制動器摩擦表面溫度測量方法的研究

谷 曼

（合肥學院 機械工程系，安徽 合肥230022）

1 引言

試驗研究證明，剎車片的工作機理是當有機基體剎車片與對偶件（一般是鑄鐵）相摩擦時，復合材料的各自部分會按自身特性形成不同的摩擦磨損形式，其現象十分復雜。一般地，在制動初期，表面溫度不高，但制動片的工作特點在于短時間內，摩擦系數和溫度的巨大變化。摩擦副要在極短的時間內耗散很大的能量，致使摩擦面上產生大量的熱。當制動器溫度較高時（高于100℃），不僅制動力矩急劇下降，而且會導致相鄰部件的損壞。隨著行駛速度及載重量的不斷提高，高速重載下所產生的摩擦熱也越來越大，單位面積所吸收的摩擦熱越來越大，摩擦元件升溫急速，對制動器的抗熱衰退性以及制動穩定性影響很大，因此，制動器摩擦熱的進一步研究勢在必行。

2 制動器制動過程摩擦熱理論分析

當汽車制動器制動時，由于剎車片表面接觸的不均勻性，其遠小于名義接觸面積且不連續。接觸點的數目多少和尺寸大小與剎車片表面粗糙度、制動力矩和材質的機械性能有關。摩擦時的熱源首先在真實接觸處產生，并在摩擦過程中隨著表面輪廓和名義接觸面積的變化而改變，其改變的程度取決于實際接觸處的條件，如速度、溫度、負荷摩擦過程中表層的物理變化特性以及材質的熱物理性能等［1］。

制動時，摩擦片的溫度分布以及制動時的溫度與制動時間、制動與摩擦副從自由表面向環境介質散出的熱量等因素有關，是制動摩擦熱傳導理論需要解決的問題，可用下式表示其間的關系［2］：

以上兩式的邊界條件為：

摩擦產生的總熱量 （在Z＝o處）等于物體1和物體2吸熱之和，即：

摩擦片界面與環境介質產生的熱交換服從牛頓冷卻規律，即有：

其初始條件為：t＝0，T1＝T2＝0。

汽車制動過程一般為非穩定的摩擦過程，制動時間較短。在一定的間隔時間內制動器將吸收大量的熱能量。根據制動溫度狀態不同的計算公式得出，溫度場和表面溫度T可以采用一維熱傳導公式進行求解，用該簡化的公式得出的結果有一定的準確性，也是研究摩擦片溫度的基礎。

3 制動器試驗臺的設計

3.1 試驗臺系統方案

本試驗臺是單工位結構，由主機（包括機座、慣量飛輪組）、試驗滑臺、調速系統、控制系統、計算機系統、氣/油制動系統、冷卻系統等組成。

圖1為制動器試驗臺試驗系統狀態總覽。界面能顯示當前整個試驗臺的系統結構及狀態，對被試制動器的轉速、制動鼓和制動蹄的溫度、制動液的溫度、制動力矩、制動噪聲及各動力源和傳感器的狀態進行實時顯示。被測制動器當前的制動噪聲聲級、制動鼓、蹄溫度、輪缸制動液溫度、風機轉速等指標一目了然，操作方便。該界面用于調整模式，即手動模式，在輸入制動管路壓力和制動初速度等參數后，選擇正轉或反轉，試驗臺就會自動完成制動試驗，并輸出一些數據，這主要用于試驗臺調試及標定。

圖1 制動器試驗臺系統狀態總覽

3.2 溫度測量方式的選擇

制動器在工作過程中動態溫度研究尤為重要，但是測量制動器表面的動態溫度存在著許多困難。由于測試的是兩個相互接觸的表面，兩種材料相互貼合，測試儀器布置困難，其次由于從微觀角度看制動器表面摩擦屬于微凸體接觸問題，即使同一區域溫度相差也較大，閃點溫度維持時間也很短，這給制動器表面動態溫度測量帶來了很大的難度。現在國外已有數字無繩遙測技術和藍牙技術，它們也能夠準確、同步地傳輸采集到的溫度信號，而且安裝方便。如德國KMT公司的特色產品就是點對點的小型遙測系統，該系統將模擬信號數字化后無線傳輸，可以采集移動部件和旋轉部件上各種傳感器信號，當然包括溫度信號。QC/T479－1999中規定以熱電偶進行溫度的采集，測試位置比較明確和靈活，測試數據動態響應快，具體測量點的溫度值準確度高。

與其他測溫方式相比，熱電偶能夠檢測更寬的溫度范圍，具有較高的性價比。這種測試手段屬于接觸式溫度測量，測試位置比較明確和靈活，測試數據動態響應快，具體測量點的溫度值準確度高。但是制動器摩擦表面的溫度很難測量，所以表面溫度常用位置距表面0.5～1mm處的點來代替［3］。此外，熱電偶的魯棒性、可靠性和快速響應時間也是其重要的因素，而且熱電偶適用于中高溫測量，價格低，正好適合本試驗項目。

