廖騰輝 ， 陸元三 ， 唐小桃 ， 劉登發(fā) ， 劉隆節(jié)

（1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽風(fēng)順車橋有限公司，湖南 衡陽 421001）

鼓式制動器是一種傳統(tǒng)的汽車制動裝置，它是利用制動器上的制動蹄片脹形擴(kuò)張時(shí)安裝在制動蹄表面的制動摩擦片對制動鼓的擠壓，在制動蹄摩擦片與制動鼓的表面產(chǎn)生切向摩擦力，使與制動鼓相連的車輪減速并最終停止的裝置。鼓式制動器制動蹄片必須有向外擴(kuò)張或向內(nèi)收縮之功能，也就是說鼓式制動器的制動蹄必須有促動裝置。鼓式制動器的促動裝置包括液力促動、氣力促動和凸輪促動裝置[1]。

1 鼓式制動器的結(jié)構(gòu)及工作原理

液力促動的外脹式鼓式制動器也稱為液壓輪缸式制動器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓輪缸式制動器的基本結(jié)構(gòu)

制動蹄分總成2通過螺栓安裝在底板分總成1之上，在制動蹄分總成2的正上方安裝有制動分泵總成6，制動分泵總成6通過螺栓固定在底板分總成1上[2]。

制動分泵總成6的左下方安裝有上回位彈簧3、撥板4、撥板銷10、調(diào)整套總成5和撥板回位簧14，起拉緊、調(diào)整和固定的作用；增力臂7通過螺栓固定安裝在制動蹄分總成2中間的左下方，在增力臂7的旁邊設(shè)有增力臂銷8和增力臂銷卡片9，起增加力臂和固定的作用。

支撐板復(fù)位簧15固定安裝在制動蹄分總成2中間的下方，在支撐板復(fù)位簧15的上部設(shè)有下拉緊簧16和支撐板17，支撐板17通過螺栓固定，在支撐板17的旁邊還設(shè)有支撐板固定簧18，起固定、拉緊的作用。

支撐板固定簧18的下方安裝有拉臂19、拉臂銷20和拉臂銷卡21，拉臂19通過拉臂銷20和拉臂銷卡21與制動蹄分總成2相連接，在拉臂19的背面還設(shè)有過熱保護(hù)片23，起過熱保護(hù)的作用。在下拉緊簧16的下方還安裝有制動蹄片磨損極限報(bào)警片22，當(dāng)制動蹄片磨損到極限位置時(shí)起報(bào)警的作用[3]。

工作過程：當(dāng)汽車開始制動時(shí)，司機(jī)腳踩剎車踏板，踏板上的力通過一杠桿機(jī)構(gòu)傳送至剎車總泵一側(cè)的活塞上，活塞上的力又使得剎車總泵將其內(nèi)部的液壓油通過液壓管路分別送至汽車左、右制動器總成制動分泵的進(jìn)油口內(nèi)，制動分泵總成6內(nèi)的液壓油依靠其內(nèi)部的壓力將一側(cè)或兩側(cè)的活塞往外推出，推動左右兩側(cè)的制動蹄分總成2分別往外擴(kuò)張，從而實(shí)現(xiàn)汽車的制動。

2 汽車制動器總成中各主要零件的材料選擇

2.1 制動器底板的材料選擇及結(jié)構(gòu)要求

在制動器底板分總成1的外側(cè)面安裝有制動分泵、制動蹄分總成等元件。工作中，制動底板不僅需要承受對制動蹄分總成和制動分泵、回位彈簧、銷釘?shù)鹊闹巫饔?，還要承擔(dān)汽車運(yùn)行中的振動和制動過程中的扭矩作用，因此要求制動底板具有足夠的強(qiáng)度和剛度[4]。又因制動過程中制動蹄與制動鼓之間摩擦產(chǎn)生的熱量需要及時(shí)散發(fā)，且制動中產(chǎn)生的磨損物也要排出，因此制動底板上需要設(shè)置散熱孔和排屑孔。實(shí)踐證明，制動底板選用Q235或Q195的鋼板為佳（厚度通常為2 mm～3 mm），鋼板厚度應(yīng)與汽車的制動力相適應(yīng)，選擇以上種類的板材既能滿足技術(shù)要求，工藝性又好，便于沖壓成型加工，批量生產(chǎn)效率高，且制造成本低。

2.2 制動器制動分泵的材料選擇及制造要求

制動分泵總成6是制動器上一個(gè)重要的部件，它主要由泵體、活塞、密封圈等元件組成。泵體通常采用QT450-10或550-7的球墨鑄鐵材料鑄造而成，選用球墨鑄鐵材料鑄造的泵體內(nèi)腔與安裝在內(nèi)腔的活塞之間的耐磨損性能好，泵體密封性能好，且球墨鑄鐵的耐高溫和耐低溫性能好，加工方便，加工變形小，制造成本低。此外，泵體制作完成后還需進(jìn)行耐高溫和低溫耐壓密封性試驗(yàn)[5]。

