（车辆工程专业论文）汽车盘式制动器摩擦块偏摩研究与应用.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：涩巡塑里堡日期：型呈! 二! 竺 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：乡扔 导师( 签醐矿。 摘要 从能量观点来看汽车制动过程是将汽车的机械能( 动能和势能) 的一部分或 全部，通过制动器的摩擦转变为热能，并向大气耗散的过程。因此从某种意义上 说，摩擦块的工作状态将直接影响制动器效能。如果摩擦块发生偏磨，则制动力 矩输出不均、制动不平稳，产生制动跑偏、制动噪音与振动等一系列不良现象。 由于摩擦块某些偏磨是由非正常情况引起，将会严重损坏制动器相关零部件，甚 至影响制动效果或导致制动失效，极大缩短盘式制动器使用寿命。因此研究摩擦 块偏磨机理，尽量减小异常情况引起偏磨的可能，控制制动器系统原因造成的不 可避免的偏磨，将摩擦块偏磨危害降到最低，对盘式制动器的发展有非常积极的 意义。 本文从制动器实际工作状态展开，分析了造成摩擦块偏磨的制动器结构原 因，并利用a n s y s 有限元软件、结合理论分析，研究了摩擦块温度场一接触应力 场的分布不均对摩擦块偏磨的影响：找合理的解决摩擦块偏磨的途径，并具体应 用于武汉元丰公司第二代气压盘式制动器的研发；通过第二代气压产品的开发试 制、台架试验和性能试验，结合公司已有的液压盘式制动器实车试验及售后维护 的统计数据，验证推理出滑动钳盘式制动器摩擦块偏磨机理。针对摩擦块的三种 偏磨形式，综合考虑引起偏磨的可能原因，滑动钳盘式制动器摩擦块的偏磨机理 如下： ( 1 ) 对于内摩擦块来说，若忽略非正常偏磨因素的影响，由于摩擦副温度场 一接触应力场的不均匀分布，入口处摩擦材料的磨损量大于出口处。在摩擦块内 外侧方向，影响磨损速度的固有因素有滑磨速度和制动半径两方面。当实际制动 半径r 取值不同时，摩擦块外侧磨损速度大于、等于或小于内侧磨损速度均可能 出现。 ( 2 ) 对于外摩擦块来说，由于卡钳体的影响，在制动器磨合阶段，该摩擦块 的偏磨形式与内摩擦块相似但程度减轻；在制动器磨合后阶段，其偏磨形式正好 与内摩擦块相反。 ( 3 ) 在一组摩擦块中，制动器拖滞是引起内外片偏磨的主要原因，由制动器 工作原理引起的内外片偏磨将会使内摩擦块的磨损速度稍大于外摩擦块。 ， 关键词：盘式制动器，偏磨，温度场，应力场 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ev i e w p o i n to fe n e r g y ，ab r a k es y s t e mi st oc o n v e r tm e c h a n i c a l e n e r g y ( i n c l u d i n gk i n e t i ce n e r g ya n dp o t e n t i a l ) , p a r to ra l lo fi t , i n t ot h e r m a le n e r g y , w h i c hi sa b o r b e d b y t h eb r a k e s y s t e m ( m a i n l yr o t o r ) a n dd i s s i p a t e d i n t o a t m o s p h e r e s o ，i na s e n s e ，t h ew o r k i n gs t a t eo fp a d sw i l la f f e c tb r a k ee f f i c i e n c y d i r e c t l y i fp a d s o n es i d ew e a r ( o s w ) a p p e a r s ，t h eo u t p u to fb r a k et o r q u ew i l lb e u n e v e n ，b r a k eb i a s ，b r a k en o i s ea n dv i b r a t i o nw i l la l s oo c c u r i fo s w i sc a u s e db y a b n o r m a lc o n d i t i o n ，i tw i l ld a m a g es o m ep a r t so fb r a k es e r i o u s l y ，e v e na f f e c tb r a k e e f f i c i e n c ya n dc a u s eb r a k ef a i l u r e ，f i n a l l yr e d