基于賽道場景的跑車制動熱害試驗方法研究

【摘" 要】車輛在賽道上行駛時的狀態有別于在常規道路上行駛，會在短時間內多次經歷急加速、急制動，制動盤的溫度會急劇上升，這種狀態對整個制動系統都是一個巨大的考驗，因此需要策劃制動熱害試驗進行快速測試驗證。制動熱害試驗通常有整車道路試驗、虛擬仿真試驗和臺架試驗3種方法，但道路試驗存在周期長、成本高及穩定性差等問題，而虛擬仿真因制動系統模型復雜精度一般，這兩種方法都不能滿足項目測試需求。文章利用大功率測功機、制動臺架及NI實時仿真系統集成了跑車制動熱害試驗臺架。該臺架可復現賽道中跑車制動熱害失效問題，對新方案進行快速臺架驗證，可建立一整套制動熱害臺架試驗方法，為項目制動系統試驗驗證提供可靠支持與保障。

【關鍵詞】賽道場景;制動熱害試驗;實時仿真系統;碳陶制動盤

中圖分類號：U467.11" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0048-04

Study on the Brake Heat Damage Test Method Based on Race Track Scenario

【Abstract】The state of the vehicle on the race track is different from that on the conventional road，and it will experience repeated sudden acceleration and braking in a short time，causing the brake disc temperature to rise sharply. This state is a huge test for the entire braking system，so it is necessary to plan brake heat damage tests for quick testing and validation. Brake heat damage tests usually have three methods： whole vehicle road tests，virtual simulation tests，and bench tests. However，road tests have problems such as long cycle and high cost，and virtual simulation tests have problems such as complex braking system models and low precision，and these two methods cannot meet the testing needs of the project. The paper uses a high-power dynamometer，a brake test rig，and the NI real-time simulation system to assemble a sports car brake heat damage test rig. The test rig can reproduce the brake heat damage failure problems on the race track，quickly verify new schemes on the test rig，and establish a complete set of brake heat damage bench test methods，providing reliable support and assurance for the braking system test verification of the project.

【Key words】race track scenario;brake heat damage test;real-time simulation system;carbon-carbon brake disc

0" 引言

圈速是跑車賽道性能的重要衡量指標[1]，跑車不僅要有極致動力輸出，還需具備穩定制動能力。跑車在賽道場景中有大量急加速、急減速工況，制動溫度遠高于普通乘用車，普通跑車可達800～900℃，F1賽車甚至高達1200℃以上。制動盤周邊零件因熱傳導極易造成熱害失效風險，如制動液泄漏、制動軟管熔斷、活塞密封圈燒熔及制動盤面開裂等，這對跑車制動系統提出了極為嚴苛的要求。

車輛制動熱害試驗通常有整車道路試驗、臺架試驗及虛擬仿真試驗3種。整車道路試驗需要試驗樣車，存在試驗周期長、成本高及穩定性差等問題;虛擬仿真因制動系統模型復雜精度一般，參考意義有限;臺架試驗則根據實車狀態進行室內臺架模擬，具有穩定性好、周期短、成本低等優點，可以快速復現整車試驗中的失效問題。

為了防止我司某款跑車在賽道出現制動熱害失效問題，需策劃跑車制動熱害臺架試驗，提前對各種方案進行臺架驗證。本文主要介紹跑車制動熱害臺架試驗方法，包括從跑車賽道制動路譜采集到制動熱害試驗臺架設備集成開發，建立一整套跑車制動熱害臺架試驗流程，為項目制動系統測試驗證提供可靠的支持與保障。

