【摘" 要】車輛在賽道上行駛時(shí)的狀態(tài)有別于在常規(guī)道路上行駛，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)多次經(jīng)歷急加速、急制動(dòng)，制動(dòng)盤的溫度會(huì)急劇上升，這種狀態(tài)對(duì)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)都是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，因此需要策劃制動(dòng)熱害試驗(yàn)進(jìn)行快速測(cè)試驗(yàn)證。制動(dòng)熱害試驗(yàn)通常有整車道路試驗(yàn)、虛擬仿真試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)3種方法，但道路試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)、成本高及穩(wěn)定性差等問(wèn)題，而虛擬仿真因制動(dòng)系統(tǒng)模型復(fù)雜精度一般，這兩種方法都不能滿足項(xiàng)目測(cè)試需求。文章利用大功率測(cè)功機(jī)、制動(dòng)臺(tái)架及NI實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)集成了跑車制動(dòng)熱害試驗(yàn)臺(tái)架。該臺(tái)架可復(fù)現(xiàn)賽道中跑車制動(dòng)熱害失效問(wèn)題，對(duì)新方案進(jìn)行快速臺(tái)架驗(yàn)證，可建立一整套制動(dòng)熱害臺(tái)架試驗(yàn)方法，為項(xiàng)目制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證提供可靠支持與保障。

【關(guān)鍵詞】賽道場(chǎng)景;制動(dòng)熱害試驗(yàn);實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng);碳陶制動(dòng)盤

中圖分類號(hào)：U467.11" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）12-0048-04

Study on the Brake Heat Damage Test Method Based on Race Track Scenario

【Abstract】The state of the vehicle on the race track is different from that on the conventional road，and it will experience repeated sudden acceleration and braking in a short time，causing the brake disc temperature to rise sharply. This state is a huge test for the entire braking system，so it is necessary to plan brake heat damage tests for quick testing and validation. Brake heat damage tests usually have three methods： whole vehicle road tests，virtual simulation tests，and bench tests. However，road tests have problems such as long cycle and high cost，and virtual simulation tests have problems such as complex braking system models and low precision，and these two methods cannot meet the testing needs of the project. The paper uses a high-power dynamometer，a brake test rig，and the NI real-time simulation system to assemble a sports car brake heat damage test rig. The test rig can reproduce the brake heat damage failure problems on the race track，quickly verify new schemes on the test rig，and establish a complete set of brake heat damage bench test methods，providing reliable support and assurance for the braking system test verification of the project.

【Key words】race track scenario;brake heat damage test;real-time simulation system;carbon-carbon brake disc

0" 引言

圈速是跑車賽道性能的重要衡量指標(biāo)[1]，跑車不僅要有極致動(dòng)力輸出，還需具備穩(wěn)定制動(dòng)能力。跑車在賽道場(chǎng)景中有大量急加速、急減速工況，制動(dòng)溫度遠(yuǎn)高于普通乘用車，普通跑車可達(dá)800～900℃，F(xiàn)1賽車甚至高達(dá)1200℃以上。制動(dòng)盤周邊零件因熱傳導(dǎo)極易造成熱害失效風(fēng)險(xiǎn)，如制動(dòng)液泄漏、制動(dòng)軟管熔斷、活塞密封圈燒熔及制動(dòng)盤面開裂等，這對(duì)跑車制動(dòng)系統(tǒng)提出了極為嚴(yán)苛的要求。

車輛制動(dòng)熱害試驗(yàn)通常有整車道路試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)及虛擬仿真試驗(yàn)3種。整車道路試驗(yàn)需要試驗(yàn)樣車，存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高及穩(wěn)定性差等問(wèn)題;虛擬仿真因制動(dòng)系統(tǒng)模型復(fù)雜精度一般，參考意義有限;臺(tái)架試驗(yàn)則根據(jù)實(shí)車狀態(tài)進(jìn)行室內(nèi)臺(tái)架模擬，具有穩(wěn)定性好、周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以快速?gòu)?fù)現(xiàn)整車試驗(yàn)中的失效問(wèn)題。

