制动器偏磨对制动跑偏的影响研究

于洋

摘 要：本文从理论角度讲述盘式制动器摩擦副所产生的温度场对偏磨影响的原理，及所造成的结果。并介绍有限元的相关理论。确定摩擦副中的各项特性，建立模型。得到分析结果—偏磨出现的结果大多为入口磨损大于出口磨损。根据有限元分析结果结合上述产生偏磨的原因，针对该型号原盘式制动器结构从设计上进行优化，增加新的检测手段，从装配工艺上进行保证装配质量。

关键词：制动跑偏;有限元分析;偏磨;制动间隙

1 制动偏磨介绍

制动器偏磨是指盘式制动器的摩擦片在车辆制动过程接触面的损耗出现不一致，造成薄厚不一致的现象。其也是导致车辆制动跑偏原因主要原因。

偏磨主要表现形式有下面几种情形：

1.刹车片偏磨表现在刹车片入口（即朝向车辆前进的方向）和出口处楚翔磨损不均匀的情况。

2.刹车盘两侧的刹车片出现薄厚不一致的情况。靠近车轴中线的摩擦片我们成为“内片”，靠在外侧的为“外片”。

3.还有一种情况就是同一片摩擦片上下两侧磨损不一致。这种情况在重型车或者大型客车上时常出现，小型车辆很少出现，是因为小型车辆的上下径向宽度较小，磨损量小。

2 产生偏磨的原因

接下来我们从盘式制动器的结构上分析一下产生偏磨的几种原因。

2.1 从上一章介绍的盘式制动器的几种结构和工作原理中，我们可以看到制动盘本身的表面厚度差异会直接影响到摩擦片的磨损。在制动过程中制动盘会受到很大的作用力，同时由于制动摩擦会产生大量的热能，这使摩擦副表面的温度急剧升高，在这种高温作用下热膨胀和变形就会对摩擦片作用力和作用点产生变化和不均，这样摩擦片各点的磨损会出现偏差，最后导致偏磨的出现。进而影响到左右轮的制动力上的偏差。

造成制动盘厚度超差的原因主要有两个：

制造过程机械加工产生的误差，制动盘加工是对盘的端面跳动量，平行度等工艺加工精度要求非常高，对气压盘式制动器来说起端面跳动量要求在0.06—0.15mm之间。除了制造产生的误差影响，还用制动盘材料内部在受到温度变化时所产生的不同膨胀变形率，这直接影响着内部应力的变化。所以在设计过程中材料和制动盘结构尺寸的选择上应注意控制温度梯度和热变形等因素。

另外一种主要原因，就是在桥总成装配过程中制动盘总成与转向节装配位置偏差造成的制动盘轴向偏离，虽然浮动式卡钳可以在一定程度上弥补装配上的偏差，但是在车辆高速行驶时，这种轴向偏差会产生明显的制动振动。这样就会造成刹车片边缘处的过度磨损，产生偏磨。同时制动盘本身也会出现比较明显的局部磨损。那么如何来避免这个在装配中产生的误差，先让我们来分析一下原有的制动器装配工艺，该前桥采用双轴承免维护锁片螺母轮端锁紧机构。如图1。

装配过程中，只是针对锁紧螺母的扭矩提出了扭紧力矩要求，而对装配完成后制动盘平面与转向节轴线的垂直度并无工艺要求。这就有可能产生制动盘轴向偏差。经过仔细的分析和计算在此工序中增加一项制动盘平面与转向节轴线垂直跳动量检查，综合考虑各零部件的尺寸公差和装配工艺将平面跳动量定在0.04mm以内。制动钳连接板与转向节为刚性连接因此可将其背面设定为基准面，见图2。

通过增加这项检测工艺可以消除在装配过程中出现的制动盘轴向偏差。同时也填补了关于轮毂装配工艺检测手段缺乏的空白。

2.2 制动器的施加作用力的方式对偏磨的影响。

目前不论是液压盘式制动器（HDB）还是汽压盘式制动器（ADB）大体采用单推杆和双推杆两种结构，本文研究的主体就是双活塞结构，双活塞在作用力及受热产生应力变形方面对比单活塞有了很大的改善。通过ANSYS软件建立盘式制动器简易有限元模型。通过预先设定刹车衬片与制动盘呈现理想结合状态。推杆作用在摩擦面上下半径的算术平均圆弧上。将各摩擦件之间的相互运动忽略不计。图3就是各摩擦片模型在施加各项负载后的应力图。

