越野車輛制動摩擦片異常磨損問題研究與改進

司小云 何纓 馬文倫 郭萬富 張占峰

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

越野車輛制動摩擦片異常磨損問題研究與改進

司小云 何纓 馬文倫 郭萬富 張占峰

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

以某越野車為研究對象，針對其在可靠性試驗中出現的制動器摩擦片異常磨損問題，通過采集試驗場制動過程數據建立制動載荷譜，確定故障原因為制動閥結構不合理導致前、后輪制動氣壓產生壓差。在此基礎上通過改進制動閥下腔活塞結構，開發了新型零壓差制動閥。臺架試驗和道路試驗結果表明，優化后異常磨損現象得到良好改善。

1 前言

摩擦片作為制動系統的重要組成部件，直接影響到車輛制動性能的優劣。在車輛可靠性試驗過程中，經常出現制動摩擦片異常磨損的問題，汪桂金[1]等人對客車前、后制動器摩擦片磨損不均現象進行了分析，認為制動力分配不均和制動時間的不協調是導致異常磨損的主要原因。本文通過制動性能載荷譜采集、數據分析、理論計算和結構優化解決了越野車輛制動摩擦片異常磨損的問題，可為制動系統開發工作提供一定的參考。

2 制動摩擦片異常磨損問題

2.1 問題描述

某型越野車輛在山區、強化及越野路面可靠性試驗過程中，行駛里程達到8 000 km時，出現前、后輪制動器摩擦片磨損不均勻，后輪摩擦片磨損過快、脫落等異常磨損，如圖1所示。

圖1 摩擦片異常磨損情況

由圖1可以看出：部分制動摩擦片的摩擦材料被磨損并完全消失，未能及時被發現并更換，導致后續制動過程中摩擦片鋼背板與制動盤直接接觸摩擦，制動盤摩擦表面亦可能遭受一定程度損壞；部分摩擦片出現摩擦材料脫落的情況，局部露出制動摩擦片鋼背板。

同時在車輛維修保養過程中，測量車輛前、后輪制動器摩擦片摩擦材料的磨損量，可直觀地發現其磨損不均勻，后輪摩擦片的磨損明顯快于前輪，且其磨損量為前輪摩擦片磨損量的2～3倍，如表1所示，其中，摩擦材料極限磨損厚度為21 mm，“左上”“左下”“右上”“右下”為摩擦片測量點。

表1 前、后輪制動器摩擦片磨損量 mm

2.2 試驗場可靠性試驗路面制動工況載荷譜采集

根據試驗場可靠性試驗路面制動工況負荷率統計結果，車輛試驗過程中，制動時間占總試驗時間的比例為18%。通過采集試驗過程中制動工況的制動氣壓（見圖2）可以發現，可靠性試驗過程中95%以上的制動工況為制動氣壓低于150 kPa的小氣壓制動，最頻繁的制動氣壓集中在約100 kPa。

圖2 車輛制動氣壓統計示意

試驗過程中對強化路面、越野路面及山區路面分別采集1個循環的制動工況下制動氣壓數據，如表2～表4所示，可以發現，在3種不同試驗路面中，任意不同制動強度的制動工況下，前輪制動氣壓均明顯小于后輪制動氣壓，氣壓差與前輪氣壓比值達到40%～196%，依據制動器摩擦片磨損量常用的衡量指標判斷，該氣壓差值將使摩擦片的磨損情況產生巨大差異。

2.3 摩擦片磨損量的衡量指標

制動器摩擦片的磨損與摩擦副的材質、表面加工情況、溫度、壓力以及相對滑磨速度等多種因素有關。同一車輛前、后輪制動器及摩擦片規格相同的條件下，對于盤式制動器，可采用摩擦片與制動盤間的平均壓力qp作為衡量磨損量的指標[2]：

根據FAO和聯合國與世界貿易組織下屬機構ITC官方網站公布的歷史數據,我們可以把世界和中國甘薯貿易大致分為3個階段.

式中，N為摩擦片與制動盤間的法向力；A為摩擦片的摩擦面積。

表2 越野路面制動氣壓數據

表3 強化路面制動氣壓數據

表4 山區路面制動氣壓數據

對于盤式制動器，N由制動器結構參數及車輛制動工況下的制動氣壓組成的經驗公式決定：

式中，S為氣室有效面積，本文中前、后輪制動氣室規格一致，有效面積相同；P為前、后制動回路制動氣室氣壓；i為制動器杠桿比，本文中前、后輪制動器規格一致，制動器杠桿比相同。

根據表2～表4中的數據值及氣壓差與前輪氣壓比值結合式（1）、式（2）可知，前、后制動摩擦片的磨損量差距將達到40%～196%。

2.4 前、后輪制動氣壓差產生的原因

該車型制動控制系統原理見圖3，車輛后輪繼動閥輸入輸出比例為1:1，可知車輛前、后輪制動壓力差值是由車輛匹配的制動閥總成輸入輸出特性決定的，通過臺架實測出該制動閥總成的靜特性曲線如圖4所示。其中，制動閥總成上、下腔輸出氣壓P21、P22分別用于控制車輛后制動回路和前制動回路制動動作。由圖4可知，制動閥總成輸出氣壓低于600 kPa時，該制動閥總成上、下腔的輸出氣壓最大差值ΔP≈50 kPa，與表2～表4中的數據相吻合，證明了摩擦片磨損不均勻的原因為制動閥總成上、下腔輸出氣壓存在壓差，導致車輛前、后制動回路制動氣壓相差較大。

