（载运工具运用工程专业论文）制动器惯性试验台架的研究与开发.pdf

摘要 汽车制动器是关系到行车安全的关键设备，其质量至关重要，而完善的测试 体系和良好的测试设备是保讦产品质量的的提和基础。 开展汽车制动器惯性试验台架的研究，使其能更好地模拟制动器实际使用模 式和环境条件，更真实地反映制动器性能，能够提高制动器研发水平，缩短制动 器开发周期，提升制动技术；还可以提高制动器测试技术，提高试验台架的设计 水平；它对制动器产品的研发、质量控制以及整车制动性能的提高都有十分重要 的意义。 论文通过对国内外典型摩擦材料试验设备的结构、特点、工作原理以及试验 方法的研究，提出了制动器测试体系、制动器试验台基本构成、控制方法；通过 对汽车制动过程的模型分析，提出了制动器惯性试验台架的设计思路和基本设计 方法，并对重型车制动器惯性试验台架进行了设计及实现；具体包括试验台惯量 的确定和组合、主驱动电机的选择、整机结构与安装方式、滑台结构与锁紧方式、 试验台冷却与除尘等。最后，利用完成的试验台架，对自动调整臂进行了试验研 究，提出了自动调整臂试验方法，并对影响自动调整臂功能的因素进行了研究。 该试验台架顺利通过验收。实践证明：该试验台架在功能上能够满足制动器 效能试验、热衰退及恢复试验、制动衬片( 块) 磨损试验、制动器噪声测定以及 同步测量记录试件温度、记录输入管路压力和输出制动力矩的关系、记录制动试 件与输出力矩关系的要求。由于采用了成熟可靠的机电设备和自控技术，试验台 架结构合理、控制手段先进、基本功能完善、系统运行安全、稳定、可靠。 关键词：惯性式；摩擦材料；制动器：试验台架； 1 1 1 a b s t r a c t 1 1 1 ea m 咖o b i i cd e t e mi se m n c i a le q u i p m e n 忸l a l et om ct r a 历cs a f e t y ，w h 0 q i l a i 时i s v e r yi m p o 咖t lb 。d e c tt e s ts y s t e m 卸dg o o dt e s tf a c i l i l ya 怫t l l ep m i 锄dt 1 1 ef o 岫d a t i o nt o 昏m r 跗t e et l l e 删u mq u a l i q nc 卸i m p r o v e e s e 眦h 舭dd e v e l o pl e v e i ，e l e v 如b r a k et e c i l i i i c a i 彻dd e v e j 0 p 崩c t i o n m a t e r i a l 协e o 叮a c c o r d i n gt ot h e 他辨a f c ho f 卸啪o b i l ed e 锄ni n e n i a 饴睁b e d 觚dm a k ei tw e nt o s i m u l a 钯p f a c t i u m o d e 锄ds e t i i n gc 伽d n i w i l i c h u l dr e n e c td 哟mp e 渤咖拍c e 仇l l y n c 锄e i e v a t ed 咖n tt e s tt e c h n i c a l 锄dt h ed 嚣i 弘i e v e lo f 懈舡b e dt d o w h i c hh a v em 眦hm o m i m p o r t a l l tt ot 量l e 把辩a r c h 锄dd e v e l 叩o f d e t e mp r o d u c t ，q u a l i t yc o n 仃o l 锄dt i i ee l e v a t i o no f b r a k e p e r f b m i a n o f t t l ew h o l ea u t o m o b 订ea tt l l es 枷e 痂n e t h i sp f o v i d e dp r o p o s 嚣t 量l et e 鲥n gs y 蛐mo f d e t 即电t i i ef i l l l d 锄e m a ls t 九l c t u o f d c t e mi n e r t a t c s t - b c d c 仃o l l i n gm e 船u 瞄岫u g l l 化粼h i n gn l ec o n f i g u 埘i 咀c h a m c t e r i s t i c ，w o r k i n g 呻c i p l eo f m e 衔c t i o nm a t e r i a l 侧缸i l i t y 仃0 md 鲫e s t i c 锄do v e 雠乱a n di tp m v i d e dd e s 细i i l g c o u r s 铭锄dt h ee s s e i l 砌d 豁咖吨m e 椰o fa 咖m o b i l ed e l e mi n e n i at c s t - b e d 仃0 u g l l 锄a l y z i n g 卸缸m o b 订eb r a k ep r o c e 鼹a tt h es 