越野車(chē)輛制動(dòng)摩擦片異常磨損問(wèn)題研究與改進(jìn)

司小云 何纓 馬文倫 郭萬(wàn)富 張占峰

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

越野車(chē)輛制動(dòng)摩擦片異常磨損問(wèn)題研究與改進(jìn)

司小云 何纓 馬文倫 郭萬(wàn)富 張占峰

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

以某越野車(chē)為研究對(duì)象，針對(duì)其在可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的制動(dòng)器摩擦片異常磨損問(wèn)題，通過(guò)采集試驗(yàn)場(chǎng)制動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)建立制動(dòng)載荷譜，確定故障原因?yàn)橹苿?dòng)閥結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致前、后輪制動(dòng)氣壓產(chǎn)生壓差。在此基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)制動(dòng)閥下腔活塞結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了新型零壓差制動(dòng)閥。臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后異常磨損現(xiàn)象得到良好改善。

1 前言

摩擦片作為制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，直接影響到車(chē)輛制動(dòng)性能的優(yōu)劣。在車(chē)輛可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)制動(dòng)摩擦片異常磨損的問(wèn)題，汪桂金[1]等人對(duì)客車(chē)前、后制動(dòng)器摩擦片磨損不均現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為制動(dòng)力分配不均和制動(dòng)時(shí)間的不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致異常磨損的主要原因。本文通過(guò)制動(dòng)性能載荷譜采集、數(shù)據(jù)分析、理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決了越野車(chē)輛制動(dòng)摩擦片異常磨損的問(wèn)題，可為制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作提供一定的參考。

2 制動(dòng)摩擦片異常磨損問(wèn)題

2.1 問(wèn)題描述

某型越野車(chē)輛在山區(qū)、強(qiáng)化及越野路面可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，行駛里程達(dá)到8 000 km時(shí)，出現(xiàn)前、后輪制動(dòng)器摩擦片磨損不均勻，后輪摩擦片磨損過(guò)快、脫落等異常磨損，如圖1所示。

圖1 摩擦片異常磨損情況

由圖1可以看出：部分制動(dòng)摩擦片的摩擦材料被磨損并完全消失，未能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并更換，導(dǎo)致后續(xù)制動(dòng)過(guò)程中摩擦片鋼背板與制動(dòng)盤(pán)直接接觸摩擦，制動(dòng)盤(pán)摩擦表面亦可能遭受一定程度損壞；部分摩擦片出現(xiàn)摩擦材料脫落的情況，局部露出制動(dòng)摩擦片鋼背板。

同時(shí)在車(chē)輛維修保養(yǎng)過(guò)程中，測(cè)量車(chē)輛前、后輪制動(dòng)器摩擦片摩擦材料的磨損量，可直觀地發(fā)現(xiàn)其磨損不均勻，后輪摩擦片的磨損明顯快于前輪，且其磨損量為前輪摩擦片磨損量的2～3倍，如表1所示，其中，摩擦材料極限磨損厚度為21 mm，“左上”“左下”“右上”“右下”為摩擦片測(cè)量點(diǎn)。

表1 前、后輪制動(dòng)器摩擦片磨損量 mm

2.2 試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)路面制動(dòng)工況載荷譜采集

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)路面制動(dòng)工況負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，車(chē)輛試驗(yàn)過(guò)程中，制動(dòng)時(shí)間占總試驗(yàn)時(shí)間的比例為18%。通過(guò)采集試驗(yàn)過(guò)程中制動(dòng)工況的制動(dòng)氣壓（見(jiàn)圖2）可以發(fā)現(xiàn)，可靠性試驗(yàn)過(guò)程中95%以上的制動(dòng)工況為制動(dòng)氣壓低于150 kPa的小氣壓制動(dòng)，最頻繁的制動(dòng)氣壓集中在約100 kPa。

圖2 車(chē)輛制動(dòng)氣壓統(tǒng)計(jì)示意

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)強(qiáng)化路面、越野路面及山區(qū)路面分別采集1個(gè)循環(huán)的制動(dòng)工況下制動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)，如表2～表4所示，可以發(fā)現(xiàn)，在3種不同試驗(yàn)路面中，任意不同制動(dòng)強(qiáng)度的制動(dòng)工況下，前輪制動(dòng)氣壓均明顯小于后輪制動(dòng)氣壓，氣壓差與前輪氣壓比值達(dá)到40%～196%，依據(jù)制動(dòng)器摩擦片磨損量常用的衡量指標(biāo)判斷，該氣壓差值將使摩擦片的磨損情況產(chǎn)生巨大差異。

