（光学工程专业论文）汽车盘式制动器摩擦块偏磨机理的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车的制动过程从能量观点来看，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， n s j 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；寻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，接触应力场 武汉理工大学硕士学位论文 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 恤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 s o r b e db yt h eb r a k es 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 di n t oa t m o s p h e r e s o ，i nas 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 yd k e c t l y i fp a d s o n es i d ew e a r ( o s v oa 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 eu 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 li fo s w i sc a u s e db ya b n o r m a lc o n d i t i o n ，i t w 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 ee f f i c i e n c ya n dc a u s e b 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 a 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 e o 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 wc 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 w o 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 ei 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 sp 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 eo 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 - - c o n t a c ts t r e s s f i e l d 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 m 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 da 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 fs 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 d 仃i a l p r o d u c eo 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 f i cd i s k b r a k e sf u 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 f p a d s o s w , c o n s i d e r i n gt h ef e a s i b l er e a $ o a 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 ： 0 ) 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 r v a l u eo 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 e 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 ft 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 n 武汉理工大学硕士学位论文 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 i ap 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 e i n s i d ep a d sw e a l - s p e e dal 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 m 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 在汽车工业高速发展的今天，汽车已经成为人们日常生活中必不可少的工 具，其安全性显得更加重要。制动器作为保证汽车安全行驶的主动安全件，其 可靠性、稳定性成为广大客户及汽车厂商的追求目标。目前各类汽车所用的制 动器分为鼓式制动器和盘式制动器，作为制动器换代产品，盘式制动器以其巨 大优势将逐渐取代传统的鼓式制动器。 与鼓式制动器相比，盘式制动器具有以下突出优点： ( 1 ) 热稳定性好。 盘式制动器无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦系数的影响较小，即 制动效能稳定。鼓式制动器受热膨胀后，工作半径增大，使其只能与制动蹄中 部接触，从而降低了制动效能。而盘式制动器中制动盘的轴向热膨胀极小，径 向热膨胀根本与性能无关，故不会因此而降低制动效能。 ( 2 ) 水稳定性好。 盘式制动器中摩擦块对制动盘的单位压力较高，易于将水挤出。在车轮涉 水后，制动效能变化较小，且由于离心力的作用及衬块对制动盘的摩擦作用， 出水后只需一二次制动，性能即可恢复。而鼓式制动器则需多次甚至1 0 余次制 动，性能方能恢复。 ( 3 ) 在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量较小。 ( 4 )制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会象制动鼓的热膨胀那样使 制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大。 ( 5 ) 容易实现间隙自动调整，其他保养修理作业也较简便。 除了以上制动性能的优势外，盘式制动器在使用中还有噪音低、振动小等特 点，改善了乘坐舒适性。 由于具备稳定可靠的制动性能，盘式制动器大大改善了汽车高速制动时的方 向稳定性，因此取代传统的鼓式制动器已成为现代制动器发展的必然趋势。其 中液压盘式制动器几乎是现代轿车的标准配置，尤其是用在轿车前桥上。而气 压盘式制动器也大量应用于客车、中重型车辆上，其发展前景非常广阔。 武汉理工大学硕士学位论文 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 盘式制动器是利用摩擦副产生阻力，将汽车动能和势能转化为热能，从而 达到使汽车减速或停车的一种主动安全装置。钳盘式制动器的固定摩擦元件是 两块扇形摩擦块，摩擦块装在以螺栓固定于转向节或桥壳上的卡钳体内，如图 1 - 1 。两块摩擦块之间装有作为旋转元件的制动盘，制动盘以螺栓固定在轮毂上。 图1 - 1 钳盘式制动器示意图 1 - # b 摩擦块：2 一制动盘；3 一内摩擦块；4 一卡钳体；5 一气室；6 一车桥 盘式制动器摩擦块偏磨( o n e s i d e w e a r o f d i s k b r a k e ) 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由于各种因素的影响，摩擦块偏磨主要 表现为以下几种形式： ( 1 ) 摩擦块入出口偏磨，即同一摩擦块的入口处和出口处磨损不均匀，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，制动盘后接触摩擦块的一边即为摩擦块出口。 ( 2 ) 内外摩擦块偏磨，即位于制动盘两边的两片摩擦块磨损不均匀，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 1 - 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。 