乘用車制動(dòng)盤性能慣性臺(tái)架試驗(yàn)研究

曾繁卓,雷文,周移民,王應(yīng)國(guó)

(中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

0 引言

隨著道路質(zhì)量的提升，汽車的行駛速度普遍提高，同時(shí)車流密度也在不斷增大。為了保證行駛安全，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性尤為重要。制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器。相比于鼓式制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程中溫升高、制動(dòng)效能熱衰退嚴(yán)重的缺點(diǎn)，盤式制動(dòng)器具有制動(dòng)效能穩(wěn)定、散熱快和制動(dòng)力度線性度好的優(yōu)點(diǎn)[1]。目前，國(guó)內(nèi)的乘用車和客車普遍采用盤式制動(dòng)器，制動(dòng)盤作為盤式制動(dòng)器總成的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到行車安全性和駕駛舒適性。

2017年國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同發(fā)布了強(qiáng)制性法規(guī)GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》，其中規(guī)定了2019年1月1日起危險(xiǎn)品貨物運(yùn)輸半掛車必須配備盤式制動(dòng)器，2020年1月1日起新生產(chǎn)欄板式、倉(cāng)柵式半掛車必須配備盤式制動(dòng)器[2]，足見(jiàn)制動(dòng)盤的性能已經(jīng)引起了整個(gè)汽車行業(yè)的重視。制動(dòng)盤過(guò)度磨損或者磨損不均勻，會(huì)引起制動(dòng)效能下降、制動(dòng)距離增長(zhǎng)；在高溫條件下容易產(chǎn)生變形和裂紋，影響持續(xù)制動(dòng)力，有安全隱患；過(guò)度磨損的制動(dòng)盤如不及時(shí)更換會(huì)加劇制動(dòng)片的磨損，縮短制動(dòng)片使用壽命。在整車測(cè)試過(guò)程中對(duì)制動(dòng)盤性能的探究有一定難度，相反，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證階段通過(guò)慣性試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)制動(dòng)盤的性能進(jìn)行考核測(cè)試更為實(shí)際可行。因此，本文作者通過(guò)Link 3900慣性試驗(yàn)臺(tái)架模擬制動(dòng)盤在熱容量試驗(yàn)、高溫驟冷試驗(yàn)和熱裂紋試驗(yàn)過(guò)程中的性能變化。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次研究利用國(guó)家機(jī)動(dòng)車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(重慶)的Link 3900慣性試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)某款乘用車型的制動(dòng)盤進(jìn)行性能測(cè)試。根據(jù)整車參數(shù)的具體要求并結(jié)合相關(guān)制動(dòng)盤生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際需要，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)的方式模擬制動(dòng)盤在高溫驟冷(水冷方式)以及高溫下連續(xù)進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)，主要考核在不同的極端條件下制動(dòng)盤上是否會(huì)出現(xiàn)貫穿性的裂紋，制動(dòng)盤的熱容量以及試驗(yàn)前、后制動(dòng)盤的厚度變化參數(shù)。臺(tái)架試驗(yàn)所需參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1.1 試驗(yàn)臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算

制動(dòng)器慣性試驗(yàn)臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速與車速按如下關(guān)系換算：

n=2.65v/r

式中：n為制動(dòng)器慣性試驗(yàn)臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速，r/min；v為試驗(yàn)車速，km/h；r為車輪滾動(dòng)半徑，m。

經(jīng)過(guò)上述公式計(jì)算得到試驗(yàn)車速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速如表2所示。

表2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速

1.1.2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算

試驗(yàn)中后制動(dòng)盤試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分配原則為

I后盤=I0.5整車×25%

I0.5整車=0.5mr2

式中：I后盤為后制動(dòng)盤試驗(yàn)慣量，kg·m2；I0.5整車為整車計(jì)算慣量的一半，kg·m2；m為汽車滿載質(zhì)量，kg；r為車輪滾動(dòng)半徑，m。

經(jīng)過(guò)上述公式計(jì)算得到的后制動(dòng)器的試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為40.6 kg·m2。