2.3 摩擦片磨損量的衡量指標(biāo)

制動(dòng)器摩擦片的磨損與摩擦副的材質(zhì)、表面加工情況、溫度、壓力以及相對(duì)滑磨速度等多種因素有關(guān)。同一車(chē)輛前、后輪制動(dòng)器及摩擦片規(guī)格相同的條件下，對(duì)于盤(pán)式制動(dòng)器，可采用摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間的平均壓力qp作為衡量磨損量的指標(biāo)[2]：

根據(jù)FAO和聯(lián)合國(guó)與世界貿(mào)易組織下屬機(jī)構(gòu)ITC官方網(wǎng)站公布的歷史數(shù)據(jù),我們可以把世界和中國(guó)甘薯貿(mào)易大致分為3個(gè)階段.

式中，N為摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間的法向力；A為摩擦片的摩擦面積。

表2 越野路面制動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)

表3 強(qiáng)化路面制動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)

表4 山區(qū)路面制動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)

對(duì)于盤(pán)式制動(dòng)器，N由制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)及車(chē)輛制動(dòng)工況下的制動(dòng)氣壓組成的經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)Q定：

式中，S為氣室有效面積，本文中前、后輪制動(dòng)氣室規(guī)格一致，有效面積相同；P為前、后制動(dòng)回路制動(dòng)氣室氣壓；i為制動(dòng)器杠桿比，本文中前、后輪制動(dòng)器規(guī)格一致，制動(dòng)器杠桿比相同。

根據(jù)表2～表4中的數(shù)據(jù)值及氣壓差與前輪氣壓比值結(jié)合式（1）、式（2）可知，前、后制動(dòng)摩擦片的磨損量差距將達(dá)到40%～196%。

2.4 前、后輪制動(dòng)氣壓差產(chǎn)生的原因

該車(chē)型制動(dòng)控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖3，車(chē)輛后輪繼動(dòng)閥輸入輸出比例為1:1，可知車(chē)輛前、后輪制動(dòng)壓力差值是由車(chē)輛匹配的制動(dòng)閥總成輸入輸出特性決定的，通過(guò)臺(tái)架實(shí)測(cè)出該制動(dòng)閥總成的靜特性曲線如圖4所示。其中，制動(dòng)閥總成上、下腔輸出氣壓P21、P22分別用于控制車(chē)輛后制動(dòng)回路和前制動(dòng)回路制動(dòng)動(dòng)作。由圖4可知，制動(dòng)閥總成輸出氣壓低于600 kPa時(shí)，該制動(dòng)閥總成上、下腔的輸出氣壓最大差值ΔP≈50 kPa，與表2～表4中的數(shù)據(jù)相吻合，證明了摩擦片磨損不均勻的原因?yàn)橹苿?dòng)閥總成上、下腔輸出氣壓存在壓差，導(dǎo)致車(chē)輛前、后制動(dòng)回路制動(dòng)氣壓相差較大。

圖3 車(chē)輛行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)示意

圖4 制動(dòng)閥總成靜特性曲線

2.5 制動(dòng)閥總成輸出特性理論分析

圖5 制動(dòng)閥總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)

制動(dòng)閥總成氣壓輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，中活塞在上述力的作用下處于受力平衡狀態(tài)[3]：

實(shí)測(cè)得到T1=20 N、T2=23 N，中活塞及下腔閥門(mén)各處受力面積均已知，模擬表2～表4中采集的可靠性路面小制動(dòng)工況的制動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)，假設(shè)某一制動(dòng)工況下，上腔輸出氣壓Pup=150 kPa，由式（3）～式（5）分別求得下腔輸出氣壓Pdown=98.3 kPa，制動(dòng)閥上、下腔輸出氣壓差ΔP=Pup-Pdown=51.7 kPa，可知該型制動(dòng)閥理論計(jì)算得出的上、下腔輸出氣壓差值與表2～表4中車(chē)輛可靠性試驗(yàn)過(guò)程中的壓差采集數(shù)據(jù)及圖4中實(shí)測(cè)差值數(shù)據(jù)相吻合，進(jìn)一步證明了車(chē)輛前、后輪盤(pán)式制動(dòng)器摩擦片磨損不均勻原因?yàn)橹苿?dòng)閥總成上、下腔輸出氣壓存在壓差。

