鼓式制動器熱衰退的抑制

劉燕斌 黃超杰 杜??

摘 要：鼓式制動器的溫升如果過高，會使制動器發(fā)生熱衰退導致制動效能急劇下降，從而威脅人的生命和財產(chǎn)安全。本文在鼓式制動器的溫升模型的基礎上，總結了一些抑制鼓式制動器熱衰退的方法。

關鍵詞：鼓式制動器；熱衰退；溫升模型；輔助制動；冷卻裝置

近年來，交通事故頻發(fā)，人們越來越關注汽車的安全性能。而汽車的制動性能是其中重要的一環(huán)。而制動器的好壞也很大程度上決定了汽車制動性能的好壞。鼓式制動器因其有較高的制動效能及技術成熟、價格便宜等因素廣泛引用在貨車、客車及部分乘用車上。然而鼓式制動器卻因為其容易發(fā)生熱衰退而使制動效能下降。有關的研究資料證明，道路交通事故中有40%是與汽車的制動性能失效相關的。若能夠抑制鼓式制動器的熱衰退，使摩擦片的摩擦系數(shù)保持一定大小，從而使鼓式制動器保持良好的制動性能。

1 鼓式制動器溫升模型的建立

1.1 鼓式制動器生熱與散熱過程

汽車需要減速或停車時，通過制動，汽車的動能轉化為輪胎和制動器的內(nèi)能。制動器吸收熱量而溫度升高。與此同時，制動器也向周圍壞境中散發(fā)熱量。散熱有三種不同的方式，分別是熱傳導的方式、熱輻射的方式和熱對流的方式。鼓式制動器的散熱中這三種方式都是存在的。

一般情況下，制動鼓因輻射散發(fā)的熱量約占制動鼓總的散熱量的5%～10%。以熱對流方式散掉的熱量占總散熱量的80%以上，所以鼓式制動器最主要的散熱方式是熱對流。制動器通常會密封，內(nèi)部的空氣一般流動很小，因此制動器內(nèi)表面基本不會進行熱對流的散熱。制動器的對流散熱主要在制動鼓的外表面。

1.2制動溫升數(shù)學模型的建立

設鼓式制動器在制動過程中摩擦生熱量為Q，通過熱輻射方式散發(fā)的熱量為Q1，通過熱對流方式散發(fā)的熱量為Q2，制動鼓的質(zhì)量為m，比熱容為c，則鼓式制動器的溫升計算公式為：

2 減少熱衰退的一些方法

通過分析公式（1），可知減少熱衰退可從以下方面進行：增大制動鼓質(zhì)量m和制動鼓的比熱容c；減少鼓式制動器的摩擦生熱量Q；加快制動器散熱速度。

2.1 減少生熱量Q

根據(jù)能量守恒定律，汽車減速到一定程度，動能轉化為熱量的多少是一定的，要想減少制動器的摩擦生熱量，就需要別的地方來把能量來轉化。主要為汽車的輔助制動。

2.1.1發(fā)動機制動

現(xiàn)代四沖程發(fā)動機的工作行程有進氣行程、壓縮行程、膨脹行程和排氣行程，只有膨脹行程作正功。發(fā)動機制動就是在需要制動時，停止向發(fā)動機供燃油，發(fā)動機的四個行程沒有做正功的，即沒有向外提供機械能，發(fā)動機處于反拖狀態(tài)，四個行程都消耗機械能，把機械能轉化為內(nèi)能，并有散熱系統(tǒng)散失掉。

發(fā)動機制動時最常見也最簡單的輔助制動形式。發(fā)動機制動時，松開油門踏板和離合器踏板，變速器不能處于空擋。這時，由于節(jié)氣門不開，發(fā)動機不能得到燃油，從而逐漸停轉，汽車在慣性作用下，繼續(xù)向前行駛，汽車將倒拖發(fā)動機。發(fā)動機繼續(xù)運轉，消耗汽車的動能，從而實現(xiàn)緩速制動作用。在汽車倒拖發(fā)動機運轉過程中消耗的功主要有：機械摩擦損失、壓縮氣體損失、泵氣損失、發(fā)動機驅動各個附件的功的損失等。隨著科技不斷進步，發(fā)動機隨著科技的不斷進步，為追求更大的驅動功率，發(fā)動機的機械損耗在逐漸降低，因此發(fā)動機制動時的制動功率也隨之變小。

2.1.2排氣制動

排氣制動原理與發(fā)動機制動類似。排氣制動在排氣管內(nèi)加裝了一個排氣制動閥。在排氣制動時，排氣閥關閉，發(fā)動機的排氣阻力就會增加，排氣管內(nèi)壓力增大，氣缸內(nèi)的氣體壓力也隨之增大。這樣，活塞往復運動要克服的阻力增大了，從而增大了發(fā)動機制動的功率，從而使車速降低。

