載重量對(duì)鼓式制動(dòng)器溫度場(chǎng)的影響

林恩景

（福建省三鋼（集團(tuán)）物流公司 福建三明365000）

1 前言

根據(jù)冶金工程運(yùn)輸實(shí)際需要和經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題，很多車(chē)輛需要超載運(yùn)輸。超載運(yùn)輸因重力加速度和慣性作用又會(huì)加長(zhǎng)制動(dòng)距離。這樣長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)或緊急制動(dòng)，制動(dòng)器里的制動(dòng)鼓和制動(dòng)片之間相互摩擦而形成溫度場(chǎng)，積聚著大量的熱量，使摩擦副（指制動(dòng)鼓與制動(dòng)片）溫度快速升高，從而導(dǎo)致制動(dòng)器熱衰退現(xiàn)象發(fā)生，極易釀成交通事故。因此，研究車(chē)輛在不同載重量情況下對(duì)制動(dòng)器溫度場(chǎng)的影響，確定超載極限值，對(duì)冶金工程運(yùn)輸具有重要的指導(dǎo)意義。

2 制動(dòng)產(chǎn)生熱量的主要影響因素研究

車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器里的制動(dòng)鼓與制動(dòng)片之間摩擦產(chǎn)生的熱量，根據(jù)摩擦生熱原理，熱量計(jì)算表達(dá)式為［1］：

又根據(jù)行駛的距離等于制動(dòng)時(shí)的速度乘以制動(dòng)時(shí)間關(guān)系，所以推出：

式中：Q—制動(dòng)器產(chǎn)生的熱量，N·m；

Fa—制動(dòng)裝置作用于輪鼓上的制動(dòng)力，N；

S—行駛的距離，m；

v—制動(dòng)時(shí)的速度，m／s；

t—制動(dòng)時(shí)間，s。

車(chē)輛下坡行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)行，摩擦阻力和空氣阻力較小，在此忽略，下坡產(chǎn)生的加速度主要是重力加速度。為了行駛安全，只要把車(chē)輛控制在一定速度勻速行駛就可以。所以制動(dòng)裝置作用于各個(gè)輪鼓上的制動(dòng)力（假設(shè)是均等的）總和，等于車(chē)輛下坡時(shí)的重力分力即可，即：

式中：M0—車(chē)輛總質(zhì)量，kg；

M1—貨物總質(zhì)量，kg；

g—地球重力加速度，m／s2；

ɑ—路面坡度；

n—車(chē)輛制動(dòng)器個(gè)數(shù)。

單個(gè)制動(dòng)器產(chǎn)生的熱量：

從公式（4）可以分析，制動(dòng)產(chǎn)生熱量的主要影響因素有：一是車(chē)輛自重M0g和載重量M1g（即載荷）；二是路面坡度；三是在制動(dòng)時(shí)的速度；四是制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短；五是車(chē)輛制動(dòng)器個(gè)數(shù)。且制動(dòng)產(chǎn)生的熱量與車(chē)輛自重加載重量的總和、路面坡度的正弦值、制動(dòng)時(shí)的速度、制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短等都是成正比例關(guān)系；與車(chē)輛制動(dòng)器個(gè)數(shù)成反比例關(guān)系。

雖然從理論上得出車(chē)輛載重量M1g增加，致使車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器產(chǎn)生的熱量增加。但結(jié)合具體車(chē)型、根據(jù)實(shí)際情況，在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，車(chē)輛載重量的增加量，對(duì)制動(dòng)器產(chǎn)生熱量（即溫度場(chǎng)）的具體影響，需要建立有限元分析模型進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

3 載重量對(duì)制動(dòng)器溫度場(chǎng)的影響

隨著有限元建模技術(shù)的發(fā)展，在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在有限元分析和計(jì)算過(guò)程中，三維模型、材料的各項(xiàng)參數(shù)和有限元分析模型建立的準(zhǔn)確性，對(duì)最終分析結(jié)果影響較大，必須對(duì)各項(xiàng)參數(shù)做到精準(zhǔn)。