圖3 車輛行車制動系統示意

圖4 制動閥總成靜特性曲線

2.5 制動閥總成輸出特性理論分析

圖5 制動閥總成內部結構

制動閥總成氣壓輸出達到穩定狀態時，中活塞在上述力的作用下處于受力平衡狀態[3]：

實測得到T1=20 N、T2=23 N，中活塞及下腔閥門各處受力面積均已知，模擬表2～表4中采集的可靠性路面小制動工況的制動氣壓數據，假設某一制動工況下，上腔輸出氣壓Pup=150 kPa，由式（3）～式（5）分別求得下腔輸出氣壓Pdown=98.3 kPa，制動閥上、下腔輸出氣壓差ΔP=Pup-Pdown=51.7 kPa，可知該型制動閥理論計算得出的上、下腔輸出氣壓差值與表2～表4中車輛可靠性試驗過程中的壓差采集數據及圖4中實測差值數據相吻合，進一步證明了車輛前、后輪盤式制動器摩擦片磨損不均勻原因為制動閥總成上、下腔輸出氣壓存在壓差。

3 優化改進措施

3.1 結構改進

由2.5節的分析可知，上、下腔壓差產生的主要原因是作用力F2、F4、F5、T1、T2的影響，改進措施（見圖6）為：在上活塞底部增加活塞頂桿及驅動彈簧并連接至中活塞上表面，在上活塞下行的過程中，上活塞直接施加額外的力F6作用于中活塞上表面以平衡T1、T2、F4；同時在下腔閥門下部增加密封結構，并優化中活塞與下腔閥門的配合尺寸消除F2、F5的作用，最終使F2≈0，F5為0。

圖6 制動閥總成優化改進結構

3.2 優化后壓差計算

制動閥總成優化后，氣壓輸出達到穩定狀態，中活塞在圖5、圖6所示全部力的作用下處于受力平衡狀態：

已知F2≈0、F6=T1+T2+F4，由式（6）可得F1=F3，結合式（4）、式（5）可得Pup=Pdown，達到優化改進目標。

4 試驗驗證

優化改進后的制動閥總成理論上上、下腔制動氣壓壓差為0，通過臺架試驗及實車試驗進行驗證。

4.1 臺架試驗驗證

改進后的制動閥總成特性曲線如圖7所示，由圖7可知，全氣壓范圍內，該制動閥總成上、下腔的輸出氣壓曲線接近重合，上、下腔輸出氣壓差值ΔP≈0。

圖7 改進后制動閥總成靜特性曲線

4.2 道路試驗驗證

將該制動閥總成換裝到故障車輛上，在同樣的可靠性試驗路面工況下，采集的制動氣壓數據如表5所示，對比表2可知，在可靠性試驗過程中，車輛前、后橋的制動氣壓差不超過5 kPa，可忽略。經過約8 000 km類似可靠性試驗后，測得摩擦片磨損數據如表6所示，與表1對比發現，車輛前、后輪摩擦片磨損量趨于一致，后輪摩擦片磨損過快及異常磨損的故障消除。

表5 制動閥結構優化后越野路面制動氣壓

表6 制動閥結構優化后制動器摩擦片磨損量 mm

5 結束語

本文針對車輛前、后輪盤式制動器摩擦片磨損不均勻，后輪摩擦片磨損過快、摩擦材料脫落等異常磨損問題，對制動閥內部結構、活塞受力情況進行了理論分析并對制動載荷數據進行采集，明確了故障原因為制動閥上、下腔輸出氣壓存在壓差。通過制動閥總成內部結構的改進優化，開發出新型零壓差制動閥，消除了上、下腔輸出氣壓壓差，達到改進目標。理論計算及試驗驗證表明，該新型零壓差制動閥總成能夠解決車輛出現的制動摩擦片異常磨損故障問題。

1 汪桂金，劉文虎，孫克亮.客車盤式制動器摩擦片前后磨損不均的分析.客車技術與研究，2015（8）：4～54.

2 劉維信.汽車設計.北京：清華大學出版社，2001.

3 沈言行.氣制動工作閥類的靜特性計算.汽車技術，1981（7）：2～12.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年10月24日。

Study and Improvement of the Abnormal Wear of Braking Friction Plate for Off-road Vehicles

Si Xiaoyun,He Ying,Ma Wenlun,Guo Wanfu,Zhang Zhanfeng
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

This paper studies the abnormal wear of brake friction plate in the reliability tests for an off-road vehicle.By collecting the data in braking on the proving ground to establish braking load spectrum,we conclude that the abnormal wear is caused by air pressure difference between the front brake and the rear brake resulting from improper structure of the brake valve.On this basis,by optimizing the piston structure of the brake valve lower chamber,we develop a new brake valve featuring zero pressure difference.Bench test and road test results show that,with optimization,the abnormal wear of brake friction plate is eliminated.

Friction plate,Brake valve,Abnormal wear

摩擦片 制動閥 異常磨損

U461.3

A

1000-3703（2017）02-0034-04