載重量對鼓式制動器溫度場的影響

林恩景

（福建省三鋼（集團）物流公司 福建三明365000）

1 前言

根據(jù)冶金工程運輸實際需要和經(jīng)濟效益的問題，很多車輛需要超載運輸。超載運輸因重力加速度和慣性作用又會加長制動距離。這樣長時間制動或緊急制動，制動器里的制動鼓和制動片之間相互摩擦而形成溫度場，積聚著大量的熱量，使摩擦副（指制動鼓與制動片）溫度快速升高，從而導致制動器熱衰退現(xiàn)象發(fā)生，極易釀成交通事故。因此，研究車輛在不同載重量情況下對制動器溫度場的影響，確定超載極限值，對冶金工程運輸具有重要的指導意義。

2 制動產(chǎn)生熱量的主要影響因素研究

車輛制動時，制動器里的制動鼓與制動片之間摩擦產(chǎn)生的熱量，根據(jù)摩擦生熱原理，熱量計算表達式為［1］：

又根據(jù)行駛的距離等于制動時的速度乘以制動時間關(guān)系，所以推出：

式中：Q—制動器產(chǎn)生的熱量，N·m；

Fa—制動裝置作用于輪鼓上的制動力，N；

S—行駛的距離，m；

v—制動時的速度，m／s；

t—制動時間，s。

車輛下坡行駛時，發(fā)動機處于怠速運行，摩擦阻力和空氣阻力較小，在此忽略，下坡產(chǎn)生的加速度主要是重力加速度。為了行駛安全，只要把車輛控制在一定速度勻速行駛就可以。所以制動裝置作用于各個輪鼓上的制動力（假設(shè)是均等的）總和，等于車輛下坡時的重力分力即可，即：

式中：M0—車輛總質(zhì)量，kg；

M1—貨物總質(zhì)量，kg；

g—地球重力加速度，m／s2；

ɑ—路面坡度；

n—車輛制動器個數(shù)。

單個制動器產(chǎn)生的熱量：

從公式（4）可以分析，制動產(chǎn)生熱量的主要影響因素有：一是車輛自重M0g和載重量M1g（即載荷）；二是路面坡度；三是在制動時的速度；四是制動時間長短；五是車輛制動器個數(shù)。且制動產(chǎn)生的熱量與車輛自重加載重量的總和、路面坡度的正弦值、制動時的速度、制動時間長短等都是成正比例關(guān)系；與車輛制動器個數(shù)成反比例關(guān)系。

雖然從理論上得出車輛載重量M1g增加，致使車輛制動時，制動器產(chǎn)生的熱量增加。但結(jié)合具體車型、根據(jù)實際情況，在車輛制動時，車輛載重量的增加量，對制動器產(chǎn)生熱量（即溫度場）的具體影響，需要建立有限元分析模型進行仿真計算分析。

3 載重量對制動器溫度場的影響

隨著有限元建模技術(shù)的發(fā)展，在工程領(lǐng)域廣泛應用。在有限元分析和計算過程中，三維模型、材料的各項參數(shù)和有限元分析模型建立的準確性，對最終分析結(jié)果影響較大，必須對各項參數(shù)做到精準。

3.1 建立鼓式制動器三維實體模型

我國目前的重型運輸車輛，基本以鼓式制動器為主。本文以重汽豪沃車鼓式制動器為例，根據(jù)主機廠設(shè)計部門得到的制動器各部件材料具體參數(shù)，用CATIA軟件建立鼓式制動器各部件三維實體模型，如圖1所示。

圖1 制動器實體圖

因制動鼓內(nèi)部零件較多，很多都不是生熱部件，與制動熱衰退關(guān)系不大，對于最終結(jié)論計算精度沒有明顯影響，可以簡化。只有制動片與制動鼓是生熱部件。

根據(jù)鼓式制動器的物理結(jié)構(gòu)和生熱機理，熱量是由制動鼓的內(nèi)表面與緊密貼合的制動片外表面之間摩擦作用產(chǎn)生的，其二者的瞬間溫度基本沒有差別。所以本文只選擇對制動鼓進行有限元建模計算分析。

3.2 確定制動鼓材料力學參數(shù)

從主機廠設(shè)計部門得到的數(shù)據(jù)，確定制動鼓材料力學參數(shù)見表1。

表1 制動鼓材料參數(shù)

3.3 建立制動鼓三維實體模型

用CATIA軟件，建立制動鼓三維實體模型，由于制動鼓是對稱的圓形結(jié)構(gòu)，先建立制動鼓橫截面的二維模型選擇參考平面，再用旋轉(zhuǎn)命令，形成制動鼓的三維實體模型，模型如圖2所示。

