車輛行車制動(dòng)器的研究現(xiàn)狀及展望

李晉澤 馮文

(中國人民解放軍63820部隊(duì)五七五工廠,四川綿陽 621000)

車輛行車制動(dòng)器的研究現(xiàn)狀及展望

李晉澤 馮文

(中國人民解放軍63820部隊(duì)五七五工廠,四川綿陽 621000)

分別對(duì)國內(nèi)外車輛行車制動(dòng)器使用類別、摩擦副間壓力分布規(guī)律、摩擦偶件溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布、制動(dòng)噪聲等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述和評(píng)價(jià),并對(duì)車輛行車制動(dòng)器的某些研究?jī)?nèi)容提出了新的見解,通過對(duì)車輛行車制動(dòng)器的類別、摩擦片的壓力分布規(guī)律、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)和噪聲控制的分析,最后展望了車輛行車制動(dòng)器的研究方向及其發(fā)展動(dòng)態(tài)。

行車制動(dòng)器 制動(dòng)噪聲 溫度場(chǎng)

1 引言

行車制動(dòng)器作為關(guān)系車輛安全性能的關(guān)鍵部件，一直以來都被國內(nèi)外研究學(xué)者所關(guān)注。其制動(dòng)性能的好壞，制動(dòng)效率的高低將直接影響到交通運(yùn)輸?shù)陌踩裕@些都與行車制動(dòng)器的摩擦特性密切相關(guān)。行車制動(dòng)器的摩擦特性將直接決定車輛制動(dòng)系統(tǒng)的整體制動(dòng)性能。行車制動(dòng)器的合理選用，對(duì)車輛制動(dòng)時(shí)散熱特性、制動(dòng)效能特性息息相關(guān)。

因此對(duì)車輛行車制動(dòng)器使用類別、摩擦副間壓力分布規(guī)律、摩擦偶件溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布、制動(dòng)噪聲、制動(dòng)過程的影響因素、整體散熱特性進(jìn)行綜合闡述，對(duì)車輛行車制動(dòng)器的設(shè)計(jì)、開發(fā)、以及理論研究都有著至關(guān)重要的作用。

2 車輛行車制動(dòng)器的類別

根據(jù)車輛的車型及其綜合使用工況，行車制動(dòng)器通常分為通風(fēng)盤式制動(dòng)器、鼓式制動(dòng)器、濕式全封閉多盤制動(dòng)器等，如圖1所示。三類制動(dòng)器各有互補(bǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)，因此各自應(yīng)用于不同的車型和工況，其中通風(fēng)盤式制動(dòng)器多用于乘用車前后橋制動(dòng)器、客貨車前橋制動(dòng)器；鼓式制動(dòng)器多用于客貨車后橋制動(dòng)器；濕式全封閉多盤制動(dòng)器則多用于非公路礦用自卸車，輪式挖掘機(jī)，井下采煤車等工作在惡劣環(huán)境中的重型車輛。

在以上三種制動(dòng)器中，各自的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，通風(fēng)盤式制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)在于：相對(duì)于鼓式制動(dòng)器，其熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性好；制動(dòng)力矩與汽車運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)；其易構(gòu)成雙回路制動(dòng)系，系統(tǒng)有較高的可靠性和安全性；其幾何尺寸小，質(zhì)量小，散熱較為良好；摩擦襯塊上的制動(dòng)壓力分布比較均勻，襯塊上摩擦材料所受磨損也很均勻。但是通風(fēng)盤式制動(dòng)器的主要缺點(diǎn)在于難以完全防止塵污和銹蝕；而且在作駐車制動(dòng)器時(shí)，所需附加的駐車制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。

而濕式全封閉多盤制動(dòng)器相比以上兩種制動(dòng)器來說優(yōu)點(diǎn)更加突出，由于其特殊的全封閉工作環(huán)境，可防水防塵，制動(dòng)性能穩(wěn)定，不易受外界工作環(huán)境的影響，維護(hù)成本低，散熱良好，并且耐磨損，壽命長(zhǎng)，摩擦副溫度與普通制動(dòng)器相比顯著降低。通過改變摩擦盤數(shù)量，即使不增大摩擦片尺寸，也可根據(jù)需求來調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩，且接觸沖擊小，動(dòng)力傳遞效率高，結(jié)構(gòu)尺寸小，易于布置，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。

