载重量对鼓式制动器温度场的影响

林恩景

（福建省三钢（集团）物流公司 福建三明365000）

1 前言

根据冶金工程运输实际需要和经济效益的问题，很多车辆需要超载运输。超载运输因重力加速度和惯性作用又会加长制动距离。这样长时间制动或紧急制动，制动器里的制动鼓和制动片之间相互摩擦而形成温度场，积聚着大量的热量，使摩擦副（指制动鼓与制动片）温度快速升高，从而导致制动器热衰退现象发生，极易酿成交通事故。因此，研究车辆在不同载重量情况下对制动器温度场的影响，确定超载极限值，对冶金工程运输具有重要的指导意义。

2 制动产生热量的主要影响因素研究

车辆制动时，制动器里的制动鼓与制动片之间摩擦产生的热量，根据摩擦生热原理，热量计算表达式为［1］：

又根据行驶的距离等于制动时的速度乘以制动时间关系，所以推出：

式中：Q—制动器产生的热量，N·m；

Fa—制动装置作用于轮鼓上的制动力，N；

S—行驶的距离，m；

v—制动时的速度，m／s；

t—制动时间，s。

车辆下坡行驶时，发动机处于怠速运行，摩擦阻力和空气阻力较小，在此忽略，下坡产生的加速度主要是重力加速度。为了行驶安全，只要把车辆控制在一定速度匀速行驶就可以。所以制动装置作用于各个轮鼓上的制动力（假设是均等的）总和，等于车辆下坡时的重力分力即可，即：

式中：M0—车辆总质量，kg；

M1—货物总质量，kg；

g—地球重力加速度，m／s2；

ɑ—路面坡度；

n—车辆制动器个数。

单个制动器产生的热量：

从公式（4）可以分析，制动产生热量的主要影响因素有：一是车辆自重M0g和载重量M1g（即载荷）；二是路面坡度；三是在制动时的速度；四是制动时间长短；五是车辆制动器个数。且制动产生的热量与车辆自重加载重量的总和、路面坡度的正弦值、制动时的速度、制动时间长短等都是成正比例关系；与车辆制动器个数成反比例关系。

虽然从理论上得出车辆载重量M1g增加，致使车辆制动时，制动器产生的热量增加。但结合具体车型、根据实际情况，在车辆制动时，车辆载重量的增加量，对制动器产生热量（即温度场）的具体影响，需要建立有限元分析模型进行仿真计算分析。

3 载重量对制动器温度场的影响

随着有限元建模技术的发展，在工程领域广泛应用。在有限元分析和计算过程中，三维模型、材料的各项参数和有限元分析模型建立的准确性，对最终分析结果影响较大，必须对各项参数做到精准。

3.1 建立鼓式制动器三维实体模型

我国目前的重型运输车辆，基本以鼓式制动器为主。本文以重汽豪沃车鼓式制动器为例，根据主机厂设计部门得到的制动器各部件材料具体参数，用CATIA软件建立鼓式制动器各部件三维实体模型，如图1所示。

图1 制动器实体图

因制动鼓内部零件较多，很多都不是生热部件，与制动热衰退关系不大，对于最终结论计算精度没有明显影响，可以简化。只有制动片与制动鼓是生热部件。

根据鼓式制动器的物理结构和生热机理，热量是由制动鼓的内表面与紧密贴合的制动片外表面之间摩擦作用产生的，其二者的瞬间温度基本没有差别。所以本文只选择对制动鼓进行有限元建模计算分析。

3.2 确定制动鼓材料力学参数

从主机厂设计部门得到的数据，确定制动鼓材料力学参数见表1。

表1 制动鼓材料参数

3.3 建立制动鼓三维实体模型

用CATIA软件，建立制动鼓三维实体模型，由于制动鼓是对称的圆形结构，先建立制动鼓横截面的二维模型选择参考平面，再用旋转命令，形成制动鼓的三维实体模型，模型如图2所示。

