載重量對鼓式制動器溫度場的影響

林恩景

（福建省三鋼（集團）物流公司 福建三明365000）

1 前言

根據冶金工程運輸實際需要和經濟效益的問題，很多車輛需要超載運輸。超載運輸因重力加速度和慣性作用又會加長制動距離。這樣長時間制動或緊急制動，制動器里的制動鼓和制動片之間相互摩擦而形成溫度場，積聚著大量的熱量，使摩擦副（指制動鼓與制動片）溫度快速升高，從而導致制動器熱衰退現象發生，極易釀成交通事故。因此，研究車輛在不同載重量情況下對制動器溫度場的影響，確定超載極限值，對冶金工程運輸具有重要的指導意義。

2 制動產生熱量的主要影響因素研究

車輛制動時，制動器里的制動鼓與制動片之間摩擦產生的熱量，根據摩擦生熱原理，熱量計算表達式為［1］：

又根據行駛的距離等于制動時的速度乘以制動時間關系，所以推出：

式中：Q—制動器產生的熱量，N·m；

Fa—制動裝置作用于輪鼓上的制動力，N；

S—行駛的距離，m；

v—制動時的速度，m／s；

t—制動時間，s。

車輛下坡行駛時，發動機處于怠速運行，摩擦阻力和空氣阻力較小，在此忽略，下坡產生的加速度主要是重力加速度。為了行駛安全，只要把車輛控制在一定速度勻速行駛就可以。所以制動裝置作用于各個輪鼓上的制動力（假設是均等的）總和，等于車輛下坡時的重力分力即可，即：

式中：M0—車輛總質量，kg；

M1—貨物總質量，kg；

g—地球重力加速度，m／s2；

ɑ—路面坡度；

n—車輛制動器個數。

單個制動器產生的熱量：

從公式（4）可以分析，制動產生熱量的主要影響因素有：一是車輛自重M0g和載重量M1g（即載荷）；二是路面坡度；三是在制動時的速度；四是制動時間長短；五是車輛制動器個數。且制動產生的熱量與車輛自重加載重量的總和、路面坡度的正弦值、制動時的速度、制動時間長短等都是成正比例關系；與車輛制動器個數成反比例關系。

雖然從理論上得出車輛載重量M1g增加，致使車輛制動時，制動器產生的熱量增加。但結合具體車型、根據實際情況，在車輛制動時，車輛載重量的增加量，對制動器產生熱量（即溫度場）的具體影響，需要建立有限元分析模型進行仿真計算分析。

3 載重量對制動器溫度場的影響

隨著有限元建模技術的發展，在工程領域廣泛應用。在有限元分析和計算過程中，三維模型、材料的各項參數和有限元分析模型建立的準確性，對最終分析結果影響較大，必須對各項參數做到精準。

3.1 建立鼓式制動器三維實體模型

我國目前的重型運輸車輛，基本以鼓式制動器為主。本文以重汽豪沃車鼓式制動器為例，根據主機廠設計部門得到的制動器各部件材料具體參數，用CATIA軟件建立鼓式制動器各部件三維實體模型，如圖1所示。

圖1 制動器實體圖

因制動鼓內部零件較多，很多都不是生熱部件，與制動熱衰退關系不大，對于最終結論計算精度沒有明顯影響，可以簡化。只有制動片與制動鼓是生熱部件。

根據鼓式制動器的物理結構和生熱機理，熱量是由制動鼓的內表面與緊密貼合的制動片外表面之間摩擦作用產生的，其二者的瞬間溫度基本沒有差別。所以本文只選擇對制動鼓進行有限元建模計算分析。

3.2 確定制動鼓材料力學參數

從主機廠設計部門得到的數據，確定制動鼓材料力學參數見表1。

表1 制動鼓材料參數

3.3 建立制動鼓三維實體模型

用CATIA軟件，建立制動鼓三維實體模型，由于制動鼓是對稱的圓形結構，先建立制動鼓橫截面的二維模型選擇參考平面，再用旋轉命令，形成制動鼓的三維實體模型，模型如圖2所示。