在車輛制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為了減少成本，在不影響整車制動(dòng)性能的前提下，一般采用前盤后鼓的原則，用于惡劣工況的設(shè)備則選用濕式全封閉多盤制動(dòng)器。

3 車輛行車制動(dòng)器摩擦片的壓力分布規(guī)律

車輛制動(dòng)時(shí)摩擦片表面的壓力分布不但影響行車制動(dòng)器的制動(dòng)力矩容量、制動(dòng)熱容量和磨損，而且直接影響摩擦界面上的工作溫度，從而影響熱衰退性能、造成熱平衡失穩(wěn)及產(chǎn)生熱裂紋。制動(dòng)器制動(dòng)過程中摩擦副間溫度分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致局部溫度過高，使該處熱膨脹量大于摩擦副其他接合處，一旦摩擦界面上的小塊面積開始承受不均勻的載荷且其溫度比周圍表面高，它將膨脹并形成“熱斑”。局部熱斑的形成會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)壓力不均勻分布的持續(xù)惡化，這又造成局部溫度進(jìn)一步升高，加劇摩擦界面表面溫度梯度的變化，最終導(dǎo)致熱機(jī)失穩(wěn)。制動(dòng)而產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫使摩擦副和附近零件溫度升高，高溫會(huì)使得摩擦材料的摩擦系數(shù)下降，導(dǎo)致熱衰退，磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)使摩擦材料損壞，對(duì)偶零件產(chǎn)生龜裂或撓曲，附近軸承潤(rùn)滑油脂變稀而流失，或間隙變小而膠合。在汽車盤式制動(dòng)器中，該問題尤為突出，從而降低了汽車剎車性能，并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，摩擦界面間壓力分布是否合理直接決定著制動(dòng)性能的好壞和使用壽命的長(zhǎng)短。

4 行車制動(dòng)器摩擦副的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)

車輛制動(dòng)時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，由溫度的不均勻而產(chǎn)生的高溫點(diǎn)所引起的摩擦片局部燒損或翹曲和裂紋的現(xiàn)象，也成為車輛行車制動(dòng)器常見的失效形式。摩擦副溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的獲得可通過解析法、數(shù)值法和試驗(yàn)等方法[1]。幾何形狀和邊界條件比較簡(jiǎn)單的情況下，運(yùn)用解析法可獲得較為精確的求解。

隨著有限元技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對(duì)摩擦副熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，如圖2所示，已是目前研究濕式多盤制動(dòng)器的主要手段。文獻(xiàn)[2]在假定濕式多盤制動(dòng)器各摩擦副間襯片壓力沿徑向均布相等的前提下，建立了以摩擦盤橫截面中軸線為對(duì)稱線的溫度場(chǎng)有限元分析模型；文獻(xiàn)[3]利用有限元間隙單元針對(duì)整個(gè)濕式多盤制動(dòng)器各摩擦副間襯片壓力分布規(guī)律，建立了軸對(duì)稱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析模型，并闡述了摩擦襯片彈性模量對(duì)制動(dòng)器對(duì)偶鋼盤溫度和應(yīng)力的影響，提出了濕式多盤制動(dòng)器的等熱流密度設(shè)計(jì)原則，并討論了冷卻油與摩擦副間對(duì)流換熱現(xiàn)象對(duì)行車制動(dòng)器摩擦副特定溫度點(diǎn)的影響。

5 行車制動(dòng)器的噪聲控制

早期對(duì)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)尖叫現(xiàn)象一般簡(jiǎn)單地歸結(jié)為當(dāng)靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)或動(dòng)摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化率小于零時(shí)，制動(dòng)摩擦系統(tǒng)的自激振動(dòng)問題。早期通常采用純?cè)囼?yàn)方法研究鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)尖叫，通過增加底板剛度，抑制制動(dòng)尖叫噪聲。進(jìn)入20世紀(jì)80年代中后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐步從簡(jiǎn)化模型進(jìn)入對(duì)實(shí)際制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的研究，定量地解釋制動(dòng)噪聲的各類現(xiàn)象。關(guān)于制動(dòng)噪音的研究大多集中在干式制動(dòng)器(盤式、鼓式等)，有限元、模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)閉環(huán)耦合模式等研究方法較為成熟。齊鋼[4]等借助有限元和模態(tài)綜合技術(shù)建立了盤式制動(dòng)器制動(dòng)尖叫摩擦耦合模型，通過復(fù)特征分析，得到對(duì)應(yīng)于每階振動(dòng)模態(tài)的阻尼與頻率，模態(tài)阻尼值揭示了哪些模態(tài)不穩(wěn)定并可能產(chǎn)生尖叫，最后運(yùn)用耦合模型研究了摩擦系數(shù)和子結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)制動(dòng)尖叫的影響。楊國俊[5]等從制動(dòng)器振動(dòng)的角度探討了制動(dòng)尖叫噪聲分析方法，在制動(dòng)器摩擦閉環(huán)耦合模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了系統(tǒng)尖叫模態(tài)的饋入能量計(jì)算方法。通過基于振動(dòng)頻率的分析，可較直觀地看出一些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)噪聲的影響，如摩擦系數(shù)、制動(dòng)塊形狀、剛度及有重要影響的子結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，并有助于分析抑制噪聲的結(jié)構(gòu)修改方案。該方法對(duì)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的分析具有指導(dǎo)意義。