圖2 制動鼓三維實體模型

3.4 建立制動鼓有限元模型

運用Ansys軟件對制動鼓進行有限元分析，該軟件具有操作簡單、功能多樣、分析準確等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)中應用廣泛，且具有多種因素耦合現(xiàn)場分析的功能，可以對制動系統(tǒng)的升溫過程進行精確地分析［2］。采用Ansys軟件SOLID70單元（導熱性單元），可在三個方向上傳導熱量，具有八個節(jié)點，每個節(jié)點都有一定的自由度，可以滿足三維瞬態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)分析［3］。

本文應用Ansys軟件，在其他條件如坡度、行駛速度和制動時間保持不變，在實施制動后，分析載重量對制動鼓溫度的影響。首先建立制動鼓三維實體模型，然后導入Ansys軟件SOLID70單元，再根據(jù)表1分別定義制動鼓的材料屬性參數(shù)，然后進行制動鼓三維模型進行網(wǎng)格劃分，建立制動鼓有限元分析模型，見圖3。

圖3 制動鼓有限元模型圖

3.5 不同載重量下制動鼓溫升情況

根據(jù)交通部門發(fā)布的數(shù)據(jù)，針對車輛的額定載重及其倍數(shù)，對制動鼓進行模擬溫升試驗。重汽豪沃車輛的基本參數(shù)見表2。

表2 車輛基本參數(shù)

在額定載重、二倍額定載重、三倍額定載重等不同情況下，分別以比較常見狀態(tài)和操作進行：在常見的坡度為4%、以正常的60km／h的車速下坡行駛，制動5s時間。

通過有限元分析研究：在此條件下制動后，制動鼓的溫度變化計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同載重量制動鼓溫升圖

圖4為不同載重量制動鼓溫升圖，從圖4中可知，制動時間同樣在5s內(nèi)，車輛在額定載重條件下，制動鼓的內(nèi)表面最高溫升為204.57℃，車輛在二倍額定載重條件下制動鼓的內(nèi)表面最高溫升為307.27℃，車輛在三倍額定載重條件制動鼓內(nèi)表面的最高溫升為345.37℃。

3.6 結(jié)果分析

在研究國內(nèi)外專家對車輛制動器失效溫度的論證基礎(chǔ)上，本文選擇200℃作為制動器的安全溫度值，是開始熱衰退溫度；262℃作為制動器熱衰退開始加劇的警告溫度值；310℃作為制動器熱衰退開始發(fā)生不可逆反應的危險溫度值。

通過有限元計算結(jié)果分析：在其他條件都一樣的情況下，車輛載重量增加越多，車輛自重加速度作用越大，制動鼓溫度升得越高。具體如下：

車輛在額定載重條件下制動5s時間，制動鼓的內(nèi)表面溫升為204.5℃。靠近200℃，是制動器的安全溫度值。摩擦副間的摩擦系數(shù)相對比較穩(wěn)定，但已經(jīng)是開始熱衰退的溫度值。

車輛在二倍額定載重條件下制動5s時間，制動鼓的內(nèi)表面溫升為307.2℃。大于262℃，超過制動器熱衰退開始加劇的溫度，屬警告溫度值。摩擦副間的摩擦系數(shù)已經(jīng)急劇下降，車輛運行已經(jīng)不安全了。

車輛在三倍額定載重條件下制動5s時間，制動鼓內(nèi)表面的溫度為345.3℃。大于310℃，超過制動器熱衰退開始發(fā)生不可逆反應的危險溫度值。這時制動鼓變形和制動片碳化成粉，失去其摩擦系數(shù)較高的優(yōu)勢，而導致制動失效。若延長制動時間，制動鼓內(nèi)表面的最高溫升，很容易大于600℃，制動器的制動就基本失效了。

4 結(jié)論

綜上分析，車輛在二倍額定載重量條件下超載運行，在常見4%的坡度、以常規(guī)60km／h的車速下坡行駛，只要制動5s時間，就很容易產(chǎn)生熱衰退，就已經(jīng)是不安全行駛了。車輛載重要想控制在二倍額定載重以內(nèi)安全行駛，車輛首先必須降低行駛速度，其次還要配裝必要輔助制動系統(tǒng)，因為當行駛速度一定時，路面的坡度和長度，從一定程度上決定著制動時間的長短，如：

1）在各個輪鼓外表面加裝噴水冷卻系統(tǒng)。直接降低產(chǎn)生熱衰退的溫度。

2）配裝ABS防抱死系統(tǒng)。既可以控制穩(wěn)定的制動力，還可以減半制動距離或延長制動時間，有效緩解制動器溫度的升高。

3）配裝排氣制動系統(tǒng)。通過發(fā)動機拖滯車輪轉(zhuǎn)速。

4）在傳動軸中間配裝緩速器。通過電渦流反向扭矩作用，降低傳遞轉(zhuǎn)速。