為了防止我司某款跑車在賽道出現(xiàn)制動(dòng)熱害失效問(wèn)題，需策劃跑車制動(dòng)熱害臺(tái)架試驗(yàn)，提前對(duì)各種方案進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證。本文主要介紹跑車制動(dòng)熱害臺(tái)架試驗(yàn)方法，包括從跑車賽道制動(dòng)路譜采集到制動(dòng)熱害試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)備集成開發(fā)，建立一整套跑車制動(dòng)熱害臺(tái)架試驗(yàn)流程，為項(xiàng)目制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證提供可靠的支持與保障。

1" 工作原理

1.1" 盤式制動(dòng)器工作原理

制動(dòng)器按結(jié)構(gòu)主要分為鼓式制動(dòng)器與盤式制動(dòng)器兩種類型。鼓式制動(dòng)器主要用于商用車上，盤式制動(dòng)因具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、輕量化及散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于乘用車領(lǐng)域。

盤式制動(dòng)器主要由制動(dòng)盤、制動(dòng)卡鉗、活塞及制動(dòng)摩擦片等構(gòu)成，如圖1所示。制動(dòng)盤與車輪固聯(lián)在一起，其他樣件固定在懸架上。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)及助力電機(jī)向制動(dòng)主缸中的制動(dòng)液施加壓力，制動(dòng)壓力通過(guò)油管傳遞至制動(dòng)卡鉗的活塞上。活塞推動(dòng)制動(dòng)摩擦片夾緊制動(dòng)盤，連帶車輪與地面的摩擦令車輛產(chǎn)生減速或停止的制動(dòng)效果。

1.2" 通風(fēng)型制動(dòng)盤散熱原理

汽車在行駛中通過(guò)前保進(jìn)氣口將車外空氣吸入，然后通過(guò)管道將空氣引入碳陶盤，通過(guò)離心力使空氣形成對(duì)流，將熱量從通風(fēng)孔擴(kuò)散至周圍空氣中，達(dá)到散熱的目的。通風(fēng)型制動(dòng)盤具備抗熱衰、輕量化、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)示意見圖2。

1.3" 碳陶盤制動(dòng)器

通風(fēng)型制動(dòng)盤按材料分為鑄鐵制動(dòng)盤、碳陶制動(dòng)盤兩種類型。鑄鐵制動(dòng)盤在700℃時(shí)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重制動(dòng)熱衰退[2]，主要用于普通家用乘用車領(lǐng)域;而碳陶制動(dòng)盤采用碳纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料制作而成，相較普通鑄鐵制動(dòng)盤，具備輕量化、耐高溫、穩(wěn)定和耐用等優(yōu)點(diǎn)，主要用于航空航天、軌道交通以及高性能豪華跑車[3-4]。

我司某跑車制動(dòng)系統(tǒng)搭載了自研碳陶盤制動(dòng)器，具備輕量化（減重60%）、耐高溫（高達(dá)1400℃）、高耐磨（30萬(wàn)公里）、抗熱衰（熱衰后仍具備90%效能）及耐腐蝕等特點(diǎn)，搭載6缸活塞卡鉗，可為車輛提供更大的制動(dòng)力矩，具備優(yōu)秀的制動(dòng)性能。碳陶盤制動(dòng)器如圖3所示。

1.4" 制動(dòng)臺(tái)架

制動(dòng)臺(tái)架主要由制動(dòng)器、制動(dòng)控制器和伺服控制系統(tǒng)以及上位機(jī)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。伺服系統(tǒng)接收上位機(jī)的控制指令，驅(qū)動(dòng)伺服電缸對(duì)制動(dòng)踏板施加位移，控制器接收到制動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)后進(jìn)行策略運(yùn)算，發(fā)出電磁閥調(diào)控指令調(diào)節(jié)車輪制動(dòng)效果，隨之制動(dòng)卡鉗輪缸壓力增大，摩擦片夾緊，制動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)車輪制動(dòng)效果。

