制動(dòng)器摩擦表面溫度測(cè)量方法的研究

谷 曼

（合肥學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥230022）

1 引言

試驗(yàn)研究證明，剎車片的工作機(jī)理是當(dāng)有機(jī)基體剎車片與對(duì)偶件（一般是鑄鐵）相摩擦?xí)r，復(fù)合材料的各自部分會(huì)按自身特性形成不同的摩擦磨損形式，其現(xiàn)象十分復(fù)雜。一般地，在制動(dòng)初期，表面溫度不高，但制動(dòng)片的工作特點(diǎn)在于短時(shí)間內(nèi)，摩擦系數(shù)和溫度的巨大變化。摩擦副要在極短的時(shí)間內(nèi)耗散很大的能量，致使摩擦面上產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)制動(dòng)器溫度較高時(shí)（高于100℃），不僅制動(dòng)力矩急劇下降，而且會(huì)導(dǎo)致相鄰部件的損壞。隨著行駛速度及載重量的不斷提高，高速重載下所產(chǎn)生的摩擦熱也越來越大，單位面積所吸收的摩擦熱越來越大，摩擦元件升溫急速，對(duì)制動(dòng)器的抗熱衰退性以及制動(dòng)穩(wěn)定性影響很大，因此，制動(dòng)器摩擦熱的進(jìn)一步研究勢(shì)在必行。

2 制動(dòng)器制動(dòng)過程摩擦熱理論分析

當(dāng)汽車制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，由于剎車片表面接觸的不均勻性，其遠(yuǎn)小于名義接觸面積且不連續(xù)。接觸點(diǎn)的數(shù)目多少和尺寸大小與剎車片表面粗糙度、制動(dòng)力矩和材質(zhì)的機(jī)械性能有關(guān)。摩擦?xí)r的熱源首先在真實(shí)接觸處產(chǎn)生，并在摩擦過程中隨著表面輪廓和名義接觸面積的變化而改變，其改變的程度取決于實(shí)際接觸處的條件，如速度、溫度、負(fù)荷摩擦過程中表層的物理變化特性以及材質(zhì)的熱物理性能等［1］。

制動(dòng)時(shí)，摩擦片的溫度分布以及制動(dòng)時(shí)的溫度與制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)與摩擦副從自由表面向環(huán)境介質(zhì)散出的熱量等因素有關(guān)，是制動(dòng)摩擦熱傳導(dǎo)理論需要解決的問題，可用下式表示其間的關(guān)系［2］：

以上兩式的邊界條件為：

摩擦產(chǎn)生的總熱量 （在Z＝o處）等于物體1和物體2吸熱之和，即：

摩擦片界面與環(huán)境介質(zhì)產(chǎn)生的熱交換服從牛頓冷卻規(guī)律，即有：

其初始條件為：t＝0，T1＝T2＝0。

汽車制動(dòng)過程一般為非穩(wěn)定的摩擦過程，制動(dòng)時(shí)間較短。在一定的間隔時(shí)間內(nèi)制動(dòng)器將吸收大量的熱能量。根據(jù)制動(dòng)溫度狀態(tài)不同的計(jì)算公式得出，溫度場(chǎng)和表面溫度T可以采用一維熱傳導(dǎo)公式進(jìn)行求解，用該簡(jiǎn)化的公式得出的結(jié)果有一定的準(zhǔn)確性，也是研究摩擦片溫度的基礎(chǔ)。

3 制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)方案

本試驗(yàn)臺(tái)是單工位結(jié)構(gòu)，由主機(jī)（包括機(jī)座、慣量飛輪組）、試驗(yàn)滑臺(tái)、調(diào)速系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、氣/油制動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。

