盤式和鼓式制動器熱衰退性能對比試驗研究?

李 臣，晉 杰，楊良坤

(交通運輸部公路科學(xué)研究院，運輸車輛運行安全技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，北京 100088)

前言

隨著我國道路貨物運輸業(yè)的迅速發(fā)展，大型載貨車輛發(fā)揮著越來越重要的作用。載貨車輛在為國家發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時，其安全性也不容忽視，目前我國載貨車輛保有量1 900多萬輛，占機(jī)動車保有量總數(shù)的7.8%，但載貨車肇事導(dǎo)致的死亡人數(shù)約占交通事故死亡總數(shù)的28%[1]。從事故原因分析，大型載貨車輛制動系統(tǒng)失效是發(fā)生交通事故的重要原因之一。目前，我國大型載貨車輛主要配置鼓式制動器，但在制動穩(wěn)定性方面，鼓式制動器相對于盤式制動器劣勢明顯。在歐洲的重型載貨車中，從2010年開始盤式制動器使用率已超過85%，且該比率還在增加，而我國中重型載貨車中盤式制動器的應(yīng)用不到5%[2]。

隨著我國載貨車技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會對運輸安全的日益重視，工信部于2011年底發(fā)布了第632號文，明確要求危險化學(xué)品運輸車前橋必須安裝盤式制動器。GB 7258—2012規(guī)定“所有專用校車和危險貨物運輸車的前輪及車長大于9m的其他客車的前輪應(yīng)裝備盤式制動器”[3]。汽車企業(yè)在國家強(qiáng)制要求情況下開始有了一定規(guī)模的應(yīng)用，但是相對于巨大的國內(nèi)載貨車市場來說，這僅占很少的份額。

針對制動器的熱衰退現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者從摩擦材料、行駛車速和道路線形等方面采用有限元仿真、臺架試驗和單車的熱衰退試驗等方法開展了深入研究[4-8]，取得了一定的成果。研究多以鼓式制動器為主，針對大型載貨車輛盤式制動器熱衰退的研究較少。為對比大型載貨車輛安裝盤式和鼓式兩種制動器的制動性能，在同一款半掛車上換裝同一廠家的盤式和鼓式兩種制動器進(jìn)行制動性能對比試驗，通過分析試驗數(shù)據(jù)，探討我國重型載貨車輛制動器應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

1 試驗系統(tǒng)搭建

試驗系統(tǒng)由汽車列車性能測試儀、踏板力計、多路溫度記錄儀、熱電偶、輪胎氣壓表和電子汽車衡等組成。此外，還包括筆記本電腦和供電設(shè)備。主要試驗設(shè)備如表1所示，其中汽車列車性能測試儀主要測量行車制動性能，包括制動距離、平均制動減速度和制動時間等；踏板力計主要測量制動時施加到制動踏板上的制動力；多路溫度記錄儀主要連續(xù)采集并存儲熱電偶的溫度值；熱電偶用于測量制動盤和制動鼓的溫度；輪胎氣壓表測量試驗前的輪胎氣壓；電子汽車衡測量試驗車輛空載和滿載的軸荷。

表1 主要儀器設(shè)備

2 試驗系統(tǒng)安裝

輪胎氣壓表和電子汽車衡在試驗前保證試驗車輛的胎壓和軸荷符合技術(shù)要求。汽車性能測試儀安裝在駕駛室中控臺上部，用大吸力吸盤固定在前風(fēng)窗玻璃上，如圖1所示。踏板力計安裝在制動踏板上表面。多路溫度記錄儀安裝在半掛車左側(cè)儲物箱內(nèi)，用軟質(zhì)泡沫材料固定，如圖2所示。熱電偶分別安裝在盤式制動器和鼓式制動器的制動襯片上，如圖3和圖4所示。襯片打通孔，熱電偶用配有彈簧的銅套固定，以調(diào)整因制動片磨損造成的間隙，保證測量過程中銅套和制動盤表面接觸，如圖5所示。

圖1 汽車性能測試儀安裝

圖2 多路溫度記錄儀安裝

圖3 熱電偶安裝在制動盤

圖4 熱電偶安裝在制動鼓

圖5 熱電偶固定裝置

3 試驗車輛

試驗用半掛汽車列車由中國重汽某6×4型牽引車和邁隆牌三軸廂式半掛車組成。試驗車輛示意圖(包括各軸間距)如圖6所示，試驗車輛基本參數(shù)見表2。

圖6 試驗用半掛汽車列車示意圖

表2 試驗車輛基本參數(shù)

