重型貨車用長壽命輕量化蠕墨鑄鐵制動鼓的研究

余豫棟

廣西玉柴機器配件制造有限公司 廣西玉林 537005

鼓式制動系統(tǒng)因其結構簡單、造價便宜和制動功率大等優(yōu)點，長期以來都是重型貨車上使用最廣泛的制動系統(tǒng)。隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，國內交通運輸業(yè)面臨著持續(xù)提高運輸效率的挑戰(zhàn)。在兼顧制造成本的前提下，市場對商用重型貨車平均運營時速、運營里程及運營區(qū)域不斷提出新的要求。但是，鼓式制動系統(tǒng)存在散熱能力較差的缺點，特別是在山區(qū)工況下，客戶給鼓式制動系統(tǒng)私自加裝淋水器，更是加速鼓式制動器中制動鼓零件在“三包”期內提前損壞，給重型貨車生產(chǎn)企業(yè)造成異常的質量賠付。

某重型貨車主機廠裝配457驅動橋的灰鑄鐵材質制動鼓，在西南區(qū)域山區(qū)工況環(huán)境下（客戶普遍私裝淋水器），“三包”賠付率達40%，主機廠嘗試過多種技術方案都無法解決問題，急需研究產(chǎn)品失效原理，并在不大幅提高車輛制造成本的基礎上，找到解決方案。

制動鼓失效原因分析

主機廠目前在457驅動橋上配套使用HT250材質的制動鼓，零件主要工作區(qū)域壁厚20mm，質量58.15kg，現(xiàn)行“三包”政策保修6個月。西南山區(qū)工況下，客戶普遍給制動系統(tǒng)加裝淋水器和“剎車王”，制動鼓零件使用中產(chǎn)生制動異響或制動力不足后，車主將車輛開至服務站要求檢修，并對檢查有故障的制動鼓進行更換。對683個故障制動鼓進行分析，使用壽命均小于4個月，行駛里程0.8萬～2.7萬km。具體失效原因見表1。

表1 制動鼓失效原因分析

車輛在制動瞬間，工作部位承受壓力和摩擦力，零件總體承受拉力。制動時，車輛動能轉化成熱能，其中90%的熱能由制動鼓吸收。重載車輛在山區(qū)長時間制動過程中，制動鼓溫度可以升至700℃，局部溫度可達900℃，達到鑄鐵的相變溫度。同時，客戶在剎車同時給制動系統(tǒng)淋水，導致制動鼓內、外表面溫差極大，致使制動鼓處于嚴重的熱疲勞狀態(tài)。鑄件材料在不同溫度下的膨脹系數(shù)有明顯差異，制動鼓內外表面溫差產(chǎn)生嚴重的膨脹應力?？蛻舾难b剎車氣壓，也使得制動鼓長期處于高應力狀態(tài)，以上多重因素疊加，造成制動鼓在三包期內異常故障的情況。

新型蠕墨鑄鐵制動鼓設計

1.重型貨車用制動鼓功能及材質的要求

1）材料要求有良好的摩擦系數(shù)及耐磨性能，滿足制動系統(tǒng)的制動需求。

2）材料要求有良好導熱性能和熱疲勞性能，能將制動產(chǎn)生的熱量及時傳導出去，盡可能減小零件各處溫度的差異，并減小熱膨脹差。良好的熱疲勞性能，才能抑制反復制動時制動鼓反復加熱、冷卻所帶來的熱疲勞損傷。

3）制動鼓結構及材料有足夠的高溫機械強度，承受重型貨車剎車時強烈的機械沖擊。材料的高溫機械強度越好，制動鼓的壁厚可以越薄，越能減少熱傳導帶來的熱力梯度，減小材料在不同溫度下熱膨脹系數(shù)差異帶來的應力。

2.制動鼓結構及材料分析及選擇

（1）結構選擇 重型貨車上常用的制動鼓結構有單金屬鼓和雙金屬復合鼓。雙金屬復合鼓使用鋼材等高強度高延伸率材料做外殼，內部使用灰鑄鐵等材料作為摩擦材料，雖然能解決制動鼓破裂失效的故障，但是在實際使用中，雙金屬復合鼓存在制動變形大和制動力不足的情況。同時，雙金屬復合鼓的制造工藝相對復雜，提高制造成本。相對來說，單金屬鼓是合適的選擇。

（2）材料選擇 根據(jù)調查，國內重型貨車在鼓式制動器上，普遍使用灰鑄鐵HT200、HT250材質的單金屬鼓；少數(shù)主機廠開展過蠕墨鑄鐵單金屬鼓的應用驗證，但是沒有廣泛推廣；也有制動鼓生產(chǎn)廠家試驗過球墨鑄鐵制動鼓，但是最終沒有取得效果。

從材料性能角度考慮，蠕墨鑄鐵材料是最適合單金屬制動鼓的材料。在車輛連續(xù)制動下，制動鼓零件急劇升溫，灰鑄鐵材料的高溫力學性能極差（見表2）。蠕墨鑄鐵摩擦系數(shù)優(yōu)于灰鑄鐵和球墨鑄鐵，磨損率略高于球墨鑄鐵，遠優(yōu)于灰鑄鐵，蠕墨鑄鐵的耐磨性是灰鑄鐵的3倍以上（見表3）。蠕墨鑄鐵在關鍵的熱疲勞性能上，略優(yōu)于球墨鑄鐵，遠優(yōu)于灰鑄鐵（3倍以上）。蠕墨鑄鐵導熱率略低于灰鑄鐵，遠高于球墨鑄鐵（見表4），雖然蠕墨鑄鐵導熱率略低于灰鑄鐵，但是蠕墨鑄鐵可以根據(jù)自身材料強度高的優(yōu)點，可以減薄零件壁厚，最終蠕墨鑄鐵制動鼓的散熱能力優(yōu)于灰鑄鐵制動鼓。

