制動器偏磨對制動跑偏的影響研究

于洋

摘 要：本文從理論角度講述盤式制動器摩擦副所產生的溫度場對偏磨影響的原理，及所造成的結果。并介紹有限元的相關理論。確定摩擦副中的各項特性，建立模型。得到分析結果—偏磨出現的結果大多為入口磨損大于出口磨損。根據有限元分析結果結合上述產生偏磨的原因，針對該型號原盤式制動器結構從設計上進行優化，增加新的檢測手段，從裝配工藝上進行保證裝配質量。

關鍵詞：制動跑偏;有限元分析;偏磨;制動間隙

1 制動偏磨介紹

制動器偏磨是指盤式制動器的摩擦片在車輛制動過程接觸面的損耗出現不一致，造成薄厚不一致的現象。其也是導致車輛制動跑偏原因主要原因。

偏磨主要表現形式有下面幾種情形：

1.剎車片偏磨表現在剎車片入口（即朝向車輛前進的方向）和出口處楚翔磨損不均勻的情況。

2.剎車盤兩側的剎車片出現薄厚不一致的情況。靠近車軸中線的摩擦片我們成為“內片”，靠在外側的為“外片”。

3.還有一種情況就是同一片摩擦片上下兩側磨損不一致。這種情況在重型車或者大型客車上時常出現，小型車輛很少出現，是因為小型車輛的上下徑向寬度較小，磨損量小。

2 產生偏磨的原因

接下來我們從盤式制動器的結構上分析一下產生偏磨的幾種原因。

2.1 從上一章介紹的盤式制動器的幾種結構和工作原理中，我們可以看到制動盤本身的表面厚度差異會直接影響到摩擦片的磨損。在制動過程中制動盤會受到很大的作用力，同時由于制動摩擦會產生大量的熱能，這使摩擦副表面的溫度急劇升高，在這種高溫作用下熱膨脹和變形就會對摩擦片作用力和作用點產生變化和不均，這樣摩擦片各點的磨損會出現偏差，最后導致偏磨的出現。進而影響到左右輪的制動力上的偏差。

造成制動盤厚度超差的原因主要有兩個：

制造過程機械加工產生的誤差，制動盤加工是對盤的端面跳動量，平行度等工藝加工精度要求非常高，對氣壓盤式制動器來說起端面跳動量要求在0.06—0.15mm之間。除了制造產生的誤差影響，還用制動盤材料內部在受到溫度變化時所產生的不同膨脹變形率，這直接影響著內部應力的變化。所以在設計過程中材料和制動盤結構尺寸的選擇上應注意控制溫度梯度和熱變形等因素。

另外一種主要原因，就是在橋總成裝配過程中制動盤總成與轉向節裝配位置偏差造成的制動盤軸向偏離，雖然浮動式卡鉗可以在一定程度上彌補裝配上的偏差，但是在車輛高速行駛時，這種軸向偏差會產生明顯的制動振動。這樣就會造成剎車片邊緣處的過度磨損，產生偏磨。同時制動盤本身也會出現比較明顯的局部磨損。那么如何來避免這個在裝配中產生的誤差，先讓我們來分析一下原有的制動器裝配工藝，該前橋采用雙軸承免維護鎖片螺母輪端鎖緊機構。如圖1。

裝配過程中，只是針對鎖緊螺母的扭矩提出了扭緊力矩要求，而對裝配完成后制動盤平面與轉向節軸線的垂直度并無工藝要求。這就有可能產生制動盤軸向偏差。經過仔細的分析和計算在此工序中增加一項制動盤平面與轉向節軸線垂直跳動量檢查，綜合考慮各零部件的尺寸公差和裝配工藝將平面跳動量定在0.04mm以內。制動鉗連接板與轉向節為剛性連接因此可將其背面設定為基準面，見圖2。

通過增加這項檢測工藝可以消除在裝配過程中出現的制動盤軸向偏差。同時也填補了關于輪轂裝配工藝檢測手段缺乏的空白。

2.2 制動器的施加作用力的方式對偏磨的影響。

目前不論是液壓盤式制動器（HDB）還是汽壓盤式制動器（ADB）大體采用單推桿和雙推桿兩種結構，本文研究的主體就是雙活塞結構，雙活塞在作用力及受熱產生應力變形方面對比單活塞有了很大的改善。通過ANSYS軟件建立盤式制動器簡易有限元模型。通過預先設定剎車襯片與制動盤呈現理想結合狀態。推桿作用在摩擦面上下半徑的算術平均圓弧上。將各摩擦件之間的相互運動忽略不計。圖3就是各摩擦片模型在施加各項負載后的應力圖。

