鼓式制動器熱衰退的抑制

劉燕斌 黃超杰 杜??

摘 要：鼓式制動器的溫升如果過高，會使制動器發生熱衰退導致制動效能急劇下降，從而威脅人的生命和財產安全。本文在鼓式制動器的溫升模型的基礎上，總結了一些抑制鼓式制動器熱衰退的方法。

關鍵詞：鼓式制動器；熱衰退；溫升模型；輔助制動；冷卻裝置

近年來，交通事故頻發，人們越來越關注汽車的安全性能。而汽車的制動性能是其中重要的一環。而制動器的好壞也很大程度上決定了汽車制動性能的好壞。鼓式制動器因其有較高的制動效能及技術成熟、價格便宜等因素廣泛引用在貨車、客車及部分乘用車上。然而鼓式制動器卻因為其容易發生熱衰退而使制動效能下降。有關的研究資料證明，道路交通事故中有40%是與汽車的制動性能失效相關的。若能夠抑制鼓式制動器的熱衰退，使摩擦片的摩擦系數保持一定大小，從而使鼓式制動器保持良好的制動性能。

1 鼓式制動器溫升模型的建立

1.1 鼓式制動器生熱與散熱過程

汽車需要減速或停車時，通過制動，汽車的動能轉化為輪胎和制動器的內能。制動器吸收熱量而溫度升高。與此同時，制動器也向周圍壞境中散發熱量。散熱有三種不同的方式，分別是熱傳導的方式、熱輻射的方式和熱對流的方式。鼓式制動器的散熱中這三種方式都是存在的。

一般情況下，制動鼓因輻射散發的熱量約占制動鼓總的散熱量的5%～10%。以熱對流方式散掉的熱量占總散熱量的80%以上，所以鼓式制動器最主要的散熱方式是熱對流。制動器通常會密封，內部的空氣一般流動很小，因此制動器內表面基本不會進行熱對流的散熱。制動器的對流散熱主要在制動鼓的外表面。

1.2制動溫升數學模型的建立

設鼓式制動器在制動過程中摩擦生熱量為Q，通過熱輻射方式散發的熱量為Q1，通過熱對流方式散發的熱量為Q2，制動鼓的質量為m，比熱容為c，則鼓式制動器的溫升計算公式為：

2 減少熱衰退的一些方法

通過分析公式（1），可知減少熱衰退可從以下方面進行：增大制動鼓質量m和制動鼓的比熱容c；減少鼓式制動器的摩擦生熱量Q；加快制動器散熱速度。

2.1 減少生熱量Q

根據能量守恒定律，汽車減速到一定程度，動能轉化為熱量的多少是一定的，要想減少制動器的摩擦生熱量，就需要別的地方來把能量來轉化。主要為汽車的輔助制動。

2.1.1發動機制動

現代四沖程發動機的工作行程有進氣行程、壓縮行程、膨脹行程和排氣行程，只有膨脹行程作正功。發動機制動就是在需要制動時，停止向發動機供燃油，發動機的四個行程沒有做正功的，即沒有向外提供機械能，發動機處于反拖狀態，四個行程都消耗機械能，把機械能轉化為內能，并有散熱系統散失掉。

發動機制動時最常見也最簡單的輔助制動形式。發動機制動時，松開油門踏板和離合器踏板，變速器不能處于空擋。這時，由于節氣門不開，發動機不能得到燃油，從而逐漸停轉，汽車在慣性作用下，繼續向前行駛，汽車將倒拖發動機。發動機繼續運轉，消耗汽車的動能，從而實現緩速制動作用。在汽車倒拖發動機運轉過程中消耗的功主要有：機械摩擦損失、壓縮氣體損失、泵氣損失、發動機驅動各個附件的功的損失等。隨著科技不斷進步，發動機隨著科技的不斷進步，為追求更大的驅動功率，發動機的機械損耗在逐漸降低，因此發動機制動時的制動功率也隨之變小。

2.1.2排氣制動

排氣制動原理與發動機制動類似。排氣制動在排氣管內加裝了一個排氣制動閥。在排氣制動時，排氣閥關閉，發動機的排氣阻力就會增加，排氣管內壓力增大，氣缸內的氣體壓力也隨之增大。這樣，活塞往復運動要克服的阻力增大了，從而增大了發動機制動的功率，從而使車速降低。