2 武汉理工大学硕士学位论文 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，即同一摩擦块的外侧和内侧磨损不均匀，摩擦块 的外侧是指离制动盘中心较远的一边，反之为摩擦块内侧，如图1 4 。因摩擦 块的径向宽度较小，所以其内外侧偏磨量不大，未找到典型的偏磨实物。 图1 - 4 摩擦块内外侧示意图 1 2 2 研究盘式制动器摩擦块偏磨机理的意义 制动器是以摩擦方式产生制动力、将汽车动能转化为热能而散发出去的机 构，因此从某种意义上说，制动器效能主要取决于摩擦材料的性能。而摩擦块 的工作状态将直接影响摩擦材料性能的发挥，因此摩擦块发生偏磨，将影响制 动器的制动性能及使用寿命，主要表现为： ( 1 ) 对制动性能的危害 如果出现摩擦块偏磨，则左右轮的偏磨表现形式肯定存在差异，必定造成左、 右轮制动力矩输出不一致，使制动不平稳，严重的导致制动跑偏。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 盘式制动器的摩擦块相对于鼓式制动器的摩擦块更易磨损。在正常状况下， 3 武汉理工大学硕士学位论文 汽车行驶3 4 万公里，制动器更换一副摩擦块，行驶8 9 万公里更换制动盘。 但如果发生摩擦块偏磨，很可能少于1 万公里便要更换摩擦块，给制动器的维 护保养带来极大不便。 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 ) 收集国内外相关技术资料，参与元丰公司第二代气压产品的开发，深 入研究制动器结构原理、工作过程等，分析造成摩擦块偏磨的制动器结构原因。 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。 ( 2 ) 对国内外成熟产品进行详细、具体的分析，结合偏磨机理，寻找合理 的解决偏磨的途径，并具体应用于元丰公司第二代气压盘式制动器的研发。 ( 3 ) 第二代气压产品开发、试制成功后，做台架试验，验证偏磨理论的正 确性；收集元丰公司市场部售后服务中反馈的国内外各种制动器摩擦块偏磨的 信息及实物，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。 本文主要研究内容： ( 1 ) 滑动钳盘式制动器摩擦块偏磨形式。 ( 2 ) 引起盘式制动器摩擦块偏磨的各种原因，研究其对摩擦块的综合影 响，得出摩擦块偏磨机理。 ( 3 ) 摩擦块偏磨机理的实际应用。 ( 4 ) 摩擦块偏磨机理的试验验证。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章制动器结构原因引起的摩擦块偏磨 2 1 盘式制动器工作原理引起的偏磨 2 1 1 盘式制动器的结构型式和工作原理 按摩擦副中的固定摩擦元件的结构来分，盘式制动器分为钳盘式和全盘式 制动器两大类。 钳盘式制动器的固定摩擦元件是两块扇形摩擦块，两摩擦块之问装有作为 旋转元件的制动盘。摩擦块与制动盘的接触面积很小，在盘上所占的中心角一 般仅约为3 0 。- 5 0o ，故这种盘式制动器又称为点盘式制动器。其结构较简单， 质量小，散热性较好，且借助于制动盘的离心力作用易将泥水、污物等甩掉， 维修也方便。但摩擦块的面积较小，制动时其单位压力很高，摩擦面的温度较 高，因此，对摩擦材料的要求也较高。 全盘式制动器的固定摩擦元件和旋转元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表 面全部接触，其工作原理犹如摩擦离合器，故亦称为离合器式制动器。用得较 多的是多片全盘式制动器，以便获得较大的制动力。但这种制动器的散热性能 较差，因此多采用油冷式，结构较复杂。 按制动钳的结构型式，钳盘式制动器又可分为固定钳式和浮动钳式两种。 图2 1 固定钳盘式制动器图2 2 浮动钳盘式制动器 固定钳盘式制动器的制动钳体固定在转向节( 或桥壳) 上，在制动钳体上 有两个液压油缸，其中各装有一个活塞，如图2 - 1 。当压力油液进入两个活塞外 腔时，推动两个活塞向内，将位于制动盘两侧的制动块总成压紧到制动盘上，从 而将车轮制动。当放松制动踏板使油液压力减小时，回位弹簧将两制动块总成 5 武汉理工大学硕士学位论文 及活塞推离制动盘。这种结构型式又称为对置活塞式或浮动活塞式固定钳盘式 制动器。 浮动钳盘式制动器的制动钳体是浮动的，其浮动方式有两种，一种是制动 钳可作平行滑动，另一种的制动钳体可绕一支承销摆动。故有滑动钳盘式制动 器和摆动钳盘式制动器之分。