锄et i m e m i sp a p e rs i m u l a t e dl 量l ed e t e mi i l e f t i at b s t b e do f h e a v yv c h i c j e sw h j c hi n v o l v e dc 0 而m 砒i 伽锄dc o m b j n a t i o no f 钯* b e di l l e m a m ec h o i c eo f h o s td r i v ee l e c m cm o t o t l l es t n | c t u r eo fm h i n e 粕df i 姬n gm o d e ，s i i p w a ys l r u 咖他觚dl o c k m o d e ，c o o l i n g 锄dd u s t r e m o v eo f t e 蜘b e de t c a ti a s tt i i i sp a p e rm a d eat e s t s e a r c hw i m 钯舟b e dd e s i 印e d 卸dp r e n t e dt l l et e s tw a y so fa 呦诧g u j a t i 硼t e s to ft | 峙锄，锄a l y 嚣dt l i e 白c t o 埽j n n u 翎c i n gt h ef h n c t i o f a m or c g ：t i l a t i o nt e s io f t h ea n n t 慨t e 吼p l a 仃0 n i ih 笛a l 佗a d yp a s s e dc h e c k 锄da c c e p t n i s p m v c d t i l a t t l l e t c s t b e dc o u l d c a n yo l l i d e t c l l tp e r f b 咖锄c e 把；t ，t 麟n - d e c l i n i n g 锄d 心n e w i n gt e s t b m l c el i n e rp 眦h ( b l o c k ) 曲娜i t e 巩d e t e n t y a 、v p m e n s 啪n o n 锄d m c o r d t e l l l p e r 咖他o f m e a s 嘣n g t e s t p i e 砒m es 锄e t i m e r o r dr c l a t i 伽b e t 、v e e np r e s s u 陀0 f 抽p u tp i p e l m 卸do u t p i i tb r a l ( em o m e n t ，r c c o r dm i a 矗o n b e t 、v nb r a k et e s tp i e c e 彻do i l t p mm o m e m ，w h i c hw e 陀p i i tf o m a r d 砒t i l eb e 西i l l g m s h l l c “l r eo f m et e m b e di s 佗勰伽a b l e ，m ec o n n dm e t l l o di sa d v 柏c e d ，t l l eb 鹊i cs 虹i li sp c m 埘锄d t l l es y s t e mf i l n c t i o ns a f c l ys t e a d y dc r c d i b l yb e u 辩o ft 1 1 ea d o p t i o f t o c 廿埘口o l d e i e c 研c i 妒m h i d e v i c ew h i c hi sm a “鹏锄dc r e d i b l y k e ) w o r d s ：i n e n j at y p e ；f r i c t i o nm a t e r i a i ；d e t e n t ；e x p e r i m e n b 也e 驴n t r y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文巾不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 沧文作者签名： ，曾兹7 荭 - 。5 年b 月l 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名 謦幺霞 上。0 年月【，日 、 伽2 。；年g 月i 3 日 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国汽车工业的飞速发展和汽车保有量的急剧增加，汽车安全问题引起了 我国政府和广大民众的高度关注。 众所周知，制动器是保证汽车安全行驶的重要部件之一，而制动器的一对摩擦 副制动盘和摩擦垫块或制动鼓与制动蹄，是制动器中的关键偶件，其摩擦磨损 性能对汽车的制动性能起着十分重要的作用。 达安汽车质量监督检验中心是一个国家授权的汽车整车和汽车总成、零部件检 测机构。随着国家对汽车总成、零部件质量重视程度的逐步提高，汽车制动器试验 任务不但增加，急需增加制动器试验能力。