3 優(yōu)化改進(jìn)措施

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由2.5節(jié)的分析可知，上、下腔壓差產(chǎn)生的主要原因是作用力F2、F4、F5、T1、T2的影響，改進(jìn)措施（見(jiàn)圖6）為：在上活塞底部增加活塞頂桿及驅(qū)動(dòng)彈簧并連接至中活塞上表面，在上活塞下行的過(guò)程中，上活塞直接施加額外的力F6作用于中活塞上表面以平衡T1、T2、F4；同時(shí)在下腔閥門(mén)下部增加密封結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化中活塞與下腔閥門(mén)的配合尺寸消除F2、F5的作用，最終使F2≈0，F(xiàn)5為0。

圖6 制動(dòng)閥總成優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化后壓差計(jì)算

制動(dòng)閥總成優(yōu)化后，氣壓輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，中活塞在圖5、圖6所示全部力的作用下處于受力平衡狀態(tài)：

已知F2≈0、F6=T1+T2+F4，由式（6）可得F1=F3，結(jié)合式（4）、式（5）可得Pup=Pdown，達(dá)到優(yōu)化改進(jìn)目標(biāo)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化改進(jìn)后的制動(dòng)閥總成理論上上、下腔制動(dòng)氣壓壓差為0，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)及實(shí)車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)后的制動(dòng)閥總成特性曲線如圖7所示，由圖7可知，全氣壓范圍內(nèi)，該制動(dòng)閥總成上、下腔的輸出氣壓曲線接近重合，上、下腔輸出氣壓差值ΔP≈0。

圖7 改進(jìn)后制動(dòng)閥總成靜特性曲線

4.2 道路試驗(yàn)驗(yàn)證

將該制動(dòng)閥總成換裝到故障車(chē)輛上，在同樣的可靠性試驗(yàn)路面工況下，采集的制動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)如表5所示，對(duì)比表2可知，在可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，車(chē)輛前、后橋的制動(dòng)氣壓差不超過(guò)5 kPa，可忽略。經(jīng)過(guò)約8 000 km類(lèi)似可靠性試驗(yàn)后，測(cè)得摩擦片磨損數(shù)據(jù)如表6所示，與表1對(duì)比發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛前、后輪摩擦片磨損量趨于一致，后輪摩擦片磨損過(guò)快及異常磨損的故障消除。

表5 制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化后越野路面制動(dòng)氣壓

表6 制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化后制動(dòng)器摩擦片磨損量 mm

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)車(chē)輛前、后輪盤(pán)式制動(dòng)器摩擦片磨損不均勻，后輪摩擦片磨損過(guò)快、摩擦材料脫落等異常磨損問(wèn)題，對(duì)制動(dòng)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)、活塞受力情況進(jìn)行了理論分析并對(duì)制動(dòng)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，明確了故障原因?yàn)橹苿?dòng)閥上、下腔輸出氣壓存在壓差。通過(guò)制動(dòng)閥總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出新型零壓差制動(dòng)閥，消除了上、下腔輸出氣壓壓差，達(dá)到改進(jìn)目標(biāo)。理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該新型零壓差制動(dòng)閥總成能夠解決車(chē)輛出現(xiàn)的制動(dòng)摩擦片異常磨損故障問(wèn)題。

1 汪桂金，劉文虎，孫克亮.客車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器摩擦片前后磨損不均的分析.客車(chē)技術(shù)與研究，2015（8）：4～54.

2 劉維信.汽車(chē)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2001.

3 沈言行.氣制動(dòng)工作閥類(lèi)的靜特性計(jì)算.汽車(chē)技術(shù)，1981（7）：2～12.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年10月24日。

Study and Improvement of the Abnormal Wear of Braking Friction Plate for Off-road Vehicles

Si Xiaoyun,He Ying,Ma Wenlun,Guo Wanfu,Zhang Zhanfeng
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

This paper studies the abnormal wear of brake friction plate in the reliability tests for an off-road vehicle.By collecting the data in braking on the proving ground to establish braking load spectrum,we conclude that the abnormal wear is caused by air pressure difference between the front brake and the rear brake resulting from improper structure of the brake valve.On this basis,by optimizing the piston structure of the brake valve lower chamber,we develop a new brake valve featuring zero pressure difference.Bench test and road test results show that,with optimization,the abnormal wear of brake friction plate is eliminated.

Friction plate,Brake valve,Abnormal wear

摩擦片 制動(dòng)閥 異常磨損

U461.3

A

1000-3703（2017）02-0034-04