圖1為制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)狀態(tài)總覽。界面能顯示當(dāng)前整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及狀態(tài)，對(duì)被試制動(dòng)器的轉(zhuǎn)速、制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄的溫度、制動(dòng)液的溫度、制動(dòng)力矩、制動(dòng)噪聲及各動(dòng)力源和傳感器的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。被測(cè)制動(dòng)器當(dāng)前的制動(dòng)噪聲聲級(jí)、制動(dòng)鼓、蹄溫度、輪缸制動(dòng)液溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等指標(biāo)一目了然，操作方便。該界面用于調(diào)整模式，即手動(dòng)模式，在輸入制動(dòng)管路壓力和制動(dòng)初速度等參數(shù)后，選擇正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，試驗(yàn)臺(tái)就會(huì)自動(dòng)完成制動(dòng)試驗(yàn)，并輸出一些數(shù)據(jù)，這主要用于試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試及標(biāo)定。

圖1 制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)狀態(tài)總覽

3.2 溫度測(cè)量方式的選擇

制動(dòng)器在工作過程中動(dòng)態(tài)溫度研究尤為重要，但是測(cè)量制動(dòng)器表面的動(dòng)態(tài)溫度存在著許多困難。由于測(cè)試的是兩個(gè)相互接觸的表面，兩種材料相互貼合，測(cè)試儀器布置困難，其次由于從微觀角度看制動(dòng)器表面摩擦屬于微凸體接觸問題，即使同一區(qū)域溫度相差也較大，閃點(diǎn)溫度維持時(shí)間也很短，這給制動(dòng)器表面動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量帶來了很大的難度?，F(xiàn)在國(guó)外已有數(shù)字無繩遙測(cè)技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)，它們也能夠準(zhǔn)確、同步地傳輸采集到的溫度信號(hào)，而且安裝方便。如德國(guó)KMT公司的特色產(chǎn)品就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的小型遙測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將模擬信號(hào)數(shù)字化后無線傳輸，可以采集移動(dòng)部件和旋轉(zhuǎn)部件上各種傳感器信號(hào)，當(dāng)然包括溫度信號(hào)。QC/T479－1999中規(guī)定以熱電偶進(jìn)行溫度的采集，測(cè)試位置比較明確和靈活，測(cè)試數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具體測(cè)量點(diǎn)的溫度值準(zhǔn)確度高。

與其他測(cè)溫方式相比，熱電偶能夠檢測(cè)更寬的溫度范圍，具有較高的性價(jià)比。這種測(cè)試手段屬于接觸式溫度測(cè)量，測(cè)試位置比較明確和靈活，測(cè)試數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具體測(cè)量點(diǎn)的溫度值準(zhǔn)確度高。但是制動(dòng)器摩擦表面的溫度很難測(cè)量，所以表面溫度常用位置距表面0.5～1mm處的點(diǎn)來代替［3］。此外，熱電偶的魯棒性、可靠性和快速響應(yīng)時(shí)間也是其重要的因素，而且熱電偶適用于中高溫測(cè)量，價(jià)格低，正好適合本試驗(yàn)項(xiàng)目。

3.3 熱電偶安裝

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QC/T556－1999規(guī)定用熱電偶進(jìn)行制動(dòng)器溫度的測(cè)量［4］，并推薦了兩種型式的熱電偶：鎧裝熱電偶和插塞式熱電偶。美國(guó)SAE－J2115也規(guī)定使用插塞式熱電偶，其結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。它是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的［5］。

圖2 插塞式熱電偶

QC/T556－1999規(guī)定在靠近制動(dòng)襯片（塊）、制動(dòng)鼓（盤）的長(zhǎng)寬方向的中心處，鉆一通孔（孔徑隨安裝的熱電偶型式而定），并應(yīng)避開筋或散熱片。將熱電偶測(cè)量端固定于孔內(nèi)，不得松動(dòng)。在制動(dòng)襯片（塊）上安裝時(shí)，偶頭距摩擦表面為1.0mm；在制動(dòng)鼓（盤）上安裝時(shí)，偶頭距摩擦表面為0.3～0.5mm［6］。測(cè)量制動(dòng)液溫度時(shí)，熱電偶安裝于制動(dòng)輪缸的放氣螺釘上，裝用之前，需作壓力試驗(yàn)，經(jīng)過半小時(shí)，不得有泄漏現(xiàn)象。壓力試驗(yàn)應(yīng)為制動(dòng)輪缸最高工作壓力的1.2倍。