经过调研得知，虽然国内外有一些制动 器试验设备，但由于此类设备属非标准设备，其试验侧重点、试验方法和控制手段 各异，无法满足企业实际需要，因此提出了自主研制重型车制动器惯性试验台架的 要求。 1 2 研究意义 制动器试验台架的作用，就其本质来说是摩擦材料的试验和验证。我国的摩擦 材料试验检测设备是在引进国外设备的基础上发展起来的。目前，在用的设备中有 从日本，美国、德国进口的各种类型的试验检测设备，也有国内厂家生产的检测设 备，其试验原理、试验方法和设备技术水平都有较大的差异。 通过对国内外试验设备的研究，研制符合企业自身要求的制动器试验台架，使 其更好地模拟制动器的实际使用模式和环境条件，更真实地反映制动器性能，从而 提高制动器研发水平，提升制动技术，发展摩擦材料理论。 研制高水平制动器试验台架，还可以提高制动器测试技术，提高试验台架的设 计水平，特别对制动器产品的研发、质量控制以及整车制动性能的提高都有十分重 要的意义。 1 3 相关技术概述 1 3 1 制动器结构与工作原理 制动器一般分为盘式和鼓式两种形式。盘式制动器一般采用浮动钳盘式结构， 固定元件为横跨制动盘两侧的制动钳，制动钳上设有制动轮缸、活塞和摩擦垫块。 制动钳支承在前桥转向节上，摩擦垫块通过导向件悬装在制动钳上，可轴向移动。 在制动过程中，制动钳内活塞的移动，使摩擦垫块压向随车轮一起旋转的制动盘， 产生摩擦制动力矩使汽车减速直至停车。制动盘有的采用整体通风式铸铁圆盘，有 的采用两面为铸铁中间为通风间隙材料的复合式圆盘。制动钳只有内侧设有一个轮 缸，钳体为一整体铸件，制动时，轮缸活塞在制动液压作用下向外运动。推动与活 塞接触一侧的内制动衬片紧压制动盘，由于制动盘不能作轴向移功，液压进一步上 升时，制动钳体将在制动盘所受液压的反作用力作用下沿导向定位销向内移动，推 动外制动衬片紧压制动盘，此时制动盘因两面受阻而产生制动作用。 鼓式制动器工作原理基本相似。它是靠轮缸活塞推动制动蹄片与制动鼓产生摩 擦，来实现制动的。盘式制动器和鼓式制动器在结构上的最大区别在于：鼓式制动 器摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其摩擦工作表面为园柱面；盘式制动器摩擦副中 的旋转元件为以端面工作的金属圆盘即制动盘。 由于盘式制动器热稳定性、水稳定性以及抗衰减性能较鼓式制动器好，可靠性 和安全性也高，因而得到广泛应用。但是盘式制动器效能低，无法完全防止尘污和 锈蚀，兼做驻车制动时需要较为复杂的手驱动机构，因而在后轮上的应用受到限制， 大部分车是采用前盘后鼓的制动系统组成。 电动汽车和混合动力汽车引入了新的制动理念。它是把制动需要消耗的能量用 于驱动发电机向蓄电池反向充电，既达到了制动的目的，又节约了能源，是一种非 常科学的制动理念。其电制动系统制动器是基于传统的制动器，也分为盘式电制动 器和鼓式电制动器。鼓式电制动器由于制动热衰减性大等缺点，将来汽车上会以盘 式电制动器为主0 1 。 1 3 2 制动摩擦特性 汽车制动器，无论是盘式还是鼓式，其摩擦类型都属于干式滑动摩擦。制动衬 2 片与转动的制动鼓( 盘) 接触时所产生的摩擦阻力来自表面接触处因分子间的引力 所产生的“粘着”阻力和由于表面凹凸不平而产生的机械变形阻力，它们之间的关系 为： f = f 1 + f 2( 1 一1 ) 式中f _ 一摩擦力； f l 一粘着阻力； f 2 - 变形阻力； 由于衬片和盘( 鼓) 表面形貌的粗糙度和接触时的不均匀性，实际接触面积远 远小于名义接触面积。在外力的作用下，接触点处承受较大的应力而产生弹性或塑 性变形，表面因高压变形而受到破坏，部分材料剥落或者被挤出，造成基体间的直 接接触而产生。粘着”或“冷焊”现象，形成摩擦力。 摩擦理论研究表明：摩擦系数的大小及其稳定性，不仅与摩擦副材料的性质( 物 理性质、机械及化学性质) 有关，还与制动时的工况条件( 制动作用力的大小、制 动初速、制动频率及制动时间等) 、表面状况( 摩擦表面的粗糙度及接触特性、表面 的温度状况) 和制动副的结构和参数等有关。故只能在特定条件下，得出某些经验 公式，如r h e e 对有机石绵摩擦垫片与铸铁制动鼓组成的摩擦副，在一定的试验条 件下，提出如下摩擦力的计算公式“1 ： 尼= j 【p 4 矿( ( 1 2 ) 式中p _ 一制动力； 弘一制动初速； l ( _ 式验常数； t _ 一制动时间； a 。b 一与温度有关的系数，对有机石绵摩擦衬片， a = o 8 1 2 5 b = 一o 2 5 + o 2 5 由式( 2 2 ) 可知，制动摩擦力受多种因素的影响。对金属与有机衬片组成的 制动副，摩擦表面的温度对摩擦力的稳定性影响尤为突出，因此提高制动副材质的 热容量、导热率、耐热性，选用散热性好的结构设计，可以提高制动摩擦力。 3 1 3 3 制动副的磨损 制动衬片与对偶件在摩擦过程中，表面的相互作用将引起表面材料的流失和转 移，即产生磨损。磨损会导致制动副的间隙增大，直至衬片或盘( 鼓) 不能继续使 用，由此决定制动器的寿命。从安全可靠性角度考虑，希望制动副的摩擦系数较高， 尤其是在高温下仍能保持较高的摩擦系数，即足够的制动摩擦力矩。