某載貨汽車制動鼓開裂分析

王小龍， 陶世波， 幸振帆

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心,　安徽　合肥　230022)

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某載貨汽車制動鼓開裂分析

王小龍， 陶世波， 幸振帆

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心,安徽合肥230022)

摘要：本文以西南山區(qū)市場上淋水開裂的制動鼓為研究對象，從制動鼓的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及制動操作習慣等幾個方面來研討了制動鼓淋水開裂的原因，并且從中找出延長制動鼓壽命的具體的解決方案。給類似問題的解決提供了廣義的思路。

關(guān)鍵詞：山區(qū)；制動鼓；開裂

一、引言

目前，國內(nèi)絕大多數(shù)卡車都采用鼓式制動器。鼓式制動器結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，制動力矩大，且成本較低。制動鼓的性能好壞直接影響著汽車的制動系統(tǒng)的優(yōu)劣。制動鼓工作環(huán)境極其惡劣，要受到制動蹄片強大的壓力及相互間靜或者動的摩擦力，特別是在山區(qū)地帶，由于頻繁制動，制動鼓的溫度可以達到400℃以上，熱衰退十分嚴重，嚴重影響了制動鼓和制動器的安全性及制動的有效性。為了解決制動鼓高溫發(fā)燙導致熱衰退的不良現(xiàn)象的發(fā)生，許多的客戶自發(fā)增加了給制動鼓降溫的裝置-淋水裝置，通過在下坡時斷續(xù)的給制動鼓淋水來降低制動鼓的溫度，以提高制動性能。該措施可以有效降低制動鼓的溫度，但是對制動鼓的材料及結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。制動鼓在淋水時發(fā)生開裂的故障時有發(fā)生，發(fā)生開裂的平均里程只有1.8萬公里，嚴重影響了車輛的安全。該文意通過對某載貨汽車在山區(qū)淋水開裂制動鼓的分析，探討制動鼓的材料及結(jié)構(gòu)對制動鼓可靠性的影響。提高制動鼓的可靠性，為解決類似的問題提供一條可參考的途徑。

二、制動鼓開裂分析

本文的研究對象是在西南市場淋水開裂的故障件，通過制動鼓開裂的故障分析、制動鼓的材料分析、制動鼓金相及硬度分析、制動鼓的結(jié)構(gòu)CAE分析，識別出造成制動鼓淋水開裂的主要因素，找出延長制動鼓壽命的對策。

圖1　制動鼓淋水裝置圖

（一）制動鼓開裂故障重現(xiàn)

通過市場調(diào)研，目前在山區(qū)市場，載貨汽車基本都增加了制動鼓淋水裝置，其裝置簡圖見圖1，制動鼓的失效模式見圖2所示。

圖2　開裂的制動鼓示意

根據(jù)對失效制動鼓的觀察和對失效場景的重現(xiàn)，我們可以得出以下的初步結(jié)論：

1.在高溫狀態(tài)下，外部突然受冷，導致在制動鼓的內(nèi)表面出現(xiàn)高溫膨脹的同時，外表面突然出現(xiàn)了冷態(tài)收縮，這樣容易在薄處、邊角處出現(xiàn)裂紋，其示意圖見圖3。

圖3　制動鼓受力作用力

2.制動鼓的材料不符合要求，導致制動鼓的強度過低，低于制動蹄片所施加的壓力，從而形成了軸向的裂紋，這個可以通過對制動鼓的材料檢驗來判斷。

3.制動鼓的硬度過低，在制動蹄片的壓緊力及摩擦力作用下，在制動鼓表面形成了臺階性的磨痕。

4.制動鼓的結(jié)構(gòu)不符合使用要求，在熱脹冷縮的反復作用下，導致了在制動鼓的薄弱點產(chǎn)生了裂紋。

5.后橋制動器過小，散熱性能差，導致制動時溫度過高，也是會造成制動鼓開裂的一個因素。

下文將逐步驗證各個因素的對于制動鼓開裂的影響，排除一些干擾因素，從而找到該載貨汽車制動鼓淋水開裂的主因，并實施有效對策。

（二）制動鼓材料、硬度和金相分析

為了更好的判斷該載貨汽車制動鼓的材料是否滿足使用要求，我們選取以下對象做材料分析對比：a市場上失效的制動鼓；b新的制動鼓；c市場上反饋良好的競品制動鼓。制動鼓的材料檢測結(jié)果見表1。