u c i n gt h el i f e s p a no fd i s kb r a k e s o ， r e s e a r c h i n gt h ep r i n c i p l eo fo s w ，t r y i n gb e s tt od e c r e a s et h ep o s s i b i l i t yo fo s w c a u s e db ya b n o r m a lc o n d i t i o n ，c o n t r o l l i n gt h ei r r e s i s t i b l eo s wo fb r a k es y s t e m , r e d u c i n gt h eh a r mt ot h el e a s te x t e n t ，a r ci m p o r t a n tt od i s kb r a k e sd e v e l o p m e n t t h i s p a p e rd e v e l o p e df r o mt h ew o r k i n gs t a t e o fb r a k e ，a n a l y z e dt h eb r a k e s t r u c t u r e ，w h i c hc a u s e do s w ：r e s e a r c h e dp a d st e m p e r a t u r ef i e l d 一c o n t a c ts t r e s s f i e l d ( t c s f ) u n e v e n n e s s i n f l u e n c et oo s wt h r o u g ha n s y sf e ( f i n i t ee l e m e n t ) t o o l ， t o g e t h e rw i t ht h e o r ya n a l y s i s s e e kr a t i o n a lm e t h o d st or e d u c eo s w a n d a p p l yt ot h e s e c o n dg e n e r a t i o nd e s i g no fa i rd i s kb r a k e ( a d b ) i ny fc o m p a n y v e r i f ya n d d e d u c et h ep r i n c i p l eo f s l i d i n gd i s kb r a k e so s wt h r o u g ht h ed e s i g na n dt r i a l - p r o d u c e o ft h es e c o n dg e n e r a t i o na d b ，r i gt e s t ，p e r f o r m a n c et e s t ，h y d r a u l i cd i s kb r a k e s f i l l l s c a l et e s ta n ds t a t i s t i c sd a t ao fa f t e rs e r v i c e 、 a c c o r d i n gt ot h r e et y p e so fp a d so s w , c o n s i d e r i n gt h ef e a s i b l er e a s o n so fo s w s y n t h e t i c a l l y ，t h ep r i n c i p l eo fs l i d i n gd i s kb r a k e so s w a sf o l l o w s ： ( 1 ) f o ri n s i d ep a d ，i g n o r i n gt h ei n f l u e n c eo fa b n o r m a lo s wf a c t o r , t h ew e a rv a l u e o fp a d se n t r ys i d ei sl a r g e rt h a ne x i ts i d eb e c a u s eo ft h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no f t c s f i nt h ed i r e c t i o no fp a d ，b o t hi n s i d ea n do u t s i d e ，t h ei n h e r e n tf a c t o r sa f f e c t i n go n w e a rs p e