图2 制动鼓三维实体模型

3.4 建立制动鼓有限元模型

运用Ansys软件对制动鼓进行有限元分析，该软件具有操作简单、功能多样、分析准确等优点，在实际生产中应用广泛，且具有多种因素耦合现场分析的功能，可以对制动系统的升温过程进行精确地分析［2］。采用Ansys软件SOLID70单元（导热性单元），可在三个方向上传导热量，具有八个节点，每个节点都有一定的自由度，可以满足三维瞬态和稳定状态分析［3］。

本文应用Ansys软件，在其他条件如坡度、行驶速度和制动时间保持不变，在实施制动后，分析载重量对制动鼓温度的影响。首先建立制动鼓三维实体模型，然后导入Ansys软件SOLID70单元，再根据表1分别定义制动鼓的材料属性参数，然后进行制动鼓三维模型进行网格划分，建立制动鼓有限元分析模型，见图3。

图3 制动鼓有限元模型图

3.5 不同载重量下制动鼓温升情况

根据交通部门发布的数据，针对车辆的额定载重及其倍数，对制动鼓进行模拟温升试验。重汽豪沃车辆的基本参数见表2。

表2 车辆基本参数

在额定载重、二倍额定载重、三倍额定载重等不同情况下，分别以比较常见状态和操作进行：在常见的坡度为4%、以正常的60km／h的车速下坡行驶，制动5s时间。

通过有限元分析研究：在此条件下制动后，制动鼓的温度变化计算结果如图4所示。

图4 不同载重量制动鼓温升图

图4为不同载重量制动鼓温升图，从图4中可知，制动时间同样在5s内，车辆在额定载重条件下，制动鼓的内表面最高温升为204.57℃，车辆在二倍额定载重条件下制动鼓的内表面最高温升为307.27℃，车辆在三倍额定载重条件制动鼓内表面的最高温升为345.37℃。

3.6 结果分析

在研究国内外专家对车辆制动器失效温度的论证基础上，本文选择200℃作为制动器的安全温度值，是开始热衰退温度；262℃作为制动器热衰退开始加剧的警告温度值；310℃作为制动器热衰退开始发生不可逆反应的危险温度值。

通过有限元计算结果分析：在其他条件都一样的情况下，车辆载重量增加越多，车辆自重加速度作用越大，制动鼓温度升得越高。具体如下：

车辆在额定载重条件下制动5s时间，制动鼓的内表面温升为204.5℃。靠近200℃，是制动器的安全温度值。摩擦副间的摩擦系数相对比较稳定，但已经是开始热衰退的温度值。

车辆在二倍额定载重条件下制动5s时间，制动鼓的内表面温升为307.2℃。大于262℃，超过制动器热衰退开始加剧的温度，属警告温度值。摩擦副间的摩擦系数已经急剧下降，车辆运行已经不安全了。

车辆在三倍额定载重条件下制动5s时间，制动鼓内表面的温度为345.3℃。大于310℃，超过制动器热衰退开始发生不可逆反应的危险温度值。这时制动鼓变形和制动片碳化成粉，失去其摩擦系数较高的优势，而导致制动失效。若延长制动时间，制动鼓内表面的最高温升，很容易大于600℃，制动器的制动就基本失效了。

4 结论

综上分析，车辆在二倍额定载重量条件下超载运行，在常见4%的坡度、以常规60km／h的车速下坡行驶，只要制动5s时间，就很容易产生热衰退，就已经是不安全行驶了。车辆载重要想控制在二倍额定载重以内安全行驶，车辆首先必须降低行驶速度，其次还要配装必要辅助制动系统，因为当行驶速度一定时，路面的坡度和长度，从一定程度上决定着制动时间的长短，如：

1）在各个轮鼓外表面加装喷水冷却系统。直接降低产生热衰退的温度。

2）配装ABS防抱死系统。既可以控制稳定的制动力，还可以减半制动距离或延长制动时间，有效缓解制动器温度的升高。

3）配装排气制动系统。通过发动机拖滞车轮转速。

4）在传动轴中间配装缓速器。通过电涡流反向扭矩作用，降低传递转速。