強制風冷及水冷鼓式制動器設計

王 澤，肖凌云，佟一搏，杜 皓，童麟澳，范芷汀，陳旭亮

（1.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱150010；2.國家市場監(jiān)督管理總局缺陷產(chǎn)品管理中心，北京100101）

1 引言

鼓式剎車由剎車底板、剎車分泵、剎車蹄片等有關連桿、彈簧、梢釘、剎車鼓所組成。所以，鼓式剎車的結(jié)構(gòu)相對密封，散熱性沒有盤式剎車好，在連續(xù)剎車時，剎車鼓會受熱膨脹，使踩下剎車踏板的行程加大，剎車反應不如預期，也就是常說的熱衰減。由于工作環(huán)境復雜多變，制動器工作不穩(wěn)定而導致出現(xiàn)振動和噪聲，鼓式制動器制動時的溫度變化對制動不穩(wěn)定性影響較大，因此對鼓式制動器冷卻系統(tǒng)進行設計具有十分重要的意義。

當前，鼓式制動器的熱衰退效應被人們廣泛研究。牛化武等進行了汽車鼓式剎車系統(tǒng)冷卻能力自控裝置設計方面的研究[1]，單片機根據(jù)埋在摩擦片內(nèi)的溫度變送器采集到溫度信號，通過店空氣來調(diào)節(jié)電動水象泵水最和電磁閥的開關頻率。陳冬巖公布了專利“剎車自動降溫裝置”，其裝置的主機與從機間采用CAN總線結(jié)構(gòu)通信[2]。王才嶧設計了汽車車身噴淋濕度檢測儀，用于檢測汽車車身噴淋實驗之后的車廂濕度[3]。李強通過對貨車鼓式制動失效和制動溫度的相關性分析，搭建了針對不同工況下的制動器溫度監(jiān)測和預警系統(tǒng)，設計了一種制動安全輔助手段，為主動安全提供了基礎[4]。陳益慶等針對鼓式制動器制動過程出現(xiàn)的熱衰退問題，設計了一種基于電渦流制動的鼓式制動器，有效提高了鼓式制動器的熱衰退性能，提高了制動性能[5]。

盤式剎車與鼓式剎車相比，具有較好的穩(wěn)定性、反應性和散熱性，但鼓式剎車的制動性能高于盤式剎車。因重載貨車對制動性能有更高要求，所以重載貨車一般都采用鼓式剎車。但是制動器散熱性嚴重影響行車安全，所以本文針對傳統(tǒng)的鼓式制動器散熱性較差這一問題，設計了一種新型的溫度分段控制降溫的強制風冷及水冷鼓式制動器，并將制動鼓設計成具有導向風道和引流風通道的結(jié)構(gòu)。

2 強制風冷及水冷鼓式制動器設計要點

2.1 系統(tǒng)硬件組成

本文所設計的溫度分段控制強制風冷及水冷新型鼓式制動器硬件主要由以下幾部分組成：制動蹄、回位彈簧、調(diào)整螺母、制動輪缸、支座、制動蹄、可調(diào)支座、制動底板、制動鼓、電磁緩速器、直流風扇、溫度傳感器、電磁閥等。

2.2 制動鼓導向風道結(jié)構(gòu)設計要點

由于傳統(tǒng)制動鼓輪轂內(nèi)氣流無規(guī)則流動，降低了氣流流動帶走發(fā)熱區(qū)的熱量，因此本文為克服這一缺點，在制動鼓內(nèi)設計了導向風道結(jié)構(gòu)，使得輪轂內(nèi)氣流規(guī)則流動，形成期望氣流。導向風道結(jié)構(gòu)設置在輪轂發(fā)熱區(qū)，目的是將輪轂內(nèi)氣流導向發(fā)熱區(qū)，最大限度上使氣流帶走更多的熱量，提高散熱效率，達到風冷散熱的目的。

2.3 制動鼓內(nèi)壁引流風通道結(jié)構(gòu)設計要點

由于傳統(tǒng)制動鼓輪轂依靠內(nèi)部氣流不斷循環(huán)激蕩來降低發(fā)熱區(qū)熱量，通過排氣孔排出氣體，氣流降溫期間，因制動蹄內(nèi)外氣壓差較大，導致高溫氣流不斷循環(huán)激蕩經(jīng)過發(fā)熱區(qū)，所以會嚴重降低散熱效率。為達到高溫期望氣流能及時排出的目的，據(jù)此提出在制動鼓內(nèi)壁添加和外壁一樣形狀的金屬長片，并且金屬長片左右邊緣銜接制動鼓內(nèi)壁，使得高溫氣流以切線形式排出輪轂，由此構(gòu)建期望氣流排出通道，最大程度上達到風冷散熱的目的。

3 強制風冷及水冷鼓式制動器結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 強制風冷及水冷鼓式制動器結(jié)構(gòu)

新型制動鼓相較于傳統(tǒng)制動鼓增加了電磁緩速器、外風扇和水箱電磁閥，并且制動鼓添加了導向風道和引流通道結(jié)構(gòu)。電磁緩速器固定在貼近輪轂發(fā)熱區(qū)的位置，使其可以在感知溫度達到閾值時可以迅速發(fā)揮作用；水箱電磁閥安裝在水箱和輪轂發(fā)熱區(qū)間且靠近發(fā)熱區(qū)的位置。在貨車實際制動過程中，當達到溫度傳感器的第一個閾值時，風冷散熱起主要作用；當達到溫度傳感器的第二個閾值時，水冷散熱起主要作用。根據(jù)不同溫度閾值進行不同等級的散熱處理，使得散熱效率最大化。

制動器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制動器結(jié)構(gòu)

3.2 強制風冷及水冷鼓式制動器工作原理

將制動鼓設計成具有導向風道的結(jié)構(gòu)，期望氣流對摩擦發(fā)熱區(qū)進行風冷散熱。當制動鼓轉(zhuǎn)動時，因粘滯阻力對空氣流體施加一定扭矩，導致氣流體因慣性力作用進入外圍的導向風道內(nèi)，高速流過發(fā)熱區(qū)（條件：Sout≤Sin），使摩擦高溫區(qū)降溫。制動時導向風道氣流客觀上降低高溫區(qū)溫度（被動通風散熱階段）；當摩擦區(qū)溫度進一步升高時，電磁緩速器開啟，車輛減速，同時外部風扇開啟，強制通風至低壓區(qū)，增加導向風道流速降低高溫區(qū)溫度（強制通風散熱階段）。若溫度還在升高，控制水箱噴淋系統(tǒng)對導向風道噴淋（強制水冷散熱階段）。

工作原理如圖2所示。

圖2 工作原理圖

4 創(chuàng)新點

導向風道設計：通過導向風道設計，使得輪轂內(nèi)氣流規(guī)則運動，形成期望氣流，使得期望氣流導向引流通道入口，最大限度上達到冷風散熱的目的。

引流通道設計：通過引流通道設計，消除制動蹄內(nèi)外氣壓差，使得輪轂內(nèi)高溫期望氣流可以順利排出制動鼓，最大程度上提高散熱效率。

三階段散熱控制系統(tǒng)：溫度傳感器設置兩個溫度閾值，當溫度小于閾值1時，被動通風，形成空氣流場，實現(xiàn)冷風散熱的目的；當溫度大于閾值1小于閾值2時，利用電磁緩速器和外風扇的外力作用，實現(xiàn)強制通風，以此達到強制冷風散熱的目的；當溫度大于閾值2時，水箱電磁閥開啟，以此達到水冷散熱的目的。