梁慶海

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003；2.32153部隊(duì)，河北 宣化 075100）

引言

鼓式制動(dòng)器是一種典型的摩擦式制動(dòng)器，在各型汽車上得到廣泛應(yīng)用。隨著研發(fā)設(shè)計(jì)水平的提高和材料工藝的改進(jìn)，盤式制動(dòng)器相較于鼓式制動(dòng)器具有更優(yōu)良的性能，使得盤式制動(dòng)器逐步取代鼓式制動(dòng)器成為最主流的車用制動(dòng)器[1]。但鼓式制動(dòng)器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉，仍然被廣泛應(yīng)用于許多民用及軍用汽車上，作為行車制動(dòng)器或者駐車制動(dòng)器[2-3]。制動(dòng)器是汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，對(duì)行車安全起著至關(guān)重要的作用。鼓式制動(dòng)器在工作過程中經(jīng)常出現(xiàn)磨損不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致制動(dòng)器過早失效[8]。本文從鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作過程進(jìn)行分析，探究鼓式制動(dòng)器磨損不均導(dǎo)致過早失效的原因。

1 結(jié)構(gòu)原理及工作過程分析

首先通過2020版的SOLIDWORKS軟件構(gòu)建鼓式制動(dòng)器的三維實(shí)體模型。SOLIDWORKS是全球知名的三維模型開發(fā)與設(shè)計(jì)軟件，在各個(gè)行業(yè)及領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。構(gòu)建的鼓式制動(dòng)器實(shí)體模型如圖1所示，其主要組成部件包括制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄、制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

圖1 鼓式制動(dòng)器三維實(shí)體模型

制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓是鼓式制動(dòng)器的核心工作部件。制動(dòng)蹄與制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在一起并受傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)鼓通過緊固螺栓與輪轂固定在一起。在未制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄之間保持一定的間隙；在工作時(shí)，制動(dòng)蹄在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下與制動(dòng)鼓壓緊并摩擦，從而產(chǎn)生制動(dòng)力。通過控制制動(dòng)的強(qiáng)度及時(shí)間，可使制動(dòng)鼓與輪轂減速或停止，以實(shí)現(xiàn)行車制動(dòng)或駐車制動(dòng)。

從結(jié)構(gòu)原理上看，由于制動(dòng)器的主體部分被輪轂所包圍，屬于封閉式或半封閉式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不利于制動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦熱能的消散，且制動(dòng)效能受限于制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓之間的實(shí)際接觸面積的大小。作為鼓式制動(dòng)器的主要工作及受力部件，制動(dòng)蹄在工作過程中易發(fā)生形變，并引發(fā)制動(dòng)衰退、抖震以及制動(dòng)效率下降等現(xiàn)象[7-8]。尤其是在崎嶇不平的路面上制動(dòng)時(shí)，其操控穩(wěn)定性較差。制動(dòng)不平穩(wěn)可導(dǎo)致制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓遭受較多的應(yīng)力沖擊。

2 應(yīng)力及形變分析

輕型車輛上使用的的制動(dòng)蹄一般由型鋼輾壓或鋼板沖壓焊接而成，而載重車輛上使用的制動(dòng)蹄則多用可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼或鑄鋁合金等材料制成[6-7]。本文中算例中的制動(dòng)蹄的材料設(shè)定為可鍛鑄鐵，具體的材料參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)蹄材料參數(shù)

在操縱力的作用下，制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓接觸壓緊，制動(dòng)蹄受制動(dòng)鼓反向壓應(yīng)力，同時(shí)受到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及支撐筋板的壓應(yīng)力。在設(shè)定強(qiáng)度為10 000 N的瞬時(shí)沖擊應(yīng)力作用下，制動(dòng)蹄的靜應(yīng)力分析結(jié)果如圖2所示，形變分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 制動(dòng)蹄靜應(yīng)力分析結(jié)果

圖3 制動(dòng)蹄形變分析結(jié)果

從SimulationXpress的分析結(jié)果可見，在蹄式制動(dòng)器的工作過程中，當(dāng)受到外部沖擊應(yīng)力的時(shí)候，盡管所受的力并未達(dá)到材料的屈服力，但制動(dòng)蹄上的受力并不均勻，邊緣處所受靜應(yīng)力要大于中間部位所受靜應(yīng)力，如圖2所示。由此導(dǎo)致的結(jié)果是，制動(dòng)蹄邊緣處產(chǎn)生的形變要大于中間部位，如圖3所示。在這種情況下，制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓的實(shí)際有效接觸部位為凸起部位，因此該區(qū)域首先發(fā)生磨損，由于接觸面積為非平面，必然導(dǎo)致磨損距離。當(dāng)凸起部位磨損至一定程度后，其余區(qū)域也開始磨損，直至兩區(qū)域的磨損程度趨于一致。在持續(xù)的外力沖擊作用下，上述過程不斷重復(fù)。隨著工作時(shí)間的推移，當(dāng)累積磨損超過設(shè)定閾值，制動(dòng)器即發(fā)生失效。

在緊急制動(dòng)或者在顛簸路面進(jìn)行制動(dòng)的情況下，由于外部沖擊力較大，制動(dòng)蹄受力極度不均，難以做到平穩(wěn)制動(dòng)[5]。根據(jù)上述分析結(jié)果可知，這種情況必然會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄發(fā)生不均勻的形變。由于制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓均為剛性材料，其產(chǎn)生的形變難以完全恢復(fù)到原來的狀態(tài)，形變產(chǎn)生的凸起部位必然會(huì)發(fā)生磨損加劇的情況，進(jìn)而導(dǎo)致制動(dòng)器過早失效。

3 結(jié)論

通過SOLIDWORKS軟件構(gòu)建鼓式制動(dòng)器的三維實(shí)體模型，從其結(jié)構(gòu)原理出發(fā)分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析其制動(dòng)過程中的受力特點(diǎn)和工作特性，并通過SimulationXpress對(duì)制動(dòng)蹄進(jìn)行應(yīng)力和形變分析，對(duì)鼓式制動(dòng)器磨損不均勻的原因進(jìn)行研究。結(jié)果表明，外界載荷的綜合作用使得制動(dòng)蹄發(fā)生形變，由此造成制動(dòng)器的局部磨損加劇，是鼓式制動(dòng)器磨損不均勻的原因。