乘用車制動盤性能慣性臺架試驗研究

曾繁卓,雷文,周移民,王應國

(中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

0 引言

隨著道路質量的提升，汽車的行駛速度普遍提高，同時車流密度也在不斷增大。為了保證行駛安全，汽車制動系統的可靠性尤為重要。制動執行機構主要包括盤式制動器和鼓式制動器。相比于鼓式制動器制動過程中溫升高、制動效能熱衰退嚴重的缺點，盤式制動器具有制動效能穩定、散熱快和制動力度線性度好的優點[1]。目前，國內的乘用車和客車普遍采用盤式制動器，制動盤作為盤式制動器總成的重要組成部分，其性能的優劣直接影響到行車安全性和駕駛舒適性。

2017年國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會共同發布了強制性法規GB7258-2017《機動車運行安全技術條件》，其中規定了2019年1月1日起危險品貨物運輸半掛車必須配備盤式制動器，2020年1月1日起新生產欄板式、倉柵式半掛車必須配備盤式制動器[2]，足見制動盤的性能已經引起了整個汽車行業的重視。制動盤過度磨損或者磨損不均勻，會引起制動效能下降、制動距離增長；在高溫條件下容易產生變形和裂紋，影響持續制動力，有安全隱患；過度磨損的制動盤如不及時更換會加劇制動片的磨損，縮短制動片使用壽命。在整車測試過程中對制動盤性能的探究有一定難度，相反，在產品設計開發和試驗驗證階段通過慣性試驗臺架對制動盤的性能進行考核測試更為實際可行。因此，本文作者通過Link 3900慣性試驗臺架模擬制動盤在熱容量試驗、高溫驟冷試驗和熱裂紋試驗過程中的性能變化。

1 試驗設計

此次研究利用國家機動車質量監督檢驗中心(重慶)的Link 3900慣性試驗臺，對某款乘用車型的制動盤進行性能測試。根據整車參數的具體要求并結合相關制動盤生產企業的實際需要，通過臺架試驗的方式模擬制動盤在高溫驟冷(水冷方式)以及高溫下連續進行制動試驗，主要考核在不同的極端條件下制動盤上是否會出現貫穿性的裂紋，制動盤的熱容量以及試驗前、后制動盤的厚度變化參數。臺架試驗所需參數如表1所示。

表1 整車參數

1.1 試驗準備

1.1.1 試驗臺主軸轉速的計算

制動器慣性試驗臺主軸轉速與車速按如下關系換算：

n=2.65v/r

式中：n為制動器慣性試驗臺主軸轉速，r/min；v為試驗車速，km/h；r為車輪滾動半徑，m。

經過上述公式計算得到試驗車速對應的轉速如表2所示。

表2 試驗轉速

1.1.2 試驗轉動慣量的計算

試驗中后制動盤試驗轉動慣量分配原則為

I后盤=I0.5整車×25%

I0.5整車=0.5mr2

式中：I后盤為后制動盤試驗慣量，kg·m2；I0.5整車為整車計算慣量的一半，kg·m2；m為汽車滿載質量，kg；r為車輪滾動半徑，m。

經過上述公式計算得到的后制動器的試驗轉動慣量為40.6 kg·m2。

1.2 安裝方式

1.2.1 制動盤安裝方式

對于盤式制動器來說，摩擦片與制動盤表面的貼合程度對制動效能有很大影響，因此，試驗開始前利用百分表在制動盤外沿向內10 mm的圓周上打表測量，必須保證制動盤端面圓跳動控制在0.05 mm以內，盤式制動器總成的拖滯力矩保證在5 N·m以內。同時，在進行熱容量試驗、高溫驟冷試驗以及熱裂紋試驗開始前必須先進行磨合試驗，保證摩擦片與制動盤表面接觸良好。