3.1 建立鼓式制動(dòng)器三維實(shí)體模型

我國(guó)目前的重型運(yùn)輸車(chē)輛，基本以鼓式制動(dòng)器為主。本文以重汽豪沃車(chē)鼓式制動(dòng)器為例，根據(jù)主機(jī)廠設(shè)計(jì)部門(mén)得到的制動(dòng)器各部件材料具體參數(shù)，用CATIA軟件建立鼓式制動(dòng)器各部件三維實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 制動(dòng)器實(shí)體圖

因制動(dòng)鼓內(nèi)部零件較多，很多都不是生熱部件，與制動(dòng)熱衰退關(guān)系不大，對(duì)于最終結(jié)論計(jì)算精度沒(méi)有明顯影響，可以簡(jiǎn)化。只有制動(dòng)片與制動(dòng)鼓是生熱部件。

根據(jù)鼓式制動(dòng)器的物理結(jié)構(gòu)和生熱機(jī)理，熱量是由制動(dòng)鼓的內(nèi)表面與緊密貼合的制動(dòng)片外表面之間摩擦作用產(chǎn)生的，其二者的瞬間溫度基本沒(méi)有差別。所以本文只選擇對(duì)制動(dòng)鼓進(jìn)行有限元建模計(jì)算分析。

3.2 確定制動(dòng)鼓材料力學(xué)參數(shù)

從主機(jī)廠設(shè)計(jì)部門(mén)得到的數(shù)據(jù)，確定制動(dòng)鼓材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 制動(dòng)鼓材料參數(shù)

3.3 建立制動(dòng)鼓三維實(shí)體模型

用CATIA軟件，建立制動(dòng)鼓三維實(shí)體模型，由于制動(dòng)鼓是對(duì)稱(chēng)的圓形結(jié)構(gòu)，先建立制動(dòng)鼓橫截面的二維模型選擇參考平面，再用旋轉(zhuǎn)命令，形成制動(dòng)鼓的三維實(shí)體模型，模型如圖2所示。

圖2 制動(dòng)鼓三維實(shí)體模型

3.4 建立制動(dòng)鼓有限元模型

運(yùn)用Ansys軟件對(duì)制動(dòng)鼓進(jìn)行有限元分析，該軟件具有操作簡(jiǎn)單、功能多樣、分析準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，且具有多種因素耦合現(xiàn)場(chǎng)分析的功能，可以對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的升溫過(guò)程進(jìn)行精確地分析［2］。采用Ansys軟件SOLID70單元（導(dǎo)熱性單元），可在三個(gè)方向上傳導(dǎo)熱量，具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一定的自由度，可以滿(mǎn)足三維瞬態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)分析［3］。

本文應(yīng)用Ansys軟件，在其他條件如坡度、行駛速度和制動(dòng)時(shí)間保持不變，在實(shí)施制動(dòng)后，分析載重量對(duì)制動(dòng)鼓溫度的影響。首先建立制動(dòng)鼓三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入Ansys軟件SOLID70單元，再根據(jù)表1分別定義制動(dòng)鼓的材料屬性參數(shù)，然后進(jìn)行制動(dòng)鼓三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立制動(dòng)鼓有限元分析模型，見(jiàn)圖3。

圖3 制動(dòng)鼓有限元模型圖

3.5 不同載重量下制動(dòng)鼓溫升情況

根據(jù)交通部門(mén)發(fā)布的數(shù)據(jù)，針對(duì)車(chē)輛的額定載重及其倍數(shù)，對(duì)制動(dòng)鼓進(jìn)行模擬溫升試驗(yàn)。重汽豪沃車(chē)輛的基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 車(chē)輛基本參數(shù)

在額定載重、二倍額定載重、三倍額定載重等不同情況下，分別以比較常見(jiàn)狀態(tài)和操作進(jìn)行：在常見(jiàn)的坡度為4%、以正常的60km／h的車(chē)速下坡行駛，制動(dòng)5s時(shí)間。

