铝制鼓式制动器的热点及抖动现象.doc

铝制鼓式制动器的热点及抖动现象1、 引言通常情况下，滑动系统在压力均匀的情况下运行，温度在摩擦表面均匀分布。然而，当滑动速度达到某一临界值称为临界转速，接触载荷集中在一个或多个小区域摩擦表面。这就会导致摩擦表面形成局部的温度很高的接触区域，这个区域就被称为热点。由此就会产生摩擦生热作用，热畸变，弹性接触（又被称为摩擦激发热弹性不稳定）。这种现象在许多实际的滑动系统中被观察到，特别是，许多关于热点在汽车或者工业盘式制动器如何形成的实验研究已经开始进行。一般情况下，在乘用车和商用车辆行驶过程中，热点可能会导致严重有害的马氏体相变，还有可能诱导频率较低的振动我们通常称之为制动抖动。现在的理论研究已经通过实验预测出了汽车盘式制动系统的临界转速。特别是，有限元技术已开发三维稳定性分析可以比较准确的预测汽车的临界转速。虽然鼓式制动器已经被广泛应用于汽车和工业制动器，但是在研究鼓式制动器热点方面的科学研究是十分以及极其特别的有限。因此，本研究的重点是观察汽车鼓式制动器热点的形成。特别是最近，汽车行业采用铝为原材料制作刹车用的盘和刹车用的鼓，使用铝为原材料最主要的原因是因为铝比较轻，可以非常有效的降低质量。因为上述原因，所以现在铝制的鼓式制动器被很多人广泛的、大量的研究。Lee就开发了鼓式制动器的有限层模型，同时他还提出了初步的实验观察方案，供其他的研究铝制鼓式制动器的同行借鉴交流。在本文中，我们会主要阐述车辆抖动的测试程序，制动材料性能测量，以及观察的结果和实验的结果。车辆抖动的测试计划的主要目的是来来确定关键热弹性失稳时候的转速。主观评定量表的用途是用来评估每个测试案例的抖动性能。制动鼓摩擦表面在速度为 80.556.4 km/h 5035 mph的一系列制动后，制动器摩擦表面产生的热点可能会造成永久的塑性变形。通过测量两种不同的铝材料临界速度并对其进行对比还有分析和预测，最后，为了减少抖动倾向，又对鼓式制动系统进行了测试，还有各种设计修改，主要包括更换不同的复合刹车片，采用消除应力的鼓，三段的衬里以及一个圆周衬槽。基于TEI指数理论，我们可以讨论他们对热斑点和抖动的倾向的影响有多大。2、实验研究为了评价铝制刹车鼓的制动性能，铝制刹车鼓D1和铝制刹车鼓D2采用不同化学组合物，然后将其分别安装在测试车后轴上。初步的测试结果表明，采用铝制刹车鼓D1的车辆在身体后侧将会有制动抖动产生。测试的司机说：“汽车从速度高于80公里/小时，在比较小的刹车速度下减速或在十分之二个重力加速度左右减速，当车辆停下来时会有比较明显的振动的感觉。一开始，制动鼓的椭圆度被怀疑的是因为汽车振动产生的，但是振动测量结果表明，颤抖鼓径向跳动并不十分明显大于安静的鼓。进一步的实验可以看到抖动的发生与在鼓的摩擦表面产生的深色的可见热点有很强的相关性。当用铝制刹车鼓D2进行测试时，驾驶员则报告了一个比较温和的振动。2.1测试程序确定的临界速度抖动的评级 根据初步的试验观察Tei机构，通过制动抖动的测试计划的开发来确定鼓式制动系统的临界转速。每个测试运行由三套四个十分之二个重力加速度的制动1后面跟着一个二分之一个重力加速度的制动2。同时给定一个初始的速度，一共有十五对不同的初始速度如图所示（表1）。测试初始速度是64.4公里/小时，80.5公里/小时，96.6公里/小时，104.7公里/小时和112.7公里/小时（40英里/每小时，50英里/每小时，60英里/每小时，65英里/每小时和70英里/每小时）为了消除已经用过的材料会产生的影响，每十五个测试运行开始前还需要换上新的刹车材料。已经使用过的刹车材料产生的影响我们将会在3.2节继续为大家讨论。测试车辆的相关尺寸以及刹车制动系统已经在表2中给出。所被调查研究的制动材料的相关性能在表3中已经基本给出。在3.2节我们会着重介绍如何测定这些制动材料的性能。