但一般来说， 摩擦系数越高，摩擦所产生的剪切阻力越大，表层所受的剪切应力也越大，使用寿 命也越短。因此，摩擦与磨损是摩擦过程中既相关又矛盾的两个方面，不同的工况 条件和要求，侧重有所不同，但对制动摩擦副来说，需要一定的摩擦阻力但又不致 引起过大的磨损。 制动副的磨损一般有粘着磨损、磨粒磨损、热疲劳磨损和氧化磨损等几种形式。 ( 1 ) 粘着磨损 由于接触的不均匀性和分散性，接触点处承受高压、高温会形成局部粘着点。 当粘着点受剪切所产生的磨擦阻力大于表面膜与基体的结合力或基体材料本身的流 动极限时，在法向和切向力的联合作用下，表面膜将破裂，材料会被挤出。剪断面 总是强度小且表面不平的表面，摩擦面的表面材料粘到另一面上而产生材料的转移。 一般是较软材料转移到较硬材料的表面。 ( 2 ) 磨粒磨损 无论是摩擦衬片还是对偶件表面，在摩擦的初期，由于表面粗糙及表面温度不 高，硬质点( 包括衬片材质中的高硬度填料，对偶件表面的凸峰或外界尘埃、砂粒 等) 在切向力的作用下将材料表层划伤或犁出沟槽。这种磨损叫磨粒磨损。对有机 摩擦衬片的材质，其磨粒呈现卷曲状。 ( 3 ) 热疲劳磨损 制动过程中由于表面接触的分散性，每经一个接触斑点就是一变形波。表面接 触处承受循环应力的作用，反复制动时将产生较大的温度梯度，受循环热应力的作 用，表面或在表层、多相的晶界面或界面处将产生裂纹，裂纹扩展至小块磨粒而剥 落。对粉末冶金摩擦衬片，材质的多孔性就是形成许多应力源，在反复热应力作用 下，易出现疲劳磨损；对于有机摩擦衬片，在填料与粘合剂或填料界面间总存在一 些粘合强度的薄弱点而成为裂纹根源。 4 ( 4 ) 氧化磨损 制动过程中，摩擦面受高温作用，易与空气介质中的氧发生化学反应，有机衬 片高温下的热氧化，使金属表面形成氧化膜，继而破裂而产生磨损。 制动过程中出现的磨损形式随工况条件、摩捧副材质不同而易，而且在制动过 程的不同阶段呈现的磨损形式也有所不同。有机摩擦衬片与灰铸铁对偶件摩擦时， 在制动摩擦初期，表面温度不高，以磨粒磨损为主，高温时则以粘着磨损和热疲劳 磨损为主。 1 3 4 制动摩擦噪声 制动时由于制动副的摩擦振动而产生噪声。制动器的振动包括摩擦材料特性引 起的摩擦振动和机械部件振动特性引起的部件振动。 ( 1 ) 制动副间的摩擦振动 制动时，摩擦接触物体间的摩擦力增大，瞬间温度突然升高，接触表面会出现 。 局部凸起点。粘着”与“分离州5 。特别是高速时的强制制动，这种振动尤为剧烈。摩 擦振动与摩擦材料的硬度、表面处理、压缩弹性率、抗拉强度、气孔率、粘弹性、 摩擦系数一温度关系曲线、摩擦系数一速度关系曲线等参数有关。 摩擦振动的趋势随着表面接触压力的增加而增加，也随着摩擦材料的表面温度 的升高而加强。相对滑动速度增加时，摩擦系数也随着变化，因而出现振动噪声的 可能性也会增加。 ( 2 ) 制动副的部件振动 制动器部件的摩擦振动是由于作为相对速度函数的摩擦系数变化的结果，而相 对速度又产生于制动衬片、摩擦表面( 盘或鼓) 和机械系统的阻尼器之间，当两摩 擦表面的相对速度增加时，若摩擦系数减少，则产生摩擦振动，引起部件的振动而 发出噪声。当接触的部件由于摩擦而发生磨损后，其间隙增大也会引起部件振动。 摩擦部件的振动也与负荷的大小有关，当负荷达到足以使蹄和鼓的结构尺寸发生变 化时，以及弹性力引起蹄和制动器瞬间脱离时，整个关联的机械系统就会产生轻微 的变形。一旦蹄和制动器脱离啮合，机械系统的弹性力就会很快使蹄和鼓恢复到原 来的状态而在两接触面产生较低频率的摩擦振动。 高频制动尖叫声和低频制动噪声是产生制动噪声的主要原因。 5 1 3 5 制动器性能要求 匡l 标q c t5 8 2 1 9 9 9 、q c t 2 3 9 1 9 9 9 对轿车以及货车、客车制动器性能 提出了明确要求。m 。 制动器性能试验评价指标有： ( 1 ) 、第一次衰退率 耻气争枷。 m 3 ， 式中j | l 靠。一第一次衰退试验中，第一次制动时的制动力矩值，n m ； 靠。一第一次衰退试验中，第二次至第十次制动时的制动力矩的最小 值，n m ； 该指标考核制动器在多次连续使用时制动力矩的衰变； ( 2 ) 第二次衰退率 耻型锪薏盟订蝴 4 ， 式中( p ) 一一第二次衰退试验中，单位管路压力的制动力矩最大值； ( 峨尸) 。一第二次衰退试验中，单位管路压力的制动力矩最小值； 该指标考核制动器经过第一次衰退和恢复试验后，单位管路压力的制动力矩变 化。 ( 3 ) 恢复差率 恢复试验中，最后一次制动力矩与基准制动力矩的差值，以百分数计。 耻紫枷懈 m 5 ， 式中( 坞) ，- 衰退恢复试验前，基准试验时的三次制动力矩平均值； ( 如) 蒯- 恢复试验中最后一次制动力矩值； 该指标重点考核制动器在多次连续使用，冷却后的恢复能力。 ( 4 ) 速度稳定性 试验中，在额定制动管路压力下，不同制动初速度时的制动力矩差值，以百分 数计。 6 ，= 警圳。 6 ， 式中圪。、一车速m ( k m h ) 与n ( k m h ) 相比的速度稳定性，； m 。、m 。一效能试验中，存额定制动管路压力下，车速分别为m ，n 时的 制动力矩： 该指标考核制动器输出制动力矩的速度稳定性。 