4 試驗方法

試驗在交通部公路交通試驗場長直線性能路上進(jìn)行，試驗前測量路面任意方向坡度不大于2.50%。廂式半掛車匹配盤式制動器試驗風(fēng)速1.5m/s，氣壓100.0kPa，溫度25.1～32.2℃；廂式半掛車匹配鼓式制動器試驗風(fēng)速2.5m/s，氣壓99.7kPa，溫度26.2～31.2℃。

車輛滿載，技術(shù)狀況達(dá)到生產(chǎn)商的技術(shù)要求。試驗前，按照GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》[9]的要求對制動器進(jìn)行磨合，對半掛汽車列車進(jìn)行預(yù)熱行駛。

熱衰退性能試驗方法如下：半掛汽車列車以初速度60km/h進(jìn)行制動，速度降到30km/h時解除制動，然后加速至速度穩(wěn)定在60km/h時再次制動，速度降到30km/h時解除制動，試驗反復(fù)20次。另外，根據(jù)我國目前半掛汽車列車的使用現(xiàn)狀，為更好地考核半掛車的熱衰退性能，解除牽引車的制動，只保留半掛車制動，按照上述試驗方法再進(jìn)行一次熱衰退試驗。試驗過程中連續(xù)采集半掛車6個制動器的溫度數(shù)據(jù)。

5 試驗結(jié)果分析

5.1 汽車列車熱衰退性能

汽車列車60km/h滿載Ⅰ型試驗結(jié)果如表3所示。

表3 汽車列車60km/h滿載Ⅰ型試驗結(jié)果

由表3可以看出，汽車列車在60km/h熱態(tài)緊急制動時，半掛車配裝盤式制動器和鼓式制動器均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但半掛車配裝盤式制動器性能要優(yōu)于配裝鼓式制動器性能，說明盤式制動器的制動力矩更大。從制動距離上看，半掛車配裝盤式制動器比配裝鼓式制動器性能提高27.56%，因此在制動器熱態(tài)時，盤式制動器比鼓式制動器優(yōu)勢更明顯。

我國快遞企業(yè)可以根據(jù)消費者對運送時效的要求不同（4Cs中的顧客需求策略）來設(shè)計快遞產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品與消費者的需求相關(guān)聯(lián)（4Rs中的關(guān)聯(lián)策略），實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，進(jìn)而使企業(yè)獲得競爭優(yōu)勢。例如，有的消費者需要快遞企業(yè)實現(xiàn)一日內(nèi)將快遞送達(dá)指定地點或幾小時內(nèi)送達(dá)指定地點，快遞企業(yè)可根據(jù)其資源或與渠道成員合作來實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，從而實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)4Ps中的產(chǎn)品策略與4Cs中的顧客需求策略、4Rs中的關(guān)聯(lián)策略相融合，以獲取競爭優(yōu)勢，為價值戰(zhàn)打好基礎(chǔ)。

汽車列車滿載Ⅰ型試驗盤式制動器制動盤和鼓式制動器制動鼓的溫度隨時間的變化曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 汽車列車滿載Ⅰ型試驗盤式制動器(制動盤)溫度隨時間的變化曲線

圖7 和圖8中每一段曲線峰值代表一次制動，曲線峰值之間部分代表車輛非制動行駛。

汽車列車滿載Ⅰ型試驗結(jié)束時制動器溫度如表4所示。

圖8 汽車列車滿載Ⅰ型試驗鼓式制動器(制動鼓)溫度隨時間的變化曲線

表4 汽車列車滿載Ⅰ型試驗制動器溫度 ℃

由表4可以看出，汽車列車滿載Ⅰ型試驗結(jié)束時盤式制動器平均溫度351.83℃，鼓式制動器平均溫度241.82℃，二者相差110.01℃。

5.2 僅半掛車制動時熱衰退性能

僅半掛車制動時，汽車列車60km/h滿載Ⅰ型試驗結(jié)果如表5所示。

表5 汽車列車60km/h滿載(僅半掛車制動)Ⅰ型試驗結(jié)果

汽車列車僅半掛車制動工況我國暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗方法參照GB 12676—2014。由表5可以看出，60km/h熱態(tài)制動時，配裝盤式制動器制動距離為86.07m，而配裝鼓式制動器制動距離為241.40m，配裝盤式制動器比配裝鼓式制動器性能提高180.47%。半掛車配裝盤式制動器在熱態(tài)和冷態(tài)緊急制動時，性能略有下降，熱態(tài)比冷態(tài)制動距離僅增加了 19.85m(僅半掛車制動時，汽車列車60km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗制動距離為66.22m)，能保持較好的制動性能；半掛車配裝鼓式制動器時制動性能急劇下降，制動距離增加152.68m(僅半掛車制動時，汽車列車60km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗制動距離為88.72m)，從平均發(fā)出的制動減速度MFDD為0.61m/s2可以看出，半掛車配裝鼓式制動器熱衰退嚴(yán)重，接近失效。