表2 鑄鐵高溫性能

表3 鑄鐵的磨損率及摩擦系數(shù)

表4 鑄鐵在各溫度下熱導率

表5 鑄鐵的磨損率及摩擦系數(shù)

從表5可知，當蠕墨鑄鐵蠕化率≥50%的耐熱疲勞性能明顯優(yōu)于蠕化率≥80%.。適中的蠕化率也利于產(chǎn)品批產(chǎn)時的質量控制。

制動鼓結構設計及分析計算

1.結構設計

選用RuT450材質（蠕化率50%）對原制動鼓產(chǎn)品結構進行輕量化設計，各部分壁厚優(yōu)化數(shù)據(jù)見表6，優(yōu)化部位如圖1所示。

表6 制動鼓的結構優(yōu)化減重

圖1 制動鼓優(yōu)化減重示意

2.CAE分析計算

根據(jù)制動鼓僅考慮力、綜合工況、剛度工況進行建模，從計算結果看（見表7），材料和結構改進后的RuT450制動鼓先對比原來HT250制動鼓，質量減輕14.2kg，輕量化率提升24.27%。綜合工況下安全系數(shù)從1.3提升至1.6，提高23.08%，剛度位移基本保持不變。

表7 制動鼓有限元分析及減重結果

蠕墨鑄鐵制動鼓制造

改進型制動鼓產(chǎn)品使用鐵型覆砂工藝進行鑄坯。鐵型覆砂工藝可以改善鑄件澆筑時的冷卻條件，使鑄件材料更致密，減少疏松等缺陷產(chǎn)生。鐵水采用電路單爐熔煉，原鐵水C含量3.85%～4.1%，Si含量2.3%～2.7%，S含量＜0.02%，Cu含量0.3%～0.5%，Mn含量0.3%～0.5%，Cr含量＜0.1%，P含量＜0.05%，Sn含量0.02%～0.035%。蠕化處理采用常用的沖入法，采用進口蠕化劑和國產(chǎn)稀土蠕化劑混合裝包蠕化，蠕化劑加入量根據(jù)鐵水S含量在0.25%～0.4%進行調整，蠕化處理溫度在1490～1530℃。從蠕化開始到澆注結束控制在8min完成，每包鐵水澆注6箱，澆注結束后15～25min開箱。對產(chǎn)品本體樣件解剖和加工驗證，內部超聲波檢驗，均未發(fā)現(xiàn)明顯鑄造缺陷。多件毛坯本體及試塊進行檢驗，材料力學性能及金相滿足設計要求（見表8）。

表8 制動鼓本體、試驗性能檢驗結果

蠕墨鑄鐵制動鼓驗證

1.臺架試驗

邀請第三方檢測單位，參照《QC/T 239—2015商用車輛行車制動器技術要求及臺架試驗方法》及《QC/T 316—2017汽車行車制動器疲勞強度臺架試驗方法》標準，對優(yōu)化后的蠕墨鑄鐵制動鼓進行剛性、制動性、磨損及疲勞試驗，結果滿足國家標準要求。

2.場地試驗

聯(lián)合重型貨車主機廠，參照《GB12676—2014商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術要求及試驗方法》，對原車配套的灰鑄鐵制動鼓及優(yōu)化后蠕墨鑄鐵制動鼓進行場地試驗，結果滿足標準要求。其中制動總效果由原來的78.5%提升至89.3%（提高13.77%），提升明顯，在側滑性能與制動穩(wěn)定性方面也有改善。

3.小批投放市場驗證

完成臺架及差點試驗后，在西南山區(qū)小批投放市場80件輕量化蠕墨鑄鐵制動鼓零件，并在6個月后進行回訪，收集到63件產(chǎn)品的有效售后信息（見表9）。63件產(chǎn)品中，最長行駛里程8.8萬km，最短行駛里程5.7萬km，無一開裂失效。

表9 制動鼓售后里程統(tǒng)計

對行駛里程超過8萬km的7件制動鼓進行拆檢，7件制動鼓摩擦面均產(chǎn)生明顯的龜裂，并有4件制動鼓，因制動蹄和剎車片的原因，產(chǎn)生長度不等異常磨損痕。將龜裂紋最深的1件制動鼓返廠進行解剖檢測（見圖2），龜裂紋深度約0.6mm，異常磨損痕跡深度1.2mm。

圖2 售后制動鼓磨損照片（≥8萬km）

結語

檢查結果證明，重型貨車用鼓式制動器在山區(qū)頻繁制動，并使用淋水器的工況下產(chǎn)生足以引起鑄鐵相變的高溫，而蠕墨鑄鐵制動鼓憑借自身優(yōu)良的抗熱疲勞性能和導熱性能，能有效延緩裂紋產(chǎn)生及裂紋產(chǎn)生后的擴展，有效解決了重型貨車用制動鼓在西南山區(qū)三包故障率異常問題。選擇合理的蠕化率，既能滿足耐磨性要求，又能利于鑄件批量生產(chǎn)的質量控制和成本控制。同時，零件結構采取輕量化設計，既能實現(xiàn)整車減重，又能有效控制蠕墨鑄鐵總體制造成本，達到主機廠與客戶的雙贏。