对货车、客车制动器而言，制动器性能试验判定标准： a 第一次磨合试验 达到8 0 接触面积的磨合次数满足表1 1 要求。 表1 1 磨合次数 车型次数 g 症1 8 0 0 k g 的n l 类 2 0 0 g d 6 0 0 0 k g 的n 2 及m 2 类 g 矿6 0 0 0 k g 的n 2 、n 3 及m 3 类 5 0 0 + g a 为汽车最丈总莺( 质量) ，k g ； b 第一次效能试验 ( 1 ) 制动初速度为3 0 k m h ，制动管路压力为额定值时，制动器输出的制动 力矩应满足下式要求： m 。m b 1 3 m 。( 1 7 ) 式中m b 一制动力矩，n m ； m ，一制动力矩额定值，n m ； ( 2 ) 制动器输出制动力矩的速度稳定性应满足下式要求： i v n 。5 0 3 0 ) f s l o i v 啦7 0 - 3 0 ) is 2 0 c 第一次衰退一恢复试验 ( 1 ) 第一次衰退率应满足表1 2 的要求。 7 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 表1 2 第一次衰退率 车型 衰堪率jf 丑l i g 吐1 8 0 0 k g 的n 1 类 s 4 0 g a 与6 0 0 0 1 ( g 的n 2 及m 2 类 g e ) 6 0 0 0 l c g 的n 2 、n 3 及m 3 类 s 2 5 ( 2 ) 第一次恢复差率满足下式要求： l l 2 0 ( 3 ) 试验中及试验后，制动器应能彻底松开，不得有拖磨现象。 d 第二次效能试验 与b 中规定相同。 e 第二次衰退试验 第二次衰退率满足下式要求： l f a 2 i s 6 0 同时，试验中及试验后，制动器应能彻底松开，不得有拖磨现象。 f 第二次磨合试验 磨合次数为5 0 次，不允许人工打磨。 g 第三次效能试验 。 与b 中规定相同。 h 制动噪声 噪声应小于9 0 d b ( a ) 。 ( 1 一l o ) i 磨损量及制动器外观检查要求 做完全部规定的试验项目后，制动器应工作正常。 _ 制动鼓或制动盘工作表面应无刮伤。 - 制动底板或制动钳应无影响制动器性能的变形。 一制动衬片( 衬块) 应完整、无脱层、无烧焦现象，允许有轻微裂纹。 一制动轮缸应无渗漏现象。 8 1 3 6 制动器摩擦磨损测试体系 汽车摩擦材料从开发到批量生产，一般采用如下的测试体系： ( 1 ) 、小样试验 小样试验是把所需研究的摩擦材料制成尺寸较小的试样，在相应的试样试验机 上进行试验。它的试验条件选择范围较宽，影响因素容易控制。在短时间内可以进 行较多参数和较多次数的试验，试验数据重复性较好，对比性较强，易于发现其规 律性，一般多用于摩擦材料配方研究与筛选试验。 小样试验的试验费用较低，周期短，采用比较广泛。 ( 2 ) 、台架试验 台架试验是在相应的专门台架试验机上进行。它是在试样试验基础上，用优选 出来的满足摩擦磨损性能要求的材料，制成与实际结构尺寸相同或者相似的摩擦件 和对偶件，并模拟实际使用条件进行试验。目的是选择摩擦副的合理结构，校验试 验数据和在模拟实际工况条件下摩擦件的可靠性。 台架试验比小样试验更接近于实际使用条件，从而提高了试验数据的可靠性。 相比使用试验来说，台架试验容易控制试验条件，还可强化实际使用条件，缩短试 验周期，减少试验费用。 ( 3 ) 、使用试验 在上述两种试验基础上，再优选出摩擦磨损性能好的材料，制成实际使用的摩 擦副，在实际使用条件下进行试验。 这种试验的真实性和可靠性好，是摩擦磨损试验最终不可缺少的环节。但是， 它需要较多的人力、物力，需要特殊的测量仪器，费用较高，周期较长，而且试验 结果由于受到多种因素的综合影响，不易进行单因素的考察，不易分析问题产生的 原因。 如果不进行前述两种类型的试验，一开始就进行使用试验，特别是对摩擦磨损 这样一个多因素复杂问题，必然难以抓住主要矛盾作分析比较，致使整个试验周期 拖长，费用加大。 因此，对汽车制动器产品而言，更强调能够控制使用条件，具有较好数据重复 性的台架试验。 9 1 4 本论文的主要研究内容 本论文通过对国内外试验台架的研究，提出制动器惯性试验台架设计思路，完 成了试验台架的设计。 论文完成了以下几个方面的工作： ， l 、国内外汽车摩擦材料试验设备的分析比较： 2 、汽车制动器性能要求和试验方法研究； 3 、汽车制动器惯性试验台架设计思路和设计方法研究； 4 、重型车制动器试验台架结构设计； 5 、试验台架控制系统的总体设计； 6 、试验台架试验、传动，加载、控制、测量方式的选择和实现； 7 、对自动调整臂进行了试验研究。 = l o 第二章国内外制动器试验设备研究 2 1 国内外制动器试验设备的分析比较 国外汽车摩擦材料的研究已经开展得比较广泛。目前国内研究汽车摩擦材料的 进口试验设备大致可分3 类：第1 类是日本s h i n k o 工程公司制造的f a s t 机 ( f a s t 是f r i c t i o na s s e s s m e n ts c r e e n i n gt e s t 的缩写，即摩擦材料 评定筛选试验) ；第2 类是美国福特汽车公司研制的f i a s t 机和美国u n k 公司制造 的c h a s e 摩擦试验机；第3 类是德国a t e t i e s 与e 础c h u u s s 研制的 k r a u s s 试验机。