6 結(jié)語

行車制動(dòng)器在車輛中的使用中必不可少，其研究工作方興未艾。針對(duì)其廣泛的用途以及多樣的結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)行車制動(dòng)器的研究方向和方法的選擇也不盡相同，有的從理論方面進(jìn)行專題研究，有的從臺(tái)架試驗(yàn)方面進(jìn)行實(shí)踐研究。然而要對(duì)行車制動(dòng)器進(jìn)行完整的性能分析，還要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究：

(1)行車制動(dòng)器在制動(dòng)過程中壓力分布與溫度場(chǎng)及磨損存在典型的熱機(jī)耦合，應(yīng)將壓力分布與熱傳導(dǎo)及磨損作為統(tǒng)一的耦合問題來研究，并采用彈塑性理論來求解熱應(yīng)力場(chǎng)；

(2)由于實(shí)際摩擦界面表面為粗糙表面，應(yīng)研究粗糙表面的粗糙峰模型，并在該微凸體粗糙峰模型的基礎(chǔ)上研究制動(dòng)器摩擦磨損熱動(dòng)力學(xué)；

(3)現(xiàn)今對(duì)行車制動(dòng)器的研究中，缺乏對(duì)摩擦材料熱物理特性的深入研究，未來可考慮對(duì)特定的制動(dòng)材料配對(duì)進(jìn)行包括材料熱物理參數(shù)在內(nèi)的整個(gè)摩擦、磨損研究。隨著高新技術(shù)的不斷應(yīng)用與發(fā)展及新材料的不斷出現(xiàn)，車輛行車制動(dòng)器的理論與試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容也將會(huì)得到不斷更新與發(fā)展。

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表3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的比較

上述兩種傳動(dòng)控制方式在國內(nèi)均有廣泛應(yīng)用，完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求。在系統(tǒng)的構(gòu)成及控制策略上各有千秋，比較如表2，表3所示。

表2，表3中的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比是以目前的市場(chǎng)價(jià)格為依據(jù)的，僅作為參考。

4 節(jié)電效益

據(jù)調(diào)查，河北的某1780mm熱連軋生產(chǎn)線，采用的交-直-交變頻主傳動(dòng)系統(tǒng)，自投產(chǎn)以來噸鋼電耗始終穩(wěn)定在8 0KWh/t-90KWh/t，而廣西的同樣的1780mm熱連軋生產(chǎn)線，采用交-交變頻主傳動(dòng)系統(tǒng)，自投產(chǎn)以來噸鋼電耗始終穩(wěn)定在90KWh/t-100KWh/ t。相比較可以看出，前者的噸鋼電耗至少低約10KWh/t。

若按照1780mm熱連軋生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)產(chǎn)能約350萬噸計(jì)算，噸鋼電耗每降低10KWh/t，一年就可以節(jié)約用電約3500萬KWh。工業(yè)用電價(jià)格按照0.5元/KWh 計(jì)算，則相應(yīng)的每年可以節(jié)約電費(fèi)約1750萬元。

5 結(jié)語

通過上述對(duì)比可以看出，相對(duì)于交-交變頻主傳動(dòng)系統(tǒng)，雖然交-直-交變頻主傳動(dòng)系統(tǒng)的初次投資比較高，但是其經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)顯著，特別是投產(chǎn)兩年以后，在企業(yè)用電管理得當(dāng)、生產(chǎn)線正常運(yùn)行的前提下，節(jié)電產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將非常可觀。

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