日本有70%左右的柴油發(fā)動機汽車上采用了排氣制動，如今，我國也開始在汽車上大面積采用排氣制動。

2.1.3發(fā)動機緩速器

發(fā)動機緩速器是在排氣制動上的改進。在切斷燃油供給，后發(fā)動機做功行程變成由壓縮行程中被壓縮氣體膨脹做功的過程。在壓縮行程時，通過開啟排氣閥，使被壓縮的氣體排出，從而減少了膨脹過程氣體對外做的功，從而提高了制動效能。

2.1.4電渦流緩速器

電渦流緩速器的原理是法拉第電磁感應定律，它能將汽車的動能轉化為熱能釋放到外界。電渦流緩速器通常由兩部分組成，即機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。機械系統(tǒng)主要由轉子和定子組成。定子一般安裝在車架上，由非磁性材料組成；轉子一般安裝在驅動軸兩側，由軟磁性材料組成。汽車正常行駛時，電渦流緩速器不工作，定子線圈無電流，轉子自由轉動。當電渦流緩速器工作時，定子線圈內(nèi)通入電流，從而產(chǎn)生磁場。轉子轉動切割磁感線，由法拉第電磁感應定律可知，轉子內(nèi)形成渦電流，進而產(chǎn)生磁場，由磁場的相互作用產(chǎn)生阻礙轉子轉動的力矩，此力矩通過轉子作用到驅動軸上從而進行制動。此過程，把汽車的動能轉化為電渦流產(chǎn)生的熱能，并散發(fā)到空氣中。

2.1.5液力緩速器

液力緩速器與液力變矩器有些相似。液力緩速器中的定子和轉子對置，形成工作腔。定子相當于渦輪，轉子相當于泵輪。汽車正常行駛時，液力緩速器不工作，工作腔內(nèi)沒有油液，轉子轉動無阻礙。緩速器工作時，工作腔中流入油液，這些油液被轉子帶動沖向定子的葉片上，使定子轉動。之后油液流出定子再次流回轉子，方向與轉子轉動方向相反，阻礙轉子的轉動。轉子連接傳動軸，進而對車輛進行制動。從此過程中，油液速度降低，溫度增大，汽車的動能轉化為油液的內(nèi)能，最后散發(fā)到大氣中。

2.2 加快鼓式制動器的散熱速度

除了改進制動器的結構（在制動鼓上增加葉片、或采用組合式制動器的方法等）和應用散熱速度快的材料制造制動器，加快鼓式制動器散熱速度的方法主要為對制動器進行冷卻，分為水冷和風冷兩種方式。

2.2.1水冷方式

水冷裝置包括直接淋水裝置、氣壓淋水冷卻裝置。

直接淋水裝置由電動水泵使水淋出對制動器進行冷卻。駕駛員一般根據(jù)自己的經(jīng)驗判斷制動器是否過熱，打開冷卻閥門或通過電信號控制電磁閥開啟或關閉水路。這種裝置結構比較簡單，成本低，淋水量不能自動調(diào)節(jié)，且容易分散駕駛員的注意力。

氣壓淋水裝置通過貯氣筒內(nèi)的高壓空氣對冷卻水加壓進行淋水使制動器冷卻。這種裝置易改裝，是目前解決制動性能熱衰退常用的方法。氣壓淋水裝置存在的問題是，水箱無水時不容易發(fā)現(xiàn)，且存在氣體泄漏，使制動系統(tǒng)氣壓不足，導致制動效能下降而誘發(fā)的交通事故。

2.2.2風冷方式

強制風冷裝置：壓風裝置與變速器取力器相連，在制動底板上開噴氣嘴，同時制動鼓外壁設計散熱翅片。這種裝置結構簡單，避免了水淋冷卻裝置管道易堵塞的問題，在小型車上有很大應用。但由于壓風裝置與變速器相連，在車輛行駛中一直處于工作狀態(tài)，造成能量損失；且隨著車速降低，冷卻效果也跟著降低，散熱能力有限。

2.3其他方法

駕駛員駕駛行為控制：不要超速行駛，不要超載，保持足夠安全車距，保持鎮(zhèn)定，避免緊急剎車等等。

道路條件：公路修建時避免長大下坡的道路，坡度盡量小，減少急轉彎道路等等。

3 結語

在一些貨車和客車上，單靠行車制動器不能保證行車制動的安全性，就需要加裝輔助制動器或者制動器的冷卻裝置。這方面，國家也有了相應的研究及一些法規(guī)，但應用仍不足。期待更多的研究和應用。

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作者簡介：

劉燕斌 （1990--） ，男 ，山西太原人，碩士在讀，車輛工程專業(yè)。