從圖3可以清楚的看出推桿附近的壓力明顯大于其他位置。但對于單推力桿這種情況明顯好轉。改善了偏磨的現象。但由于雙推桿的機構復雜，設計難度也比較大，在設計中要注意同步機構選著。

由于是雙推桿結構，所以要求雙推桿要有很好的同步性由于氣壓盤式制動器比液壓盤式制動器多了一套機械自動間隙調整機構。又主動輪通過一套機械傳動機構帶動從動輪實現間隙調整。當摩擦片出現磨損，自調機構工作，但由于中間的傳導機構出現磨損導致從動輪出現遲滯，兩邊的調整距離不一致，那么最終就導致了摩擦片的偏磨。所以選擇兩推桿之間的機械傳動結構的形式也是至關重要的。

現有的傳動方式有鏈條式和齒輪式兩種，見圖4。

2.3 浮動卡鉗重心設計對偏磨的影響

對于氣壓盤式制動器，制動回位時在回位彈簧的作用下來完成，但由于卡鉗與承載銷和導向銷等滑動部件之間出現摩擦干涉等情況就容易導致制動器拖滯。制動器的拖滯造成制動片與盤無法脫離，而且這種接觸隨機性較強，隨著時間就會轉化成偏磨。

那么什么原因造成的滑動部件的滯澀？其中卡鉗重心的偏離是主要原因。如果卡鉗體重心有偏離，就會產生阻止卡鉗回位的偏轉力矩。另外導向銷和支撐銷的裝配位置錯誤，與卡鉗導套之間的間隙配合不正確都會導致卡鉗回位阻力的增加，引起制動器拖滯，見圖5。

ABD是將裝有壓簧的摩擦塊總成放進鉗體中得支架安裝面，然后用壓板壓在壓簧上，用螺栓固定。最初的壓簧和壓板的設計是隨性配合形式，滑動阻力較大，也會導致偏磨的情況，見圖6。

2.4 制動半徑偏移對偏磨的影響。

這種算法并不是任何時候都有效，當m過小時，也就是說制動片上下寬度過大時，那么由于半徑差值大導致不同位置的滑膜速度相差比較大，磨損率將不同，最終導致壓力的分布不均勻，所以這時候上式就不在適用了。

在設計中我們盡量避免m值過小的情況，可以將摩擦片上各點的滑磨速度差忽略，讓實際制動半徑R等于有效半徑Re，這樣可使摩擦表面壓力均衡。如果出現制動半徑偏離有效半徑，那么就會在兩邊產生壓力差，造成摩擦片的偏磨。

那么偏磨為什么會造成制動跑偏呢？首先我們對該型號公交車制動跑偏的原因已經確定就是前軸左右盤式制動器輸出的制動力矩超差，根據盤式制動器的制動力矩計算公式

我們從這個公式中可以看到影響制動力矩的主要是三個參數，在實際情況下這三個參數并非定值，它們會因各種外界條件的改變而發生變化。制動器出現偏磨也是影響其變化的原因之一。我們已經對偏磨的定義和表現形式有比較清楚的認識，車輛如果出現上述現象，那么車輛兩側出現偏磨的程度由于受各種外界不定因素的影響會存在一定的偏差。這種磨損的上的差異會導致兩側制動器在制動過程中摩擦襯片與制動盤接觸的面積、位置、壓力的分布、以及摩擦副之間的應力場和溫度場分布也會產生差異。面積、應力場變化會使實際N值發生變化，偏磨使接觸位置和壓力分布發生變化會導致實際R值的改變，而f會直接受到溫度的影響而變化。而這些變量直接決定左右制動力矩將出現超差。影響到制動的平穩性，嚴重情況下就會產生制動跑偏。同時還伴隨著共振、噪聲、制動效率下降、摩擦片壽命縮短等嚴重后果。

3 摩擦片溫度對偏磨的影響

3.1 制動器的工作原理已在上面闡述，這里就不在重復了，制動器在工作中必然會產生大量的熱能，這不僅改變摩擦材料物理特性，同樣也使其表面發生法學反應。正是這個主要原因使摩擦材料磨損特性發生了變化。除了溫度因素還有制動壓力、材料的成分、尺寸形狀、以及外界因數都對制動片的磨損，變形，點撕裂以及梨削效應有著直接的影響。如果我們不考慮上述因素或者假定各上訴參數為定值不變的話，那么我們就可以用函數式來表示出，摩擦系數和溫度以及磨損率之間的關系。