主观的评量表如表4所示，这个主观的评量表主要是用来评估抖动时的每个测试案例的出现的效果。十五对每个测试运行后，当热点的数量可以看见后，分别将其记录在左和右鼓上。表格1图片一2.2车辆实验及观察 车辆测试将采用铝制制动鼓D1与摩擦材料L1。测试主要是用来重复比较鼓D2和摩擦材料L1结果如表1所示。除了对抖动，还对每次刹车进行评级，平均抖动值与热点数如表1所示。随着运行的十五个测试刹车重复制动，同时初速度从64.4公里/小时到104.7公里/小时（40英里每小时到70英里每小时），深色的热点只有在与制动初速度超过了一定的临界值时才会出现。本实验验证了在汽车的鼓式制动器中热弹性失稳存在临界速度。铝制制动鼓D1没有看到任何可见的热点在64.4公里/小时到40.3公里/小时之间速度制动，可是出现了三个热点在左后制动鼓。在时速80.5公里/小时至56.4公里/小时（50英里/小时35英里/小时）时制动，出现了一个热点在右后制动鼓。所以我们可以得出结论，制动临界速度大概在64.4公里/小时（即4.16米/秒的平方）左右。另一方面，铝制制动鼓D2在时速达到96.6公里/小时至72.5公里/小时之间制动时，并没有热点产生。但是当时速达到105公里/小时至80.5公里/小时（65英里/小时至50英里/小时）制动时，可以看到五个热点在左铝制制动鼓，五个热点在右铝制制动鼓。所以我们可以得出结论，制动临界速度大概在96.6公里/小时（即6.24米/秒）。在测试进行的过程中外围的环境温度变化范围为七摄氏度至十五摄氏度。在测试进行中热点出现的时候，制动鼓的温度被观察小于一百摄氏度。铝制制动鼓的温度由一种被应用在制动鼓外表面的涂料可以作为温度指示器的涂料所确定，因此，在摩擦表面的温度可以预计一定肯定会比所观察的到温度高很多倍。随着初始刹车速度的增加，硬币大小的热点的数目将会增加，同时两个热点之间的距离将会趋向于减小。 表格二表格三表格四刹车速度，热点数及抖动率的关系被总结在图片1中。热点数在图片1中应该是平均分布在左右两侧。主观的抖动率增长从零开始，同时热点数也是总零开始。从而，可以证明自我察觉的抖动感是由热点引起的。图片一同时也表明在制动系统中铝制制动鼓D2的临界速度高于铝制制动器D1制动系统的临界速度。原料的独立性对临界速度的影响将会在3.2节中被讨论。图片二包括在进行了各种制动速度的测试后铝制制动鼓D1包含热点的照片。注意当刹车速度增加时，热点数增加并且两个热点间的开始减小。化学分析表明，氧化铝膜在热点面积比周边地区更厚。后制动鼓冷却到室温，在轴的方向热点区被追踪如图二所示。表面轮廓的测量如图三所示。图三(a)对摩擦表面的表面轮廓没有热点。结果表明，没有明显的改变在表面轮廓相对于最初始时新的铝制制动鼓的轮廓表面。图片三（b）显示出由于时速为80.4公里/小时至56.4公里/小时制动所以产生的熱斑会产生永久的塑性变形。热量将会集中在热斑区域在刹车和高压的情况下，最终将会导致永久的变形，在测试完成之后。这些制动鼓永久的由于热点所导致的厚度变化大概与热点的高度相等为7.62微米。虽然热点的尺寸预计将会更大一点在刹车过程中，不过驾驶员并未感受到任何的振动。可视化的检查没有显示出任何破裂的迹象在热点的周围正如经常所看到的在生铁和钢上的热斑。化学分析表明铝的氧化薄膜在熱斑区域的厚度比相邻区域的厚度大。在刹车速度为96.6公里/小时至72.5公里/小时制动时，严重的热点非常高的区域温度以及必然会发生的高磨损率在热点的中心区域。因此，当材料冷却下来后一些小坑将会产生。热点的高度被估计大概为12.7微米在磨损和冷却过程钱产生。热点的量级会足够大的来警告驾驶员，通过一些振动来报告给驾驶员。在更高一点刹车速度（大约113公里/小时至88.6公里/小时之间）制动，材料被移除的过程将会更加迅速，并且对摩擦的表面产生非常严重以及非常危险的损害。