浅谈国内重卡制动鼓失效的原因

周彬，张振华，王欢锐

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710200）

浅谈国内重卡制动鼓失效的原因

周彬，张振华，王欢锐

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710200）

本文首先描述了目前国内制动鼓存在的龟裂、掉底、断裂的失效模式，接着从制动鼓材质、组织、配合、工况及使用方面对其失效进行原因分析并归纳整理。

龟裂；片状石墨；轮辋

CLC NO.: U463.5 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2014)09-10-03

前言

在汽车的制动系统中，制动鼓是其主要部件之一，随着汽车向高速重载方向的发展，制动鼓的失效问题成为行业不可忽视的排名前十的售后失效模式。当制动鼓发生龟裂或断裂失效后，会严重威胁人们的安全。目前国内各制动鼓生产厂家、车桥厂、主机厂及高校从各个方面对制动鼓的失效进行分析改进，以期延长制动鼓的使用寿命。

1、制动鼓的失效模式

目前，根据各主机厂售后三包件统计，制动鼓失效主要包括以下几种：开裂、龟裂、掉底及磨损。其中，掉底失效多发生于前桥，而断裂、龟裂及磨损好发于中、后桥，尤其以后桥最严重。

根据某公司2011年统计，制动鼓总体行驶里程发生在1-3万公里的故障数最高，占总故障数的46.71%，其次是0-1万公里外，占26.14%，5万公里以上的仅占10.35%。按车型统计，6*4车型的制动鼓失效占到60%以上，这种车型主要为自卸车，用于矿区，其速度不高，但载重量较大，最终导致制动鼓失效平均里程减少，龟裂和断裂失效频率增大。

2、制动鼓失效原因分析

2.1 制动鼓材质

制动鼓的硬度及摩擦系数影响其制动性能，高的硬度可以提高其耐磨性，但过高的硬度又会降低其摩擦系数，为兼顾两者[1]，必须严格规定制动鼓的化学成分、组织及性能。

文献[2],[3]指出，制动鼓碳硅当量保证在3.8-4.0之间，同时Si/C推荐值为0.6-0.9，添加一定量的Cu、Cr，或其他诸如V、Ti、Sn、Nb等微合金元素，制动鼓各项性能较好。国内目前有从材料角度提高制动鼓强度到300MPa以上的，即降低碳当量，牺牲导热性，这会带来加工性能恶化的问题以及制动啸叫问题；碳当量过高，制动鼓强度、硬度降低，易于发生早期磨损及掉底现象。

2.2 制动鼓金相组织及硬度

文献[4]指出，制动鼓基体硬度在190-210之间，珠光体含量在95%以上时，制动鼓摩擦磨损性能较好。

目前国内应用最多的为HT250制动鼓，A型片状石墨，石墨长度3-5级，不允许存在其他类型的石墨，如图2所示的B型过冷石墨，会降低制动鼓基体强度。

有文献[5]指出，石墨形态为蠕虫状的铸铁强度比灰铁高得多，导热性能比球铁好，弹性模量比球铁小，应力集中系数比灰铁小[6]，因此其抗热疲劳性能好于球铁、球铁好于灰铁。

蠕墨铸铁可以达到340MPa以上强度，塑性达到1.5%以上，由于石墨端部形态圆钝，如图4，疲劳强度比灰铁可以提高一倍，刚度提高50%，而热疲劳冲击试验结果：900℃加热45S，水中冷却至20℃保持15 S，灰铁220次循环出现裂纹，蠕铁275次出现裂纹。但是，要保证蠕化率超过80%，目前国内能稳定大批量生产蠕墨铸铁的厂家仅个别几家，因而不能有稳定的供货能力，其次，蠕墨铸铁的导热率也将由50-67(W/m.K)减至36--48 (W/m.K)，其影响是必须要考虑并加以仔细验证的。因为在快速行驶的情况下，蠕墨铸铁会因为导热性不足，可能导致制动过热而出现不安全事故。

2.3 制动鼓与其他件的配合

制动鼓与制动蹄总成的蹄鼓间隙、轮辋与制动鼓结合面的平面度、车轮螺栓松动与否、制动底板两端孔与中间与桥管配合大孔的位置度都会影响摩擦片与制动鼓的接触受力。某公司对底板两孔位置度为0.8时的蹄鼓接触印迹进行了检测，如图5所示，蹄面接触分布非常不均匀，而且差别非常明显，试验中，当转动制动鼓，总在某个固定位置转动非常吃力，即使是合格的制动底板也一样，测量制动鼓跳动在这个位置是0.21，而制动鼓拆下来测量鼓面跳动0.07。这个结果也表明，即使装配中测量蹄鼓间隙，也不能完全真实的反映接触均匀情况，因为蹄面开口侧和内侧的接触有可能是不一样的。