又根据动力来源不同分为液压盘式制动器( h d b ： h y d r a u l i cd i s cb r a k e ) 和气压盘式制动器( a d b ：a i rd i s cb r a k e ) 两种。 h d b 的工作原理如图2 2 ：制动器的制动油缸是单侧的，内摩擦块为活动的， 而外摩擦块固定在钳体上。制动时在油液压力p 1 作用下，活塞推动内摩擦块压 靠到制动盘，而反作用力p 2 则推动制动钳体连同外摩擦块压向制动盘的另一侧， 直到两摩擦块的受力相等为止。a d b 的工作原理与h d b 的工作原理相似，只是 动力源是气压而非油压，推动摩擦块总成的不是活塞，而是推杆。 固定钳盘式制动器在汽车上的应用较浮动钳式的要早，其制动钳的刚度好， 除活塞和摩擦块外无其他滑动件。但由于活塞需分置于制动盘两侧，使结构尺 寸较大，布置也较困难；需两组高精度的液压缸和活塞，成本较高；制动产生的 热经制动钳体上油路传给制动油液，易使其因温度过高而产生气泡，影响制动 效果。另外，由于两侧摩擦块均靠活塞推动，很难兼用于由机械操纵的驻车制 动。 浮动钳盘式制动器只在制动盘的一侧装油缸，其结构简单，造价低廉，易 于布置，结构尺寸紧凑，可将制动器进一步移近轮毂，同一组摩擦块可兼用于 行车制动和驻车制动。由于浮动钳没有跨越制动盘的油道或油管，减少了油液 的受热机会，单侧油缸又位于盘的内侧，受车轮遮蔽较少，使冷却条件较好 另外，单侧油缸的活塞比两侧油缸的活塞要长，也增大了油缸的散热面积，因 此制动油液温度比固定钳式的低3 0 - - 5 0 ，汽化的可能性较小，但由于制动钳 体为浮动的，必须设法减少滑动处的摩擦、磨损和噪声。 基于以上优缺点的比较及市场需求，现在大多使用滑动钳盘式制动器。本 文也主要讨论滑动钳盘式制动器的偏磨机理。 2 1 2 制动器的制动过程对摩擦块偏磨的影响 由滑动钳盘式制动器的工作原理可知，制动启动时，高压制动液注入卡钳 体与活塞之问的密封腔，内摩擦块在活塞推动下先压靠到制动盘。制动液在推 动活塞的同时，对卡钳体也施加了反作用力。当推动卡钳滑动的阻力小于制动 6 武汉理工大学硕士学位论文 液施加的反作用力时，卡钳体便相对于制动盘滑动，并带动与卡钳位置固定的 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，最后达到内、外摩擦块上的制动力相等。 因此在制动过程中，内摩擦块比外摩擦块接触制动盘时间长，磨损得多一 些。若卡钳体滑动顺畅，不产生拖滞，在正常情况下，内摩擦块比外摩擦块磨 损速度快。但整个制动过程时间很短，仅持续几秒钟，因此内外摩擦块的偏磨 量并不大。 2 2 制动盘厚度不均引起的摩擦块偏磨 2 2 1 制动盘厚度不均对摩擦块偏磨的影响 汽车的制动过程从能量观点来看，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。这种能量 转换和耗散的大小，反映了制动器的能量负荷。它与汽车的重力、制动时速度 变化范围、制动减速度等因素有关，同时造成制动器摩擦副的发热、温度升高 和磨损，并影响到汽车的制动性能和制动器的寿命。在汽车紧急制动时，制动 时间短，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。 制动盘在工作时不仅受到制动块作用的很大的法向力和切向力，而且还承 受比制动鼓大得多的热负荷，其表面最高温度可达到8 0 0 ，在高温作用下可能 翘曲，从而产生摩擦噪声和刮伤。 如果制动盘因各种原因产生厚度不均( f n 7 卅j s kt h i c k n e s sv a r i a t i o n ) ，摩 擦块在制动过程中便不能均匀接触制动盘，只能在接触到的部分紧压制动盘， 造成接触部分材料的快速磨损，引起摩擦块的偏磨。 2 2 2 引起镧动盘d t v 的原因 浮动钳盘式制动器已十分广泛地用于轿车的前轮，与鼓式后轮制动器配合， 使后轮制动器容易附加驻车制动的驱动机构，兼作驻车制动器之用。有些高性 能轿车的前后轮均采用盘式制动器，主要是为了保持制动力分配系数的稳定。 盘式制动器也开始用于某些不同等级的客车和载货汽车上。 通常轿车使用制动力矩较小、结构小巧的液压盘式制动器，客车和中重型 7 武汉理工大学硕士学位论文 车辆使用制动力矩较大、体积较大的气压盘式制动器。 引起制动盘d t v 现象的原因很多，主要有以下两点： ( 1 ) 由于制造误差或制动过程中的热应力变形产生d t v ，如图2 3 。 在加工过程中控制盘的d t v 非常重要，因此制动盘生产厂家对盘的表面加 工精度要求很高。通常制造时严格控制制动盘的端面跳动量、两端面的平行度、 及不平衡量，如表2 - 1 。