不同參數(shù)對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響

龐敬禮，彭桂枝，崔聯(lián)合，薛 偉

（1.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰，214405；2.江陰盛達(dá)汽車集團(tuán)公司，江蘇 江陰，214405）

不同參數(shù)對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響

龐敬禮1，彭桂枝1，崔聯(lián)合1，薛 偉2

（1.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰，214405；2.江陰盛達(dá)汽車集團(tuán)公司，江蘇 江陰，214405）

運(yùn)用數(shù)值分析方法，研究不同摩擦系數(shù)、制動(dòng)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)壓力對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響。研究結(jié)果表明：摩擦系數(shù)和制動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)制動(dòng)器的接觸壓力影響較小，制動(dòng)壓力對(duì)制動(dòng)器的接觸壓力影響較大；選擇摩擦系數(shù)為0.2～0.3的摩擦材料，制造的濕式制動(dòng)器的制動(dòng)性能較好；制動(dòng)轉(zhuǎn)速控制在40rad/s，制動(dòng)壓力控制在5MPa以內(nèi)，濕式制動(dòng)器的制動(dòng)性能較好。

濕式制動(dòng)器；參數(shù)；摩擦特性；接觸壓力；安全系數(shù)

0 引言

制動(dòng)器直接影響汽車制動(dòng)性能和安全性能，有必要分析和研究汽車制動(dòng)器[1]。由于濕式制動(dòng)器具有制動(dòng)力矩易調(diào)整、散熱性好、抗污染能力強(qiáng)、磨損小、壽命長(zhǎng)和維修成本低的特點(diǎn)，在車輛制動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

在國(guó)外，Luciano M.A等[3]研究了濕式制動(dòng)器的振動(dòng)和尖叫問(wèn)題，提出了一種新的計(jì)算和測(cè)量方法；Alsksander Yevtushenko等[4]通過(guò)建立在不均勻壓力條件下濕式制動(dòng)器摩擦接觸理論分析模型，對(duì)濕式制動(dòng)器熱彈性失穩(wěn)現(xiàn)象，以及制動(dòng)器對(duì)偶鋼片和摩擦襯片的臨界速度進(jìn)行分析和研究；FuCaihu等[5]通過(guò)建立制動(dòng)器熱結(jié)構(gòu)耦合分析模型，分析在特殊條件下熱對(duì)流特性對(duì)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的影響，并分析了在緊急制動(dòng)工況條件下摩擦接觸失效規(guī)律和熱結(jié)構(gòu)耦合特性，為制動(dòng)器制造材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，提供了重要的參考依據(jù)；Prashant Chavan等[6]運(yùn)用理論分析方法，建立盤式制動(dòng)器熱機(jī)耦合模型，研究制動(dòng)器的摩擦熱應(yīng)力和熱譜。

在國(guó)內(nèi)，趙啟東等[7]運(yùn)用分形理論，建立多片濕式制動(dòng)器摩擦模型，研究制動(dòng)器的摩擦力、接觸特性和彈塑性變形；孫冬野等[8]通過(guò)試驗(yàn)，研究濕式多片制動(dòng)器熱應(yīng)力及其分布規(guī)律；羅天洪等[9]基于偏態(tài)接觸表面粗糙度理論，分析紙基摩擦材料濕式制動(dòng)器的嚙合特性；胡江平等[10]以300t礦用自卸車為研究對(duì)象，研究自卸車的全液壓濕式制動(dòng)系統(tǒng)；李彬等[11]運(yùn)用有限元仿真方法，模擬仿真在極限工況下濕式制動(dòng)器的摩擦特性，為改善濕式制動(dòng)器的摩擦特性提供了重要的依據(jù)；王文靜等[12]運(yùn)用有限元分析軟件，仿真循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者研究了濕式制動(dòng)器的材料、結(jié)構(gòu)、摩擦、振動(dòng)等方面的特性，但是不同參數(shù)影響濕式制動(dòng)器摩擦特性的研究較少?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)建立濕式制動(dòng)器理論分析模型，研究摩擦襯片的摩擦系數(shù)、制動(dòng)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)壓力等參數(shù)對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響，為選擇濕式制動(dòng)器的制造材料、優(yōu)化濕式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和降低濕式制動(dòng)器的振動(dòng)噪提供依據(jù)。

1 濕式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)

濕式制動(dòng)器是車輛制動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，其實(shí)體如圖1所示，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖1和圖2可知，濕式制動(dòng)器主要由油道、O型圈、對(duì)偶鋼盤、摩擦襯片、齒圈制動(dòng)推盤總成、回位彈簧、螺環(huán)、止動(dòng)墊圈、隔環(huán)、擋圈等構(gòu)成。