1" 工作原理

1.1" 盤式制動器工作原理

制動器按結構主要分為鼓式制動器與盤式制動器兩種類型。鼓式制動器主要用于商用車上，盤式制動因具備結構簡單、體積小、輕量化及散熱性能好等優點，被廣泛用于乘用車領域。

盤式制動器主要由制動盤、制動卡鉗、活塞及制動摩擦片等構成，如圖1所示。制動盤與車輪固聯在一起，其他樣件固定在懸架上。當駕駛員踩下制動踏板時，通過杠桿機構及助力電機向制動主缸中的制動液施加壓力，制動壓力通過油管傳遞至制動卡鉗的活塞上。活塞推動制動摩擦片夾緊制動盤，連帶車輪與地面的摩擦令車輛產生減速或停止的制動效果。

1.2" 通風型制動盤散熱原理

汽車在行駛中通過前保進氣口將車外空氣吸入，然后通過管道將空氣引入碳陶盤，通過離心力使空氣形成對流，將熱量從通風孔擴散至周圍空氣中，達到散熱的目的。通風型制動盤具備抗熱衰、輕量化、維修簡單等優點，其結構示意見圖2。

1.3" 碳陶盤制動器

通風型制動盤按材料分為鑄鐵制動盤、碳陶制動盤兩種類型。鑄鐵制動盤在700℃時就會出現嚴重制動熱衰退[2]，主要用于普通家用乘用車領域;而碳陶制動盤采用碳纖維增強碳化硅基復合材料制作而成，相較普通鑄鐵制動盤，具備輕量化、耐高溫、穩定和耐用等優點，主要用于航空航天、軌道交通以及高性能豪華跑車[3-4]。

我司某跑車制動系統搭載了自研碳陶盤制動器，具備輕量化（減重60%）、耐高溫（高達1400℃）、高耐磨（30萬公里）、抗熱衰（熱衰后仍具備90%效能）及耐腐蝕等特點，搭載6缸活塞卡鉗，可為車輛提供更大的制動力矩，具備優秀的制動性能。碳陶盤制動器如圖3所示。

1.4" 制動臺架

制動臺架主要由制動器、制動控制器和伺服控制系統以及上位機構成，其結構如圖4所示。伺服系統接收上位機的控制指令，驅動伺服電缸對制動踏板施加位移，控制器接收到制動系統信號后進行策略運算，發出電磁閥調控指令調節車輪制動效果，隨之制動卡鉗輪缸壓力增大，摩擦片夾緊，制動盤實現車輪制動效果。

1.5" 實時仿真系統工作原理

實時仿真系統是一種基于模型的工程設計應用平臺，主要由上位機和實時仿真機組成。目前，主流實時仿真系統開發商有dSPACE和NI兩家，NI較dSPACE可開發程度高、價格低，更適合用戶進行集成開發。

NI實時仿真機集成在高性能PXI機箱中，配置的實時處理器安裝了LINUX實時操作系統，能夠支持Simulink模型的自動生成代碼和實時仿真運行，最小仿真步長可達0.1μs，信號延時最小1ms。同時，它還可配備CAN通信接口、數字量模擬量I/O接口、負載模擬、傳感器信號模擬等，具有豐富的擴展性。上位機上安裝試驗軟件可用于搭建測試工程、實時仿真模型建模、實時仿真接口配置以及自動化測試用例編寫等。

工程師可以在實時仿真系統平臺上實現控制器策略開發、軟件在環測試、快速原型測試、硬件在環測試等。實時仿真系統工作原理如圖5所示。

2" 技術路線

2.1" 制動熱害臺架方案制定

為應對跑車在賽道工況下可能出現的制動熱害失效問題，進行臺架策劃以便提前對制動方案進行驗證。具體而言，采用西門子大功率測功機來實現車輪轉速和慣量模擬;利用NI實時仿真機與制動臺架聯合進行制動壓力建壓;通過無線溫度采集儀實時監測碳陶盤盤溫。經過臺架之間的系統聯調，使得車輪轉速與制動壓力能夠按照實測路譜進行臺架模擬，其具體技術路線如圖6所示。