通過(guò)有限元分析研究：在此條件下制動(dòng)后，制動(dòng)鼓的溫度變化計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同載重量制動(dòng)鼓溫升圖

圖4為不同載重量制動(dòng)鼓溫升圖，從圖4中可知，制動(dòng)時(shí)間同樣在5s內(nèi)，車(chē)輛在額定載重條件下，制動(dòng)鼓的內(nèi)表面最高溫升為204.57℃，車(chē)輛在二倍額定載重條件下制動(dòng)鼓的內(nèi)表面最高溫升為307.27℃，車(chē)輛在三倍額定載重條件制動(dòng)鼓內(nèi)表面的最高溫升為345.37℃。

3.6 結(jié)果分析

在研究國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)車(chē)輛制動(dòng)器失效溫度的論證基礎(chǔ)上，本文選擇200℃作為制動(dòng)器的安全溫度值，是開(kāi)始熱衰退溫度；262℃作為制動(dòng)器熱衰退開(kāi)始加劇的警告溫度值；310℃作為制動(dòng)器熱衰退開(kāi)始發(fā)生不可逆反應(yīng)的危險(xiǎn)溫度值。

通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果分析：在其他條件都一樣的情況下，車(chē)輛載重量增加越多，車(chē)輛自重加速度作用越大，制動(dòng)鼓溫度升得越高。具體如下：

車(chē)輛在額定載重條件下制動(dòng)5s時(shí)間，制動(dòng)鼓的內(nèi)表面溫升為204.5℃。靠近200℃，是制動(dòng)器的安全溫度值。摩擦副間的摩擦系數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定，但已經(jīng)是開(kāi)始熱衰退的溫度值。

車(chē)輛在二倍額定載重條件下制動(dòng)5s時(shí)間，制動(dòng)鼓的內(nèi)表面溫升為307.2℃。大于262℃，超過(guò)制動(dòng)器熱衰退開(kāi)始加劇的溫度，屬警告溫度值。摩擦副間的摩擦系數(shù)已經(jīng)急劇下降，車(chē)輛運(yùn)行已經(jīng)不安全了。

車(chē)輛在三倍額定載重條件下制動(dòng)5s時(shí)間，制動(dòng)鼓內(nèi)表面的溫度為345.3℃。大于310℃，超過(guò)制動(dòng)器熱衰退開(kāi)始發(fā)生不可逆反應(yīng)的危險(xiǎn)溫度值。這時(shí)制動(dòng)鼓變形和制動(dòng)片碳化成粉，失去其摩擦系數(shù)較高的優(yōu)勢(shì)，而導(dǎo)致制動(dòng)失效。若延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間，制動(dòng)鼓內(nèi)表面的最高溫升，很容易大于600℃，制動(dòng)器的制動(dòng)就基本失效了。

4 結(jié)論

綜上分析，車(chē)輛在二倍額定載重量條件下超載運(yùn)行，在常見(jiàn)4%的坡度、以常規(guī)60km／h的車(chē)速下坡行駛，只要制動(dòng)5s時(shí)間，就很容易產(chǎn)生熱衰退，就已經(jīng)是不安全行駛了。車(chē)輛載重要想控制在二倍額定載重以?xún)?nèi)安全行駛，車(chē)輛首先必須降低行駛速度，其次還要配裝必要輔助制動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)行駛速度一定時(shí)，路面的坡度和長(zhǎng)度，從一定程度上決定著制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短，如：

1）在各個(gè)輪鼓外表面加裝噴水冷卻系統(tǒng)。直接降低產(chǎn)生熱衰退的溫度。

2）配裝ABS防抱死系統(tǒng)。既可以控制穩(wěn)定的制動(dòng)力，還可以減半制動(dòng)距離或延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間，有效緩解制動(dòng)器溫度的升高。

3）配裝排氣制動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)拖滯車(chē)輪轉(zhuǎn)速。

4）在傳動(dòng)軸中間配裝緩速器。通過(guò)電渦流反向扭矩作用，降低傳遞轉(zhuǎn)速。