1.2.2 貼片式熱電偶的安裝方式

由于此次研究主要是對制動盤性能的考核，對于制動盤表面的溫度更為關注。在QC/T 556-1999《汽車制動器溫度測量和熱電偶安裝》中制動盤溫度測量采用在盤面上打孔并深埋熱電偶的方式，但這樣就造成了對制動盤的破壞，影響制動盤測試結果。基于以上原因，試驗過程中采用貼片式熱電偶的溫度測量方法，將貼片式熱電偶安裝在制動盤有效工作半徑的位置上，貼片式熱電偶的安裝位置如圖1所示。

圖1 貼片式熱電偶安裝位置照片

1.3 制動盤厚度測量及裂紋評定方法

1.3.1 制動盤周向厚薄差的測量

在進行熱容量試驗和熱裂紋試驗時，需要測量制動盤的軸向厚薄差。以往的測量方式主要是利用外徑千分尺來測量制動盤不同位置的厚度，但是該方法存在弊端：(1)外徑千分尺縱深較淺，只能測量到制動盤的外徑；(2)外徑千分尺精確到百分位，千分位為估讀，測量誤差較大。基于以上兩點原因，作者采用3組非接觸式的位移傳感器(量程0～2.5 mm，精度0.001 mm)測量制動盤周向厚薄差。在測量前首先確定制動盤的內徑、中徑和外徑，測點直徑參數定義如表3所示，測量位置示意圖如圖2所示。

表3 制動盤測點直徑參數定義

圖2 制動盤測點直徑位置示意

將3組非接觸式的位移傳感器安裝在制動盤內、中、外徑的位置上(見圖3)，試驗前、后分別記錄各測量點左、右傳感器距制動盤的位移值。通過試驗后位移值減試驗前位移值的方式確定制動盤的厚度變化。非接觸式位移傳感器測量原理示意如圖4所示。

圖3 非接觸式位移傳感器安裝位置照片

圖4 非接觸式位移傳感器測量原理示意

1.3.2 制動盤失效判定準則

臺架試驗過程中，當制動盤出現如下現象之一時，則判定制動盤樣品失效：(1)制動盤摩擦面的徑向裂紋長度超過制動盤摩擦面寬度的2/3；(2)制動盤摩擦面的裂紋達到了制動盤摩擦面內徑或外徑；(3)制動盤摩擦面上有貫穿性徑向裂紋；(4)在摩擦面外的任何區域有任何類型的結構損傷或裂紋[3]。

裂紋類型如圖5所示。

圖5 裂紋類型

1.4 試驗方法與步驟

1.4.1 熱容量試驗

從能量角度看，制動是把車輛的動能轉換為機械能并必將以熱的形式耗散的過程。這個能量是在制動階段時制動盤和摩擦片的總熱量，能量以熱的形式耗散。一般情況下，摩擦片材料的導熱系數要比制動盤的小，所以工程中普遍認為制動過程中產生的大部分熱量均被制動盤所吸收[4]。熱容量試驗中按指定條件進行10次連續制動并記錄制動盤的溫度、管路壓力、制動力矩、制動減速度以及試驗前后制動盤周向厚度變化情況，具體實現方法如下所示。

1.4.1.1 磨合試驗

(1)制動初速度80 km/h，制動末速度0 km/h；(2)試驗冷卻風速11 m/s，冷卻空氣的溫度為室溫；(3)調節制動管路壓力，使制動過程中管路壓力恒定為2.0 MPa；(4)制動間隔時間以控制制動盤初溫不超過100 ℃而定；(5)磨合試驗次數為25次。

1.4.1.2 熱容量試驗

在常溫環境下，制動初速度為100 km/h，以4.87 m/s2(0.5g)的減速度制動至停車，制動時間為5.7 s，間隔時間為30 s，以35.7 s為一個制動循環。又從初速度為100 km/h，同樣以4.87 m/s2的減速度制動至停車，總共進行10次制動循環，共計時間357 s；除首次制動時允許通過風冷使制動盤達到規定的初始溫度外，在制動過程中不允許對制動盤進行外部冷卻。具體制動熱容量測試條件如表4所示。熱容量試驗過程照片如圖6所示，熱容量試驗過程曲線如圖7所示。