e da r es l i d i n gs p e e da n db r a k er a d i u s t h ew e a rs p e e do fp a d so u t s i d ew i l l l a r g e r , e q u a lo rs m a l l e rt h a ni n s i d ew i t hd i f f e r e n tv a l u eo f a c t u a lb r a k er a d i u s ( 2 ) b e c a u s eo f t h ec a l i p e r si n f l u e n c e ，o u t s i d ep a d so s wt y p ei ss i m i l a rw i t h i n s i d ep a db u ti nal i g h t e rd e g r e ei nb r a k er u n n i n g - - i np e r i o d w h e r e a so u t s i d ep a d s o s wi sc o n t r a r yt oi n s i d ep a da f t e rb r a k er u n n i n g - i np e r i o d ( 3 ) i i lap a i ro fp a d s ，b r a k ed r a gi st h em a i nf a c t o ro fp a d so s w t h eb r a k e w o r k i n gp r i n c i p l ew i l lm a k ei n s i d ep a d sw e a rs p e e da l i t t l ef a s t e rt h a no u t s i d ep a d k e yw o r d s ：d i s kb r a k e ，o n es i d ew e a r , t e m p e r a t u r ef i e l d ，c o n t a c ts t r e s sf i e l d n 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录1 第1j 孽绪论；1 1 1 盘式制动器的优势及发展前景1 。 1 2 研究盘式制动器摩擦块偏磨机理的意义2 1 2 1 盘式制动器摩擦块偏磨的表现形式。2 1 2 2 研究盘式制动器摩擦块偏磨机理的意义4 1 3 本文主要研究内容4 第2 章制动器构造引起的摩擦块偏磨6 2 f 制动器工作原理导致的偏磨( 盘式制动器) 6 2 1 1 盘式制动器结构型式及工作原理。6 2 1 2 制动器的制动过程导致的摩擦块偏磨7 2 2 制动盘厚度不均导致的摩擦块偏磨8 2 2 1 制动盘厚度不均对摩擦块偏磨的影响。8 2 2 2 导致制动盘d t v 的原因8 2 3 制动器施力方式导致的偏磨；“1 0 2 3 1 单活塞( 或单推杆) 盘式制动器1 0 2 3 2 双活塞( 或双推杆) 盘式制动器。1 0 2 4 制动器拖滞导致的摩擦块偏磨1 2 2 4 1 卡钳重心不平稳导致的制动器拖滞。1 2 2 4 2 导向销、支撑销问题导致的制动器拖滞1 3 2 4 3 密封圈和密封槽问题导致的制动器拖滞。1 4 2 4 4 摩擦块压簧、压板问题导致的制动器拖滞1 s 2 5 其他原因导致的摩擦块偏磨1 7 2 5 1 摩擦块排屑槽问题导致的摩擦块偏磨1 7 2 5 2 滑磨速度不同导致的摩擦块偏磨1 7 2 5 3 制动半径偏移导致的摩擦块偏磨1 7 第3 章温度场与接触应力场引起的摩擦块偏磨加 3 1 摩擦热、接触应力对摩擦块偏磨的影响2 0 3 2 制动摩擦副温度场一接触应力场的研究- 2 l 3 2 1 制动摩擦副一温度场的研究2 1 3 2 2 制动摩擦副接触应力场的研究。2 2 3 2 2 1 有限元法的理论基础2 2 3 2 2 2 接触分析有限元模型。2 5 3 。2 2 3 计算结果分析。2 6 3 3 温度场接触应力场对摩擦块偏磨的影响2 7 第4 章摩擦块偏磨机理的实际应用_ 2 8 4 1 优化制动盘的设计。2 8 4 1 1 制动盘减小表面锥度的设计2 8 4 1 2 制动盘控制热流动的设计2 9 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 3 通风盘设计。2 9 4 2 零拖滞卡钳体的具体设计3 0 4 2 1 液压盘式制动器的卡钳体设计3 l 4 2 2 气压盘式制动器的卡钳体设计3 2 4 3 摩擦块优化。