周琦

摘要：汽車制動器是汽車制動系統(tǒng)的主要組成部件，是保證汽車在道路上安全行駛的重要構(gòu)件之一。文章通過分析汽車制動器制動性能熱衰退的形成機(jī)理以及對行車安全的危害，研究了解決制動器制動性能熱衰退現(xiàn)象，以提高汽車行駛中的安全可靠性，避免汽車特別是大型汽車制動器熱衰退導(dǎo)致的惡性交通事故。

關(guān)鍵詞：汽車制動器；制動性能；熱衰退現(xiàn)象；行車安全；惡性交通事故 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U462 文章編號：1009-2374（2016）09-0100-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.048

汽車在行駛過程中，由于長時間連續(xù)制動和頻繁制動，會導(dǎo)致制動性能熱衰退現(xiàn)象，從而對車輛安全行駛造成危害。車輛的制動器對車輛安全運行起到了保證的作用，如果制動器溫度過高就會導(dǎo)致制動性能的熱衰退，有可能引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。云南省的道路多數(shù)坡長彎急，熱衰退現(xiàn)象引發(fā)的交通事故較多，如何降低熱衰退現(xiàn)象對行車安全的危害是車輛行駛過程中的一個難題。本文以大型汽車為例，通過建立汽車制動器的有限元模型，對（大型）汽車制動過程進(jìn)行模擬，分析制動過程中制動器的升溫和散熱，提出解決汽車制動性能熱衰退的方法。

1 制動性能熱衰退的概念

汽車制動性能的熱衰退是指汽車長時間制動或者高速制動，使汽車摩擦片與制動鼓摩擦迅速升溫，溫度達(dá)到300℃～400℃，導(dǎo)致摩擦片的摩擦力矩下降，從而產(chǎn)生汽車制動性能熱衰退現(xiàn)象。汽車制動性能的熱衰退會導(dǎo)致汽車的制動能力降低，延長了制動距離，增大了交通安全事故的發(fā)生幾率。對于行駛時間比較長的大型汽車，對制動性能有較高的要求，所以必須在大型汽車的制動器上安裝冷卻裝置，以便使大型汽車始終保持良好的制動性能。冷卻裝置的體積比較小，并且自動化程度也比較高，可以在汽車制動器溫度較高時進(jìn)行自動降溫，保證制動器具有良好的制動性能，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

2 大型汽車制動器制動性能熱衰退分析

2.1 制動器模型建立

大型汽車的制動器大多為鼓式制動器，在建立制動器模型時，需要根據(jù)制動器的制動過程建立簡單的分析模型，以便確定汽車制動器的制動荷載。大型汽車鼓式制動器主要由制動鼓、制動蹄和摩擦片組成，制動蹄收到制動命令時，會擠壓摩擦片緊壓在制動鼓上，從而降低車輪轉(zhuǎn)速，起到制動作用。制動鼓的三維模型是一個回環(huán)體，所以需要利用計算機(jī)軟件生成回環(huán)體的模型，然后通過鏡像操作的方式對制動蹄的位置進(jìn)行劃分，并確定整個制動器的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。因為制動器在制動過程中會出現(xiàn)接觸，所以在分析制動性能熱衰退現(xiàn)象時要考慮到制動材料的彈性。

2.2 制動過程的模擬仿真及結(jié)果分析

汽車的制動過程可以分為三個階段：第一階段制動踏板剛剛踩下，制動蹄和制動鼓之間還存在著間隙，這一階段還沒有起到真正的制動作用；第二個階段是制動蹄與制動鼓接觸的過程，在這一階段汽車制動器的制動力在不斷提升，直到達(dá)到汽車的最大制動力為止；第三階段汽車的制動力始終保持在最大范圍內(nèi)，直到車輛停止。在這一制動過程中，制動器的溫度始終處于上升狀態(tài)，為了分析制動性能熱衰退對車輛安全運行造成的危害，需要假設(shè)制動器的荷載處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后對制動器不斷施加熱流，直至出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，觀察熱衰退的溫度以及制動性能變化過程。制動器在制動過程中會產(chǎn)生巨大的摩擦力，摩擦力會對制動鼓、制動蹄、摩擦片造成一定的磨損，導(dǎo)致汽車的制動力矩不斷增加，汽車制動力矩的增加延長了車輛的制動距離，對車輛的安全行駛造成了非常大的影響。