表4 制動熱容量測試條件

圖6 熱容量試驗過程照片

圖7 熱容量試驗過程曲線

1.4.2 高溫驟冷試驗

車輛在長時間制動后制動盤的溫度可達600～700 ℃，通過水冷的方式對制動盤進行冷卻后容易造成制動盤層裂、龜裂，影響制動器受力；同時，水冷后極易引起制動器局部金屬發生相變，產生新的物質，這些物質的硬度等物理性能與制動盤相差很大時，磨損久了就會產生硬點，減少制動器的接觸面積，降低制動效能。高溫驟冷試驗中按指定條件模擬制動盤高溫后涉水驟冷過程，并記錄制動盤的溫度、管路壓力、制動力矩和制動減速度情況，試驗結束后，待制動盤自然冷卻至室溫后，用染色探傷法檢查制動盤上是否出現裂紋。具體實現方法如下所示。

1.4.2.1 磨合試驗

試驗方法同熱容量試驗前的磨合試驗。

1.4.2.2 高溫驟冷試驗

按表5要求進行制動盤高溫驟冷試驗，在制動過程中不允許對制動盤進行強制冷卻，當制動盤溫度不小于500 ℃(最后一次制動必須是一次完整的制動)時，停止制動試驗(慣性臺架繼續以30 r/min的速度運行，以確保強制冷卻均勻性)，立即按照表6規定的冷卻方式進行冷卻直至制動盤溫度達到表5的規定，停止試驗。高溫驟冷試驗過程照片如圖8所示，高溫驟冷試驗過程曲線如圖9所示。

表5 驟冷試驗測試條件

表6 水冷測試條件

圖8 高溫驟冷試驗過程照片

圖9 高溫驟冷試驗過程曲線

1.4.3 熱裂紋試驗

汽車高速行駛過程中動能急劇增加，制動時產生的熱能也不斷提高，巨大的熱負荷極易使制動盤產生很大的熱應力并導致制動盤出現裂紋[5]。同時，在大減速度制動后，制動盤會出現較大的塑性變形，影響使用壽命。熱裂紋試驗中按指定條件模擬制動盤多次連續制動使制動盤溫升至650 ℃的過程，并記錄制動盤的溫度、管路壓力、制動力矩、制動減速度、制動盤的周向厚薄差情況。試驗結束后，待制動盤自然冷卻至室溫后，用染色探傷法檢查制動盤上是否出現裂紋。具體實現方法如下所示。

1.4.3.1 磨合試驗

試驗方法同熱容量試驗前的磨合試驗。

1.4.3.2 熱裂紋試驗

按表7要求進行制動盤熱裂紋試驗，除首次制動時，允許通過風冷使制動盤達到規定的初始溫度外，在制動過程中不允許對制動盤進行外部冷卻。當制動盤溫度不小于650 ℃時才能進行風冷使其滿足制動初溫要求，每種制動循環規程進行500次。具體熱裂紋試驗條件如表7所示。熱裂紋試驗過程照片如圖10所示，熱裂紋試驗過程曲線如圖11所示。

表7 熱裂紋測試條件

圖10 熱裂紋試驗過程照片

圖11 熱裂紋試驗過程曲線

2 試驗結果分析

2.1 熱容量試驗結果分析

在進行熱容量試驗過程中，Link 3900慣性試驗臺采集并記錄了每一次制動過程中的制動盤溫度、制動的平均扭矩、制動減速度以及制動管路壓力的變化情況。由圖12可以看出：10次制動后制動盤溫度急劇上升，從初溫40 ℃上升至290 ℃；為保證制動平均扭矩和減速度基本恒定，制動管壓出現一定的波動。通過制動盤溫度的變化直觀地反映出制動過程中熱量的變化情況。

圖12 熱容量試驗制動主要參數變化情況

在制動盤的熱容量研究中，分別測量了制動盤外徑和內徑的周向厚度變化，從圖13可以清晰地看出內徑的厚度變化稍大于外徑，但厚度變化均控制在10 μm以內，可滿足制動盤的性能要求。

