商用車鼓式制動器摩擦特性試驗設(shè)計與數(shù)值分析

陳靜　陳瑩　朱亮亮　萬里恩　馬云鵬

（1.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130011；2.長春特必克世立汽車零部件有限公司，長春130012）

商用車鼓式制動器摩擦特性試驗設(shè)計與數(shù)值分析

陳靜1陳瑩1朱亮亮2萬里恩1馬云鵬2

（1.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130011；2.長春特必克世立汽車零部件有限公司，長春130012）

以商用車鼓式制動器為研究對象，針對制動器摩擦副的摩擦特性展開研究。選取適當(dāng)?shù)脑囼炘O(shè)備，利用正交試驗方法獲得鼓式制動器摩擦副摩擦因數(shù)，通過三次回歸分析得到摩擦因數(shù)與摩擦副表面溫度、制動壓強、整車速度等3個影響因素的關(guān)系式，并繪制了三維曲面與二維曲線，分析得到摩擦因數(shù)隨各影響因素的變化規(guī)律，并通過極差分析方法獲得了各因素對摩擦因數(shù)的影響程度。

主題詞：鼓式制動器摩擦特性正交試驗三次回歸分析

1　前言

鼓式制動器是商用車的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響汽車行駛的安全性和穩(wěn)定性，而決定制動器性能的主要因素是摩擦材料的性能。在車輛制動過程中，制動性能應(yīng)保持一定的穩(wěn)定性，摩擦因數(shù)過高或過低都會影響汽車的制動性能，所以應(yīng)該全面研究并掌握制動器摩擦副的摩擦因數(shù)隨影響因素的變化特點，以指導(dǎo)制動器的設(shè)計開發(fā)。

摩擦本身是一種動態(tài)隨機過程，摩擦因數(shù)不是材料的固有特性，而是材料本身和多種因素影響下的綜合特性［1］。鼓式制動器摩擦副的工作過程是動能轉(zhuǎn)換為熱能，摩擦因數(shù)主要受摩擦副的表面溫度、制動壓強以及整車速度3個主要因素的影響［2～3］。本文通過摩擦特性試驗臺——JF55功率試驗機進行摩擦特性試驗，并采用正交試驗法以及數(shù)值回歸分析方法對商用車制動鼓摩擦副的摩擦特性進行全面研究。

2　制動器摩擦副摩擦特性試驗臺

制動器摩擦副摩擦特性試驗需要分別控制摩擦副的表面溫度、制動壓強以及整車速度在一定范圍內(nèi)任意變化，而普通的制動器摩擦因數(shù)定速試驗臺只能測試摩擦因數(shù)隨溫度的變化，制動壓強與旋轉(zhuǎn)速度只能是定值，重型汽車制動器慣性試驗臺又無法精確控制摩擦副溫度，顯然都不能滿足對制動鼓摩擦副摩擦特性隨各因素變化關(guān)系的研究需要，因此，采用圖1所示的JF55功率試驗機進行試驗，它適用于輕型車、微型車、轎車制動器摩擦片或重型車摩擦片小樣的摩擦磨損性能試驗，其基本原理是通過設(shè)定程序使伺服電機控制液壓裝置向管路施加給定的壓力值（見圖2），電機帶動制動盤以任意速度轉(zhuǎn)動，摩擦樣塊由液壓裝置壓緊在制動盤上（見圖3），熱電偶與制動盤采用接觸式安裝（見圖4）。作為一臺整體封裝設(shè)備，它在測量摩擦特性時有以下幾點優(yōu)勢：