轮辋平面度的规定，在国外一般规定为0.3mm，而国产化后均放宽到了1mm，经验得出，当轮辋平面度超过0.3mm后，装配使用后，由于接触面不平，车轮螺栓受力不均，极

易发生松动、滑丝或断裂，导致轮毂与制动鼓贴实度差，接触印迹较差，如图6，局部受力较大，轮辋发生扭曲变形或开裂，制动鼓底部边缘啃伤，进而失效。

2.4 工况及使用情况

不同工况，关注的焦点不同，解决制动鼓失效的办法也应该有所不同。比如，城市公交车频繁制动，带来的可能在30-40公里每小时的行驶速度后就出现的200℃甚至还高的高温；牵引车在道路不宽、交通繁忙的高速公路上的高速行驶制动；自卸车的相对低速、超载严重、路面恶劣下的制动。

随着目前国内经济的发展，大量的铸造车桥被用于自卸车，制动鼓失效的情形发生了变化，表现在前鼓的龟裂和掉底日益增多，大约50%的失效鼓其底面出现明显的磨损现象；其次，制动鼓失效比例与前几年比增加一倍以上，行驶里程降到2.4万公里（前几年故障里程为3万公里）。自卸车在矿山速度较低，而此时，造成制动鼓失效的主要原因就在于其恶劣的路面状况和超额的载荷，如在内蒙运行的某水泥搅拌车在负荷交大、下长坡、频繁制动、行驶速度 40-50Km的工况下，制动鼓在1.5万公里时就发生了过热，表层0.6mm范围出现针状马氏体，如图7，这表明鼓表层温度应该在900℃左右，以这样高的表层温度，短时间内制动鼓必然发生龟裂。有实验结果表明：循环的最高温度对龟裂有较大影响，随最高温度越高，首次出现裂纹的次数迅速降低。

目前很多用户为降低制动鼓制动时的温度，都会选择自装淋水装置，但使用方法不当也会造成鼓的早期失效。如某公司车桥用于水泥搅拌车上，使用工况为满载下坡，车流量大，需要频繁制动，用户自装淋水系统，但该淋水装置并不能覆盖整个制动鼓外表面，根据对旧件的解剖分析，发现频繁制动，造成制动鼓失圆变形，形成结构应力，同时淋水时冷却不及时、不均匀又形成热应力，在结构应力及热应力作用下，制动鼓发生早期龟裂失效。若在制动前开启淋水装置，使用排气制动，或缓速器等，对制动鼓过热龟裂问题的解决会很有帮助。

2.5 其他

引起制动鼓失效的原因，除了以上几点，制动鼓的结构、散热方式、制动蹄片的质量、轮毂轴承的滑转等都会影响，而且近几年为解决制动疲软，采用了更大的制动器气室和气压：24—28---30″、0.8—0.9MPa，这样制动鼓将承受更大的接触压力和应力！

3、结论

制动鼓失效原因众多，本文仅总结归纳以下几点结论：

（1）灰铁制动鼓的碳硅当量、石墨形态、珠光体含量及硬度等都会影响其性能；

（2）蠕墨铸铁制动鼓其抗热疲劳性能较好，但不太适于连续下长坡的工况，其导热性能较差；

（3）与制动鼓相配的底板孔位置度、轮辋平面度（控制在0.3较好）均需严格控制；

（4）重载、频繁制动、恶劣路况及司机制动后淋水、不使用排气制动等都会加速制动鼓的失效。

[1] 陈翌庆,苏勇等.提高汽车制动鼓耐磨性的研究[J].热加工工艺,2000,(3):28.

[2] 胡家聪，袁亚娟.对提高缸体和缸盖铸件材质的几点看法[J].现代铸铁，1 998,(2).

[3] 陆文华.铸铁及其熔炼[M].北京：机械工业出版社，1981.

[4] 周顺隆等.制动摩擦材料试验方法研究[J].摩擦磨损,1980,(1).

[5] 孙小捞,贾利晓等.石墨形态对铸铁热疲劳性能的影响[J].中国铸造装备与技术，2006,4.

[6] 黄惠松，盛达等.蠕墨铸铁.北京：清华大学出版社，1982.

Discuss on the failure cause of domestic heavy trucks’ brake drums

Zhou Bin, Zhang Zhenhua, Wang Huanrui
（Shaanxi Hande axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

This paper firstly describe the present dominant failure mode for domestic heavy trucks’ brake drums, then the reasons were analyzed and summed up from the aspects of material, microstructure, parts’ cooperation, the varying run conditions and the drivers’ habits.

cracking; flake graphite; rim

U463.5

B

1671-7988(2014)09-10-03

周彬，就职于陕西汉德车桥有限公司。