从图3可以清楚的看出推杆附近的压力明显大于其他位置。但对于单推力杆这种情况明显好转。改善了偏磨的现象。但由于双推杆的机构复杂，设计难度也比较大，在设计中要注意同步机构选着。

由于是双推杆结构，所以要求双推杆要有很好的同步性由于气压盘式制动器比液压盘式制动器多了一套机械自动间隙调整机构。又主动轮通过一套机械传动机构带动从动轮实现间隙调整。当摩擦片出现磨损，自调机构工作，但由于中间的传导机构出现磨损导致从动轮出现迟滞，两边的调整距离不一致，那么最终就导致了摩擦片的偏磨。所以选择两推杆之间的机械传动结构的形式也是至关重要的。

现有的传动方式有链条式和齿轮式两种，见图4。

2.3 浮动卡钳重心设计对偏磨的影响

对于气压盘式制动器，制动回位时在回位弹簧的作用下来完成，但由于卡钳与承载销和导向销等滑动部件之间出现摩擦干涉等情况就容易导致制动器拖滞。制动器的拖滞造成制动片与盘无法脱离，而且这种接触随机性较强，随着时间就会转化成偏磨。

那么什么原因造成的滑动部件的滞涩？其中卡钳重心的偏离是主要原因。如果卡钳体重心有偏离，就会产生阻止卡钳回位的偏转力矩。另外导向销和支撑销的装配位置错误，与卡钳导套之间的间隙配合不正确都会导致卡钳回位阻力的增加，引起制动器拖滞，见图5。

ABD是将装有压簧的摩擦块总成放进钳体中得支架安裝面，然后用压板压在压簧上，用螺栓固定。最初的压簧和压板的设计是随性配合形式，滑动阻力较大，也会导致偏磨的情况，见图6。

2.4 制动半径偏移对偏磨的影响。

这种算法并不是任何时候都有效，当m过小时，也就是说制动片上下宽度过大时，那么由于半径差值大导致不同位置的滑膜速度相差比较大，磨损率将不同，最终导致压力的分布不均匀，所以这时候上式就不在适用了。

在设计中我们尽量避免m值过小的情况，可以将摩擦片上各点的滑磨速度差忽略，让实际制动半径R等于有效半径Re，这样可使摩擦表面压力均衡。如果出现制动半径偏离有效半径，那么就会在两边产生压力差，造成摩擦片的偏磨。

那么偏磨为什么会造成制动跑偏呢？首先我们对该型号公交车制动跑偏的原因已经确定就是前轴左右盘式制动器输出的制动力矩超差，根据盘式制动器的制动力矩计算公式

我们从这个公式中可以看到影响制动力矩的主要是三个参数，在实际情况下这三个参数并非定值，它们会因各种外界条件的改变而发生变化。制动器出现偏磨也是影响其变化的原因之一。我们已经对偏磨的定义和表现形式有比较清楚的认识，车辆如果出现上述现象，那么车辆两侧出现偏磨的程度由于受各种外界不定因素的影响会存在一定的偏差。这种磨损的上的差异会导致两侧制动器在制动过程中摩擦衬片与制动盘接触的面积、位置、压力的分布、以及摩擦副之间的应力场和温度场分布也会产生差异。面积、应力场变化会使实际N值发生变化，偏磨使接触位置和压力分布发生变化会导致实际R值的改变，而f会直接受到温度的影响而变化。而这些变量直接决定左右制动力矩将出现超差。影响到制动的平稳性，严重情况下就会产生制动跑偏。同时还伴随着共振、噪声、制动效率下降、摩擦片寿命缩短等严重后果。

3 摩擦片温度对偏磨的影响

3.1 制动器的工作原理已在上面阐述，这里就不在重复了，制动器在工作中必然会产生大量的热能，这不仅改变摩擦材料物理特性，同样也使其表面发生法学反应。正是这个主要原因使摩擦材料磨损特性发生了变化。除了温度因素还有制动压力、材料的成分、尺寸形状、以及外界因数都对制动片的磨损，变形，点撕裂以及梨削效应有着直接的影响。如果我们不考虑上述因素或者假定各上诉参数为定值不变的话，那么我们就可以用函数式来表示出，摩擦系数和温度以及磨损率之间的关系。