在使用中制动盘的极限端面跳动量应不超过0 0 6 0 1 5 m m 。 表2 1 制动盘制造要求 液压盘车型或制动器型号端面跳动量两端面平行度静不平衡量 式制动 ( n c m ) 器奥迪、红旗0 0 30 0 1o 5 云雀 o 0 50 0 31 5 奥托 0 0 1 51 0 气压盘 a d 0 1o 0 6 o 0 54 5 式制动a d 0 20 0 70 0 65 器a d d 3o c r 7 50 0 6 56 除了制造误差的影响，在制动过程中，由于制动盘各部分的温度不均，引 起材料的不同膨胀率，从而产生较大内应力，导致制动盘的热应力变形，也会 最终产生d t v 。因此控制制动盘的温度梯度、减小热应力变形也非常重要。 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 ) 由于安装误差引起制动盘偏离轴向位置而产生d t v ，如图2 - 4 。 若存在制动盘的轴向偏离，虽然浮动卡钳能应对相当程度的制动盘轴向偏 离而不出现制动振动，但即使用最小制动力，车辆在高速公路上行驶 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 0 0 1 6 0 0 k i n 后，d t v 就产生了并能引起明显的制动振动。在这种情况下，摩 擦块在极限位置接触制动盘并去除该部分制动盘材料，在去除制动盘材料的同 时，摩擦块也会因为局部压力过大引起自身的偏磨。 很小的d t v 可产生明显的制动振动。低温状态下，制动盘的d t v 通过摩 擦块引起制动力矩不均时，产生的制动振动便是通常所说的冷态振动；当制动 盘的d t v 是在高能量输入时产生的，其制动振动便是热态振动。 由于制动盘轴向偏离直接引起d t v ，因此对于安装过程中出现的轴偏公差 有严格要求，通常制动盘摩擦表面相对于转轴中心的跳动度必须控制在0 0 4 m m 以内。 2 3 制动器施力方式引起的偏磨 2 3 1 单活塞( 或单推杆) 盘式爿动置 对于单活塞( 或单推杆) 盘式制动器来说，无论是气压产品还是液压产品， 推杆施力点只有一点。制动时摩擦块通过摩擦方式使高速旋转的制动盘停止运 动的过程中，有被制动盘带动起旋转的趋势，所以即使作用力点设计在摩擦 块中心，也很容易发生作用力点偏移现象，造成摩擦块两边受力不均，受力较 大的一边更快磨损。 而且汽车制动时，短时间内制动摩擦产生的热量来不及逸散到大气中，致 使制动器温度升高。气压盘式制动嚣由于制动力矩大、工作环境恶劣，温度升 高更严重。从台架试验和理论计算可知，气压盘式制动器持续制动时，制动盘 本体表面温度可高达5 0 0 以上，摩擦块本体表面温度可达6 0 0 以上。在如此 高的温度下。摩擦块仅在中间部分受力，必然产生热应力变形，导致偏磨。 2 3 2 双活塞( 或双推杆) 盘式制动器 双活塞( 或双推杆) 盘式制动器中摩擦块的受力点为两点，其受力状况及 热应力变形大为改善。根据该摩擦块受力情况建立有限元模型，利用a n s y s 分析软件进行受力分析。图2 - 5 a 为气压双推杆盘式制动器的结构示意图，假设 摩擦块与制动盘完全接触，两推杆中心处于同一圆弧上，圆弧半径是摩擦愉内 外半径的算术平均值。不考虑摩擦副之问的运动，仅分析静止状态下的摩擦块 9 武汉理工大学硕士学位论文 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。 从图2 5 可以看出，在推杆附近，摩擦块上承受的压应力明显大于其它部 位。但与单推杆制动器相比较，因受力点由一点变为两点，其最大应力与最小 应力的差值明显减小，改善了压应力分布不均的现象，并能减轻摩擦块的热应 力变形，较好的抑制摩擦块偏磨。 abc 图2 5 双推杆制动器受力分析图 a 一双推杆制动器受力示意图；b 一载荷加载图；c 一应力云图 1 一推杆：2 一摩擦块；3 一制动盘 虽然双推杆产品在理论上能有效的抑制摩擦块偏磨，且制动力矩增大、制 动性能稳定，但由于增加了一套部件，体积质量加大，其结构设计的难度也相 应增加。若不能很好解决结构设计问题，反而会加重摩擦块偏磨现象。双推杆 产品主要有以下两个结构设计难点： ( 1 ) 对两套部件的同步性要求很高。 液压双活塞盘式制动器在国内外已发展得比较成熟，两活塞的动力能源均 为制动油，因油压一定、油路稳定，所以如果制造精度达到要求，通常两活塞 的同步性良好，较少发生摩擦块偏磨。 气压双推杆盘式制动器中，多了一套机械间隙自调机构。在间隙自调机构 中，一边是主动轮，另一边是从动轮，中间通过机械传动，由主动轮带动从动 轮一起调整间隙。