3 3 4 3 1 摩擦材料的优化3 3 4 3 2 摩擦块结构的优化3 4 4 3 3 摩擦材料平均摩擦系数的确定3 4 4 4 其它方面应用3 s 4 4 1 液压盘式制动器报警片的安装位置3 s 4 4 2 第二代气压产品的相关设计：3 6 第5 章摩擦块偏磨机理的试验验证3 7 s 1 制动器台架试验3 7 5 1 1 惯性式制动试验台原理及结构3 7 s 1 2 惯性制动试验。4 0 5 1 2 1 温度试验。4 1 5 1 2 2 确定摩擦系数试验4 2 s 2 制动器实车试验k 4 3 s 2 1 双推杆制动器实车试验4 3 5 2 2 其他制动器实车试验。二4 4 5 2 3 制动器实车试验数据分析4 5 5 3 试验结论。4 7 5 3 1 试验结论。4 7 5 3 2 部分可避免的偏磨损影响因素4 8 s 3 3 各种影响因素对摩擦块偏磨损程度的综合影响4 8 第6 章总结及展望5 0 6 1 摩擦块发生偏磨现象机理的研究总结。5 0 6 1 。1 摩擦块发生偏磨的原因5 0 6 1 2 所有偏磨因素对摩擦块产生的综合影响s 0 6 2 研究展望5 l 参考文献5 2 至堑谢。s 4 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 盘式制动器的优势及发展前景 整个世界的汽车工业从6 0 年代后就步入了高速发展的轨道，汽车也从以前的 奢侈品变成了人人都可以拥有的普通工具，它已经融入了人们的日常生活，无论 是作为代步工具，还是休闲旅游都是不可或缺的。因此，正是由于这种普及性， 汽车的安全性涉及的人数是非常庞大的，人们对安全性的关注也越来越多。在汽 车的整个主动安全性能中，制动器是在汽车安全行驶时所表现的性能是异常重要 的，其可靠性、稳定性直接决定了在关键时刻的成员生命。现在应用在汽车上的 制动器主要有两种：鼓式制动器和盘式制动器，早期的汽车上主要是使用鼓式制 动器，随着汽车制动器的发展，盘式制动器逐步取代了鼓式制动器，占据了主流 地位，但是在很多商用车上还是鼓式制动器还是应用的主流，这是有其自身的特 性和要求决定的。盘式制动器之所以能取代鼓式制动器，是因为在很多方面有着 巨大优势，这主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 热稳定性好。 与鼓式制动器相比较，热稳定性能是盘式制动器最出色的性能之一，这主要 得益于在汽车进行制动的过程中，盘式制动器没有摩擦助势作用，对摩擦系数的 敏感性不大。在长时间制动时由于制动器的摩擦生热会使摩擦系数变小，而盘式 制动器对这种影响较小，即制动效能稳定。反之鼓式制动器则在热稳定方面表现 不佳，在热量积累后，制动鼓受热膨胀，其工作半径比原来增加，制动时接触面 积会减少，也就是制动蹄中部才受力，所以在制动效能方面会下降很多。而盘式 制动器中制动盘受热膨胀后主要是径向热膨，而轴向热膨胀几乎可以忽略，径向 热膨胀的大小对制动性能方面影响也是可移忽略的，所以盘式制动器在受热时制 动效能的稳定性很好。 ( 2 ) 水稳定性好。 制动器在进入水以后会出现摩擦力降低的现象，这种现象会使制动距离增加。 而盘式制动器与鼓式制动器相比较，其摩擦块对制动盘的单位压力较高，水在较 高的压力下很容易被挤出。如果在阴雨天气，汽车车轮进水以后，盘式制动器在 高速旋转车轮的离心力的作用下，加上制动盘摩擦产生的大量余热，剩余的水在 一两次制动后就会消失，制动性能也可以恢复。而鼓式制动器则在这么短的时间 不能全部恢复，一般需要1 0 余次铝! 动，性能方能恢复。 ( 3 ) 如果在提供相同制动力矩的情况下，盘式制动器的制造尺寸和质量都比鼓 武汉理工大学硕士学位论文 式制动器要小，而同样尺寸和质量的盘式制动器则能提供更大的制动力。 ( 4 ) 如前所述，在受热膨胀的过程中制动盘轴向热膨胀量几乎可以忽略，所 以制动器间隙几乎不会增加，制动踏板行程也是不受影响。而鼓式制动器则在受 热膨胀后使制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大。 ( 5 在问隙自动调整方面更加具有优势，简便易行。在后期制动器的保养修 理上也更方便，另外盘式制动器在制动过程中还有噪音低、振动小的特点，这对 于汽车的舒适性提高具有先天的优势。 鉴于在制动性能方面的诸多优势，尤其是可靠性和稳定性方面，随着汽车工 业的进步，汽车速度的提高，盘式制动器在汽车高速制动时的方向稳定性得到了 淋漓尽致的发挥，鼓式制动器已经不能适应汽车制动方面的发展要求，所以传统 的鼓式制动器必将推出历史舞台。目前液压盘式制动器在9 0 9 6 以上的轿车上得以 应用，轿车的前桥更是将其作为标准配置。而气压盘式制动器也开始了应用于客 车、中重型车辆上，并呈现增长的趋势，其发展前景不可限量。 