在时速113公里/小时至88.6公里/小时制动的平均抖动率0.8同样也比在时速96公里/小时至72公里/小时时制动的平均抖动率0.73更大一点。3、 临界速度的计算3.1一个模型层双面加热 扰动分析已被用于从理论上探讨热稳定性和计算出的摩擦系统的临界转速。它检查系统的稳定性通过寻找条件，该条件为小正弦扰动可以随着时间增长。弹性和热量内部作用的公式产生了特征方程。当增长率被我们设置为零时，这个特征方程可以被我们用来确定临界时候的速度。通过利用这个技术Lee和Barber发明了一个有限层模型。有限的磁盘汽车刹车盘尺寸，该模型有两个加热的面。他们考虑了对称和反对称的热点盘的中间平面，同时他们发现反对称变形模式可以预测汽车盘式制动器中所观察到的临界转速。Yi et al. 11用一个有限元三维盘的稳定性分析发现，主波长和临界速度对三维效果并不产生影响，并支持二维层模型的有效性。Zagrodzki 等人12开发了一个模拟的二维层的非线性瞬态行为的有限元技术和验证他们的结果的直线性，同时还与Lee and Barber 9分析预测比较。虽然两面都可以加热的有限层可以描绘盘式制动系统，但是两面都可以加热的有限层不适合只有一个内部摩擦表面的鼓式制动系统。因此，Lee发明了一个具有一面加热的模型层来分析鼓式制动系统的热不稳定性。实验结果表明，单面加热模式的稳定性表现出来的行为与不对称模式的稳定性极其的相似，单面加热模式的的临界速度比不对称模式的临界速度要高。在汽车盘式制动器中，制动衬套并不是完整的套在制动器的表面，因此盘式制动器的摩擦表面会经历间歇性的滑动接触。Barber 等人16包含了这个影响，通过平均输入热量在圆周上。根据一个假设。这个假设认为一次热畸变的变化是非常极其的渺小的，是可以完全忽略不计的。这个假设由Ruiz Ayala等人17所证实。因为摩擦系数f在真实的热量输入时会出现，所以通过减小摩擦系数f可以有效的减少热量输入。一般通过控制衬里接触长度与圆盘的周长直接的比值减小摩擦系数f。Lee和Barber10采用了减小后的摩擦系数应用于他们的汽车盘式制动器系统的临界速度分析，同时他们还获得了与实际临界速度十分接近的数值。而在汽车的鼓式制动系统中，两个刹车衬套与更多的摩擦表面所接触。因此在鼓式制动系统中对摩擦系数f的减小并没有像在盘式制动系统中那么的大，那么的多。不过，我们仍然发现一个现象，这个现象就是摩擦系数f的减小对临界速度有如此重大的影响以至于鼓式制动器的临界速度要被重新进行精确的计算。3.2 制动材料的热机械性能 实验观察以及理论的研究都十分清楚的表明这样一个事实，这个事实就是临界速度与刹车材料的热机械性能有着密切的不可分开的关系。材料的弹性模量、材料的泊松比、材料热膨胀系数、材料的热传导率、材料的热扩散率以及材料的摩擦系数，材料的这些性质都与临界速度计算有很大关系。在表格三中，材料的弹性模量由英文字母大写E来表示，材料的泊松比由希腊小写v表示，材料的热膨胀系数由希腊字母小写表示，材料的热传导率由英文字母大写K表示，材料的热扩散率由英文字母小写k表示，材料的摩擦系数有英文字母小写f表示。铝制鼓式制动器所需要测量的这些性能都从制造商那里获得的。众所周知，衬里材料的性质是十分相当有困难测量的，这是由温度的独立性决定的。所有衬里的新材料L1和L2由温度的函数来测量。制动衬面材料也有各个方向异性的性质。热扩散率由激光热导方法确定。热传导性通过比热，密度和热扩散率来确定。材料L1的热传导性显示在图四中。比热通过扫描量热器来测定。新的刹车衬面化合物通常会分解，当温度上升时。压力测试在厚度方向上实施。对于摩擦材料L1所测量的压力和应变曲线展示在图片五中。其相关的横向应变曲线与纵向应变曲线被展示在图片六中。新摩擦材料的弹性模量十分明显的受温度影响。每次的测试开始前，都会更换新的制度鼓以及新的摩擦材料。因为摩擦材料最多只能实施15次制动。在测试中，制动鼓的外表面被观察小于100摄氏度。