我們知道摩擦片工作面為粗糙表面。制動過程中磨擦物理變化和化學變化都是在這些微凸面上發生。一旦這些突起所承受的載荷發生變化時期溫度就會明顯超出其周圍的平均溫度。形成一個熱點，其變化的速度是隨溫度的升高以指數形式放大。這種情況容易導致該部區域的接觸壓力進一步增大，溫度升高進一步加快，形成“熱機失穩”的惡性循環，最終造成“制動熱衰退”甚至嚴重時使制動盤中的氫分子聚合，在表面形成小裂紋。這樣就會加大制動片的磨損、摩擦振動、剎車尖叫等現象。這種情況在半金屬摩擦片中比較常見。

以上可見溫度和接觸壓力是兩個相互影響的因素。我們不應將它們分開獨立分析。首先讓我們先來了解一下溫度場的分布是如何受到摩擦表面壓應力的影響。在制動過程中單位壓力越大產生熱量也越大，溫度也就越高。制動器在工作中，摩擦片受到推桿的作用與制動盤接觸，很明顯推桿所在的作用面其壓力最大。所以擴大推桿的作用面積是減小摩擦片各點壓應力差的很好途徑。這也說明了雙推桿的盤式制動器比單推桿的制動器更加有效改善剎車片偏磨的現象。

滑磨速度也是影響溫度的因素之一。當制動片的內外半徑相差比較的大時，那么剎車片靠近外部的滑膜速度明顯要高于內部。那么上部會產生更多的熱能，其溫度也會更高。相反從另一方面來講扇熱也是產生溫度偏差的一個因素。散熱主要取決于制動盤的材料和結構。當制動盤進入剎車片的工作區域時開始摩擦升溫當轉出工作區域散熱降溫。周而復始，我們可以看到制動片的入口溫度總是低于出口溫度，這也說明了為什么摩擦片的前后容易出現偏磨。同時這些溫度的偏差也會傳遞給制動盤體本身。雖然制動盤本身有良好的散熱性。但是在一些長時間制動的情況時，其所獲的熱量無法及時散發出去，就會導致跟剎車襯片同一種狀況，長此以往就會出現裂紋，縮短了使用壽命。

3.2 應力場的有限元分析，制動襯片與制動盤之間的應力可分為正壓應力和摩擦應力兩部分組成，兩者之間的關系屬于非線性，我們可以采用有限元的分析方法來進行分解，先進計算機軟件將幫我們解決了大量的繁瑣的計算工作，從而為我們節約不少人力、物力和時間。ANSYS就是有限元分析軟件中非常出色的一款。

我們上面所做的工作，最終還是需要通過計算機建立三維模型，設定制動過程中各種載荷和邊界限制條件。然后再通過ANSYS軟件才能得到我們想要的結果。

建立三維模型的軟件有很多種，像Pro/E、CATIA、Solidwork等等，我們這里選用CATIA生成制動副的立體模型。然后再將模型導入ANSYS環境中去生成有限元模型。由于我們要分析的是制動副之間的應力場的分布情況，只需要建立制動盤和制動襯片的實體簡化模型（圖9）。

我們如何確定材料特性，使整個模擬過程接近于真實情況。這非常重要，材料屬性設定越接近實物，其模型分析結果的精確度和可靠度就越高。應力分析所需要設定的屬性包括：彈性模量、泊松比、摩擦系數、密度。根據大量的資料，以及專業廠家的實驗數據，我們確定各屬性為，見表1：

那么制動副應力有限元分析需要考慮哪些載荷和邊界約束條件？制動盤逆時針轉動位移加載，制動盤與制動襯片之間的相對位移邊界條件約束。均勻壓力載荷F=15萬牛頓，接觸面約束條件即摩擦系數取0.33。

最后我們會看到ANSYS經過模擬計算繪制出的應力場分布云圖和摩擦片滑移距離云圖10：

從應力云圖我們可以看到入口的壓應力明顯大于出口而且分布并不均勻。前面分析的制動襯片外徑滑移速度大于內徑，這點在滑移云圖上充分的體現出來。

溫度場-接觸應力場對偏磨其綜合影響是如何體現出來的。上面我曾經說過，正常情況下制動片入口溫度低于出口處。根據磨損率與溫度之間的關系，出口處的磨損大于入口磨損，而接觸應力場分布是入口的壓力大于出口的壓力，相應的可以推斷出制動襯片入口處磨損大于出口。從實際情況出發，目前占制動襯片市場的主導多為半金屬基摩擦材料和有機物基摩擦材料，其中不管哪種摩擦材料都采用樹脂纖維粘合劑。這種粘合劑的溶解點在350℃，當制動襯片溫度高于350°時其磨損率是指數形式放大。這時候溫度場的影響就會占主導地位。其摩擦片出口的磨損大于入口。但經過大量調查機動車使用過程中剎車過熱溫度高于溶解點的概率不到1.5%。所以我們可以得出摩擦片的偏磨主要受接觸壓應力場影響。其偏磨出現的結果大多為入口磨損大于出口磨損。