国产试验设备有武汉材料保护研究所开发的m d 2 4 0 定速试验机 和吉林大学机电设备研究所研制j f l 5 0 d 等。下面就最典型的几种试验设备及其试 验方法作简要分析。 2 1 1 定速摩擦试验机 h p s 定速摩擦试验机最早由日本人采用，它是通过测出一定压力、速度下连 续制动时，摩擦材料的摩擦系数和磨损率随温度变化的情况，从而判断摩擦材料性 能的试验设备。其特点是采用盘一块式摩擦副，定速滑磨。 如图2 一l 所示。定速摩擦试验机是由电机通过三角带、锥形齿轮带动主轴上的 摩擦盘以一定速度( 7 9 0 r p m ) 转动的。试样( 2 5 m m 2 5 m m ) 安装在上支撑臂 中，并通过加载杠杆系统向摩擦盘施加一定负荷。摩擦面温度由热电偶测量，加热 装置置于摩擦盘下摩擦力矩由弹簧系统的测力杆和转鼓记录。 该机结构简单，操作方便。它以测试摩擦材料性能为目的，已作为我国评定衬 片材质和摩擦性能的标准样机之一。国产的m d - - 2 4 0 定速摩擦试验机工作原理与 之相同，但杠杆加载系统改为液压加载。 图2 一l 定速摩擦试验机 1 、皮带轮；2 ，转轴：3 、轴冷却水喷嘴；4 、冷却水喷嘴( 微调) 5 、冷却水喷嘴( 粗调) 6 、辅助加热 装置；7 、试片；8 、摩擦盘；9 ，试片支撑臂；l o 、加压轴；1 1 、摩撂力测定用弹簧；1 2 、链轮i 1 3 ， 杠杆水平调整装置；1 4 、载荷用杠杆#1 5 ，杠杆水平指示器；1 6 ，砝码；1 7 、摩擦力记录滚筒； 1 8 、油缓冲器 2 1 2f 鹪t 摩擦试验机 f a s t ( f 鼬c t l 0 na s s e s s m e n ts c r e e n i n gt e s t 的缩写) 摩擦试验机 是美国福特汽车公司研制的专门评价制动衬片和离合器摩擦面片的摩擦磨损性能的 试验机。其主要试验方法是恒摩擦力试验。当摩擦系数因热衰退导致摩擦力衰退时， 通过提高试验压力的办法保持恒定摩擦力，这与制动衬片在行车制动中的工作状态 加大制动踏板力提高制动系统管路压力相似，因此有较好的模拟性。如图2 2 所示。 f a s t 试验机的主要功能是：研究测定摩擦系数与温度、压力的关系，增加某 些附件后，也可用于研究与速度的关系；还可以用于研究静摩擦、衰退特性、尖叫 界限、残余拖磨等。 f a s t 试验机的最突出的优点是具有恒摩擦力功能，试验机上的特殊装置会在 摩擦系数改变时，自动调整正压力，使摩擦力维持在设定水平上。这一试验方式用 于评定材料的磨损比定速机要优越得多。另外，f a s t 试验机负荷可达3 1 m p a ， 比定速机大很多，可以用于摩擦材料的强化试验。 2 1 3c h a 摩擦试验机 图2 2f a s t 摩擦试验机外形 c h a s e 摩擦试验机由美国l i n k 公司制造，1 9 5 8 年由美国汽车工业工程师协 会( s a e ) 作为制动衬片质量控制的测量设备，目前应用比较广泛。 图2 3c h a s e 摩擦试验机 1 、负荷传感器；2 、气压记录仪；3 、压力调节器一过滤器一计量表；4 ，电磁气阀 5 ，汽缸；6 、周期继电器；7 ，鼓的辅助加热器 其结构原理如图2 3 所示。调速电机带动一端装有试验制动鼓的主轴旋转，试 样( 2 5 ， m m x 2 5 4 m m ) 安装在可施加负荷的杠杆一端的夹具中。通过调节气 压和垂直加载，经伺服阀控制下压力。测力杠杆经压力传感器，输出摩擦力信号。 同时向系统反馈施加压力的大小，来实现恒摩擦力( 功) 输出。气缸和电磁阀的作 用是控制加载杆的升降，便于更换试样。试验制动鼓的外园设有一加热装置，用调 压器和空冷方式来保持一定的温升条件。鼓上装有三对不同深度的热电偶，可测量 不同深度方向的摩擦温度。 该方法与前两种试验方法不同之处在于该机采用的是输入恒摩擦力( 功) 的试 验方法，通过压力的调节来保持一定的摩擦力，正压力的变化情况也就反映衬片摩 擦性能的变化，因此也是评定制动衬片质量一种快捷方法，得到较广泛的认可。而 且，随着计算机的广泛应用，其试验程序，包括试验参数的选择、程序的执行和处 理，测试结果的分析和数据的记录等，均可用微机来控制。 与前两种试验机不同之处在于c h a s e 试验机更趋向于鼓式制动副，而前两种试 验机趋向离合器片和盘片式制动副。同时，c h a s e 试验机也具有恒摩擦力( 功) 输 出功能。 2 1 4 惯性摩擦试验机 m m l o o o 惯性摩擦试验机是在原苏联j 0 1 、j 0 2 试验机的基础上改进研制的， 国内已经定型。该试验机是一种模拟短时反复制动时的惯性摩擦试验机，基本能满 足干式摩擦试验多方面的要求，增加辅助装置后可用于湿式摩擦试验要求。 国产m m 1 0 0 0 摩擦试验机( 如图2 4 ) ，由调速电机( o 1 0 0 0 0r p m 通 过平皮带带动主轴l 旋转，经离合器与一端装有环形试样的主轴相联接或脱离。