1 2 研究盘式制动器摩擦块偏磨机理的意义 1 2 1 盘式制动器摩擦块偏磨的表现形式 汽车在行驶过程中需要减速或停车时则需要提供给车轮一定的阻力，盘式制 动器就是是利用摩擦副产生这种阻力并提供给车轮，在减速或者停止的过程中将 汽车的动能和势能转化为热能散失在空气中，有的现代汽车上则考虑回收这种制 动产生的能量。钳盘式制动器主要包括制动盘和两块扇形摩擦块，两块扇形摩擦 块是固定摩擦元件，一般情况下使用螺栓把其固定于桥壳和转向节卡钳体内。制 动盘也是用螺栓固定，一般安装在轮毂上，如图( 1 - 1 ) 为盘式制动器主要组成结 构。 图1 - 1 钳盘式制动器示意图 1 - 外摩擦块：2 一制动盘；3 - 内摩擦块；4 - 卡钳体；5 - 气室：6 - 车桥 2 武汉理工大学硕士学位论文 盘式制动器的组成决定了其在工作过程中极易发生摩擦块偏磨的现象，这种 现象是指盘式制动器的摩擦块在制动过程中磨损不均匀的现象。长期发生摩擦块 偏磨的制动器在制动方面的性能会下降，表现在制动力下降和稳定性不好。摩擦 块偏磨受到很多因素的制约，不同的因素导致其表现形式不同，总的说来有以下 几种： ( 1 ) 摩擦块入出口偏磨，指同一摩擦块在入口处和出口处磨损不统一，受力 不一致导致磨损不一样。如图( 1 - 2 ) 。摩擦块的入口是指车辆前进时，制动盘上 同一点在转动时先接触摩擦块的一边，摩擦块出口则是制动盘后接触摩擦块的一 边。 ( 2 内外摩擦块偏磨，由于制动盘有两片摩擦块，两片摩擦块在制动过程中 出现磨损不均匀既是内外摩擦块偏磨，如图( 1 - 3 ) ，其中靠近汽车中心的摩擦块 为内片，远离汽车中心的摩擦块为外片，如图( 卜1 ) 从制动器结构来看，由活 塞或推杆推出的摩擦块为内摩擦块，与卡钳体相对固定不动的为外摩擦块。 + ：? 7 7 ，t 邀缮。 。 入滋 。 岁潴 汽霹 图1 - 2 摩擦块入出口偏磨图1 - 3 内外摩擦块偏磨 ( 3 摩擦块内外侧偏磨，离制动盘中心较近的一边是摩擦块的内侧，离制动 盘中心较远的一边则是摩擦块外侧，摩擦块内外侧偏磨指摩擦块的内侧和外侧磨 损不一致。如图( 1 - 4 ) 所示因摩擦块的径向宽度不大，所以其内外侧偏磨量相对 较小，未找到典型的偏磨实物。 图l - 4 摩擦块内外侧示意图 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 研究盘式制动器摩擦块偏磨机理的意义 汽车在行驶过程中产生的制动力是由于制动器的摩擦产生的，所以制动器的 摩擦系数对制动力的影响是最大，也是起到决定作用的。从这个角度来说，制动 器所使用的摩擦材料性能直接决定了制动的性能，如制动距离。但是既是保证了 摩擦材料性能，如果其性能不能够得到有效的发挥，那制动性能也会降低，所以 摩擦块的工作状态在很大程度上起到了使摩擦材料有效得到发挥的作用，因此当 摩擦块发生偏磨的状况息，制动器的制动性能必然下降，另外其使用寿命也会缩 短。这主要表现为： ( 1 ) 危害制动器的制动性能 加入制动器出现摩擦块偏磨的现象，汽车的左右轮在制动过程中会出现制动 力的大小不一致，使制动过程不平稳，出现制动跑偏现象。当制动器在制动时输 出不均匀的摩擦力矩时，便会产生振动激振力，使组件、悬架、车身部分产生共 振和噪声，导致制动噪音与振动，并且降低制动效率。 ( 2 对制动器维护及使用寿命的影响 盘式制动器与鼓式制动器相比虽然有很多优势，但是它的劣势则是摩擦块相 对于鼓式制动器的摩擦块磨损更加快。如果在正常的行驶中i 汽车行驶5 万公里 左右，其摩擦块就需要更换，行驶1 0 万公里左右制动盘则需要更换。如果制动器 发生摩擦块偏磨，那么磨损的速度就比正常情况快了很多倍，可能1 万公里左右 就需要更换摩擦块，这对于汽车的养护成本来说是提高了很多，而且给汽车的使 用也带来了诸多不便。由于摩擦块某些偏磨是由异常原因引起( 这一点将在第2 章详细讨论) ，将会严重损坏制动器相关零部件，造成某些关键部件运动不畅甚 至失效而导致制动器部件异常磨损，影响制动效能甚至制动失效，大大缩短制动 器使用寿命。因此研究摩擦块偏磨机理，消除异常情况引起的偏磨，控制制动器 系统原因造成的不可避免的偏磨，将偏磨危害降到最低，对盘式制动器的发展有 非常积极的意义。 1 3 本文主要研究内容 本文的研究将分三步进行： ( 1 ) 在进行论文写作的前期，本人通过在元丰公司实习的时间和机会，大量 收集国内外关于制动装置的技术资料，而且全程参加了元丰公司制动器的部分开 发工作，对于制动器的组成结构、工作原理等比较熟悉，这些对后面的分析摩擦 块偏磨的因素提供了便利条件。最后利用a n s y s 有限元分析软件，研究摩擦块温 度场一接触应力场的分布不均对摩擦块偏磨的影响。