車輛行車制動器的研究現狀及展望

李晉澤 馮文

(中國人民解放軍63820部隊五七五工廠,四川綿陽 621000)

車輛行車制動器的研究現狀及展望

李晉澤 馮文

(中國人民解放軍63820部隊五七五工廠,四川綿陽 621000)

分別對國內外車輛行車制動器使用類別、摩擦副間壓力分布規律、摩擦偶件溫度場及應力場的分布、制動噪聲等方面的研究現狀進行了綜述和評價,并對車輛行車制動器的某些研究內容提出了新的見解,通過對車輛行車制動器的類別、摩擦片的壓力分布規律、溫度場和應力場和噪聲控制的分析,最后展望了車輛行車制動器的研究方向及其發展動態。

行車制動器 制動噪聲 溫度場

1 引言

行車制動器作為關系車輛安全性能的關鍵部件，一直以來都被國內外研究學者所關注。其制動性能的好壞，制動效率的高低將直接影響到交通運輸的安全性，而這些都與行車制動器的摩擦特性密切相關。行車制動器的摩擦特性將直接決定車輛制動系統的整體制動性能。行車制動器的合理選用，對車輛制動時散熱特性、制動效能特性息息相關。

因此對車輛行車制動器使用類別、摩擦副間壓力分布規律、摩擦偶件溫度場及應力場的分布、制動噪聲、制動過程的影響因素、整體散熱特性進行綜合闡述，對車輛行車制動器的設計、開發、以及理論研究都有著至關重要的作用。

2 車輛行車制動器的類別

根據車輛的車型及其綜合使用工況，行車制動器通常分為通風盤式制動器、鼓式制動器、濕式全封閉多盤制動器等，如圖1所示。三類制動器各有互補的優缺點，因此各自應用于不同的車型和工況，其中通風盤式制動器多用于乘用車前后橋制動器、客貨車前橋制動器；鼓式制動器多用于客貨車后橋制動器；濕式全封閉多盤制動器則多用于非公路礦用自卸車，輪式挖掘機，井下采煤車等工作在惡劣環境中的重型車輛。

在以上三種制動器中，各自的優缺點非常明顯，通風盤式制動器的優點在于：相對于鼓式制動器，其熱穩定性、水穩定性好；制動力矩與汽車運動方向無關；其易構成雙回路制動系，系統有較高的可靠性和安全性；其幾何尺寸小，質量小，散熱較為良好；摩擦襯塊上的制動壓力分布比較均勻，襯塊上摩擦材料所受磨損也很均勻。但是通風盤式制動器的主要缺點在于難以完全防止塵污和銹蝕；而且在作駐車制動器時，所需附加的駐車制動驅動機構較復雜。

而濕式全封閉多盤制動器相比以上兩種制動器來說優點更加突出，由于其特殊的全封閉工作環境，可防水防塵，制動性能穩定，不易受外界工作環境的影響，維護成本低，散熱良好，并且耐磨損，壽命長，摩擦副溫度與普通制動器相比顯著降低。通過改變摩擦盤數量，即使不增大摩擦片尺寸，也可根據需求來調節制動力矩，且接觸沖擊小，動力傳遞效率高，結構尺寸小，易于布置，但其結構復雜，價格較貴。