2.3 制動器的升溫與散熱分析

制動器的升溫主要是汽車制動過程中汽車摩擦片與制動鼓摩擦產(chǎn)生的摩擦熱，車輛在制動過程中，動能不斷降低，部分動能轉(zhuǎn)化為摩擦熱分布在制動器上，摩擦熱的大小與車輛的制動距離相關(guān)。在制動過程中還有部分的熱量通過其他途徑散發(fā)了出去，保證了車輛的制動性能。假設(shè)車輛的重量和初始速度固定，在進(jìn)行制動時，制動減速度越大，制動器升溫也就越快，因為摩擦片的厚度比較薄，而且材料為鑄鐵，所以摩擦片不容易導(dǎo)熱，溫度升高導(dǎo)致摩擦片的制動性能降低。在制動器上安裝冷卻裝置，可以將制動器上的溫度帶走，所以在安裝冷卻裝置時，要確定具體的散熱區(qū)域，避免對冷卻裝置的冷卻效果造成影響。

在不同的行駛路面上，制動器的升溫和散熱也會出現(xiàn)不同的狀況。例如在干燥路面，汽車的制動距離比較短，汽車制動過程中產(chǎn)生的滑移率也比較低，所以制動時間比較短，制動器升溫會比較低。車輛在光滑路面上行駛，會導(dǎo)致車輛滑移率上升，延長了車輛的制動距離，所以制動構(gòu)件要素之間的摩擦?xí)r間就會比較長，導(dǎo)致制動器的溫度比較高，嚴(yán)重影響了制動器的制動性能。

3 大型汽車制動性能熱衰退對車輛運行的危害

3.1 制動性能熱衰退導(dǎo)致制動摩擦片出現(xiàn)磨損

大型汽車在制動過程中，由于摩擦片摩擦?xí)r間過長，造成制動性能出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，使摩擦片出現(xiàn)磨損。摩擦片由于長期的磨損，導(dǎo)致制動器之間的摩擦間隙不斷加大，制動器的摩擦系數(shù)逐漸降低，最終會出現(xiàn)制動失效的現(xiàn)象，而且由于摩擦片的磨損會導(dǎo)致摩擦片與制動鼓不能及時貼合，產(chǎn)生滯后制動的現(xiàn)象。汽車在高速行駛的過程中，滯后制動的時間會導(dǎo)致車輛延長行駛距離，增加了車輛行駛的危險性。大型汽車在制動過程中，制動器會產(chǎn)生較高的溫度，高溫對制動器的破壞極為嚴(yán)重，會導(dǎo)致制動器出現(xiàn)材料分解現(xiàn)象。例如車輛在制動過程中摩擦片的表面材料會逐漸脫落，溫度越高，材料脫落速度也就越快，最終導(dǎo)致車輛喪失制動性能，出現(xiàn)車輛失控現(xiàn)象，引發(fā)嚴(yán)重的交通安全事故。

3.2 制動性能熱衰退對制動力矩的危害

制動力矩是指駕駛員在踩動制動踏板時，啟動了車輛制動器的制動分泵，分泵控制制動蹄與制動鼓之間產(chǎn)生摩擦，最終產(chǎn)生制動效果。為了保證車輛的運行安全，需要使車輛的制動力矩保持穩(wěn)定。制動力矩與制動器的摩擦系數(shù)成正比關(guān)系，所以在汽車制動時，需要注意車輛制動器的溫度變化情況，保證制動器始終在合理的溫度范圍內(nèi)，避免制動力矩不穩(wěn)定，影響車輛行駛的安全性。

3.3 制動器溫度升高影響制動安全性

大型汽車的制動器經(jīng)過長時間摩擦或者高強制動時，會導(dǎo)致制動器的散熱性能較差，制動器始終處于高溫狀態(tài)，在這種現(xiàn)象下，汽車的制動器會產(chǎn)生熱疲勞，導(dǎo)致制動器的表面出現(xiàn)損傷，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋，影響車輛制動安全性。如果大型汽車的制動器是由制動鼓和有機(jī)材料組成，高溫還會導(dǎo)致制動器的變形，影響了制動過程的穩(wěn)定性。熱衰退還會導(dǎo)致制動器的摩擦系數(shù)降低，最終會出現(xiàn)制動失效的現(xiàn)象。