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 为了找出解决偏磨的有效方法，对目前在汽车上已经应用的制动器进行 了具体的比较和研究，并结合偏磨机理，把这些改进的方法在实际中应用于元丰 公司第二代气压盘式制动器的研发。 ( 3 ) 方法的正确与否需要相关的试验进行验证，在制动器前期开发、试制工 作完成之后后，通过试验对比，验证了偏磨理论的正确性；而后根据客户反应的 实际效果，在搜集了大量的信息后，验证包括液压盘式制动器的摩擦块偏磨理论。 根据偏磨理论应用结果，修正得出滑动钳盘式制动器摩擦块偏磨机理。 具体来说，本文的研究内容将在下述几方面展开： ( 1 ) 对盘式制动器摩擦块发生的偏磨形式进行了分类叙述。 ( 2 ) 对于影响盘式制动器摩擦块偏磨的因素进行了归纳总结，并分析各种因 素对摩擦块的影响大小，在此基础上深入研究了摩擦块偏磨机理。 ( 3 对摩擦块偏磨机理在实际生活中的应用情况进行了研究。 ( 4 ) 摩擦块偏磨机理的试验验证。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章制动器构造引起的摩擦块偏磨 2 1 制动器工作原理导致的偏磨( 盘式制动器) 2 1 1 盘式制动器结构型式及工作原理 盘式制动器包括全盘式带! 动器和钳盘式制动器，这种分类方法是按照制动器 摩擦副中固定摩擦元件的结构不同进行分类的。全盘式制动器其固定摩擦元件和 旋转元件均是圆盘形的，在工作的时候摩擦表面为全接触，如同摩擦离合器一般， 所以也称为离合器式制动器。目前在汽车上使用的较多的是多片全盘式制动器， 该种形式的制动器可获得较大的制动力。由于其散热性能较差，需采用轴冷式， 因此结构比其它类型的制动器复杂。 根据钳盘式制动器制动钳的结构型式，其又可分为固定钳式和浮动钳式。如 下面两图所示。 钳盘式制动器的主要组成包括两个扇形的摩擦块和制动盘，其中固定摩擦元 件是两摩擦块，制动盘作为旋转元件则是安装在摩擦块的中间。制动时通过摩擦 块与制动盘的摩擦接触产生制动力，通常其接触面积约占的中心角4 0 。左右，也 就是说真正的接触面积是很小的，类似以点面的接触方式，所以这样的盘式制动 器也叫点盘式制动器。这种类型的制动器虽然接触面积较小，提供的制动力不是 很大，但是其质量相对小、制造简便、稳定性能优良，而且制动盘在汽车行驶过 车中能够产生足够的离心力去除污物，这在维修过程中也提供了便利。由于接触 面积的范围较小，对摩擦材料的要求相对较高。 图2 - 1 固定钳盘式制动器图2 - 2 浮动钳盘式制动器 如图( 务1 ) 所示，固定钳盘式制动器主要有制动钳体、两个液压油缸、一个 活塞组成，制动钳体使用螺栓安装在转向节之上，两个液压油缸则安装在制动钳 体上，每个液压油缸内部各装有一个活塞。活塞在压力油液的作用下可以向内运 6 武汉理工大学硕士学位论文 动，这样能推动制动块总成运动，并最终压紧制动盘，使汽车产生制动力。 浮动钳盘式制动器的制动钳体按照其制动钳体的运动方式不同，其浮动方式 有两种：平行滑动及绕一支承销摆动。所以浮动钳盘式制动器也分为两种：滑动 钳盘式和摆动钳盘式。另外根据提供动力的方式划分可以分为气压盘式制动器 ( a d b ：a i rd i s cb r a k e ) 和液压盘式制动器( h d b ：h y d r a u l i cd i s cb r a k e ) 两种。 如图( 2 - 2 ) 所示，简要介绍h o b 的工作过程，此时有单侧的制动油缸，摩擦块 有内外两个，外侧固定，内侧摩擦块可以运。当需要制动时，制动油液产生的压 力p l 压向活塞，从而活塞在力的推动下开始活动，从而推动内摩擦块压靠到制动 盘，此时，反作用力p 2 推动制动钳体及外摩擦块压向制动盘另一侧，直到两摩擦 块受力相等。a d b 的动力源为气压，工作原理与h o b 大致相同，只是由推杆推动摩 擦块总成。 固定钳盘式制动器和浮动钳盘式制动器相比较来说，固定钳盘式制动器的产 生较早，其应用历史较长，而且制动钳的刚度较高，组成部件简单，维修容易， 但这种简单的结构也有很大的缺陷，使其在以后的使用中产生了很多束缚。而且 这种制动器活塞由于布置在制动盘的两侧，这种布置就需要更大的空间，给安装 布置造成了较多的难题；为了能够保证制动的优良性能，对活塞和液压缸的制造 精度提出了很多苛刻的要求，不可避免的要使制造成本提高；由于在汽车制动时 会产生大量的热，制动油液在热的作用下会产生气阻致使制动失效。此外，由于 两侧摩擦块均靠活塞推动，因此难以兼用与驻车制动。 与固定钳盘式制动器相比，浮动钳盘式制动器则具有很多优势，这种制动器 不像固定钳盘式制动器那样把油缸布置在两侧，这样在一侧布置油缸就有效减少 了布置需要的空间，制造简便，安装快捷，结构尺寸紧凑，这些优势都使得制动 器安装时与轮毂的距离可以最短，使制动效果明显提升，可以行车和驻车制动兼 用。