圖2 制動鼓三維實體模型

3.4 建立制動鼓有限元模型

運用Ansys軟件對制動鼓進行有限元分析，該軟件具有操作簡單、功能多樣、分析準確等優點，在實際生產中應用廣泛，且具有多種因素耦合現場分析的功能，可以對制動系統的升溫過程進行精確地分析［2］。采用Ansys軟件SOLID70單元（導熱性單元），可在三個方向上傳導熱量，具有八個節點，每個節點都有一定的自由度，可以滿足三維瞬態和穩定狀態分析［3］。

本文應用Ansys軟件，在其他條件如坡度、行駛速度和制動時間保持不變，在實施制動后，分析載重量對制動鼓溫度的影響。首先建立制動鼓三維實體模型，然后導入Ansys軟件SOLID70單元，再根據表1分別定義制動鼓的材料屬性參數，然后進行制動鼓三維模型進行網格劃分，建立制動鼓有限元分析模型，見圖3。

圖3 制動鼓有限元模型圖

3.5 不同載重量下制動鼓溫升情況

根據交通部門發布的數據，針對車輛的額定載重及其倍數，對制動鼓進行模擬溫升試驗。重汽豪沃車輛的基本參數見表2。

表2 車輛基本參數

在額定載重、二倍額定載重、三倍額定載重等不同情況下，分別以比較常見狀態和操作進行：在常見的坡度為4%、以正常的60km／h的車速下坡行駛，制動5s時間。

通過有限元分析研究：在此條件下制動后，制動鼓的溫度變化計算結果如圖4所示。

圖4 不同載重量制動鼓溫升圖

圖4為不同載重量制動鼓溫升圖，從圖4中可知，制動時間同樣在5s內，車輛在額定載重條件下，制動鼓的內表面最高溫升為204.57℃，車輛在二倍額定載重條件下制動鼓的內表面最高溫升為307.27℃，車輛在三倍額定載重條件制動鼓內表面的最高溫升為345.37℃。

3.6 結果分析

在研究國內外專家對車輛制動器失效溫度的論證基礎上，本文選擇200℃作為制動器的安全溫度值，是開始熱衰退溫度；262℃作為制動器熱衰退開始加劇的警告溫度值；310℃作為制動器熱衰退開始發生不可逆反應的危險溫度值。

通過有限元計算結果分析：在其他條件都一樣的情況下，車輛載重量增加越多，車輛自重加速度作用越大，制動鼓溫度升得越高。具體如下：

車輛在額定載重條件下制動5s時間，制動鼓的內表面溫升為204.5℃。靠近200℃，是制動器的安全溫度值。摩擦副間的摩擦系數相對比較穩定，但已經是開始熱衰退的溫度值。

車輛在二倍額定載重條件下制動5s時間，制動鼓的內表面溫升為307.2℃。大于262℃，超過制動器熱衰退開始加劇的溫度，屬警告溫度值。摩擦副間的摩擦系數已經急劇下降，車輛運行已經不安全了。

車輛在三倍額定載重條件下制動5s時間，制動鼓內表面的溫度為345.3℃。大于310℃，超過制動器熱衰退開始發生不可逆反應的危險溫度值。這時制動鼓變形和制動片碳化成粉，失去其摩擦系數較高的優勢，而導致制動失效。若延長制動時間，制動鼓內表面的最高溫升，很容易大于600℃，制動器的制動就基本失效了。

4 結論

綜上分析，車輛在二倍額定載重量條件下超載運行，在常見4%的坡度、以常規60km／h的車速下坡行駛，只要制動5s時間，就很容易產生熱衰退，就已經是不安全行駛了。車輛載重要想控制在二倍額定載重以內安全行駛，車輛首先必須降低行駛速度，其次還要配裝必要輔助制動系統，因為當行駛速度一定時，路面的坡度和長度，從一定程度上決定著制動時間的長短，如：

1）在各個輪鼓外表面加裝噴水冷卻系統。直接降低產生熱衰退的溫度。

2）配裝ABS防抱死系統。既可以控制穩定的制動力，還可以減半制動距離或延長制動時間，有效緩解制動器溫度的升高。

3）配裝排氣制動系統。通過發動機拖滯車輪轉速。

4）在傳動軸中間配裝緩速器。通過電渦流反向扭矩作用，降低傳遞轉速。