在摩擦块没有磨损、间隙自调机构不工作时，双推杆在压力 臂的均匀加力下能同步工作。而当摩擦块磨损、间隙自调机构开始工作时，由 于中间传动部件的磨损，很容易产生迟滞现象，造成两边推杆的调整量不一致。 积少成多，摩擦块的偏磨在所难免( 如图2 6 ) 。元丰公司售后服务的统计数字 显示：南京公交在初次使用国外某双推杆气压盘式制动器时曾出现摩擦块使用 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 8 , 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 公里便需更换的情况。分析原因，发现该制动器因双推杆不同步 造成摩擦块偏磨而大大缩短了摩擦块的使用寿命。因此双推杆的同步性是制动 器的关键设计之一。 现在已知的两推杆之间的传动方式有k n o r r 公司的链条传动( 如图2 - 6 ) ，和 元丰公司第二代气压产品的齿轮传动( 如图2 - 7 ) 。 j - 。、，4 、j - 、 图2 - 6 链条传动方式图2 7 齿轮传动方式 ( 2 ) 对结构重心平衡点的设计难度加大。 图2 - 8 双推杆垂直气室制动器结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 浮动钳盘式制动器在制动时，卡钳体必须相对支架滑动才能最后形成制动。 只有当制动器总成( 除开固定在转向节上的支架和摩擦块) 的重心位于支撑销 轴线附近时，卡钳体才能相对于支架平稳滑动，如图2 - 8 。否则，卡钳体将产生 重力偏转力矩，阻止制动器及时回位，产生拖滞现象，导致内外摩擦块偏磨。 双推杆盘式制动器由于卡钳体积质量增加，且使用的弹簧驻车气室是一个 大气室，更容易产生重心偏移现象。特别是垂直气室制动器，相对于轴向气室 制动器，其上盖、气室体积更庞大( 如图2 - 8 ) ，结构设计难度更大。 虽然双推杆制动器在结构设计上难度增大，但因其具有施力方式合理、制 动力矩大、制动性能稳定等诸多优点，市场前景非常广阔，是国内制动器发展 的方向。元丰公司在2 0 0 5 年以前只有液压双活塞盘式制动器，气压的双推杆产 品还是空白。因迫切而巨大的市场需求，公司于2 0 0 5 年立项开发气压双推杆盘 式制动器，即第二代气压产品，希望能迅速占领市场，扩大市场份额。 2 4 制动器拖滞引起的摩擦块偏磨 2 4 1 卡钳重心不平稳引起的制动器拖滞 在盘式制动器中，制动盘与摩擦块之间在未制动的状态下应有工作间隙， 以保证制动盘能自由转动。一般说来，h d b 的设定间隙为0 1 m m - 0 3 m m ( 单侧 为0 0 5 r a m - 0 1 5 r a m ) ，a d b 的设定间隙为0 8 r a m 1 2 m m ( 单侧为0 4 r a m n 6 r a m ) 此问隙的存在有导致踏板或手柄的行程损失的可能，因而间隙值应尽量小考 虑到在制动过程中摩擦副可能产生热应力变形和机械变形，因此，制动器在冷 却状态下设定的间隙值要通过试验来确定。 对于h d b 来说，松开制动踏板，摩擦块在活塞密封圈的作用下回位，移动 量通常不大，因此摩擦块与制动盘常有轻微接触，这种现象就称为制动器拖滞。 对于a d b 来说，制动结束时，推杆在回位弹簧作用下退回原位，虽然制动 盘与摩擦片之间的单边设定间隙大于液压产品，但由于滑动元件的粘滞等也容 易引起制动器拖滞。 如果卡钳体的重心如2 3 所述产生偏离，便会产生重力偏转力矩，也是卡钳 体滑动的阻力力矩，必然导致卡钳体相对支架滑动困难。当内摩擦块随活塞或 推杆回位而迅速退回时，外摩擦块却因卡钳体滑动困难而回位缓慢，造成拖滞 磨损而产生内外摩擦块偏磨。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 导向销、支撑销问题引起的制动嚣拖滞 在滑动钳盘式制动器中，支架固定在转向节或桥壳上，卡钳体则通过销杆 浮动在支架上。卡钳体与支架之间的相对滑动通过固定在支架上的导向销和支 撑销实现。导向销、支撑销与卡钳体导套之间均为间隙配合，使卡钳体在支架 上滑动顺畅，不产生制动器拖滞。但间隙不能过大，否则卡钳体的运动方向将 偏离垂直制动盘的方向，使摩擦副之间不能紧密贴合，造成摩擦块偏磨。 如图2 - 9 a , 在液压盘式制动器中，导向销与卡钳体导套之间通过光杆联接， 间隙较小，主要起导向作用，确保卡钳体垂直于制动盘方向运动。支撑销与卡 钳体导套之间有部分为光杆连接、部分为橡胶件连接。其中光杆部分与卡钳体 导套之间间隙较导向销大，更多地起到支撑卡钳体重量的作用，而橡胶套使制 动平稳并降低噪音。