表1　制動鼓的材料檢驗

從材料的分析可以來看，新舊制動鼓和競品的制動鼓均可達到相關(guān)標準的要求，因此不能簡單的僅從化學成分上來判斷和分析制動鼓的開裂原因，下面將從金相分析及硬度檢測來找出制動鼓開裂的原因。具體的檢測數(shù)值見表2。

表2　制動鼓的硬度和金相檢測

競品和該載貨汽車的制動鼓的材料均為HT250，從表1可以看出：其微量元素的含量基本都符合要求。而舊制動鼓表面出現(xiàn)的黑斑和亮斑，表明在制動鼓表面出現(xiàn)了部分碳化，從而使局部的制動鼓達到很高的硬度，由于硬度較高，制動鼓與摩擦片在摩擦過程中自然也形成了亮斑。一些研究可以表明，制動鼓在惡劣的工作環(huán)境下，會達到導致制動鼓產(chǎn)生相變的溫度，若同時具備了強冷（水冷）的條件，就會形成馬氏體和索氏體等。馬氏體和索氏體的產(chǎn)生會在制動鼓上新增外在應力，若外在應力大于制動鼓材料本身的強度，則會造成制動鼓的開裂。從以上的金相和硬度檢測，應屬于正常范圍之內(nèi)。

（三）制動鼓結(jié)構(gòu)的CAE分析

我們通過對競品制動鼓的精測、建模分析，希望能夠從兩者的結(jié)構(gòu)差異中來找出影響制動鼓壽命的要因所在。兩種制動鼓的結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4　該載貨汽車制動鼓及數(shù)模

圖5　競品制動鼓結(jié)構(gòu)及數(shù)模

通過圖紙對比和數(shù)模對比，該載貨汽車的制動鼓尺寸為φ320×120，而競品的制動鼓尺寸為φ320× 100。相比較而言，在同樣的制動環(huán)境下，競品制動鼓單位面積所受到的制動力矩更大，工作環(huán)境更惡劣。而且因為其作用面積較小，溫度上升就比較快。如果兩者結(jié)構(gòu)一樣，φ320×100的制動鼓壽命比φ320×120較小，更容易發(fā)生淋水開裂的故障。實際上競品的制動鼓的壽命反而優(yōu)于該載貨汽車的制動鼓，所以，有必要對其結(jié)構(gòu)進行進步的對比分析。

給定約束條件，對制動鼓進行結(jié)構(gòu)的CAE分析，其約束條件如下：

1.為避免安裝螺栓孔處應力集中問題，將安裝面加厚15mm。

2.施加載荷：總摩擦力f=70000N，正壓力N= 70000/0.4=175000，摩擦系數(shù)取0.4。

3.材料力學性能：彈性模量E=1.3×105MPa，泊松比μ=0.27。

分析的結(jié)果見圖6、圖7、圖8所示：

圖6　最大應力點應力的比較（左圖為該載貨汽車，右圖為競品）

圖7　最大位移點的比較（左圖為該載貨汽車，右圖為競品）

圖8　端口處最大應力的比較（左圖為該載貨汽車，右圖為競品）

通過以上的比較分析，競品制動鼓的幾個應力點的應力、端口處的位移量要小于該載貨汽車制動鼓，其結(jié)構(gòu)更優(yōu)。從圖4、圖5中可以看出，兩種制動鼓在結(jié)構(gòu)上相似，但是在制動鼓的端面上，兩者結(jié)構(gòu)有所不同。該載貨汽車的制動鼓參考WSL原件設(shè)計，保留了原有的甩水槽，而競品的制動鼓沒有。而且從以上的CAE分析還可以看出，最大位移點恰恰出現(xiàn)在制動鼓最容易，也是最經(jīng)常發(fā)生淋水開裂的區(qū)域-端口處。所以我們嘗試進行了以下結(jié)構(gòu)改進的嘗試：a、為了提高制動鼓的強度，增大其散熱面積，在其表面增加加強筋，其結(jié)構(gòu)見圖9所示；b、為了消除結(jié)構(gòu)突變而引起的應力突變，去除掉該甩水槽，其結(jié)構(gòu)見圖10所示。