在車輛制動系統設計過程中，為了減少成本，在不影響整車制動性能的前提下，一般采用前盤后鼓的原則，用于惡劣工況的設備則選用濕式全封閉多盤制動器。

3 車輛行車制動器摩擦片的壓力分布規律

車輛制動時摩擦片表面的壓力分布不但影響行車制動器的制動力矩容量、制動熱容量和磨損，而且直接影響摩擦界面上的工作溫度，從而影響熱衰退性能、造成熱平衡失穩及產生熱裂紋。制動器制動過程中摩擦副間溫度分布不均勻，會導致局部溫度過高，使該處熱膨脹量大于摩擦副其他接合處，一旦摩擦界面上的小塊面積開始承受不均勻的載荷且其溫度比周圍表面高，它將膨脹并形成“熱斑”。局部熱斑的形成會導致制動壓力不均勻分布的持續惡化，這又造成局部溫度進一步升高，加劇摩擦界面表面溫度梯度的變化，最終導致熱機失穩。制動而產生的瞬時高溫使摩擦副和附近零件溫度升高，高溫會使得摩擦材料的摩擦系數下降，導致熱衰退，磨損加劇，嚴重時使摩擦材料損壞，對偶零件產生龜裂或撓曲，附近軸承潤滑油脂變稀而流失，或間隙變小而膠合。在汽車盤式制動器中，該問題尤為突出，從而降低了汽車剎車性能，并造成較大的經濟損失。因此，摩擦界面間壓力分布是否合理直接決定著制動性能的好壞和使用壽命的長短。

4 行車制動器摩擦副的溫度場和應力場

車輛制動時通常會產生大量的熱量，由溫度的不均勻而產生的高溫點所引起的摩擦片局部燒損或翹曲和裂紋的現象，也成為車輛行車制動器常見的失效形式。摩擦副溫度場和應力場的獲得可通過解析法、數值法和試驗等方法[1]。幾何形狀和邊界條件比較簡單的情況下，運用解析法可獲得較為精確的求解。

隨著有限元技術的持續發展，利用計算機對摩擦副熱應力場進行數值仿真，如圖2所示，已是目前研究濕式多盤制動器的主要手段。文獻[2]在假定濕式多盤制動器各摩擦副間襯片壓力沿徑向均布相等的前提下，建立了以摩擦盤橫截面中軸線為對稱線的溫度場有限元分析模型；文獻[3]利用有限元間隙單元針對整個濕式多盤制動器各摩擦副間襯片壓力分布規律，建立了軸對稱溫度場和應力場的有限元分析模型，并闡述了摩擦襯片彈性模量對制動器對偶鋼盤溫度和應力的影響，提出了濕式多盤制動器的等熱流密度設計原則，并討論了冷卻油與摩擦副間對流換熱現象對行車制動器摩擦副特定溫度點的影響。

5 行車制動器的噪聲控制

早期對制動時的制動尖叫現象一般簡單地歸結為當靜摩擦系數大于動摩擦系數或動摩擦系數隨相對滑動速度的變化率小于零時，制動摩擦系統的自激振動問題。早期通常采用純試驗方法研究鼓式制動器的制動尖叫，通過增加底板剛度，抑制制動尖叫噪聲。進入20世紀80年代中后期，隨著計算機技術的發展，逐步從簡化模型進入對實際制動器結構的研究，定量地解釋制動噪聲的各類現象。關于制動噪音的研究大多集中在干式制動器(盤式、鼓式等)，有限元、模態分析、結構閉環耦合模式等研究方法較為成熟。齊鋼[4]等借助有限元和模態綜合技術建立了盤式制動器制動尖叫摩擦耦合模型，通過復特征分析，得到對應于每階振動模態的阻尼與頻率，模態阻尼值揭示了哪些模態不穩定并可能產生尖叫，最后運用耦合模型研究了摩擦系數和子結構模態對制動尖叫的影響。楊國俊[5]等從制動器振動的角度探討了制動尖叫噪聲分析方法，在制動器摩擦閉環耦合模型的基礎上，推導了系統尖叫模態的饋入能量計算方法。通過基于振動頻率的分析，可較直觀地看出一些結構參數對制動噪聲的影響，如摩擦系數、制動塊形狀、剛度及有重要影響的子結構模態振型，并有助于分析抑制噪聲的結構修改方案。該方法對制動器結構振動噪聲的分析具有指導意義。

6 結語

行車制動器在車輛中的使用中必不可少，其研究工作方興未艾。針對其廣泛的用途以及多樣的結構形式，國內外專家學者對行車制動器的研究方向和方法的選擇也不盡相同，有的從理論方面進行專題研究，有的從臺架試驗方面進行實踐研究。然而要對行車制動器進行完整的性能分析，還要從以下幾個方面進一步研究：