2.3 制動器制動蹄及摩擦片的材料選擇及技術(shù)要求

制動蹄分總成2是由左、右兩個(gè)制動蹄和安裝在制動蹄表面的摩擦片組成，制動蹄的材料選用Q235或Q345A的鋼板沖壓焊接而成，這兩種材料的綜合力學(xué)性能良好，低溫性能也好，塑性、冷沖壓加工效果良好。汽車制動蹄由腹板和背板沖壓焊接而成，腹板和背板通常用相同厚度的鋼板沖壓而成，轎車的制動蹄沖壓鋼板的厚度通常為3 mm～5 mm。制動蹄腹板和背板均呈圓弧形，二者內(nèi)圓弧面相吻合，有的制動蹄腹板與背板采用塞焊焊接，有的則采用對焊焊接。在焊接中要注意控制焊接電流，并按規(guī)定的順序進(jìn)行焊接，保證每個(gè)焊點(diǎn)的熔深及焊接強(qiáng)度，不能有裂紋、咬邊、未熔合等缺陷，焊接完后要對已焊接好的制動蹄進(jìn)行校正和去應(yīng)力回火。

制動蹄上的摩擦片材料選擇一是要有足夠的耐磨性，足夠的彈性和韌性，摩擦系數(shù)要足夠大；二是要有較好的粘結(jié)性能?，F(xiàn)在國內(nèi)制動器摩擦片已經(jīng)廣泛使用無石棉樹脂型摩擦材料、金屬纖維增強(qiáng)摩擦材料、半金屬纖維增強(qiáng)摩擦材料和混雜纖維增強(qiáng)摩擦材料等，其中以半金屬纖維增強(qiáng)摩擦材料最為普遍。制動摩擦片中鋼纖維的主要作用是在摩擦材料中作為增強(qiáng)劑，對制動片的強(qiáng)度、摩擦性能和耐磨損性能起著重要作用，摩擦材料中增強(qiáng)纖維的選擇，通常要結(jié)合車輛的使用條件及經(jīng)濟(jì)性兩方面來考慮[6]。樹脂、酚醛樹脂及其改性樹脂在其中可以起到粘結(jié)劑的作用，粘結(jié)力取決于樹脂對這些材料的浸潤性能以及與它們形成的化學(xué)鍵的牢固性。

制動器摩擦片與制動蹄的連接方式有兩種：一種是采用鉚釘牢固連接，這種連接結(jié)構(gòu)適用于大貨車或工程機(jī)械制動器，摩擦片更換方便，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，摩擦片使用壽命短，使用成本較高；另一種是采用粘結(jié)連接，即將摩擦片與制動蹄用粘結(jié)劑粘結(jié)，這種連接結(jié)構(gòu)適合用于制動力較大的轎車或SUV車型上，這種結(jié)構(gòu)的制動器摩擦片磨損厚度大，使用壽命長，生產(chǎn)工藝簡單，制作成本低，但摩擦片更換不便。

然而鼓式制動器中制動蹄上的摩擦片與制動鼓內(nèi)表面接觸面積大，所以其初始制動力大，制動效能高，制動時(shí)具有自鎖性。此外，鼓式制動器還具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、制造成本低、既能做行車制動也能做駐車制動等優(yōu)點(diǎn)，因此，它在貨車、乘用車及工程機(jī)械方面得到了廣泛持久的應(yīng)用。

2.4 制動鼓的材料選擇及生產(chǎn)工藝

汽車制動器的制動力不僅取決于制動蹄上的摩擦片的材料選擇，也與摩擦片接觸的制動鼓的材料有很大的關(guān)系[7]。在汽車制動系統(tǒng)中，對制動鼓的技術(shù)要求是要有足夠的機(jī)械性能，良好的散熱性能以及熱疲勞特性，良好的耐磨性及抗咬合能力，組織均勻及良好的吸震性。當(dāng)前汽車上的制動鼓大都選擇HT250灰鑄鐵材料鑄造而成，因?yàn)榛诣T鐵材料具有很好的耐磨損性能以及很高的硬度、強(qiáng)度和韌性，在鑄造中必須加入少量的合金元素如銅、錳、鎳等，以改善鑄鐵組織，增加鑄件的韌性和彈性。然而汽車制動鼓在日常的使用過程中還存在一些缺陷和問題。一是可能由于制動鼓結(jié)構(gòu)上的損壞，造成制動失效，引起安全事故。常見的制動鼓失效模式主要有：制動鼓底部圓角過渡處開裂、剎車面龜裂、掉底、磨損過大和非正常磨損。掉底主要是因?yàn)椴牧喜缓细窕蜩T造工藝不合理，材料抗拉強(qiáng)度過低，而開裂和龜裂則是熱沖擊作用引起的。汽車制動時(shí)，巨大的制動熱負(fù)荷會造成制動鼓溫度迅速升高，產(chǎn)生很大的溫度梯度，造成材料內(nèi)部的熱應(yīng)力過大，而當(dāng)制動鼓工作存在冷熱交替現(xiàn)象時(shí)，其材料組織隨之發(fā)生變化，瞬時(shí)突發(fā)制動蹄制動時(shí)向外的擴(kuò)張力，迫使制動鼓發(fā)生開裂。二是車輛制動時(shí)，制動鼓內(nèi)表面與制動蹄上的摩擦片摩擦產(chǎn)生大量的熱量容易造成制動鼓和摩擦片溫度過高，導(dǎo)致摩擦片的摩擦系數(shù)下降，制動力下降；同時(shí)，由于制動鼓無法及時(shí)散熱，熱量迅速傳遞給橡膠輪胎，增加了輪胎爆裂的可能性。