我们知道摩擦片工作面为粗糙表面。制动过程中磨擦物理变化和化学变化都是在这些微凸面上发生。一旦这些突起所承受的载荷发生变化时期温度就会明显超出其周围的平均温度。形成一个热点，其变化的速度是随温度的升高以指数形式放大。这种情况容易导致该部区域的接触压力进一步增大，温度升高进一步加快，形成“热机失稳”的恶性循环，最终造成“制动热衰退”甚至严重时使制动盘中的氢分子聚合，在表面形成小裂纹。这样就会加大制动片的磨损、摩擦振动、刹车尖叫等现象。这种情况在半金属摩擦片中比较常见。

以上可见温度和接触压力是两个相互影响的因素。我们不应将它们分开独立分析。首先让我们先来了解一下温度场的分布是如何受到摩擦表面压应力的影响。在制动过程中单位压力越大产生热量也越大，温度也就越高。制动器在工作中，摩擦片受到推杆的作用与制动盘接触，很明显推杆所在的作用面其压力最大。所以扩大推杆的作用面积是减小摩擦片各点压应力差的很好途径。这也说明了双推杆的盘式制动器比单推杆的制动器更加有效改善刹车片偏磨的现象。

滑磨速度也是影响温度的因素之一。当制动片的内外半径相差比较的大时，那么刹车片靠近外部的滑膜速度明显要高于内部。那么上部会产生更多的热能，其温度也会更高。相反从另一方面来讲扇热也是产生温度偏差的一个因素。散热主要取决于制动盘的材料和结构。当制动盘进入刹车片的工作区域时开始摩擦升温当转出工作区域散热降温。周而复始，我们可以看到制动片的入口温度总是低于出口温度，这也说明了为什么摩擦片的前后容易出现偏磨。同时这些温度的偏差也会传递给制动盘体本身。虽然制动盘本身有良好的散热性。但是在一些长时间制动的情况时，其所获的热量无法及时散发出去，就会导致跟刹车衬片同一种状况，长此以往就会出现裂纹，缩短了使用寿命。

3.2 应力场的有限元分析，制动衬片与制动盘之间的应力可分为正压应力和摩擦应力两部分组成，两者之间的关系属于非线性，我们可以采用有限元的分析方法来进行分解，先进计算机软件将帮我们解决了大量的繁琐的计算工作，从而为我们节约不少人力、物力和时间。ANSYS就是有限元分析软件中非常出色的一款。

我们上面所做的工作，最终还是需要通过计算机建立三维模型，设定制动过程中各种载荷和边界限制条件。然后再通过ANSYS软件才能得到我们想要的结果。

建立三维模型的软件有很多种，像Pro/E、CATIA、Solidwork等等，我们这里选用CATIA生成制动副的立体模型。然后再将模型导入ANSYS环境中去生成有限元模型。由于我们要分析的是制动副之间的应力场的分布情况，只需要建立制动盘和制动衬片的实体简化模型（图9）。

我們如何确定材料特性，使整个模拟过程接近于真实情况。这非常重要，材料属性设定越接近实物，其模型分析结果的精确度和可靠度就越高。应力分析所需要设定的属性包括：弹性模量、泊松比、摩擦系数、密度。根据大量的资料，以及专业厂家的实验数据，我们确定各属性为，见表1：

那么制动副应力有限元分析需要考虑哪些载荷和边界约束条件？制动盘逆时针转动位移加载，制动盘与制动衬片之间的相对位移边界条件约束。均匀压力载荷F=15万牛顿，接触面约束条件即摩擦系数取0.33。

最后我们会看到ANSYS经过模拟计算绘制出的应力场分布云图和摩擦片滑移距离云图10：

从应力云图我们可以看到入口的压应力明显大于出口而且分布并不均匀。前面分析的制动衬片外径滑移速度大于内径，这点在滑移云图上充分的体现出来。

温度场-接触应力场对偏磨其综合影响是如何体现出来的。上面我曾经说过，正常情况下制动片入口温度低于出口处。根据磨损率与温度之间的关系，出口处的磨损大于入口磨损，而接触应力场分布是入口的压力大于出口的压力，相应的可以推断出制动衬片入口处磨损大于出口。从实际情况出发，目前占制动衬片市场的主导多为半金属基摩擦材料和有机物基摩擦材料，其中不管哪种摩擦材料都采用树脂纤维粘合剂。这种粘合剂的溶解点在350℃，当制动衬片温度高于350°时其磨损率是指数形式放大。这时候温度场的影响就会占主导地位。其摩擦片出口的磨损大于入口。但经过大量调查机动车使用过程中刹车过热温度高于溶解点的概率不到1.5%。所以我们可以得出摩擦片的偏磨主要受接触压应力场影响。其偏磨出现的结果大多为入口磨损大于出口磨损。