(1)行車制動器在制動過程中壓力分布與溫度場及磨損存在典型的熱機耦合，應將壓力分布與熱傳導及磨損作為統一的耦合問題來研究，并采用彈塑性理論來求解熱應力場；

(2)由于實際摩擦界面表面為粗糙表面，應研究粗糙表面的粗糙峰模型，并在該微凸體粗糙峰模型的基礎上研究制動器摩擦磨損熱動力學；

(3)現今對行車制動器的研究中，缺乏對摩擦材料熱物理特性的深入研究，未來可考慮對特定的制動材料配對進行包括材料熱物理參數在內的整個摩擦、磨損研究。隨著高新技術的不斷應用與發展及新材料的不斷出現，車輛行車制動器的理論與試驗研究內容也將會得到不斷更新與發展。

[1]朱華,陸斌斌,歷健全.摩擦學問題研究的非線性理論方法[J].機械工程學報,2010,46(15):82-86.

[2]Gao Chenghui,Lin Xiezhao.Transient temperature field analysis of brake in no axis metric three-dimensional model[J].Journal of Materials Processing Technical,2002,129(1-3).

[3]吳磊,溫澤峰,金學松.車輪全滑動輪軌摩擦溫升三維有限元分析[J].機械工程學報,2008,44(3):57-63.

[4]齊鋼,謝騁,張光榮等.制動低鳴噪聲控制方法研究[J].汽車技術, 2014,6:21-25.

[5]楊國俊.鼓式制動器結構振動尖叫問題綜述[J].噪聲與振動控制, 2010,1:1-6.

[6]郝務云,礦用膠輪車濕式多盤失壓制動器及制動系統研究[D].徐州:中國礦業大學,2014.

[7]張朝喜,濕式多盤制動器的動力學仿真及熱應力分析[D].昆明:昆明理工大學,2014.

表3 經濟指標對比

3 主傳動系統的比較

上述兩種傳動控制方式在國內均有廣泛應用，完全可以滿足生產工藝的要求。在系統的構成及控制策略上各有千秋，比較如表2，表3所示。

表2，表3中的經濟指標對比是以目前的市場價格為依據的，僅作為參考。

4 節電效益

據調查，河北的某1780mm熱連軋生產線，采用的交-直-交變頻主傳動系統，自投產以來噸鋼電耗始終穩定在8 0KWh/t-90KWh/t，而廣西的同樣的1780mm熱連軋生產線，采用交-交變頻主傳動系統，自投產以來噸鋼電耗始終穩定在90KWh/t-100KWh/ t。相比較可以看出，前者的噸鋼電耗至少低約10KWh/t。

若按照1780mm熱連軋生產線的設計產能約350萬噸計算，噸鋼電耗每降低10KWh/t，一年就可以節約用電約3500萬KWh。工業用電價格按照0.5元/KWh 計算，則相應的每年可以節約電費約1750萬元。

5 結語

通過上述對比可以看出，相對于交-交變頻主傳動系統，雖然交-直-交變頻主傳動系統的初次投資比較高，但是其經濟、技術指標優勢顯著，特別是投產兩年以后，在企業用電管理得當、生產線正常運行的前提下，節電產生的經濟效益將非常可觀。

參考文獻:

[1]天津電氣傳動設計研究所編著.電氣傳動自動化技術手冊第2版.機械工業出版社,2006.

[2]何春鴻.熱軋主傳動變頻調速系統方案探討.華東科技,2009,(5).

[3]劉睿.八鋼熱軋主傳動交直交變頻調速系統.鋼鐵技術,2006,(4).

[4]劉蘆陶.熱帶軋機主傳動交交變頻與交直交變頻調速系統的技術經濟比較.設計通訊,2007,(2).