了解了這些偏磨的機理，就是為了在設計、制造、裝配等過程中去優化改善這些影響偏磨的因素，最終達到消除偏磨對制動力不一致，以及造成制動跑偏的影響。

首先那么盤式制動器這設計過程中要遵循哪幾個基本原則。如何才能達到我們所說的“協調統一”。制動器的設計首先要考慮以下幾方面的要求。

1.根據已知的車輛使用要求，計算出預定制動扭矩目標值。

2.然后是制動效能，制動器在單位輸入壓力或力作用下輸出的力和力矩，常用制動效能因數的無因次指標進行評價。制動效能因素定義成-所作用的制動半徑上所得到的制動力與輸入壓力之比：

3.制動效能穩定性，制動效能穩定性取決于其效能因素k對摩擦片與制動盤之間的摩擦系數的變化率（dk/df）。而摩擦系數是一個變化的系數。它主要受外界溫度、濕度等影響。其中主要影響因數是制動時產生的熱量使制動盤和剎車片的溫度上升而導致的制動熱衰退。

4.制動器的結構尺寸，在滿足設計要求的情況下盡可能小型化，輕量化。還有降低噪音也是制動器設計時需要考慮的一個重要方面。

3.3 盤式制動器優化措施，根據上述原則，再結合該型號公交車所發生的問題，我們準備在設計上從以下幾個方面進行優化改良。

制動盤的通風設計優化。制動盤的散熱性的好壞，直接制約著整個制動器制動性能。現在通用的內部為柱型的通風盤，通風性好，鑄造工藝簡單，但由于結構限制其熱傳導并不均勻，如果通風盤內部結構采用漸開線扇熱條形式，容易形成空氣的流動。另外我們上面已經闡述過制動盤外徑的溫度要高于內徑。而漸開線散熱方式擴大了制動盤外徑的散熱面積，散熱的效率更高，從而內外徑的溫度差趨向平緩，相對產生的內應力和熱疲勞也有很好的改善。

由于制動盤在制動過程中產生的熱能，會使制動盤產生表面錐旋角，造成制動片產生錐形偏磨。可以在摩擦環底部增加斜切口來緩解錐旋角。

針對卡鉗體的設計優化。氣壓式卡鉗體由于外加剎車室，其重心的設計難度更大。如果其重心設計不準確，沒有控制在支撐銷滑動范圍內，就會產生拖滯現象。先進的三維設計軟件能夠將鉗體各部件模擬組裝在一起，再將各部件的材料密度輸入軟件，這樣就能夠幫助設計者準確的計算出重心坐標。另外在壓板與壓簧的設計上，拋棄了原有的隨型設計的裝配形式，而改成線接觸式裝配形式，這樣就減少了不必要的滑動阻力。降低了拖滯的可能性，見圖11。

這次優化還將原有由兩根滑銷來完成導向支撐制動鉗滑動作用改成為四根滑銷浮動支撐導向結構，這種結構不但保證了制動鉗滑動穩定性。避免了拖滯現象，也使制動鉗在滑動過程中保持與制動盤的平行度，從而使摩擦片與制動盤均勻接觸，避免偏磨，見圖12。

摩擦片在材料上淘汰了原先的半金屬基摩擦材料。使用了國際上處于領先地位的無石棉有機物基摩擦材料。在保證使用壽命的同時它降低了摩擦片的硬度，減少了對制動盤的磨損。同時其材料組成成分的變化使其抗熱衰退性能有了很大的改善，在其摩擦穩定性、噪音降低、耐腐蝕性等方面都有了很大的提高。

在摩擦片的外形尺寸上也有很多改良。比如在出入口處倒大角，增大散熱面積，減少入口處磨損。將排屑槽開在摩擦片中部，使兩側磨損一致，膨脹均勻，見圖13。

根據廠家所做的大量的實驗數據，將摩擦系數由原來的f=0.37-0.42減低到現在的f=0.3-0.35這樣降低制動片的磨損率，制動穩定性也較高，見表2。

設計中還優化推桿的傳動方式，采用齒輪傳動機構。根據前面討論的有效制動半徑Re對實際制動半徑R的影響，在確定實際制動半徑時應適當減小有效制動半徑Re。

總結通過有限元從理論角度講述盤式制動器摩擦副所產生的溫度場對偏磨影響的原理，及所造成的結果。確定摩擦副中的各項特性，建立模型。得到分析結果—偏磨出現的結果大多為入口磨損大于出口磨損。根據有限元分析結果結合上述產生偏磨的原因，針對該型號原盤式制動器結構從設計上進行優化，增加新的檢測手段，從裝配工藝上進行保證裝配質量。這些優化的設計方案已經通過廠家的臺架實驗進行和整車實驗得到了有效的驗證。

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