a.相較于其它小樣試驗機，其試驗結(jié)果與實際應(yīng)用有更好的一致性；相較于慣性臺架，試驗簡單，周期短，耗資少。

b.試驗溫度較高，跨度較大，可達500～600℃。

c.試驗壓力可調(diào)，可以模擬行車中各個壓力。

d.試驗速度可調(diào)，可以模擬汽車各種行駛速度。

3　正交試驗設(shè)計

正交試驗最重要的步驟是因子及其水平的合理選擇。如前所述，制動器摩擦副摩擦特性主要受3個因素的影響，針對本文商用車制動鼓的常用工況，在溫度100～400℃、摩擦副壓強0.5～4.0 MPa、車速25～85 km/h范圍內(nèi)分別設(shè)7個水平。正交試驗水平如表1所示。根據(jù)3因素7水平正交試驗的原理和要求編制試驗方案如表2所示。為了減小樣品離散度對試驗結(jié)果的影響，每組試驗分別使用3個樣品各做1次試驗，再將試驗結(jié)果取平均值。

表1　正交試驗水平表

表2　正交試驗方案

4　數(shù)值回歸分析

獲得正交試驗數(shù)據(jù)之后，為了探索摩擦因數(shù)與摩擦副表面溫度、制動壓強以及整車速度之間的內(nèi)在聯(lián)系，采用多元回歸分析的方法進行數(shù)據(jù)分析。回歸分析的基本思想是：雖然自變量與因變量之間沒有嚴格的、確定性的函數(shù)關(guān)系，但可以設(shè)法找出最能代表它們之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達形式。通過數(shù)值分析工具MATLAB中的多元回歸分析函數(shù)regress進行編程，對試驗所得摩擦因數(shù)的平均值進行三次非線性回歸分析［4］，得到制動器摩擦副的摩擦因數(shù)μ受摩擦副溫度T、制動壓強P、車速v等3個因素影響的回歸方程：

為檢驗通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到的式（1）是否具有代表性，對該回歸方程進行精度統(tǒng)計分析。根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗臨界值表和F分布臨界值表（顯著性水平α=0.01）得到：相關(guān)系數(shù)R1=0.8570＞R0.01（34）=0.423 8；剩余標準差S1=0.031 3；F檢驗值F1=7.870 7＞F0.01（13，35）=2.69；F值對應(yīng)的概率p1=3.518 8×10-7＜α=0.01。

以上統(tǒng)計結(jié)果表明回歸方程的顯著性水平達到99%，且不失擬，說明其精度高，滿足工程要求。

5　溫度、壓強、車速對摩擦因數(shù)的影響分析

利用式（1）可分別得到摩擦因數(shù)與各影響因素的變化規(guī)律，由于3個變量無法統(tǒng)一在三維空間展示，分別固定其中1個因素，作出摩擦因數(shù)隨另2個因素變化的三維曲面圖形，從而分析得到3個因素對摩擦因數(shù)的影響。

5.1溫度的影響

將溫度分別固定，得到摩擦因數(shù)隨壓強和車速的變化情況。圖4為不同溫度下摩擦因數(shù)變化情況的三維曲面圖。由圖4可知，摩擦因數(shù)隨車速和壓強在高溫時相對低溫時穩(wěn)定，變化幅度小。由摩擦因數(shù)均值隨溫度的變化曲線（見圖5）可知，隨著溫度的逐漸升高，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，溫度在300～350℃之間摩擦因數(shù)最大，繼續(xù)升高溫度時，摩擦因數(shù)數(shù)值呈下降趨勢，但至400℃時，數(shù)值下降幅度不大，說明該摩擦片在400℃時沒有出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，摩擦性能穩(wěn)定。

5.2壓強的影響

將壓強分別固定，得到摩擦因數(shù)隨溫度和車速的變化情況。圖6為不同壓強下摩擦因數(shù)變化情況的三維曲面圖。由圖6可知，摩擦因數(shù)隨溫度和車速在高壓強時相對低壓強時變化幅度小，因為壓強越大，摩擦副間的貼合效果越好。通過三維曲面與摩擦因數(shù)均值隨壓強的變化曲線（見圖7）可知見，單純隨著壓強的變化，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)波動的狀態(tài)，變化幅度較大，且隨壓強的增大呈先減小后增大再減小的變化趨勢。