1.2 安裝方式

1.2.1 制動(dòng)盤安裝方式

對(duì)于盤式制動(dòng)器來(lái)說(shuō)，摩擦片與制動(dòng)盤表面的貼合程度對(duì)制動(dòng)效能有很大影響，因此，試驗(yàn)開(kāi)始前利用百分表在制動(dòng)盤外沿向內(nèi)10 mm的圓周上打表測(cè)量，必須保證制動(dòng)盤端面圓跳動(dòng)控制在0.05 mm以內(nèi)，盤式制動(dòng)器總成的拖滯力矩保證在5 N·m以內(nèi)。同時(shí)，在進(jìn)行熱容量試驗(yàn)、高溫驟冷試驗(yàn)以及熱裂紋試驗(yàn)開(kāi)始前必須先進(jìn)行磨合試驗(yàn)，保證摩擦片與制動(dòng)盤表面接觸良好。

1.2.2 貼片式熱電偶的安裝方式

由于此次研究主要是對(duì)制動(dòng)盤性能的考核，對(duì)于制動(dòng)盤表面的溫度更為關(guān)注。在QC/T 556-1999《汽車制動(dòng)器溫度測(cè)量和熱電偶安裝》中制動(dòng)盤溫度測(cè)量采用在盤面上打孔并深埋熱電偶的方式，但這樣就造成了對(duì)制動(dòng)盤的破壞，影響制動(dòng)盤測(cè)試結(jié)果?；谝陨显颍囼?yàn)過(guò)程中采用貼片式熱電偶的溫度測(cè)量方法，將貼片式熱電偶安裝在制動(dòng)盤有效工作半徑的位置上，貼片式熱電偶的安裝位置如圖1所示。

圖1 貼片式熱電偶安裝位置照片

1.3 制動(dòng)盤厚度測(cè)量及裂紋評(píng)定方法

1.3.1 制動(dòng)盤周向厚薄差的測(cè)量

在進(jìn)行熱容量試驗(yàn)和熱裂紋試驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量制動(dòng)盤的軸向厚薄差。以往的測(cè)量方式主要是利用外徑千分尺來(lái)測(cè)量制動(dòng)盤不同位置的厚度，但是該方法存在弊端：(1)外徑千分尺縱深較淺，只能測(cè)量到制動(dòng)盤的外徑；(2)外徑千分尺精確到百分位，千分位為估讀，測(cè)量誤差較大?；谝陨蟽牲c(diǎn)原因，作者采用3組非接觸式的位移傳感器(量程0～2.5 mm，精度0.001 mm)測(cè)量制動(dòng)盤周向厚薄差。在測(cè)量前首先確定制動(dòng)盤的內(nèi)徑、中徑和外徑，測(cè)點(diǎn)直徑參數(shù)定義如表3所示，測(cè)量位置示意圖如圖2所示。

表3 制動(dòng)盤測(cè)點(diǎn)直徑參數(shù)定義

圖2 制動(dòng)盤測(cè)點(diǎn)直徑位置示意

將3組非接觸式的位移傳感器安裝在制動(dòng)盤內(nèi)、中、外徑的位置上(見(jiàn)圖3)，試驗(yàn)前、后分別記錄各測(cè)量點(diǎn)左、右傳感器距制動(dòng)盤的位移值。通過(guò)試驗(yàn)后位移值減試驗(yàn)前位移值的方式確定制動(dòng)盤的厚度變化。非接觸式位移傳感器測(cè)量原理示意如圖4所示。

圖3 非接觸式位移傳感器安裝位置照片

圖4 非接觸式位移傳感器測(cè)量原理示意

1.3.2 制動(dòng)盤失效判定準(zhǔn)則

臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)制動(dòng)盤出現(xiàn)如下現(xiàn)象之一時(shí)，則判定制動(dòng)盤樣品失效：(1)制動(dòng)盤摩擦面的徑向裂紋長(zhǎng)度超過(guò)制動(dòng)盤摩擦面寬度的2/3；(2)制動(dòng)盤摩擦面的裂紋達(dá)到了制動(dòng)盤摩擦面內(nèi)徑或外徑；(3)制動(dòng)盤摩擦面上有貫穿性徑向裂紋；(4)在摩擦面外的任何區(qū)域有任何類型的結(jié)構(gòu)損傷或裂紋[3]。

裂紋類型如圖5所示。

圖5 裂紋類型

1.4 試驗(yàn)方法與步驟

1.4.1 熱容量試驗(yàn)

從能量角度看，制動(dòng)是把車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并必將以熱的形式耗散的過(guò)程。這個(gè)能量是在制動(dòng)階段時(shí)制動(dòng)盤和摩擦片的總熱量，能量以熱的形式耗散。一般情況下，摩擦片材料的導(dǎo)熱系數(shù)要比制動(dòng)盤的小，所以工程中普遍認(rèn)為制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的大部分熱量均被制動(dòng)盤所吸收[4]。熱容量試驗(yàn)中按指定條件進(jìn)行10次連續(xù)制動(dòng)并記錄制動(dòng)盤的溫度、管路壓力、制動(dòng)力矩、制動(dòng)減速度以及試驗(yàn)前后制動(dòng)盤周向厚度變化情況，具體實(shí)現(xiàn)方法如下所示。