了解了这些偏磨的机理，就是为了在设计、制造、装配等过程中去优化改善这些影响偏磨的因素，最终达到消除偏磨对制动力不一致，以及造成制动跑偏的影响。

首先那么盘式制动器这设计过程中要遵循哪几个基本原则。如何才能达到我们所说的“协调统一”。制动器的设计首先要考虑以下几方面的要求。

1.根据已知的车辆使用要求，计算出预定制动扭矩目标值。

2.然后是制动效能，制动器在单位输入压力或力作用下输出的力和力矩，常用制动效能因数的无因次指标进行评价。制动效能因素定义成-所作用的制动半径上所得到的制动力与输入压力之比：

3.制动效能稳定性，制动效能稳定性取决于其效能因素k对摩擦片与制动盘之间的摩擦系数的变化率（dk/df）。而摩擦系数是一个变化的系数。它主要受外界温度、湿度等影响。其中主要影响因数是制动时产生的热量使制动盘和刹车片的温度上升而导致的制动热衰退。

4.制动器的结构尺寸，在满足设计要求的情况下尽可能小型化，轻量化。还有降低噪音也是制动器设计时需要考虑的一个重要方面。

3.3 盘式制动器优化措施，根据上述原则，再结合该型号公交车所发生的问题，我们准备在设计上从以下几个方面进行优化改良。

制动盘的通风设计优化。制动盘的散热性的好坏，直接制约着整个制动器制动性能。现在通用的内部为柱型的通风盘，通风性好，铸造工艺简单，但由于结构限制其热传导并不均匀，如果通风盘内部结构采用渐开线扇热条形式，容易形成空气的流动。另外我们上面已经阐述过制动盘外径的温度要高于内径。而渐开线散热方式扩大了制动盘外径的散热面积，散热的效率更高，从而内外径的温度差趋向平缓，相对产生的内应力和热疲劳也有很好的改善。

由于制动盘在制动过程中产生的热能，会使制动盘产生表面锥旋角，造成制动片产生锥形偏磨。可以在摩擦环底部增加斜切口来缓解锥旋角。

针对卡钳体的设计优化。气压式卡钳体由于外加刹车室，其重心的设计难度更大。如果其重心设计不准确，没有控制在支撑销滑动范围内，就会产生拖滞现象。先进的三维设计软件能够将钳体各部件模拟组装在一起，再将各部件的材料密度输入软件，这样就能够帮助设计者准确的计算出重心坐标。另外在压板与压簧的设计上，抛弃了原有的随型设计的装配形式，而改成线接触式装配形式，这样就减少了不必要的滑动阻力。降低了拖滞的可能性，见图11。

这次优化还将原有由两根滑销来完成导向支撑制动钳滑动作用改成为四根滑销浮动支撑导向结构，这种结构不但保证了制动钳滑动稳定性。避免了拖滞现象，也使制动钳在滑动过程中保持与制动盘的平行度，从而使摩擦片与制动盘均匀接触，避免偏磨，见图12。

摩擦片在材料上淘汰了原先的半金属基摩擦材料。使用了国际上处于领先地位的无石棉有机物基摩擦材料。在保证使用寿命的同时它降低了摩擦片的硬度，减少了对制动盘的磨损。同时其材料组成成分的变化使其抗热衰退性能有了很大的改善，在其摩擦稳定性、噪音降低、耐腐蚀性等方面都有了很大的提高。

在摩擦片的外形尺寸上也有很多改良。比如在出入口处倒大角，增大散热面积，减少入口处磨损。将排屑槽开在摩擦片中部，使两侧磨损一致，膨胀均匀，见图13。

根据厂家所做的大量的实验数据，将摩擦系数由原来的f=0.37-0.42减低到现在的f=0.3-0.35这样降低制动片的磨损率，制动稳定性也較高，见表2。

设计中还优化推杆的传动方式，采用齿轮传动机构。根据前面讨论的有效制动半径Re对实际制动半径R的影响，在确定实际制动半径时应适当减小有效制动半径Re。

总结通过有限元从理论角度讲述盘式制动器摩擦副所产生的温度场对偏磨影响的原理，及所造成的结果。确定摩擦副中的各项特性，建立模型。得到分析结果—偏磨出现的结果大多为入口磨损大于出口磨损。根据有限元分析结果结合上述产生偏磨的原因，针对该型号原盘式制动器结构从设计上进行优化，增加新的检测手段，从装配工艺上进行保证装配质量。这些优化的设计方案已经通过厂家的台架实验进行和整车实验得到了有效的验证。

参考文献：

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