鼓式制動器磨損不均勻原因分析

梁慶海

（1.陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003；2.32153部隊，河北 宣化 075100）

引言

鼓式制動器是一種典型的摩擦式制動器，在各型汽車上得到廣泛應用。隨著研發設計水平的提高和材料工藝的改進，盤式制動器相較于鼓式制動器具有更優良的性能，使得盤式制動器逐步取代鼓式制動器成為最主流的車用制動器[1]。但鼓式制動器因其結構簡單和成本低廉，仍然被廣泛應用于許多民用及軍用汽車上，作為行車制動器或者駐車制動器[2-3]。制動器是汽車動力傳動系統中的一個關鍵部件，對行車安全起著至關重要的作用。鼓式制動器在工作過程中經常出現磨損不均勻的現象，導致制動器過早失效[8]。本文從鼓式制動器的結構設計和工作過程進行分析，探究鼓式制動器磨損不均導致過早失效的原因。

1 結構原理及工作過程分析

首先通過2020版的SOLIDWORKS軟件構建鼓式制動器的三維實體模型。SOLIDWORKS是全球知名的三維模型開發與設計軟件，在各個行業及領域中得到廣泛應用。構建的鼓式制動器實體模型如圖1所示，其主要組成部件包括制動鼓、制動蹄、制動傳動機構等。

圖1 鼓式制動器三維實體模型

制動蹄和制動鼓是鼓式制動器的核心工作部件。制動蹄與制動傳動機構安裝在一起并受傳動機構驅動，制動鼓通過緊固螺栓與輪轂固定在一起。在未制動時，制動鼓與制動蹄之間保持一定的間隙；在工作時，制動蹄在傳動機構的作用下與制動鼓壓緊并摩擦，從而產生制動力。通過控制制動的強度及時間，可使制動鼓與輪轂減速或停止，以實現行車制動或駐車制動。

從結構原理上看，由于制動器的主體部分被輪轂所包圍，屬于封閉式或半封閉式的設計結構。這種設計結構不利于制動過程中產生的摩擦熱能的消散，且制動效能受限于制動蹄與制動鼓之間的實際接觸面積的大小。作為鼓式制動器的主要工作及受力部件，制動蹄在工作過程中易發生形變，并引發制動衰退、抖震以及制動效率下降等現象[7-8]。尤其是在崎嶇不平的路面上制動時，其操控穩定性較差。制動不平穩可導致制動蹄與制動鼓遭受較多的應力沖擊。

2 應力及形變分析

輕型車輛上使用的的制動蹄一般由型鋼輾壓或鋼板沖壓焊接而成，而載重車輛上使用的制動蹄則多用可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼或鑄鋁合金等材料制成[6-7]。本文中算例中的制動蹄的材料設定為可鍛鑄鐵，具體的材料參數如表1所示。

表1 制動蹄材料參數

在操縱力的作用下，制動蹄與制動鼓接觸壓緊，制動蹄受制動鼓反向壓應力，同時受到傳動機構及支撐筋板的壓應力。在設定強度為10 000 N的瞬時沖擊應力作用下，制動蹄的靜應力分析結果如圖2所示，形變分析結果如圖3所示。

圖2 制動蹄靜應力分析結果

圖3 制動蹄形變分析結果

從SimulationXpress的分析結果可見，在蹄式制動器的工作過程中，當受到外部沖擊應力的時候，盡管所受的力并未達到材料的屈服力，但制動蹄上的受力并不均勻，邊緣處所受靜應力要大于中間部位所受靜應力，如圖2所示。由此導致的結果是，制動蹄邊緣處產生的形變要大于中間部位，如圖3所示。在這種情況下，制動蹄與制動鼓的實際有效接觸部位為凸起部位，因此該區域首先發生磨損，由于接觸面積為非平面，必然導致磨損距離。當凸起部位磨損至一定程度后，其余區域也開始磨損，直至兩區域的磨損程度趨于一致。在持續的外力沖擊作用下，上述過程不斷重復。隨著工作時間的推移，當累積磨損超過設定閾值，制動器即發生失效。

在緊急制動或者在顛簸路面進行制動的情況下，由于外部沖擊力較大，制動蹄受力極度不均，難以做到平穩制動[5]。根據上述分析結果可知，這種情況必然會導致制動鼓和制動蹄發生不均勻的形變。由于制動蹄和制動鼓均為剛性材料，其產生的形變難以完全恢復到原來的狀態，形變產生的凸起部位必然會發生磨損加劇的情況，進而導致制動器過早失效。

3 結論

通過SOLIDWORKS軟件構建鼓式制動器的三維實體模型，從其結構原理出發分析其結構特點，分析其制動過程中的受力特點和工作特性，并通過SimulationXpress對制動蹄進行應力和形變分析，對鼓式制動器磨損不均勻的原因進行研究。結果表明，外界載荷的綜合作用使得制動蹄發生形變，由此造成制動器的局部磨損加劇，是鼓式制動器磨損不均勻的原因。