在气压盘式制动器中，导向销、支撑销的工作原理与液压 制动器相同，但结构有差别。如图2 - 9 b ，两销与卡钳体导套之间均为光杆联接， 但导向销的配合间隙较支撑销小，且配合部分较长。 ab 图2 - 9 盘式制动器导向销、支撑销示意图 a 一液压盘式制动器：b 一气压盘式制动器 1 一卡钳：2 支架：3 一导向销：4 一支撑销：5 一橡胶套 为保证制动平稳，导向销和支承销的安装有一定要求，导向销必须装在制 动前点，即制动盘沿车轮前进方向先接触制动器的一边，支撑销则装在制动后 点。若将导向销、支撑销错装，则在制动过程中卡钳体在支架上的滑动失去导 向作用，出现振动现象，造成制动不平稳，引起摩擦块偏磨。当制动结束，摩 擦块需要回位时，也会因为卡钳滑动不平稳而影响回位速度，引起制动器拖滞。 武汉理工大学硕士学位论文 另外若导向销、支撑销强度不足，则可能发生弯曲或损坏的现象，这样也 会导致卡钳体在支架上滑动不畅，引起制动器拖滞。 2 4 3 密封圈和密封槽问题引起的制动器拖滞 1 密封圈问题引起的制动器拖滞 液压浮动钳盘式制动器不仅制动间隙小( 单侧0 0 5 m m - 0 1 5 r a m ) ，而且制动 盘受热膨胀后对轴向间隙几乎没有影响，所以一般都采用一次调准式间隙自调 装置。最简单且常用的结构是在缸体和活塞之间装一个兼起复位和间隙自调作 用的带有斜角的橡胶密封圈，如图2 1 0 ，密封圈截面类似矩形，因此也称为矩 形密封圈。制动时密封圈的刃边是在活塞给予的摩擦力的作用下产生弹性变形， 与极限摩擦力对应的密封圈变形量即等于设定的制动间隙。当摩擦块磨损而导 致活塞行程增大时，在密封圈达到极限变形之后，活塞可在液压作用下克服密 封圈的摩擦力，继续前移到完全实现制动为止。活塞与密封圈之间这一不可恢 复的相对位移便补偿了这一过量间隙。解除制动后活塞在弹力作用下退回，直 到密封圈的变形完全消失，这时摩擦块与制动盘之间重新恢复设定间隙。 图2 1 0 h d b 间隙自调用的密封圈图2 1 1 密封槽局部放大图 液压盘式制动器的密封圈不仅起到密封制动液作用，还起到使活塞回位和 自调自j 隙的作用，属于关键零件，因此对密封圈的几何尺寸及材料性能的要求 非常高。在几何尺寸方面，不仅对内、外径尺寸有要求，对于内径的圆度、外 径的端面跳动度等形位公差均有严格要求。 在材料的物理性能方面，对材料硬度、拉伸强度、伸长率、热空气老化、 最高使用温度等各方面也有严格要求。特别是密封圈的最高使用温度指标对制 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 动器是否能有效工作影响很大。虽然在h d b 中，摩擦块与活塞之间设计有隔热 片、且摩擦块钢背也有较好的散热作用，但仍有部分热量传递给活塞、密封圈， 使温度升高。若密封圈达不到一定的耐高温要求，便会迅速老化、变形，丧失 功能，导致制动液泄漏、活塞不能回位等严重后果。因活塞不能回位，摩擦片 一直接触制动盘，产生严重拖滞现象，造成内外摩擦块偏磨。 2 密封槽问题引起的制动器拖滞 由2 4 3 i 的叙述可知，在制动末状态，h d b 的活塞在密封圈变形后的弹力 作用下回位。矩形密封圈安装在卡钳体中的密封槽内，密封槽的局部放大图如 图2 一1 1 ，其形状对密封圈的变形量有很大影响。当制动加压时，密封圈的刃边 会随着活塞的运动在摩擦力的作用下产生弹性变形，变形量完全由密封槽的前 角形状决定。密封圈的变形量又直接决定了活塞回位的弹力大小。若密封槽前 角尺寸设计不合理，密封圈变形量过小，导致活塞回位的弹力不足，会直接引 起活塞回位困难而产生拖滞，产生内外摩擦块偏磨。 气压盘式制动器中，推杆回位主要靠回位弹簧保证。因回位弹簧的工作条 件较好，所以物理性能相对比较稳定，只要其强度和回位力设计合适，通常较 少出现回位问题 2 4 4 摩擦块压簧、压板问题引起的镧动嚣拖滞 图2 1 2 卡簧安装图 图2 1 3 压板、压簧安装图 在液压盘式制动器中，摩擦块通过卡簧安装在支架上，如图2 一1 2 。而气压 盘式制动器中，摩擦块通过压簧、压板安装在支架和卡钳体内部，如图2 一1 3 。 因此，摩擦块与活塞或推杆之间并未联接。当踩下制动踏板，活塞或推杆推动 武汉理工大学硕士学位论文 摩擦块向制动盘方向运动，而当制动结束、活塞或推杆在回位力作用下回退时， 摩擦块并没有机械外力使之回位，而是依靠车轮的旋转运动使摩擦块被制动盘 甩开。在这个过程中，如摩擦块在支架和卡钳体上滑动受阻，摩擦材料始终接 触制动盘，必然引起制动器拖滞。 液压盘式制动器中，摩擦块总成通过卡簧安装在支架上，摩擦块钢背与卡 簧为线接触，如图2 - 1 4 ，滑动阻力很小。