4 制動(dòng)器溫度測(cè)量及試驗(yàn)過程

4.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量流程如下：首先將被試制動(dòng)器制動(dòng)鼓（盤）通過夾具系統(tǒng)固定在試驗(yàn)臺(tái)上，同時(shí)把制動(dòng)片（塊）固定在尾座滑移系統(tǒng)上；接著選擇試驗(yàn)項(xiàng)目，并針對(duì)試驗(yàn)要求，調(diào)節(jié)好電機(jī)轉(zhuǎn)速、飛輪組慣量、制動(dòng)管路壓力等試驗(yàn)條件；此時(shí)可通過傳感器采集所需試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)試驗(yàn)要求分別進(jìn)行表1試驗(yàn)流程。

表1 試驗(yàn)流程

在試驗(yàn)過程中根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整試驗(yàn)條件；最后通過計(jì)算機(jī)輸出試驗(yàn)結(jié)果，停止試驗(yàn)。

4.2 制動(dòng)器溫度的采集

本試驗(yàn)臺(tái)溫度信號(hào)的采集采用集流環(huán)技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。集流環(huán)是開展以應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)的非電量電測(cè)的重要器件。特別適用各種旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的功率或扭矩測(cè)量，也可以用來測(cè)量各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的其它參數(shù)，如溫度，壓力等。其工作原理［7］：軸套（軸）隨被測(cè)量軸一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)用電阻應(yīng)變片測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸上所承受的扭矩以及其他負(fù)荷引起的應(yīng)力等，可在被測(cè)軸上貼上電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的引線焊在集流環(huán)接線盤的焊點(diǎn)上，旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸受扭力，就會(huì)產(chǎn)生扭力，從而產(chǎn)生扭矩變形，使貼于其上電阻發(fā)生變化，通過滑環(huán)及電刷將變化有信號(hào)引出，送至相應(yīng)的二次儀表放大，顯示或記錄，這樣就可以測(cè)出被測(cè)軸所受扭矩等的信號(hào)大小。

集流環(huán)內(nèi)附有測(cè)速機(jī)構(gòu)，測(cè)速盤上有3個(gè)檢測(cè)體，軸套（軸）每轉(zhuǎn)一次，3個(gè)檢測(cè)體分別經(jīng)過測(cè)頭一次，輸出端感應(yīng)3個(gè)脈沖訊號(hào)，其轉(zhuǎn)速脈沖訊號(hào)配記錄儀作記錄顯示用［8］。適當(dāng)調(diào)整檢測(cè)體和測(cè)頭之間的距離L，就可調(diào)整脈沖信號(hào)的大小。測(cè)量溫度用的銅環(huán)與炭刷組成銅環(huán)炭刷集流環(huán)，以傳遞制動(dòng)時(shí)制動(dòng)鼓的熱電偶信號(hào)。

圖3 集流環(huán)工作示意圖

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

表2為制動(dòng)器試驗(yàn)過程中采集的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

另外從圖4第一次效能試驗(yàn)制動(dòng)力矩與制動(dòng)溫度的關(guān)系曲線圖中，也可以清楚地顯示制動(dòng)溫度隨制動(dòng)力矩的變化規(guī)律。

圖4 第一次效能試驗(yàn)制動(dòng)力矩與制動(dòng)溫度關(guān)系曲線

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)分析總結(jié)出了制動(dòng)初速度越大，制動(dòng)過程溫升越大。因?yàn)槌跛俣仍酱螅鄬?duì)來說制動(dòng)時(shí)間（也即摩擦?xí)r間）越長(zhǎng)，溫升也就越大；在制動(dòng)過程中，無論是氣壓制動(dòng)還是液壓制動(dòng)，管路壓力越大，制動(dòng)減速度越大，溫升也越大；制動(dòng)初期，環(huán)境溫度越高，溫升也越大；制動(dòng)器在工作過程中產(chǎn)生的熱能，其溫度急劇上升，導(dǎo)致制動(dòng)器的制動(dòng)效能改變；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，制動(dòng)器溫升越快等規(guī)律，可為汽車制動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)提供更豐富、更有力、更真實(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)支持。

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