1.4.1.1 磨合試驗(yàn)

(1)制動(dòng)初速度80 km/h，制動(dòng)末速度0 km/h；(2)試驗(yàn)冷卻風(fēng)速11 m/s，冷卻空氣的溫度為室溫；(3)調(diào)節(jié)制動(dòng)管路壓力，使制動(dòng)過(guò)程中管路壓力恒定為2.0 MPa；(4)制動(dòng)間隔時(shí)間以控制制動(dòng)盤初溫不超過(guò)100 ℃而定；(5)磨合試驗(yàn)次數(shù)為25次。

1.4.1.2 熱容量試驗(yàn)

在常溫環(huán)境下，制動(dòng)初速度為100 km/h，以4.87 m/s2(0.5g)的減速度制動(dòng)至停車，制動(dòng)時(shí)間為5.7 s，間隔時(shí)間為30 s，以35.7 s為一個(gè)制動(dòng)循環(huán)。又從初速度為100 km/h，同樣以4.87 m/s2的減速度制動(dòng)至停車，總共進(jìn)行10次制動(dòng)循環(huán)，共計(jì)時(shí)間357 s；除首次制動(dòng)時(shí)允許通過(guò)風(fēng)冷使制動(dòng)盤達(dá)到規(guī)定的初始溫度外，在制動(dòng)過(guò)程中不允許對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行外部冷卻。具體制動(dòng)熱容量測(cè)試條件如表4所示。熱容量試驗(yàn)過(guò)程照片如圖6所示，熱容量試驗(yàn)過(guò)程曲線如圖7所示。

表4 制動(dòng)熱容量測(cè)試條件

圖6 熱容量試驗(yàn)過(guò)程照片

圖7 熱容量試驗(yàn)過(guò)程曲線

1.4.2 高溫驟冷試驗(yàn)

車輛在長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)后制動(dòng)盤的溫度可達(dá)600～700 ℃，通過(guò)水冷的方式對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行冷卻后容易造成制動(dòng)盤層裂、龜裂，影響制動(dòng)器受力；同時(shí)，水冷后極易引起制動(dòng)器局部金屬發(fā)生相變，產(chǎn)生新的物質(zhì)，這些物質(zhì)的硬度等物理性能與制動(dòng)盤相差很大時(shí)，磨損久了就會(huì)產(chǎn)生硬點(diǎn)，減少制動(dòng)器的接觸面積，降低制動(dòng)效能。高溫驟冷試驗(yàn)中按指定條件模擬制動(dòng)盤高溫后涉水驟冷過(guò)程，并記錄制動(dòng)盤的溫度、管路壓力、制動(dòng)力矩和制動(dòng)減速度情況，試驗(yàn)結(jié)束后，待制動(dòng)盤自然冷卻至室溫后，用染色探傷法檢查制動(dòng)盤上是否出現(xiàn)裂紋。具體實(shí)現(xiàn)方法如下所示。

1.4.2.1 磨合試驗(yàn)

試驗(yàn)方法同熱容量試驗(yàn)前的磨合試驗(yàn)。

1.4.2.2 高溫驟冷試驗(yàn)

按表5要求進(jìn)行制動(dòng)盤高溫驟冷試驗(yàn)，在制動(dòng)過(guò)程中不允許對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，當(dāng)制動(dòng)盤溫度不小于500 ℃(最后一次制動(dòng)必須是一次完整的制動(dòng))時(shí)，停止制動(dòng)試驗(yàn)(慣性臺(tái)架繼續(xù)以30 r/min的速度運(yùn)行，以確保強(qiáng)制冷卻均勻性)，立即按照表6規(guī)定的冷卻方式進(jìn)行冷卻直至制動(dòng)盤溫度達(dá)到表5的規(guī)定，停止試驗(yàn)。高溫驟冷試驗(yàn)過(guò)程照片如圖8所示，高溫驟冷試驗(yàn)過(guò)程曲線如圖9所示。

表5 驟冷試驗(yàn)測(cè)試條件

表6 水冷測(cè)試條件

圖8 高溫驟冷試驗(yàn)過(guò)程照片

圖9 高溫驟冷試驗(yàn)過(guò)程曲線

1.4.3 熱裂紋試驗(yàn)