制动器总成装配时，检测摩擦块滑动 阻力，通常f 吃。当r - 一，m 一1 r 一见。 但当i n 过小，即扇形的径向宽度过大时，摩擦块表面在不同半径处的滑磨 速度相差太大，磨损将不均匀，因而单位压力分布将不均匀，则上述计算方法 失效。 在盘式制动器中，实际的制动半径r 是指活塞或推杆的施力中心相对于旋 转中心的距离，如图2 1 7 。若忽略摩擦块上各半径处滑磨速度不同对制动压力 的影响，则当实际制动半径r = 有效制动半径r e 时，可以认为摩擦块上各处压 力相等：当r 偏离有效制动半径r e 时，会引起偏离一边摩擦块上的制动压力大 于另一边的制动压力，从而造成摩擦块偏磨。 综合考虑滑磨速度及制动半径对制动压力的影响，当r r e 时，摩擦块外侧 压力大于内侧压力，外侧摩擦材料的磨损速度比仅考虑滑磨速度时更快，摩擦 块偏磨程度加剧。当r r e 时的情况有所减轻：若两者产生的压力分布不均正好互相抵消，则摩擦块 将磨损均匀，不产生内外侧偏磨现象。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章温度场一接触应力场引起的摩擦块偏磨 3 1 摩擦热、接触应力对摩擦副的影响 摩擦制动器的实质就是能量转换器或热交换器。制动副在很短的时间内把 动能转化成热能。干式制动摩擦系统是由摩擦块、摩擦对偶件及摩擦界面第三 体( 界面膜、磨粒等) 组成。制动摩擦副表面为粗糙表面，具有接触的不均匀 特性，其真实接触面积远小于名义接触面积而且不连续。 在载荷作用下，摩擦部件产生了大量的热，摩擦热严重地影响着材料的物 理一力学性能及化学性能，它是影响材料磨损机理的直接因素。在制动过程中， 摩擦材料与金属对偶件间所产生的摩擦力可以使接触表面变形、粘着点撕裂， 使硬质点或是磨屑产生犁削效应，其作用程度与制动过程的各个参数( 管路压 力，盘片之间的压力分布、车速等) 、材料的性质、表面形貌、以及环境因素( 路 面状况、强迫对流换热) 等有关。大量的研究和实验表明：对于干摩擦及边界 摩擦，在一定压力条件下，摩擦系数和磨损率与最大表面温度之间有着一定的 函数关系。速度对磨损过程的影响主要是通过摩擦温度而很少通过接触的流变 性起作用。 摩擦磨损过程是在对偶件表面微凸体的接触面积上进行，所以材料的磨损 又受到接触区的应力状态和温度以及零件相对移动速度所制约。对于有机基衬 片金属摩擦副而言，摩擦表面温度场分布的不均匀以及接触温度的过商会引 起材料表面一系列力学、物理一化学性能的变化( 如热弹性不稳定性、材料的 热降解、热变形等) 。摩擦热引起摩擦块中的有机物组元间发生热降解等一系列 化学反应和物理作用，其反应速率随温度呈指数增加。在接触界面形成转移膜， 出现“制动热衰退”现象和“氢脆”现象，促进磨粒的形成，加剧材料的磨损。 摩擦材料与金属对偶件的磨损机理十分复杂，主要磨损形式包括热磨损、 磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和宏观剪切等。一般当摩擦表面温度不太高时， 以粘着磨损、磨料磨损为主；而在高温下，以粘着磨损、热疲劳磨损和热磨损 为主。因此摩擦热及其相关的热与热力学现象对摩擦副的摩擦学行为有着非常 重要的影响。事实上，摩擦表面接触温度及温度梯度集中反映了载荷、速度、 摩擦系数、材料的热物理特性及耐久性、摩擦部件的设计尺寸和工作环境等因 素的影响。研究表明，由冷焊产生的粘着撅裂磨损能使表面瞬间温度达到 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 7 6 0 c 。一旦对偶件表面的小块面积开始承受不适当的载荷且其温度比周围表面 高时，它将膨胀并伸出“平均水平面”，形成“热点”( h o ts p o t t i n g ) ，而使表面 压应力变化，进而使得热点周围的区域发生塑性变形，也可能发生冶金变化。 当热流输入下降很快或是制动很快结束时，这一区域的材料很快地被冷却，可 能发生由珠光体到马氏体的相变( 在一定的条件下，可生成摩擦奥氏体、摩擦 马氏体) ，由于马氏体占用的体积比母材金属大，使得这一相变区域更为突出， 因此在这一区域及其周围有可能形成初始裂纹。 另外，在热点处所形成马氏体其硬度大，可能导致表面刮削现象的加剧。 摩擦磨损过程是在对偶件表面微凸体的接触面积上进行，影响制动材料摩擦磨 损的最主要因素有：压力和负荷的变化、摩擦区域中的温度场、名义接触面的 形貌。鉴于盘式制动器的结构特点，制动时盘上某处材料表面与片处于周期性 间歇摩擦接触，这种移动热源所造成的热冲击会导致制动盘发生热疲劳裂纹、 是接触界面摩擦学特性发生变