圖13 制動盤內徑、外徑周向厚薄差

2.2 高溫驟冷試驗結果分析

在進行高溫驟冷試驗過程中，Link 3900慣性試驗臺采集并記錄了每一次制動過程中的制動盤溫度、制動的平均扭矩、制動減速度以及制動管路壓力的變化情況。由圖14可以看出：在100 km/h→0 km/h制動循環規程中，連續制動10次后制動盤溫度就達到了539.6 ℃，制動減速度穩定在9.8 m/s2左右，連續噴水6次后制動盤溫度恢復到51.2 ℃；在150 km/h→70 km/h制動循環規程中連續制動6次后制動盤溫度就達到了518.9 ℃，制動減速度穩定在5.0 m/s2左右，連續噴水6次后制動盤溫度恢復到62.0 ℃；整個試驗過程中為保證減速度基本恒定，制動管壓出現一定的波動。通過制動盤溫度變化曲線可以清晰看出制動盤高溫驟冷的試驗過程。

高溫驟冷試驗后待制動盤冷卻到室溫后，首先檢查制動盤表面。依據上述制動盤失效判定準則的具體規定，判斷制動盤表面沒有出現可見的裂紋。高溫驟冷試驗后制動盤如圖15所示。由于目測過程中可能有小的裂紋肉眼無法識別，可以利用染色探傷法檢查制動盤上是否出現裂紋，如圖16所示，同樣，未出現裂紋。

圖15 高溫驟冷試驗后制動盤照片

圖16 染色探傷法檢測裂紋照片

2.3 熱裂紋試驗結果分析

在進行熱裂紋試驗過程中，Link 3900慣性試驗臺采集并記錄了每一次制動過程中的制動盤溫度、制動的平均扭矩、制動減速度以及制動管路壓力的變化情況。由圖17可以看出：在100 km/h→0 km/h的500次制動循環規程中，平均連續制動18次后制動盤溫度可以達到650 ℃，制動減速度穩定在9.8 m/s2左右；在150 km/h→70 km/h的500次制動循環規程中連續制動9次后制動盤溫度就達到了650 ℃，制動減速度穩定在5.0 m/s2左右；為保證制動平均扭矩和減速度基本恒定，制動管壓出現一定的波動。

在對制動盤的熱裂紋研究中，分別測量了制動盤外徑、中徑和內徑的周向厚度變化，記錄制動100次、400次、700次和1 000次時制動盤周向厚度變化情況。從圖18可以清晰地看出：隨著熱裂紋試驗次數的增加制動盤的磨損也在增加，周向厚薄差變大；當進行到1 000次熱裂紋的試驗時，制動盤厚度變化約70 μm，周向厚度變化均控制在10 μm以內，可滿足制動盤的性能要求。

圖17 熱裂紋試驗制動主要參數變化情況

圖18 熱裂紋試驗制動盤內徑、中徑和外徑周向厚薄差

熱裂紋試驗后待制動盤冷卻到室溫后，首先檢查制動盤表面。依據上述制動盤失效判定準則的具體規定，判斷制動盤表面沒有出現可見的裂紋。熱裂紋試驗后制動盤如圖19所示。由于目測過程中可能有小的裂紋肉眼無法識別，可以利用染色探傷法檢查制動盤上是否出現裂紋，如圖20所示，同樣，未出現裂紋。

圖19 熱裂紋試驗后制動盤照片

圖20 >熱裂紋試驗后染色探傷法檢測裂紋照片

3 結束語

利用Link 3900慣性試驗臺架完成了用車制動盤的熱容量、高溫驟冷和熱裂紋試驗，規定具體試驗參數的選擇、試驗結果的評判標準，設計了一套完整的試驗方案，并對試驗結果進行分析和總結。該研究可以滿足當前乘用車制動盤性能研究的需求，為實車制動路試以及整車制動器總成的匹配提供參考。