僅半掛車制動時滿載Ⅰ型試驗盤式制動器的制動盤溫度隨時間的變化曲線如圖9所示，鼓式制動器的制動鼓溫度隨時間的變化曲線如圖10所示。

圖9 僅半掛車制動時滿載Ⅰ型試驗盤式制動器(制動盤)溫度隨時間的變化曲線

圖10 僅半掛車制動時滿載Ⅰ型試驗鼓式制動器(制動鼓)溫度隨時間的變化曲線

僅半掛車制動時，汽車列車滿載Ⅰ型試驗結(jié)束時制動器溫度如表6所示。

由表6可以看出，汽車列車滿載(僅半掛車制動)Ⅰ型試驗結(jié)束時盤式制動器平均溫度525.53℃，鼓式制動器平均溫度384.82℃，二者相差140.71℃，說明盤式制動器比鼓式制動器的熱容量小。

表6 汽車列車滿載(僅半掛車制動)Ⅰ型試驗完成制動器溫度 ℃

從表4和表6可以看出，在同樣的試驗條件下，試驗結(jié)束時總體上盤式制動器溫度要比鼓式制動器高。結(jié)合表3和表5的制動性能可以看出，雖然盤式制動器溫度上升快，但盤式制動器的熱穩(wěn)定性好，溫度在525℃左右依然能提供較好的制動力，鼓式制動器在384℃時已經(jīng)基本失去制動能力。

5.3 制動前后制動器的狀態(tài)

制動前后制動盤和制動鼓的狀態(tài)如圖11～圖14所示。

圖11 試驗前摩擦片表面狀態(tài)

圖12 試驗后摩擦片表面狀態(tài)

由圖11～圖14可以看出：盤式制動的制動盤和摩擦片的貼合與鼓式制動的制動鼓和制動蹄片的貼合在低溫階段沒有明顯的區(qū)別，制動性能也接近；但在高溫階段，制動蹄片兩端在高溫制動后產(chǎn)生了磨損，中部變化不大，這從圖14表面大量粉塵分布可以看出。因此，制動蹄片在高溫制動后和制動鼓貼合不良，而盤式制動摩擦副的貼合好于鼓式制動，可有效地保證行車制動安全。

從物理學(xué)的觀點看，制動過程是車輛將動能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。車輛在長時間制動中，制動盤和摩擦片、制動鼓和制動蹄片的溫度都會迅速升高，但因制動盤和制動鼓在高溫下狀態(tài)不同，造成了制動效果也不同。盤式制動器和鼓式制動器在冷熱情況下的狀態(tài)對比如圖15所示。

圖13 試驗前制動蹄片表面狀態(tài)

圖14 試驗后制動蹄片表面狀態(tài)

圖15 制動器在冷熱情況下的狀態(tài)

從圖15中可以看出，盤式制動在制動過程中摩擦片和制動盤一直處于面接觸狀態(tài)，保證了制動性能的穩(wěn)定。鼓式制動在高溫階段，由于制動鼓高溫變形和磨損(圖15(d)中標(biāo)記處)，使制動蹄片和制動鼓之間結(jié)合不緊密，造成接觸面積減小，比壓增大，磨損加快，制動性能變差。

6 結(jié)論

(1)從試驗結(jié)果看，盤式制動器制動力矩更大、熱穩(wěn)定性更好，比鼓式制動器安全性優(yōu)勢明顯。

(2)我國大型載貨車輛盤式制動器安裝率較低的主要原因是超載。超載車輛在連續(xù)制動時，盤式制動器溫升更快，且由于高溫淋水易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，不適合目前我國的運輸市場。但隨著2016年9月五部委聯(lián)合治超的實施及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對運輸安全要求的提高，盤式制動器在我國有望逐步得到推廣。

(3)本試驗結(jié)果是在汽車列車額定載荷條件下測得，試驗車輛和試驗條件一致，試驗結(jié)果具有很高的說服力。如需得到更具普遍性的結(jié)論，需更換試驗車輛、變換載荷進(jìn)一步對比分析。

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