1.5" 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)工作原理

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是一種基于模型的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺(tái)，主要由上位機(jī)和實(shí)時(shí)仿真機(jī)組成。目前，主流實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)開發(fā)商有dSPACE和NI兩家，NI較dSPACE可開發(fā)程度高、價(jià)格低，更適合用戶進(jìn)行集成開發(fā)。

NI實(shí)時(shí)仿真機(jī)集成在高性能PXI機(jī)箱中，配置的實(shí)時(shí)處理器安裝了LINUX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠支持Simulink模型的自動(dòng)生成代碼和實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行，最小仿真步長(zhǎng)可達(dá)0.1μs，信號(hào)延時(shí)最小1ms。同時(shí)，它還可配備CAN通信接口、數(shù)字量模擬量I/O接口、負(fù)載模擬、傳感器信號(hào)模擬等，具有豐富的擴(kuò)展性。上位機(jī)上安裝試驗(yàn)軟件可用于搭建測(cè)試工程、實(shí)時(shí)仿真模型建模、實(shí)時(shí)仿真接口配置以及自動(dòng)化測(cè)試用例編寫等。

工程師可以在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)控制器策略開發(fā)、軟件在環(huán)測(cè)試、快速原型測(cè)試、硬件在環(huán)測(cè)試等。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)工作原理如圖5所示。

2" 技術(shù)路線

2.1" 制動(dòng)熱害臺(tái)架方案制定

為應(yīng)對(duì)跑車在賽道工況下可能出現(xiàn)的制動(dòng)熱害失效問(wèn)題，進(jìn)行臺(tái)架策劃以便提前對(duì)制動(dòng)方案進(jìn)行驗(yàn)證。具體而言，采用西門子大功率測(cè)功機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)速和慣量模擬;利用NI實(shí)時(shí)仿真機(jī)與制動(dòng)臺(tái)架聯(lián)合進(jìn)行制動(dòng)壓力建壓;通過(guò)無(wú)線溫度采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳陶盤盤溫。經(jīng)過(guò)臺(tái)架之間的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，使得車輪轉(zhuǎn)速與制動(dòng)壓力能夠按照實(shí)測(cè)路譜進(jìn)行臺(tái)架模擬，其具體技術(shù)路線如圖6所示。

2.2" 路譜采集

為了給臺(tái)架提供準(zhǔn)確的目標(biāo)輸入，需要采集整車賽道制動(dòng)路譜數(shù)據(jù)。在碳陶盤面通風(fēng)孔處安裝熱電偶，并使用Kister無(wú)線滑環(huán)溫度采集儀采集碳陶盤的盤溫，同時(shí)利用Vector CAN總線分析儀采集車輪輪速及制動(dòng)主缸壓力等數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)中，車輪輪速用于測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速輸入，制動(dòng)主缸壓力用于制動(dòng)主缸壓力輸入，而盤溫則用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和對(duì)比。實(shí)測(cè)賽道制動(dòng)路譜如圖7所示。

2.3" 制動(dòng)熱害臺(tái)架搭建

將碳陶盤制動(dòng)器通過(guò)試驗(yàn)工裝固定在試驗(yàn)臺(tái)上，另一端與大功率測(cè)功機(jī)連接，制動(dòng)油管則與制動(dòng)臺(tái)架相連。臺(tái)架試驗(yàn)示意如圖8所示。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在賽道制動(dòng)系統(tǒng)熱害失效位置（制動(dòng)盤、制動(dòng)片、制動(dòng)軟管）的樣件溫度，在這些位置安裝熱電偶。熱電偶位置分布如圖9所示。