虽然摩擦衬里对温度有依赖性，但是我们可以认为连续的摩擦材料的操作时的温度为60摄氏度。考虑到间歇接触对制动器的影响，在现在的分析中我们把摩擦系数稍微减小。摩擦材料L1的测量出来的摩擦系数是0.32，但用于计算临界速度的摩擦系数我们去0.2。3.3计算出来的临界速度与测量出来的临界速度相比较通过临界速度的参数分析，我们发现摩擦系数和热膨胀率对鼓式制动器的临界速度有很大影响。热传导性和制动鼓材料的弹性模量对临界速度也有一定的影响。这个结果Hartsock等人的分析结果一致。在2.2部分，制动鼓D1临界速度被估计为64.4km/h，制动鼓D2的临界速度被估计为96.6km/h。两个制动鼓所采用的材料不同导致了临界速度不同。因为制动鼓D2的热膨胀系数更低，所以制动鼓D2有更高的临界速度。同时，我们通过实证证明了减小热膨胀系数可以提高临界速度。4实验设计案列研究为了研究热点形成的倾向，我们对实验进行了一些修改。如3.3节所知道的，临界速度可以通过改变制动材料的热机械性能来提高。制动鼓D1被挑选作为对照组。每一个改动的设计会被装在左制动器和右制动器上。所有的设计案列和2.1节的的测试步骤一样。每次设计改动的实验结果总结在表格5中。4.1制动材料改变高摩擦系数的刹车衬里理论研究表明摩擦系数对临界速度有着非常大影响，因此被测试的车辆的制度材料的摩擦系数非常高，结果驾驶员发现非常严重的抖动现象。由此，我们通过实验得出高摩擦系数的摩擦材料的制动系统的临界速度更低。热处理过的制动鼓将制动鼓D1热处理后来测试评估他的热点和抖动特性。热处理是为消除残留的应力。图3在这次研究中两个程序将会被实施，一个是HT1一个HT2。在HT1中，制动鼓会在铸造后进行热处理，再进行机械加工。在HT1中，制动鼓会在铸造机机械加工后再进行热处理。分别测试HT1处理后的制动鼓及HT2处理后的制动鼓。结果显示虽然热点大大减少，但是抖动率都只有轻微的增加。长期使用过的制动器汽车行驶距离达到3300公里时，然后将摩擦的部分做重新的测试来苹果长期使用后的摩擦片产生的影响。通过肉眼检查可以看到12个热点在左制动鼓上还有10个热点在右制动鼓上。在整个抖动测试过程中，驾驶员没有感到任何的振动，同时没有任何的新的点被发现。实验结果表明热点是在最初的抖动测试中产生的。图4图5图6图7图8图9图104.2改变制动衬面的几何形状摩擦衬面的横截面为凹或凸的摩擦衬面的横截面有一个凸出来的摩擦表面。因为最初的几何形状很可能会提升热点数，所以横截面是一个平面或者一个凸面。三个已经检查过的表面展示在图7中。制动鼓D1被测试，测试结果表明抖动率增加而热点数减少。补充的实验也表明当热点的尺寸减小时振动的幅度也会减小。制动鼓D1没有产生任何热点，因此最初的凸面有效的抑制了热点的形成，不过抖动率比平面的摩擦衬面要差一点。由于明显的振动特征，有经验的驾驶员可以分别出因为热点产生的抖动。这个振动在刹车应用后会逐渐消失。经过分段的衬面 Le和 Barber假设衬面的接触长度可以对摄动产生阻碍作用。如果Lee和Barber的假设是真的，我们可以增加鼓式制动器的临界速度仅仅通过减小摩擦衬里的长度。在时速80.5km/h制动时，作为基准的制动器有三个热点，并且两个热点之间的距离被测量为85mm。当制动车速为96.6km/h制动时会产生更多的热点，同时热点之间的间距范围在55至85mm。所以我们决定将摩擦衬面分为三段，每段长为50mm。两个部分之间的弧长为37.5mm。制动鼓D1和3段式的衬面L1被测试的结果如表格5所示。热点数相比于作为基准的制动器明显减少。两热点间的距离范围为84mm至87mm。虽然每个部分比热点空白的部分要小，但是这三部分紧密连接在刹车板上。因此三段式的衬面需要更多的改进。首先，我们打算去掉中间的衬面。两个衬面之间的弧长为125mm,这个长度比热点的空白长度85mm要大。两段式的衬里