圖1 濕式制動(dòng)器實(shí)體圖

圖2 濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

2 濕式制動(dòng)器摩擦模型

在濕式制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程中，偶鋼片和摩擦襯片相互接觸擠壓，從而產(chǎn)生一定的形變，在接觸面產(chǎn)生接觸壓力。設(shè)總接觸壓力為p，隨著偶鋼片和摩擦襯片接觸形變不斷變化，總接觸壓力p的大小和方向也不斷變化。設(shè)垂直接觸面的結(jié)構(gòu)形變壓力為pj，平行接觸面的摩擦壓力為pm。由此可得：

分析對(duì)偶鋼片和摩擦襯片之間的微凸體，并把結(jié)構(gòu)形變壓力pj和摩擦壓力pm分解成x和y兩個(gè)方向的力，分別得到：

在濕式制動(dòng)器的對(duì)偶鋼片和摩擦襯片的各接觸點(diǎn)上的力pj1和pj2， 以及pm1和pm2在x、y兩個(gè)方向的力分解后，可以相互抵消，且在接觸點(diǎn)的斜率有如下關(guān)系：

設(shè)形變量為ε、形變速率為ζ，由此可得在平面不同方向的形變速率和結(jié)構(gòu)形變力與摩擦力之間的關(guān)系式為：

式中：t為時(shí)間。

將式（5）在制動(dòng)器摩擦副接觸面A上進(jìn)行積分可以得到：

將式（6）在制動(dòng)器摩擦副接觸面 A（i=1，2，3…）上求和得到：

由此可以得到對(duì)偶鋼片與摩擦襯片接觸面的摩擦力F為：

式中：Ap為實(shí)際接觸面積。

根據(jù)摩擦學(xué)理論，可得濕式制動(dòng)器的實(shí)際接觸面積為：

式中：d為接觸面維數(shù)；ψ為接觸面特征系數(shù)；γ為接觸面摩擦形變時(shí)彈性變?yōu)樗苄缘呐R界值，其值由下式求得：

式中：g為接觸面尺度因數(shù)；E為摩擦襯片彈性模量；σ為摩擦襯片屈服強(qiáng)度。

設(shè)車輛在車輪未抱死的情況下，制動(dòng)器能夠提供最大的制動(dòng)力矩為Mmax，其計(jì)算式為：

式中：r為車輪半徑；Fmax為單個(gè)車輪最大制動(dòng)力。

式中：Ffmax為車輛輪胎承受的最大軸向反作用力；φ為車輛輪胎峰值的附著系數(shù)。

車輛在制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)力矩為：

式中：β為車輛制動(dòng)器制動(dòng)力分配參數(shù)；tm為車輛制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)間。

根據(jù)制動(dòng)器理論，推導(dǎo)制動(dòng)器摩擦襯片在制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)力矩為：

式中：u為車輛制動(dòng)器摩擦襯片的摩擦系數(shù)；車輛制動(dòng)器制動(dòng)壓力為：p(t)。

式中：θ為車輛制動(dòng)器摩擦襯片包角；r1為車輛制動(dòng)器內(nèi)半徑；r2為車輛制動(dòng)器外半徑。

3 數(shù)值計(jì)算及分析

根據(jù)建立的濕式制動(dòng)器理論分析模型，分析不同的摩擦系數(shù)、制動(dòng)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)壓力參數(shù)對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響。本文選取某車型的濕式制動(dòng)器為研究對(duì)象，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 某車型濕式制動(dòng)器參數(shù)

3.1 摩擦系數(shù)對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響

為了分析不同摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)器摩擦特性的影響，本文選取制動(dòng)轉(zhuǎn)速為20rad/s，制動(dòng)壓力為3MPa，其他參數(shù)不變，在摩擦系數(shù)分別為0.1、0.2、0.3、0.4的條件下，計(jì)算濕式制動(dòng)器接觸壓力及安全系數(shù)值分別如圖3、圖4所示。

圖3 摩擦系數(shù)對(duì)接觸壓力的影響

圖4 摩擦系數(shù)對(duì)安全系數(shù)的影響

由圖3可知，雖然隨著摩擦系數(shù)增加，制動(dòng)器接觸壓力逐漸增加。但是當(dāng)接觸壓力增加到一定程度后，增加幅度較小，摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)器的接觸壓力影響較小。

由圖4可知，隨著摩擦系數(shù)增加，制動(dòng)器的安全系數(shù)逐漸減小。在摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，制動(dòng)器摩擦副疲勞壽命較小，摩擦損耗也較小，安全系數(shù)較大，安全性較高；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.4時(shí)，安全系數(shù)較低，摩擦副疲勞壽命較大，壽命較短。筆者認(rèn)為制造制動(dòng)器的材料摩擦系數(shù)在0.2～0.3的范圍比較合適，摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)器的安全系數(shù)影響較大，應(yīng)把它作為選擇制動(dòng)器摩擦材料的重要依據(jù)。選擇摩擦系數(shù)合適的材料，有利于延長(zhǎng)制動(dòng)器壽命，減小制動(dòng)器的摩擦磨損，提高制動(dòng)器的制動(dòng)性能。