汽車高速行駛過(guò)程中動(dòng)能急劇增加，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱能也不斷提高，巨大的熱負(fù)荷極易使制動(dòng)盤產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力并導(dǎo)致制動(dòng)盤出現(xiàn)裂紋[5]。同時(shí)，在大減速度制動(dòng)后，制動(dòng)盤會(huì)出現(xiàn)較大的塑性變形，影響使用壽命。熱裂紋試驗(yàn)中按指定條件模擬制動(dòng)盤多次連續(xù)制動(dòng)使制動(dòng)盤溫升至650 ℃的過(guò)程，并記錄制動(dòng)盤的溫度、管路壓力、制動(dòng)力矩、制動(dòng)減速度、制動(dòng)盤的周向厚薄差情況。試驗(yàn)結(jié)束后，待制動(dòng)盤自然冷卻至室溫后，用染色探傷法檢查制動(dòng)盤上是否出現(xiàn)裂紋。具體實(shí)現(xiàn)方法如下所示。

1.4.3.1 磨合試驗(yàn)

試驗(yàn)方法同熱容量試驗(yàn)前的磨合試驗(yàn)。

1.4.3.2 熱裂紋試驗(yàn)

按表7要求進(jìn)行制動(dòng)盤熱裂紋試驗(yàn)，除首次制動(dòng)時(shí)，允許通過(guò)風(fēng)冷使制動(dòng)盤達(dá)到規(guī)定的初始溫度外，在制動(dòng)過(guò)程中不允許對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行外部冷卻。當(dāng)制動(dòng)盤溫度不小于650 ℃時(shí)才能進(jìn)行風(fēng)冷使其滿足制動(dòng)初溫要求，每種制動(dòng)循環(huán)規(guī)程進(jìn)行500次。具體熱裂紋試驗(yàn)條件如表7所示。熱裂紋試驗(yàn)過(guò)程照片如圖10所示，熱裂紋試驗(yàn)過(guò)程曲線如圖11所示。

表7 熱裂紋測(cè)試條件

圖10 熱裂紋試驗(yàn)過(guò)程照片

圖11 熱裂紋試驗(yàn)過(guò)程曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱容量試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行熱容量試驗(yàn)過(guò)程中，Link 3900慣性試驗(yàn)臺(tái)采集并記錄了每一次制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)盤溫度、制動(dòng)的平均扭矩、制動(dòng)減速度以及制動(dòng)管路壓力的變化情況。由圖12可以看出：10次制動(dòng)后制動(dòng)盤溫度急劇上升，從初溫40 ℃上升至290 ℃；為保證制動(dòng)平均扭矩和減速度基本恒定，制動(dòng)管壓出現(xiàn)一定的波動(dòng)。通過(guò)制動(dòng)盤溫度的變化直觀地反映出制動(dòng)過(guò)程中熱量的變化情況。

圖12 熱容量試驗(yàn)制動(dòng)主要參數(shù)變化情況

在制動(dòng)盤的熱容量研究中，分別測(cè)量了制動(dòng)盤外徑和內(nèi)徑的周向厚度變化，從圖13可以清晰地看出內(nèi)徑的厚度變化稍大于外徑，但厚度變化均控制在10 μm以內(nèi)，可滿足制動(dòng)盤的性能要求。

圖13 制動(dòng)盤內(nèi)徑、外徑周向厚薄差

2.2 高溫驟冷試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行高溫驟冷試驗(yàn)過(guò)程中，Link 3900慣性試驗(yàn)臺(tái)采集并記錄了每一次制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)盤溫度、制動(dòng)的平均扭矩、制動(dòng)減速度以及制動(dòng)管路壓力的變化情況。由圖14可以看出：在100 km/h→0 km/h制動(dòng)循環(huán)規(guī)程中，連續(xù)制動(dòng)10次后制動(dòng)盤溫度就達(dá)到了539.6 ℃，制動(dòng)減速度穩(wěn)定在9.8 m/s2左右，連續(xù)噴水6次后制動(dòng)盤溫度恢復(fù)到51.2 ℃；在150 km/h→70 km/h制動(dòng)循環(huán)規(guī)程中連續(xù)制動(dòng)6次后制動(dòng)盤溫度就達(dá)到了518.9 ℃，制動(dòng)減速度穩(wěn)定在5.0 m/s2左右，連續(xù)噴水6次后制動(dòng)盤溫度恢復(fù)到62.0 ℃；整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中為保證減速度基本恒定，制動(dòng)管壓出現(xiàn)一定的波動(dòng)。通過(guò)制動(dòng)盤溫度變化曲線可以清晰看出制動(dòng)盤高溫驟冷的試驗(yàn)過(guò)程。

