徑，但厚度變化均控制在10 μm以內(nèi)，可滿足制動盤的性能要求。

圖13 制動盤內(nèi)徑、外徑周向厚薄差

2.2 高溫驟冷試驗結(jié)果分析

在進行高溫驟冷試驗過程中，Link 3900慣性試驗臺采集并記錄了每一次制動過程中的制動盤溫度、制動的平均扭矩、制動減速度以及制動管路壓力的變化情況。由圖14可以看出：在100 km/h→0 km/h制動循環(huán)規(guī)程中，連續(xù)制動10次后制動盤溫度就達到了539.6 ℃，制動減速度穩(wěn)定在9.8 m/s2左右，連續(xù)噴水6次后制動盤溫度恢復(fù)到51.2 ℃；在150 km/h→70 km/h制動循環(huán)規(guī)程中連續(xù)制動6次后制動盤溫度就達到了518.9 ℃，制動減速度穩(wěn)定在5.0 m/s2左右，連續(xù)噴水6次后制動盤溫度恢復(fù)到62.0 ℃；整個試驗過程中為保證減速度基本恒定，制動管壓出現(xiàn)一定的波動。通過制動盤溫度變化曲線可以清晰看出制動盤高溫驟冷的試驗過程。

高溫驟冷試驗后待制動盤冷卻到室溫后，首先檢查制動盤表面。依據(jù)上述制動盤失效判定準(zhǔn)則的具體規(guī)定，判斷制動盤表面沒有出現(xiàn)可見的裂紋。高溫驟冷試驗后制動盤如圖15所示。由于目測過程中可能有小的裂紋肉眼無法識別，可以利用染色探傷法檢查制動盤上是否出現(xiàn)裂紋，如圖16所示，同樣，未出現(xiàn)裂紋。

圖15 高溫驟冷試驗后制動盤照片

圖16 染色探傷法檢測裂紋照片

2.3 熱裂紋試驗結(jié)果分析

在進行熱裂紋試驗過程中，Link 3900慣性試驗臺采集并記錄了每一次制動過程中的制動盤溫度、制動的平均扭矩、制動減速度以及制動管路壓力的變化情況。由圖17可以看出：在100 km/h→0 km/h的500次制動循環(huán)規(guī)程中，平均連續(xù)制動18次后制動盤溫度可以達到650 ℃，制動減速度穩(wěn)定在9.8 m/s2左右；在150 km/h→70 km/h的500次制動循環(huán)規(guī)程中連續(xù)制動9次后制動盤溫度就達到了650 ℃，制動減速度穩(wěn)定在5.0 m/s2左右；為保證制動平均扭矩和減速度基本恒定，制動管壓出現(xiàn)一定的波動。

在對制動盤的熱裂紋研究中，分別測量了制動盤外徑、中徑和內(nèi)徑的周向厚度變化，記錄制動100次、400次、700次和1 000次時制動盤周向厚度變化情況。從圖18可以清晰地看出：隨著熱裂紋試驗次數(shù)的增加制動盤的磨損也在增加，周向厚薄差變大；當(dāng)進行到1 000次熱裂紋的試驗時，制動盤厚度變化約70 μm，周向厚度變化均控制在10 μm以內(nèi)，可滿足制動盤的性能要求。

圖17 熱裂紋試驗制動主要參數(shù)變化情況

圖18 熱裂紋試驗制動盤內(nèi)徑、中徑和外徑周向厚薄差

熱裂紋試驗后待制動盤冷卻到室溫后，首先檢查制動盤表面。依據(jù)上述制動盤失效判定準(zhǔn)則的具體規(guī)定，判斷制動盤表面沒有出現(xiàn)可見的裂紋。熱裂紋試驗后制動盤如圖19所示。由于目測過程中可能有小的裂紋肉眼無法識別，可以利用染色探傷法檢查制動盤上是否出現(xiàn)裂紋，如圖20所示，同樣，未出現(xiàn)裂紋。

圖19 熱裂紋試驗后制動盤照片

圖20 >熱裂紋試驗后染色探傷法檢測裂紋照片

3 結(jié)束語

利用Link 3900慣性試驗臺架完成了用車制動盤的熱容量、高溫驟冷和熱裂紋試驗，規(guī)定具體試驗參數(shù)的選擇、試驗結(jié)果的評判標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一套完整的試驗方案，并對試驗結(jié)果進行分析和總結(jié)。該研究可以滿足當(dāng)前乘用車制動盤性能研究的需求，為實車制動路試以及整車制動器總成的匹配提供參考。