3.2 制動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響

為了分析不同制動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)制動(dòng)器摩擦特性的影響，本文選取摩擦系數(shù)為0.2，制動(dòng)壓力為3MPa，其他參數(shù)不變，在制動(dòng)速度分別為10rad/s、20rad/s、30rad/s、40rad/s的條件下，計(jì)算濕式制動(dòng)器接觸壓力及安全系數(shù)值分別如圖5、圖6所示。

圖5 制動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)接觸壓力的影響

圖6 制動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)安全系數(shù)的影響

由圖5可知，隨著制動(dòng)轉(zhuǎn)速的增加，制動(dòng)器接觸壓力基本保持不變，制動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)制動(dòng)器的接觸壓力影響較小。

由圖6可知，隨著制動(dòng)轉(zhuǎn)速的增加，制動(dòng)器安全系數(shù)逐漸減小，但減小幅度小于摩擦系數(shù)的變動(dòng)幅度。制動(dòng)轉(zhuǎn)速應(yīng)控制40rad/s以內(nèi)，制動(dòng)器制動(dòng)性能最好。

3.3 制動(dòng)壓力對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響

為了分析不同制動(dòng)壓力對(duì)制動(dòng)器摩擦特性的影響，本文選取摩擦系數(shù)為0.2，制動(dòng)速度為20rad/s，其他參數(shù)不變，在制動(dòng)壓力分別為2MPas、3MPas、4MPas、5Mpas的條件下，計(jì)算濕式制動(dòng)器接觸壓力和安全系數(shù)值分別如圖7、圖8所示。

圖7 制動(dòng)壓力對(duì)接觸壓力的影響

圖8 制動(dòng)壓力對(duì)安全系數(shù)的影響

由圖7可知，隨著制動(dòng)壓力增加，制動(dòng)器接觸壓力逐漸增加，且制動(dòng)器接觸壓力大于制動(dòng)壓力；隨著制動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，制動(dòng)器接觸壓力增加，但在增加到一定程度后，基本保持穩(wěn)定。由此可見，制動(dòng)壓力是影響制動(dòng)器接觸壓力的主要因素。由于制動(dòng)器接觸壓力是多種因素共同影響的結(jié)果，如摩擦系數(shù)、溫度等，導(dǎo)致制動(dòng)器的接觸壓力略大于制動(dòng)壓力。

由圖8可知，隨著制動(dòng)壓力的增加，制動(dòng)器安全系數(shù)逐漸減小，且在制動(dòng)壓力為5MPa時(shí)，安全系數(shù)較小，大約為2。筆者認(rèn)為，為了保證制動(dòng)器的制動(dòng)性能，制動(dòng)器制動(dòng)壓力應(yīng)控制在5MPa以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值分析方法，研究摩擦系數(shù)、制動(dòng)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)壓力對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦特性的影響。研究表明，摩擦系數(shù)和制動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)制動(dòng)器的接觸壓力影響較小，制動(dòng)壓力對(duì)制動(dòng)器的接觸壓力影響較大；選擇摩擦系數(shù)為0.2～0.3的摩擦材料，制造的濕式制動(dòng)器的制動(dòng)性能較好；制動(dòng)轉(zhuǎn)速控制在40rad/s，制動(dòng)壓力控制在5MPa以內(nèi)，濕式制動(dòng)器的制動(dòng)性能較好。

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責(zé)任編輯仇大勇

Influences of Different Parameters on Friction Characteristics of Wet Brake

PANG Jinli1，PENG Guizhi1,CUI Lianhe1,XUE Wei2

（1.Jiangyin Polytechnic College;2.Jiangyin Shengda Automobile Group,Jiangyin Jiangsu 214405,China）

The effects of the friction properties of wet brake on different parameters of friction coefficient,speed brake and brake pressure were studied by the numerical analysis method.The result shows that the friction coefficient and brake speed have little effects on the contact pressure of wet brake,while the brake pressure has greater effects on the brake contact pressure;the brake performance of wet brake is better if the friction material with friction coefficient is between 0.2 and 0.3;the brake performance of the wet brake is better if the braking speed is controlled at 40rad/s,and the braking pressure is less than 5MPa.

wet brake;difference parameters;friction characteristics;contact pressure;safety factors

U463.51

A

1674－5787（2017）03－0141－05

10.13887/j.cnki.jccee.2017（3）.37

2017-03-15

本文系江蘇省教育廳項(xiàng)目“中高等職業(yè)教育銜接課程體系建設(shè)”(項(xiàng)目編號(hào)：蘇教職[2015]-19)、江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目“汽車智能溫控濕式制動(dòng)器研究”（項(xiàng)目編號(hào)：16E-JD-15）的研究成果之一。

龐敬禮（1982—），男，江蘇贛榆人，江蘇大學(xué)碩士研究生，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：車輛故障檢測(cè)診斷技術(shù)研究。