5.3車速的影響

將車速分別固定，得到摩擦因數(shù)隨溫度和壓強的變化情況。圖8為不同車速下摩擦因數(shù)變化情況的三維曲面圖。由圖8可知，摩擦因數(shù)隨溫度和壓強在高速時相較低速時變化平緩。因為摩擦副間的相對滑移速度會引發(fā)表層發(fā)熱和溫度升高，從而改變摩擦副表面微觀接觸形態(tài)，引起摩擦因數(shù)的變化。通過三維曲面與摩擦因數(shù)均值隨車速的變化曲線（見圖9）可知，摩擦因數(shù)單純隨車速的變化呈現(xiàn)先升高再下降后波動，并逐漸趨于平緩的狀態(tài)，變化幅度相對較小。

5.4溫度、壓強、車速對摩擦因數(shù)的影響主次分析

根據(jù)正交試驗的極差分析法對正交試驗結(jié)果進行分析，分別得到3個因素的試驗指標平均值tni（n=T，P，v； i=1，2，3，4，5，6，7）和極差Rn（n=T，P，v）值，以此比較分析3個影響因素的主次水平。對于溫度T，由tT5＞tT6＞tT4＞tT7＞tT3＞tT2＞tT1可以判斷T5=300℃為溫度因素的優(yōu)水平，并得到極差RT=tT5-tT1=0.076；對于壓強P，由tP1＞tP6＞tP7＞tP2＞tP5＞tP3＞tP4可以判斷P1=0.5 MPa為壓強因素的優(yōu)水平，并得到極差RP=tP1-tP4=0.093；對于車速v，由tv3＞tv6＞tv7＞tv4＞tv2＞tv5＞tv1可以判斷v3=45 km/h為車速因素的優(yōu)水平，并得到極差Rv=tv3-tv1=0.020。由極差RP＞RT＞Rv可知，壓強對摩擦因數(shù)的影響相對較大，溫度次之，車速影響相對較小。

6　結(jié)束語

本文針對商用車鼓式制動器摩擦副摩擦特性進行試驗測試，應(yīng)用優(yōu)化試驗設(shè)計方法確定影響因素與水平并編排試驗方案，采用多元回歸分析方法分析試驗數(shù)據(jù)，得到商用車鼓式制動器摩擦副摩擦因數(shù)與溫度、制動壓強、整車速度的連續(xù)變化關(guān)系。通過數(shù)值分析，得到各影響因素對摩擦特性的影響規(guī)律及主次關(guān)系，有助于預(yù)測商用車鼓式制動器的摩擦性能，量化性能指標，指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計。

1王志剛.制動器摩擦熱效應(yīng)分析.潤滑與密封，2005（6）：164～175.

2劉惟信.汽車制動系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計計算.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

3叢春梅.制動摩擦副摩擦特性分析.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，27（4）：382～386.

4王巖，隋思漣.試驗設(shè)計與MATLAB數(shù)據(jù)分析.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年5月9日。

Experiment Design and Numerical Analysis on Friction Characteristics of Commercial Vehicle Drum Brake

Chen Jing1，Chen Ying1，Zhu Liangliang2，Wan Lien1，Ma Yunpeng2
（1.China FAW Co.，Ltd R&D Center，State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise&Safety Control，Changchun 130011；2.Changchun TBK SHILI Auto Parts Co.，Ltd.，Changchun 130012）

With commercial vehicle drum brake as the object of study，and the friction characteristic of brake friction pair was studied.An appropriate test equipment was selected，the friction coefficient of the brake drum friction pair was obtained from orthogonal test method.Then the relation among the friction coefficient with three influential factors of temperature，braking pressure，vehicle speed was deduced from the cubical recursive analysis.Then the change rule of the friction coefficient with the influential factors was summarized from plotting the three dimensional surface and two dimensional curve.Finally，the influence degree of three factors to the friction coefficient of the friction pair was obtained from the analysis of variance.

Drum brake，F(xiàn)rictional characteristic，Orthogonal test，Cubical recursive analysis

U463.51+1；U461.3

A

1000-3703（2016）10-0039-04