2.2" 路譜采集

為了給臺架提供準確的目標輸入，需要采集整車賽道制動路譜數據。在碳陶盤面通風孔處安裝熱電偶，并使用Kister無線滑環溫度采集儀采集碳陶盤的盤溫，同時利用Vector CAN總線分析儀采集車輪輪速及制動主缸壓力等數據。采集到的數據中，車輪輪速用于測功機轉速輸入，制動主缸壓力用于制動主缸壓力輸入，而盤溫則用于試驗數據監測和對比。實測賽道制動路譜如圖7所示。

2.3" 制動熱害臺架搭建

將碳陶盤制動器通過試驗工裝固定在試驗臺上，另一端與大功率測功機連接，制動油管則與制動臺架相連。臺架試驗示意如圖8所示。為了實時監測在賽道制動系統熱害失效位置（制動盤、制動片、制動軟管）的樣件溫度，在這些位置安裝熱電偶。熱電偶位置分布如圖9所示。

2.4" 制動熱害試驗臺架系統聯調

對該試驗系統進行聯調時，需保證測功機轉速（車輪轉速）與制動主缸壓力在同一時間軸上且低延時，否則試驗無意義。測功機和無線滑環溫度采集儀通過CAN通信與NI實時仿真機連接在一起。實時機接收測功機發出的轉速、扭矩信號以及溫度采集儀發出的溫度信號，同時通過運動控制板卡對制動臺架伺服系統進行控制。

首先，在Simulink中設置測功機轉速判斷程序，當轉速gt;0時，運行主缸壓力程序，使NI實時仿真機保持信號接收狀態。接著運行測功機臺架，測功機轉動后，激活主缸壓力程序，驅動伺服電缸給制動主缸施加目標壓力。采集臺架調試數據，目標主缸壓力與臺架實測主缸壓力峰值基本重合，延時控制在1ms內，此時臺架調試完成。目標主缸壓力與實測主缸壓力對比數據如圖10所示。

3" 試驗結果

由于實車賽道碳陶盤附近的風速及風量無法采集，本次測試聯合CAE部門進行制動系統CFD仿真以獲取來流風速和風向，并采用大功率可控軸流風機對碳陶盤進行散熱控溫。運行跑車制動熱害臺架，在試驗運行多個飛行圈后，卡鉗周圍冒白煙，繼續運行制動，主缸壓力快速降為0，停止試驗。

對比碳陶盤路試與臺架試驗溫升曲線，發現兩者溫度趨勢基本一致，臺架數據略高于賽道測試盤溫，對比結果見圖11。試驗后檢查樣件狀態，發現卡鉗周圍出現制動液泄漏，拆解卡鉗活塞后，確認密封圈失效。

針對此次失效進行方案改進，調整制動、回饋比例，并增加隔熱、散熱措施。再次測試后未見失效，后續該方案應用到實車上賽道也未反饋相關熱害失效問題。試驗室成功地在前期測試中避免了制動熱害失效問題。

4" 總結

跑車在賽道上頻繁經歷急加速、急減速工況，這使得制動卡鉗溫度急劇升高。高溫會導致輪缸密封圈失效，進而引發制動液泄漏，最終造成制動系統失效。本文所介紹的跑車制動熱害試驗臺架可快速復現賽道中的制動系統失效狀態，從而幫助研發部門在前期即可識別風險，并通過臺架進行快速改進和驗證，有效提高了跑車制動系統的可靠性和安全性，為跑車在賽道上的良好性能表現提供了有力保障。

參考文獻：

[1] 王劍鋒. 電動賽車單體殼車身優化設計及整車操縱動力學研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[2] 馮天驥. 乘用車制動品質客觀評價體系研究[D]. 長春：吉林大學，2020.

[3] 沙建軍，代吉祥，張兆甫. 纖維增韌高溫陶瓷基復合材料應用研究進展[J]. 航空制造技術，2017（19）：16-32.

[4] 周蕊，韓文靜，施偉偉，等. 碳陶復合材料的摩擦磨損性能[J]. 機械工程材料，2022，46（3）：57-62.