试 样安装在固定于加载气缸轴的一端。 主轴1 的一端可更换不同的转动惯量盘，转速可通过整流子电机无极变速，载 荷可通过气缸的不同气压来调节。装在气缸主轴端的等强度杆可测量制动摩擦力矩。 摩擦温度则可用装在固定件上的热电偶来测量。该机可在不同转动惯量下，对不同 制动速度、制动压力、制动频率、制动时间、制动间隔时间等参数条件下制动衬片 材质、摩擦力矩、制动温度及衬片磨损量的变化特性进行评定，并模拟汽车摩擦制 动副的工况条件，在干摩擦条件下，评定衬片材质的摩擦性能；也可在有润滑的条 件下，评定湿式制动材料的摩擦性能。 制动时间、制动压力、次数及频率以及相应的摩擦力矩和温度等均可通过二次 仪表自动记录和调节。 这种试验机适用于压力及速度变化范围较大的摩擦制动装置，对不同的摩擦状 态，模拟工况条什有一定的实际意义，但不适宜用存低速度和小压力的场合，因其 试样小，散热大，又无加热装置，难以达到所需的摩擦温度。 图2 4m m 一1 0 0 0 摩擦试验机结构原理图 l 、主轴；2 、飞轮组；3 、4 支承架；5 、电磁离合器；6 ，金属对偶( 环行试样) ； 7 ，摩擦材料( 环行试样) ；8 、汽缸；9 ，平皮带；1 0 、机架；l l 、调速电机 2 1 5 多用途摩擦试验机 我国自行研制的m d - - 7 9 型多用途摩擦试验机是在定速试验机上，增加摩擦温 度的自动控制装置，并将原来的固定转速电机改为调速电机，除可变速外还在加载 系统增设附加油缸及压力控制系统，可进行定摩擦力的试验和模拟断续式的试验程 序。 为了达到恒定摩擦力( 功) 的目的，在一定的试验时间和摩擦速度下，主要是 通过调节正压力的大小来保持摩擦系数不变。该机所采用的机械一液压定摩擦力控 制系统原理如图2 5 所示。 i5 ct l 图2 5m d 一7 9 多用途摩擦试验机 l 、摩擦盘；2 、衬片试样；3 、加载横粱；4 、拉杆；15 、拨叉； 6 、测力弹簧7 、加载杠杆 8 、控制阀；9 、油缸；1 0 、节流阀；1 1 、压力传感器； 1 2 、溢流阀；1 3 、叶片泵；1 4 、电机 定量油泵1 3 和溢流阀l2 组成恒液压油源，液压油经减压阀1 0 到控制阀8 ( 行 程节流阀) 流入油缸9 ，对加载杠杆施加载荷，作用于试验衬片上，其摩擦力矩由 拉力弹簧6 保持平衡。 当摩擦系数增大时，平衡弹簧被拉长，使拨叉杆带动控制阀芯杆向右移动，节 流口间隙变小，输出油压多降低，作用正压力减少。而摩擦系数减少时，由于平衡 拉力弹簧压缩作用，使拨叉杆带动控制阀的芯杆向左移动，节流间隙变大，则输出 油压增高，作用正压力增大，以此调节正压力值保持摩擦力的恒定。 在定速摩擦试验机上附设该系统，既保持了原定速摩擦试验机的特点和试验规 范，又可作定功摩擦试验，能快速且灵敏地测定材料的摩擦系数随温度变化的关系 和比较衬片材料的耐磨性。 2 1 6k 擒u s s 摩擦试验机 k r a u s s 摩擦试验机是由德国a 1 限- t e v e s 与e 础c h 1 ( i 认u s s 研制，故称 k r a u s s 试验机。它依据盘式制动副力矩与压力成正比的特性来确定试验原理，具 1 6 有优良的模拟性和数据重现性，试验简单快捷，经济可靠，是摩擦材料试验的权威 性试验设备。 l ( r a u s s 摩擦试验机的结构简图如图2 6 所示。 它是由电机( 2 9 k w ) 经离合器与齿轮箱输入轴相接，而齿轮箱的输出轴端直 接安装制动盘和原配卡轴，气动一液压加载系统用压力传感器测量；自动记录仪记 录制动力矩，并采用热电偶测温装置和强风冷却系统等。 联轴嚣 图2 6k r a u s s 摩擦试验机结构原理图 应该说，定速试验机、f a s t 试验机、c h a s e 试验机和m m l 0 0 0 试验机都是 小样试验机，无法实现制动器实物的检测。因此，由于摩擦副形式、工况的模拟性 等方面与实际应用状态的差异性，决定了试验结果的局限性。而k r a u s s 摩擦试验 机则克服了上述因小样试验导致的不足，能够以制动器为对象进行试验，在摩擦材 料的测试中具有重要意义。 制动器惯性试验台架是目前最权威的制动器性能试验设备，在下面的章节中将 详细介绍。 1 7 2 2 国内外制动器性能试验方法对比分析 l 试验机不同，所采用试验方法也不相同。下面分析几种典型试验机所采用的试 验方法和评价规范： ， 2 2 1 日本，i sd 4 4 1 1 ，i sd 4 3 l l 试验标准 j i sd 4 4 1 1 j i sd 4 3 1 1 是日本汽车工业标准，主要用于汽车制动衬片和离合 器衬片摩擦性能评价们。试验设备为定速摩擦试验机，主要通过测试一定压力、速 度下连续制动时，材料摩擦系数和磨损率随温度变化的情况来判断材料摩擦性能。 试验条件： ， ； ( 1 ) 试验温度的允许变差范围为1 0 。 ( 2 ) 摩擦盘转速恒定在4 8 0 l o r m i i l ，试件摩擦中心与转轴中心距为 1 5 0 m m 。 ( 3 ) 试件压力为o 9 8 m p a ( 制动衬片) 口 ( 4 ) 摩擦方向与衬片实际工作方向尽可能一致。 ( 5 ) 从同一衬片上取两个试片。 ( 6 ) 试片尺寸为2 5 m m x 2 5 m m ，允许偏差一o 2 0 m m ： 试件厚度为5 7 m m ，两试片厚度允许偏差0 2 m m ； 若衬片厚度小于5 m m ，则按衬片实际厚度。 试验程序： ( 1 ) 试片在1 0 0 以下磨合至接触面积达9 5 。常温下千分尺测4 个角与中 心厚度，标记5 点并记录。 ( 2 ) 在试验温度1 0 0 时，按规定条件测圆盘旋转5 0 0 0 转期间的摩擦系数 及摩擦后试片厚度； ( 3 ) 同样方法在各规定温度，如1 5 0 ，2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 ， 进行试验并记录； ( 4 ) 各类制品最高温度按标准进行； ( 5 ) 从最高试验温度起每降5 0 时，测圆盘1 5 0 0 转期间摩擦力，直至1 0 0 。 根据记录，计算摩擦系数和各试验温度时的磨损率。 2 2 2美国s a ej 6 6 l 试验程序与规范 s a ej 6 6 1 是s a e 推荐标准，主要用于鼓式制动副试验，具有恒摩擦力( 功) 输出功能。s a ej 6 6 l 推荐的设备为c h a s e 试验机。 试验程序”见表2 1 。 表2 1s e a j 6 6 1 的试验程序 序项目压力速度温度( )时间载荷 m m 号 ( p ( r p m )开终试验加卸次加热 鼓 a ) 始 止中 孰载数器风 1 试样准备 2 第一次磨合 1 0 03 1 21 5 1 3 7 2 0 3 测量试样厚度及重 量 4 第二次磨合 s 02 0 81 0s 5 第一次计量磨损量 1 5 001 3 71 02 02 0 6 摹准线试验 1 5 04 1 72 02 0 01 3 7 连续开动切崩 7第一次衰退试验1 5 04 1 72 02 0 05 5 01 01 0 8 第一次恢复试验 1 5 0 9 第二次计量磨损量 1 5 01 3 7 1 0 磨损试验 1 5 04 1 72 04 0 03 3 7 2 02 0l o1 0 0 1 l 第三次计量磨损量 1 5 0o1 3 7 1 2 第二次衰退试验 1 5 04 1 72 02 0 05 8 71 0 连续 开动 1 3 第二次恢复试验 6 0 01 3 7 l o每 切由 1 0 0 1 4 摹准线试验 2 0 01 3 7l ol o2 02 0 1 5 最后磨损量计算 1 5 0o1 3 7 一试样3 件2 5 4 m m 2 5 4 舳弧与鼓内表血重台，表面用砂纸磨光，c c l 4 清洗。 l 磨合接触面积达9 5 以上 s a ej 6 6 l 已升级为国际标准_ i s 0 7 8 8 1 ，我国于1 9 9 7 年等效采用，标准 号为g b t 1 7 4 6 9 1 9 9 8 。 i s 0 7 8 8 l 与s a ej 6 6 l 有比较大的差异，主要表现在： ( 1 ) i s 0 7 8 8 1 把试验分为热a 级和热b 级。而热b 级试验正压力达 3 0 0 0 k p a ，温度高达4 0 0 ，比s a ej 6 6 1 高得多； ( 2 ) 不考核磨损； ( 3 ) 升降温曲线有更严格的限制，加热功率更大，升温更快； ( 4 ) 对操作细节规定得不如s a ej 6 6 1 详细，使操作随意性增大，增加了试 验数据的比较困难。 1 9 与定速试验机试验方法比较： 表2 2 试验条件比较 c h a 摩擦试验机定速摩擦试验机 一 2 第一次基线试验8 2 9 3 3 第一次衰退试验 9 3 2 8 8 4 第一次恢复试验2 6 0 9 3 5 磨损试验1 0 0 次1 9 3 2 1 6 6 第二次衰退试验9 3 3 4 3 7 第二次恢复试验3 1 6 9 3 8 第二次基线试验8 2 9 3 9 试验数据；正常和热摩擦系数及重量与厚度磨损率 2 升温试验在1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、 3 0 0 、3 5 0 下测定摩擦系数及磨损率。 3 降温试验，测定3 0 0 、2 5 0 、2 0 0 ， 1 5 0 ，1 0 0 ，各档温度下摩擦系数 4 试验数据：l o o 3 5 0 摩擦系数及磨损率 s a e j 6 6 1 试验程序与规范，由于热摩擦系数l l h 是取1 0 个温度点上摩擦系数 的平均值，这会导致一、两个高温点上的热衰退现象可能被平均值所掩盖，变得不 那么明显。另外，试样在3 4 3 温度点上热衰退表现不如定速摩擦试验机上试样在 3 5 0 温度点时摩擦系数热衰退那么明显。这是由于试样从3 1 6 升温到3 4 3 所 经历的时间较短，而且温升达到3 4 3 时很快就结束了第二次衰退试验，试样在 3 4 3 高温下受热时间很短，热衰退未能充分体现。而试样在定速摩擦机上测试时， 从3 0 0 升到3 5 0 的试验程序需经历摩擦盘5 0 0 0 转，在温度3 5 0 时要经历 3 5 0 0 转的时间，试样在3 5 0 下受热时间长，鼓热衰退表现比在c h a s e 机试验更 明显。 2 2 3德国大众、r w p 、，