高溫驟冷試驗(yàn)后待制動(dòng)盤冷卻到室溫后，首先檢查制動(dòng)盤表面。依據(jù)上述制動(dòng)盤失效判定準(zhǔn)則的具體規(guī)定，判斷制動(dòng)盤表面沒(méi)有出現(xiàn)可見(jiàn)的裂紋。高溫驟冷試驗(yàn)后制動(dòng)盤如圖15所示。由于目測(cè)過(guò)程中可能有小的裂紋肉眼無(wú)法識(shí)別，可以利用染色探傷法檢查制動(dòng)盤上是否出現(xiàn)裂紋，如圖16所示，同樣，未出現(xiàn)裂紋。

圖15 高溫驟冷試驗(yàn)后制動(dòng)盤照片

圖16 染色探傷法檢測(cè)裂紋照片

2.3 熱裂紋試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行熱裂紋試驗(yàn)過(guò)程中，Link 3900慣性試驗(yàn)臺(tái)采集并記錄了每一次制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)盤溫度、制動(dòng)的平均扭矩、制動(dòng)減速度以及制動(dòng)管路壓力的變化情況。由圖17可以看出：在100 km/h→0 km/h的500次制動(dòng)循環(huán)規(guī)程中，平均連續(xù)制動(dòng)18次后制動(dòng)盤溫度可以達(dá)到650 ℃，制動(dòng)減速度穩(wěn)定在9.8 m/s2左右；在150 km/h→70 km/h的500次制動(dòng)循環(huán)規(guī)程中連續(xù)制動(dòng)9次后制動(dòng)盤溫度就達(dá)到了650 ℃，制動(dòng)減速度穩(wěn)定在5.0 m/s2左右；為保證制動(dòng)平均扭矩和減速度基本恒定，制動(dòng)管壓出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

在對(duì)制動(dòng)盤的熱裂紋研究中，分別測(cè)量了制動(dòng)盤外徑、中徑和內(nèi)徑的周向厚度變化，記錄制動(dòng)100次、400次、700次和1 000次時(shí)制動(dòng)盤周向厚度變化情況。從圖18可以清晰地看出：隨著熱裂紋試驗(yàn)次數(shù)的增加制動(dòng)盤的磨損也在增加，周向厚薄差變大；當(dāng)進(jìn)行到1 000次熱裂紋的試驗(yàn)時(shí)，制動(dòng)盤厚度變化約70 μm，周向厚度變化均控制在10 μm以內(nèi)，可滿足制動(dòng)盤的性能要求。

圖17 熱裂紋試驗(yàn)制動(dòng)主要參數(shù)變化情況

圖18 熱裂紋試驗(yàn)制動(dòng)盤內(nèi)徑、中徑和外徑周向厚薄差

熱裂紋試驗(yàn)后待制動(dòng)盤冷卻到室溫后，首先檢查制動(dòng)盤表面。依據(jù)上述制動(dòng)盤失效判定準(zhǔn)則的具體規(guī)定，判斷制動(dòng)盤表面沒(méi)有出現(xiàn)可見(jiàn)的裂紋。熱裂紋試驗(yàn)后制動(dòng)盤如圖19所示。由于目測(cè)過(guò)程中可能有小的裂紋肉眼無(wú)法識(shí)別，可以利用染色探傷法檢查制動(dòng)盤上是否出現(xiàn)裂紋，如圖20所示，同樣，未出現(xiàn)裂紋。

圖19 熱裂紋試驗(yàn)后制動(dòng)盤照片

圖20 >熱裂紋試驗(yàn)后染色探傷法檢測(cè)裂紋照片

3 結(jié)束語(yǔ)

利用Link 3900慣性試驗(yàn)臺(tái)架完成了用車制動(dòng)盤的熱容量、高溫驟冷和熱裂紋試驗(yàn)，規(guī)定具體試驗(yàn)參數(shù)的選擇、試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一套完整的試驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。該研究可以滿足當(dāng)前乘用車制動(dòng)盤性能研究的需求，為實(shí)車制動(dòng)路試以及整車制動(dòng)器總成的匹配提供參考。