虽然在制动过程中制动的热量仍然很多，但是浮动钳不需跨越制动盘的油道 或油管，这样可以有效降低油液的受热程度，另外单侧油缸由于不受车轮的遮蔽， 这样通风条件较好，冷却比较容易，单侧油缸较长的活塞也可以在一定程度上有 利于散热。因此，浮动钳盘式制动器的制动油液温度比固定式的低4 0 c 左右，汽 化的可能性也较小。但是这种浮动的布置结构，要注意噪声及磨损的问题。 根据市场使用率和市场的需求数据显示，滑动钳盘式制动器显示出来较大的 优势，所以本文主要讨论滑动钳盘式的偏磨机理。 2 1 2 制动器的制动过程导致的摩擦块偏磨 滑动钳盘式制动器的工作原理：制动器的密封腔在卡钳体与活塞之间，开始 铝f j 动时，油液注入密封腔使活塞推动内摩擦块压靠到制动盘上。此时由于活塞对 制动油液具有反作用力，这个反作用力施加在卡钳体上，在力的作用下卡钳滑动， 7 武汉理工大学硕士学位论文 当推动卡钳滑动的反作用力大于阻力时，卡钳体便会出现滑动，并带动外摩擦块 压向制动盘。随着活塞相对于卡钳继续向外推动，内、外摩擦块紧紧压住制动盘。 最终内、外摩擦块上的制动力达到相等。 综上所述在整个制动过程中，内摩擦块接触制动盘的时间比外摩擦块要长很 多，其磨损必然较快。一般情况下，卡钳体滑动顺畅，不产生拖滞，内摩擦块比 外摩擦块磨损速度快。但由于制动过程仅持续几秒钟，因此内外摩擦块的偏磨量 并不大。 2 2 制动盘厚度不均导致的摩擦块偏磨 2 2 1 制动盘厚度不均对摩擦块偏磨的影响 汽车在行驶过程中需要减速或停车时则需要提供给车轮一定的阻力，盘式制 动器就是是利用摩擦副产生这种阻力并提供给车轮，在减速或者停止的过程中将 汽车的动能和势能转化为热能散失在空气中，在这个过程中转换和耗散的热量多 少反映了制动器的能量负荷大小，影响能量转换的因素很多，包括汽车自身的质 量、开始时汽车速度、制动结束时汽车速度等。于此同时在这个能量转换过程中 会造成制动器摩擦副温度上升和磨损，汽车的制动性能和制动器使用时间的长短 都与这相关。当发生紧急情况需要制动时，制动时间很短，此时制动器几乎承担 了全部动能的转换和耗散任务，能量负荷最大。 盘式制动器在制动时要承受两个方向的力：法向力和切向力，而且要在很高 的温度下工作。一般其面最高温度可达7 9 0 以上，在这么高的温度下很有可能 发生翘曲现象，最后导致噪声的出现和极度磨损。 如果在制造环节或者装配时的误差致使制动盘出现厚度不均( d t v _ d i s k t h i c k n e s sv a r i a t i o n ) ，那么制动时制动盘与摩擦块磨损便不均匀，只能在接触 到的部分紧压制动盘易造成接触部分材料的快速磨损，从而引起摩擦块的偏磨。 2 2 2 导致制动盘d t v 的原因 、 轿车前轮大多采用浮动钳盘式制动器。而后轮采用鼓式制动器，并可以用作 驻车制动器。在一些高级轿车中为了获得更加稳定的制动力分配系数，前后轮均 采用盘式制动器。此外，某些不同等级的客车和载货汽车上也已开始使用盘式制 动器。一般情况下用于轿车的是结构简便、制动力矩较小的液压盘式制动器，而 用于中重型车辆和客车的是制动力矩较大、体积较大的气压盘式制动器。 很多因素都可以导致制动盘出现d t v 现象，但主要的方面有以下两点： ( 1 ) 制动过程中的热应力变形或制造误差导致的d t v 如图( 2 - 3 ) 。在制动过 程中，因为制动盘各部分温度分布不均，导致材料的膨胀率不同，生较大的内应 8 武汉理工大学硕士学位论文 力使制动盘产生热应力变形，最终产生d t v 。所以在制动盘使用过程中控制制动 盘的温度梯度、减小热应力变形也是非常重要的。 在制动盘加工过程中d t v 十分重要，因此制动盘生产厂家对盘的表面加工精 度有着很高的要求。在制作过程中要要将制动盘两端面的不平衡量、平行度及端 面跳动量控制在定范围内如表( 2 - 1 ) 。在使用过程中，制动盘的极限端面跳 动量应小于o 0 5 o 1 4 m 。 表2 - 1 制动盘制造要求 液压盘车型制动器端面跳动量两端面平衡度静不平衡量 式制动型号 ( n c m ) 器 奥迪，红旗 0 0 30 0 1o 5 云雀 0 0 5o 0 31 5 奥托 4 0 0 1 51 o 气压盘 a d 0 10 0 6 4 0 0 5 4 j5 式制动 器 a d 0 20 0 7o 0 65 a d 0 3 0 0 7 50 0 6 56 图2 - 3 制造误差或热变形产生d t v图2 - 4 安装误差产生d t v ( 2 ) 安装误差引起的制动盘偏离轴向位置导致的d t v 如图( 2 4 ) 。 浮动卡钳能使汽车在制动盘轴向偏离一定距离的情况下而不出现带! i 动振动。 