2.4" 制動(dòng)熱害試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)時(shí)，需保證測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速（車輪轉(zhuǎn)速）與制動(dòng)主缸壓力在同一時(shí)間軸上且低延時(shí)，否則試驗(yàn)無(wú)意義。測(cè)功機(jī)和無(wú)線滑環(huán)溫度采集儀通過(guò)CAN通信與NI實(shí)時(shí)仿真機(jī)連接在一起。實(shí)時(shí)機(jī)接收測(cè)功機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)速、扭矩信號(hào)以及溫度采集儀發(fā)出的溫度信號(hào)，同時(shí)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制板卡對(duì)制動(dòng)臺(tái)架伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。

首先，在Simulink中設(shè)置測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速判斷程序，當(dāng)轉(zhuǎn)速gt;0時(shí)，運(yùn)行主缸壓力程序，使NI實(shí)時(shí)仿真機(jī)保持信號(hào)接收狀態(tài)。接著運(yùn)行測(cè)功機(jī)臺(tái)架，測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，激活主缸壓力程序，驅(qū)動(dòng)伺服電缸給制動(dòng)主缸施加目標(biāo)壓力。采集臺(tái)架調(diào)試數(shù)據(jù)，目標(biāo)主缸壓力與臺(tái)架實(shí)測(cè)主缸壓力峰值基本重合，延時(shí)控制在1ms內(nèi)，此時(shí)臺(tái)架調(diào)試完成。目標(biāo)主缸壓力與實(shí)測(cè)主缸壓力對(duì)比數(shù)據(jù)如圖10所示。

3" 試驗(yàn)結(jié)果

由于實(shí)車賽道碳陶盤附近的風(fēng)速及風(fēng)量無(wú)法采集，本次測(cè)試聯(lián)合CAE部門進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)CFD仿真以獲取來(lái)流風(fēng)速和風(fēng)向，并采用大功率可控軸流風(fēng)機(jī)對(duì)碳陶盤進(jìn)行散熱控溫。運(yùn)行跑車制動(dòng)熱害臺(tái)架，在試驗(yàn)運(yùn)行多個(gè)飛行圈后，卡鉗周圍冒白煙，繼續(xù)運(yùn)行制動(dòng)，主缸壓力快速降為0，停止試驗(yàn)。

對(duì)比碳陶盤路試與臺(tái)架試驗(yàn)溫升曲線，發(fā)現(xiàn)兩者溫度趨勢(shì)基本一致，臺(tái)架數(shù)據(jù)略高于賽道測(cè)試盤溫，對(duì)比結(jié)果見圖11。試驗(yàn)后檢查樣件狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)卡鉗周圍出現(xiàn)制動(dòng)液泄漏，拆解卡鉗活塞后，確認(rèn)密封圈失效。

針對(duì)此次失效進(jìn)行方案改進(jìn)，調(diào)整制動(dòng)、回饋比例，并增加隔熱、散熱措施。再次測(cè)試后未見失效，后續(xù)該方案應(yīng)用到實(shí)車上賽道也未反饋相關(guān)熱害失效問(wèn)題。試驗(yàn)室成功地在前期測(cè)試中避免了制動(dòng)熱害失效問(wèn)題。

4" 總結(jié)

跑車在賽道上頻繁經(jīng)歷急加速、急減速工況，這使得制動(dòng)卡鉗溫度急劇升高。高溫會(huì)導(dǎo)致輪缸密封圈失效，進(jìn)而引發(fā)制動(dòng)液泄漏，最終造成制動(dòng)系統(tǒng)失效。本文所介紹的跑車制動(dòng)熱害試驗(yàn)臺(tái)架可快速?gòu)?fù)現(xiàn)賽道中的制動(dòng)系統(tǒng)失效狀態(tài)，從而幫助研發(fā)部門在前期即可識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)臺(tái)架進(jìn)行快速改進(jìn)和驗(yàn)證，有效提高了跑車制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和安全性，為跑車在賽道上的良好性能表現(xiàn)提供了有力保障。

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