圖9　增加加強筋制動鼓

圖10　去甩水槽制動鼓

給定同上面分析相同的約束條件，分析的結(jié)果如圖11、圖12、圖13所示。

圖11　最大應力點應力的比較（左圖為方案a，右圖為方案b）

圖12　端口處最大應力的比較（左圖為方案a，右圖為方案b）

圖13　端口處最大位移的比較（左圖為方案a，右圖為方案b）

以上分析的結(jié)論見表3：

表3　各個方案的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果比較

從以上的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果來看，可以看出b方案的力學特性最優(yōu)，更加符合設(shè)計需求。當然，由于實際操作及裝車上有著其它很復雜的因素，其實際的實施效果，還需要實際裝車驗證。

（四）改進后制動鼓的實施效果

為了驗證b方案的有效性，我們在云南市場投放了10臺套的樣件，制定了以下驗證方案：

1.投放5臺套樣件給用戶進行更換，對用戶進行跟蹤和定期電話回訪。

2.投放另外5臺套的樣件、并且下發(fā)了駕駛員使用排輔制動說明書，對更換制動鼓的用戶進行排輔使用指導，對用戶進行跟蹤和定期電話回訪。再對樣件的實施效果進行了長達六個月的跟蹤。

市場驗證的結(jié)果表明：

1.按照b方案實施后的樣件，其制動鼓的壽命提高到3萬公里左右，大大優(yōu)于之前的老制動鼓，驗證了理論分析的有效性。

2.在山區(qū)市場，用戶在使用排輔的狀態(tài)下，制動鼓的溫度將大大降低，其壽命也能得到很大的提高。

三、結(jié)論

本文通過對失效制動鼓和競品制動鼓的分析，可以得出以下結(jié)論：

（一）汽車制動鼓的失效模式有以下幾種：

1.出現(xiàn)明顯的磨痕臺階，主要是因為制動鼓的硬度太低，在頻繁的制動過程中，過度磨損造成的。

2.軸向裂紋，主要是因為制動鼓的材料強度不足，無法滿足實際使用要求。

3.制動鼓表面出現(xiàn)了亮斑、黑斑或網(wǎng)狀裂紋，主要是制動鼓的表面溫度過高而形成了部分碳化，制動鼓表面發(fā)生了相變。

4.制動鼓的結(jié)構(gòu)缺陷，會造成制動時，制動鼓應力集中，而在薄弱點造成裂紋。

（二）在長坡制動或山區(qū)地帶，駕駛員的操作習慣、各種輔助制動的使用也對制動鼓的壽命有著很大的影響。

參考文獻：

[1]黃笑梅.低合金化灰鑄鐵汽車制動鼓的研制[J].汽車工藝與材料.2002，(1).

[2]新力,任正立.鼓式制動器的熱力學分析[M].遼寧汽車. 1999.

[3]方明霞,馮齊,等.制動鼓的有限元分析[M].上海汽車. 1998.

（責任編輯：袁媛）

中圖分類號：U463.55

文獻標識碼：B

[文章編號]1671－802X(2016)02－0046－06

收稿日期：＊2016－02－23

作者簡介：王小龍（1990-），男，湖北荊州人，工程師，研究方向：汽車實驗。E-mail:357860398@qq.com.

Analysis of Brake Drum Crack of a Truck

WANG Xiao-long,TAO Shi-bo,XING Zhen-fan
(The Technique Center of Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230022,Anhui)

Abstract:For the crack problem of brake drum with water dropping in the southwest mountainous market,the causes of the crack are analyzed from perspectives of material,structure and brake operation habit.A solution is put forward to extend the using period of the brake drum,which offers reference for similar problems.

Key words:mountainous area;brake drum;crack