3.3 熱電偶安裝

國家標準QC/T556－1999規定用熱電偶進行制動器溫度的測量［4］，并推薦了兩種型式的熱電偶：鎧裝熱電偶和插塞式熱電偶。美國SAE－J2115也規定使用插塞式熱電偶，其結構型式如圖2所示。它是將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路。當導體A和B的兩個執著點之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的［5］。

圖2 插塞式熱電偶

QC/T556－1999規定在靠近制動襯片（塊）、制動鼓（盤）的長寬方向的中心處，鉆一通孔（孔徑隨安裝的熱電偶型式而定），并應避開筋或散熱片。將熱電偶測量端固定于孔內，不得松動。在制動襯片（塊）上安裝時，偶頭距摩擦表面為1.0mm；在制動鼓（盤）上安裝時，偶頭距摩擦表面為0.3～0.5mm［6］。測量制動液溫度時，熱電偶安裝于制動輪缸的放氣螺釘上，裝用之前，需作壓力試驗，經過半小時，不得有泄漏現象。壓力試驗應為制動輪缸最高工作壓力的1.2倍。

4 制動器溫度測量及試驗過程

4.1 試驗流程

試驗臺測量流程如下：首先將被試制動器制動鼓（盤）通過夾具系統固定在試驗臺上，同時把制動片（塊）固定在尾座滑移系統上；接著選擇試驗項目，并針對試驗要求，調節好電機轉速、飛輪組慣量、制動管路壓力等試驗條件；此時可通過傳感器采集所需試驗數據，并根據試驗要求分別進行表1試驗流程。

表1 試驗流程

在試驗過程中根據試驗要求調整試驗條件；最后通過計算機輸出試驗結果，停止試驗。

4.2 制動器溫度的采集

本試驗臺溫度信號的采集采用集流環技術，結構如圖3所示。集流環是開展以應變片測量技術為基礎的非電量電測的重要器件。特別適用各種旋轉構件的功率或扭矩測量，也可以用來測量各種旋轉機械的其它參數，如溫度，壓力等。其工作原理［7］：軸套（軸）隨被測量軸一起旋轉，當用電阻應變片測量旋轉軸上所承受的扭矩以及其他負荷引起的應力等，可在被測軸上貼上電阻應變片，電阻應變片的引線焊在集流環接線盤的焊點上，旋轉時，軸受扭力，就會產生扭力，從而產生扭矩變形，使貼于其上電阻發生變化，通過滑環及電刷將變化有信號引出，送至相應的二次儀表放大，顯示或記錄，這樣就可以測出被測軸所受扭矩等的信號大小。

集流環內附有測速機構，測速盤上有3個檢測體，軸套（軸）每轉一次，3個檢測體分別經過測頭一次，輸出端感應3個脈沖訊號，其轉速脈沖訊號配記錄儀作記錄顯示用［8］。適當調整檢測體和測頭之間的距離L，就可調整脈沖信號的大小。測量溫度用的銅環與炭刷組成銅環炭刷集流環，以傳遞制動時制動鼓的熱電偶信號。

圖3 集流環工作示意圖

5 試驗數據結果

表2為制動器試驗過程中采集的部分實驗數據。

表2 部分實驗數據

另外從圖4第一次效能試驗制動力矩與制動溫度的關系曲線圖中，也可以清楚地顯示制動溫度隨制動力矩的變化規律。

圖4 第一次效能試驗制動力矩與制動溫度關系曲線

6 結論

通過試驗分析總結出了制動初速度越大，制動過程溫升越大。因為初速度越大，相對來說制動時間（也即摩擦時間）越長，溫升也就越大；在制動過程中，無論是氣壓制動還是液壓制動，管路壓力越大，制動減速度越大，溫升也越大；制動初期，環境溫度越高，溫升也越大；制動器在工作過程中產生的熱能，其溫度急劇上升，導致制動器的制動效能改變；轉動慣量越大，制動時間越長，制動器溫升越快等規律，可為汽車制動系統的研發和生產提供更豐富、更有力、更真實的檢測數據支持。

［1］陳朝暉.汽車制動對安全行駛的影響［J］.熱帶農業工程，2003，（2）：31－32.

［2］（美）L.魯道夫.汽車制動系統的分析與設計［M］.北京：機械工業出版社，1985.

［3］GB/T 12676－1999汽車制動系統結構、性能和試驗方法［S］.中國汽車技術研究中心標準化研究所，1999.

［4］陳小元，方凱.汽車制動器試驗臺的系統設計與實現［J］.電子技術，2004，14（8）：55－57.

［5］趙奇平，陳漢汛.制動器性能試驗智能CAD系統實現［J］.武漢理工大學學（信息與管理工程版），2003，25（4）：15－18.

［6］林榮會，劉明美.制動器試驗臺中模擬負載的新方法［J］.機械科學與技術，1997，26（6）：58－60.

［7］盛朝強.基于電慣量的汽車慣性式制動試驗系統的設計［J］.重慶大學學報（自然科學版），2005，14（1）：90－92.

［8］王仁廣.制動器慣性試驗臺的改進設計［J］.農業機械學報，2006，26（6）：18－20.