針對鼓式制動器使用中的缺陷和問題，課題組進(jìn)行了深入的研究。首先，對制動鼓在使用中由于結(jié)構(gòu)問題產(chǎn)生的失效，可以在制動鼓的剎車面中間位置的外部設(shè)置環(huán)形加強(qiáng)筋或加強(qiáng)帶，或者在鑄鐵的制動鼓外面套裝環(huán)形的卡箍。這樣既能保證剎車面的制動摩擦系數(shù)和高耐磨性要求，又能滿足制動鼓的高韌性、高強(qiáng)度和抗沖擊性要求。而針對制動鼓在制動過程中因熱積聚影響出現(xiàn)的開裂和龜裂現(xiàn)象，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在制動鼓的外表面或端部增加軸向或十字形的用于散熱的加強(qiáng)筋，也可以在輪輻板上設(shè)置類似于風(fēng)扇葉片的裝置，用于連續(xù)制動過程中對制動鼓的散熱[8]。其次，可以從材料和工藝方面進(jìn)行改善。采用碳鋼和鑄鐵雙金屬復(fù)合鑄造工藝，將低碳鋼的高韌性、高強(qiáng)度與鑄鐵優(yōu)良的摩擦性能結(jié)合在一起，降低鑄鐵脆性對載重汽車制動鼓的影響，能夠同時(shí)滿足制動鼓對高韌性及高耐磨性的要求，提高了制動鼓的使用壽命，降低了制造成本，減少了鑄件龜裂、斑點(diǎn)和異常磨損等情況。也可采用鋼模覆膜砂復(fù)合造型工藝，大幅提高載重汽車制動鼓的尺寸精度，使制動鼓的同心度和壁厚均勻性得到改善，減小車輛震動及噪聲，延長制動鼓使用壽命。

除了以上幾個(gè)主要零件的材料選擇必須慎重，工藝必須優(yōu)化外，其余的一些零件如拉臂、彈簧、支撐銷、拉釘?shù)牟牧弦脖仨氄_選擇，拉臂須選用優(yōu)質(zhì)的中低碳鋼板制造，彈簧選用65Mn或40CrMnMo鋼制造，支撐銷和拉釘可以選用中碳鋼制造[9]。

3 總結(jié)及結(jié)論

本文從汽車鼓式制動器的制動原理，制動器的結(jié)構(gòu)和工作過程等方面詳細(xì)闡述了組成制動器的幾個(gè)主要零件的材料選擇和生產(chǎn)工藝對鼓式制動器制動力的影響。重點(diǎn)闡述了制動底板、制動蹄、制動摩擦片、制動鼓、制動分泵等關(guān)鍵零件的材料選擇和技術(shù)要求對制動器制動力的影響，為各主要組件的材料選擇提出了方向和目標(biāo)。

在科學(xué)準(zhǔn)確地選擇材料的基礎(chǔ)上，制定合理的生產(chǎn)工藝對制動力的提升也是十分重要的[10]。因?yàn)樯a(chǎn)工藝要綜合考慮材料的成分、工作性能的要求、制造設(shè)備和制造成本等多種因素。制動底板的材料選好后，最佳方案是進(jìn)行冷沖壓加工，涂裝，去除應(yīng)力，然后再上流水線裝配。制動蹄、摩擦片、制動鼓及制動分泵等零件的生產(chǎn)均與其各自的材料成分、性能要求和使用條件密切相關(guān)，文中詳細(xì)闡述了它們各自的生產(chǎn)工藝過程和技術(shù)要求，為材料最佳性能的發(fā)揮提供了工藝保障。

影響制動器制動力的因素除了制動器的材料，制動器的結(jié)構(gòu)對制動力的影響也是很大的，當(dāng)前推行的自增力制動器總成主要利用制動器蹄片脹形時(shí)活動推桿的作用，可以將制動蹄摩擦片與制動鼓間的摩擦力提高到原來的2～5倍，這種新型制動器的制動效能更高。

在選擇制動蹄上的摩擦片時(shí)，摩擦片的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能大一些，但不可片面追求高摩擦系數(shù)的材料，還必須考慮摩擦片摩擦系數(shù)與制動鼓內(nèi)表面的合理匹配。摩擦片的材料受溫度和壓力的變化影響越小，對環(huán)境和人體的危害越小。

乘用車上建議選擇當(dāng)溫度低于250 ℃時(shí)摩擦系數(shù)在0.35～0.38之間的摩擦材料。