4 降低大型汽車制動性能熱衰退的主要方法

降低大型汽車制動性能熱衰退可以從制動器、道路狀況和管理幾個方面來進(jìn)行治理。首先可以在大型汽車制動器上安裝輔助裝置，例如發(fā)動機(jī)緩速裝置、排氣制動裝置、制動冷卻裝置等，對汽車制動器進(jìn)行散熱輔助，可以在汽車制動過程中起到輔助散熱作用，同時也可以在汽車緊急制動時對制動器進(jìn)行降溫，保證了車輛的安全行駛。駕駛?cè)藛T也要定期對車輛制動系統(tǒng)進(jìn)行檢查，使車輛始終處于良好的工作狀態(tài)，避免車輛制動失效，出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故。在道路上安裝減速帶，可以讓車輛始終保持穩(wěn)定的行駛速度，同時也對車輛減速起到了一定的幫助作用，避免車速過快，駕駛?cè)藛T在進(jìn)行車輛緊急制動時，造成制動性能的熱衰退。相關(guān)管理部門加強對超載車輛的管理，避免車輛超載制動過程中，因為荷載過大，導(dǎo)致制動器溫度上升加快，加劇熱衰退現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5 基于汽車制動器熱能消散的有限元模型分析

5.1 對汽車制動能量消散形式的分析

脫開發(fā)動機(jī)，汽車連續(xù)緊急制動所產(chǎn)生的能量主要由兩個摩擦副所決定，包括制動器摩擦副與車路面摩擦副。一般情況下，當(dāng)車輪滑移率較小，制動器摩擦系數(shù)副摩擦系數(shù)未熱衰退時，制動器耗散能量所占比例較大，減少了非正常輪胎磨損，提高制動穩(wěn)定性。

總體而言，制動復(fù)摩擦系數(shù)與車輪滑移率是汽車制動熱衰退耦合過程中，汽車制動系統(tǒng)力學(xué)在不同層次的耦合參數(shù)，屬于不同過程發(fā)生相互制約的橋梁與紐帶，也是整個汽車制動器熱能消散有限元模型分析的基礎(chǔ)。

5.2 建立基于汽車制動器熱能消散的有限元模型

該模型主要包括動態(tài)管路壓力、摩擦力矩、制動氣溫、制動副摩擦系數(shù)、溫度特性，重點分析影響制動器促動力的相關(guān)參數(shù)，并以汽車在制動過程中出現(xiàn)的力學(xué)變化情況。

5.3 模型驗證與結(jié)果分析

5.3.1 試驗。在某大學(xué)汽車道路試驗場開展本次試驗，采取JS682032D1型客車為研究對象。試驗路面道路質(zhì)量良好，外部環(huán)境約為4℃，分別對客車進(jìn)行不同速度的緊急制動試驗，判斷溫度變化情況。

5.3.2 試驗結(jié)果分析。

圖1 前制動器升溫值 圖2 后制動器升溫值

圖1和圖2分別記錄了不同初始速度時緊急制動后前后制動器試驗和計算溫升值比較值。從研究結(jié)果來看，前后制動器溫升實驗值在不同初始速度下的變化基本相同，但隨著車輛整體行進(jìn)速度的變化，誤差呈增大趨勢。而后制動器仿真溫度的誤差小于實驗值，整體上滿足應(yīng)用要求。

5.4 模型應(yīng)用總結(jié)

通過開展汽車制動能量消散形式有限元模型分析可以發(fā)現(xiàn)，在不同速度下的車輛制動溫度存在明顯差異，并且隨著車輛速度的提高，車輛制動溫度也會提高。因此對司機(jī)而言，為保證行車安全，要牢記減速慢行，避免因為車輛速度過大而導(dǎo)致制動系統(tǒng)故障，最終引發(fā)交通事故。

6 結(jié)語

通過對汽車制動器制動性能熱衰退現(xiàn)象、熱衰退概念的闡述，汽車制動器制動性能熱衰退現(xiàn)象的分析、研究，制動器制動性能熱衰退對行車安全的危害以及研究降低制動性能熱衰退主要方法等論述，以減少制動器制動性能熱衰退現(xiàn)象對安全行車的危害，提高車輛運行的安全性。

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（責(zé)任編輯：王 波）