但是当车辆在高速公路上行驶1 0 0 0 - 1 6 0 0 k m 后，如果制动盘存在轴向偏离时，必 然会产生d t v 并引起明显的制动振动。此时，摩擦块在极限位置接触制动盘并去 除该部分制动盘材料，同时摩擦块就会因为局部压力过大引起自身的偏磨。 即使存在很小的d t v 也会有明显的制动振动产生。在低温状态下，制动盘的 d t v 由摩擦块引起制动力矩不均，进而产生的制动振动便是我们通常所说的冷态 振动；在高能量输入时，制动盘产生d t v ，这种制动振动便是热态振动。 9 武汉理工大学硕士学位论文 因为制动盘轴向偏离非常容易引起d t v ，所以对于安装过程中出现的轴偏公 差精度要求比较高。通常制动盘摩擦表面相对于转轴中心的跳动度必须小于 0 0 4 r a m 。 2 3 制动器施力方式导致的偏磨 2 3 1 单活塞( 或单推杆) 盘式制动器 对于单活塞( 或单推杆) 盘式制动器，不管是液压产品还是气压产品，推杆都 是单个施力点。在制动过程中摩擦块通过摩擦作用使高速旋转的制动盘逐渐减速 并停止运动，在这一动过程中，摩擦力使得摩擦块有旋转的趋势。因此即使力的 作用点设计在摩擦块的形心，也容易发生作用力点偏移的现象，从而造成摩擦块 两边受到的作用力不均，导致两边的磨损也不均匀，其中受力较大的一边磨损严 重。 此外在汽车制动过程中，制动摩擦产生的大量热量在短时间内不能散到大气 中，导致制动器温度升高。而气压盘式制动器在恶劣的环境中工作并且制动力矩 大，所以温度升高快。根据台架试验和相关的理论计算可知，气压盘式制动器持 续制动时，制动盘本体表面温度会超过5 0 0 c ，摩擦块本体表面温度会超过6 0 0 。在这样的高温环境下，摩擦块仅中间部分受力，必然产生热应力变形从而导 致偏磨。 2 3 2 双活塞( 或双推杆) 盘式制动器 由于单活塞式盘式制动器的结构简单，在受力及热应力变形方面的缺点比较 突出，双活塞( 或双推杆) 盘式制动器则在这两个方面有了很大突破，受力点有一 个变为了两个，热应力变形也减少了很多。由于盘式制动器机构进行简化后可以 直接在a n s y s 分析软件建立简易模型，施加各种约束条件后对其进行受力分析， 为改进提供依据。图2 5 a 为气压双推杆盘式制动器结构示意图。为了进行分析的 需要，对一些物理条件要进行处理，例如定义制动盘和摩擦块完全接触，圆弧半 径是摩擦块内外半径的算术平均值，两推杆中心处于同一圆弧上。不考虑摩擦副 之间的运动，仅分析静止状态下的摩擦块受力情况。图( 2 5 b 、c ) 即是摩擦块模 型的加载示意图和应力云图。 根据图( 2 5 c ) 可知，与其他部位相比，推杆附近摩擦块承受的压力明显偏高。 由于受力点有两个，其最大应力与最小应力的差值比单杆的降低了很多，这也使 其应力集中的现象得到了缓解，从另一侧面减轻了热应力导致的变形，使摩擦块 偏磨的程度降低了。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 abc 图2 5 双推杆制动器受力分析图 a - 双推杆制动器受力示意图；b - 载荷加载图；c - 应力云图 卜推杆：2 一摩擦块；3 - 制动盘 要解决双推杆产品的设计问题，要从以下两个方面入手： ( 1 ) 对部件的同步性要求很高。 目在国内外已发展的比较成熟的是液压双活塞盘式制动器，这种制动器由制 动油液提供动力，为了保证两活塞的同步性，这样摩擦块偏磨会出现的较少，油 压恒定、油路温度等都要达到设计精度。而气压双推杆盘式制动器为了到达活塞 同步，专门添加了一套机械间隙自调机构。间隙自调机构的工作要根据摩擦块的 磨损情况确定，当摩擦块磨损很小或者没有磨损，间隙自调机构不工作，压力臂 会均匀加力给双推杆，由于力的均匀性，工作也会同步，但中间传动部件会出现 磨损，当摩擦块磨损增大，达到一定值时，间隙自调机构开始工作，这也会导致 迟滞现象，从而造成两边推杆的调整量不一致。使用的时间过长则摩擦块的偏磨 避免不了如图( 2 - 6 ) 。根据大量的统计数据，双推杆气压盘式制动器时一般使用 1 0 0 0 0 公里左右就要更换。根据研究后发现双推杆制动器的不同步引起的偏磨是 使用时间较短的因素。因此双推杆的同步性是制动器的关键设计之一。 图2 6 链条传动方式 1 1 l ，4 - - 、 图2 _ 7 齿轮传动方式 武汉理工大学硕士学位论文 根据现有知识，两推杆之间的传动方式有k n o r r 公司的链条传动方式如图 ( 2 - 6 ) ，和元丰公司第二代气压产品的齿轮传动方式如图( 2 - 7 ) 。 ( 2 ) 结构重心平衡点的设计难度大。 当浮动钳盘式制动器工作时，由于其结构的特点决定卡钳体必须滑动才能够 提供制动力。而且要使卡钳体相对