日本有70%左右的柴油發動機汽車上采用了排氣制動，如今，我國也開始在汽車上大面積采用排氣制動。

2.1.3發動機緩速器

發動機緩速器是在排氣制動上的改進。在切斷燃油供給，后發動機做功行程變成由壓縮行程中被壓縮氣體膨脹做功的過程。在壓縮行程時，通過開啟排氣閥，使被壓縮的氣體排出，從而減少了膨脹過程氣體對外做的功，從而提高了制動效能。

2.1.4電渦流緩速器

電渦流緩速器的原理是法拉第電磁感應定律，它能將汽車的動能轉化為熱能釋放到外界。電渦流緩速器通常由兩部分組成，即機械系統和電控系統。機械系統主要由轉子和定子組成。定子一般安裝在車架上，由非磁性材料組成；轉子一般安裝在驅動軸兩側，由軟磁性材料組成。汽車正常行駛時，電渦流緩速器不工作，定子線圈無電流，轉子自由轉動。當電渦流緩速器工作時，定子線圈內通入電流，從而產生磁場。轉子轉動切割磁感線，由法拉第電磁感應定律可知，轉子內形成渦電流，進而產生磁場，由磁場的相互作用產生阻礙轉子轉動的力矩，此力矩通過轉子作用到驅動軸上從而進行制動。此過程，把汽車的動能轉化為電渦流產生的熱能，并散發到空氣中。

2.1.5液力緩速器

液力緩速器與液力變矩器有些相似。液力緩速器中的定子和轉子對置，形成工作腔。定子相當于渦輪，轉子相當于泵輪。汽車正常行駛時，液力緩速器不工作，工作腔內沒有油液，轉子轉動無阻礙。緩速器工作時，工作腔中流入油液，這些油液被轉子帶動沖向定子的葉片上，使定子轉動。之后油液流出定子再次流回轉子，方向與轉子轉動方向相反，阻礙轉子的轉動。轉子連接傳動軸，進而對車輛進行制動。從此過程中，油液速度降低，溫度增大，汽車的動能轉化為油液的內能，最后散發到大氣中。

2.2 加快鼓式制動器的散熱速度

除了改進制動器的結構（在制動鼓上增加葉片、或采用組合式制動器的方法等）和應用散熱速度快的材料制造制動器，加快鼓式制動器散熱速度的方法主要為對制動器進行冷卻，分為水冷和風冷兩種方式。

2.2.1水冷方式

水冷裝置包括直接淋水裝置、氣壓淋水冷卻裝置。

直接淋水裝置由電動水泵使水淋出對制動器進行冷卻。駕駛員一般根據自己的經驗判斷制動器是否過熱，打開冷卻閥門或通過電信號控制電磁閥開啟或關閉水路。這種裝置結構比較簡單，成本低，淋水量不能自動調節，且容易分散駕駛員的注意力。

氣壓淋水裝置通過貯氣筒內的高壓空氣對冷卻水加壓進行淋水使制動器冷卻。這種裝置易改裝，是目前解決制動性能熱衰退常用的方法。氣壓淋水裝置存在的問題是，水箱無水時不容易發現，且存在氣體泄漏，使制動系統氣壓不足，導致制動效能下降而誘發的交通事故。

2.2.2風冷方式

強制風冷裝置：壓風裝置與變速器取力器相連，在制動底板上開噴氣嘴，同時制動鼓外壁設計散熱翅片。這種裝置結構簡單，避免了水淋冷卻裝置管道易堵塞的問題，在小型車上有很大應用。但由于壓風裝置與變速器相連，在車輛行駛中一直處于工作狀態，造成能量損失；且隨著車速降低，冷卻效果也跟著降低，散熱能力有限。

2.3其他方法

駕駛員駕駛行為控制：不要超速行駛，不要超載，保持足夠安全車距，保持鎮定，避免緊急剎車等等。

道路條件：公路修建時避免長大下坡的道路，坡度盡量小，減少急轉彎道路等等。

3 結語

在一些貨車和客車上，單靠行車制動器不能保證行車制動的安全性，就需要加裝輔助制動器或者制動器的冷卻裝置。這方面，國家也有了相應的研究及一些法規，但應用仍不足。期待更多的研究和應用。

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作者簡介：

劉燕斌 （1990--） ，男 ，山西太原人，碩士在讀，車輛工程專業。