劉燕斌 黃超杰 杜??

摘 要：鼓式制動(dòng)器的溫升如果過(guò)高，會(huì)使制動(dòng)器發(fā)生熱衰退導(dǎo)致制動(dòng)效能急劇下降，從而威脅人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。本文在鼓式制動(dòng)器的溫升模型的基礎(chǔ)上，總結(jié)了一些抑制鼓式制動(dòng)器熱衰退的方法。

關(guān)鍵詞：鼓式制動(dòng)器；熱衰退；溫升模型；輔助制動(dòng)；冷卻裝置

近年來(lái)，交通事故頻發(fā)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注汽車(chē)的安全性能。而汽車(chē)的制動(dòng)性能是其中重要的一環(huán)。而制動(dòng)器的好壞也很大程度上決定了汽車(chē)制動(dòng)性能的好壞。鼓式制動(dòng)器因其有較高的制動(dòng)效能及技術(shù)成熟、價(jià)格便宜等因素廣泛引用在貨車(chē)、客車(chē)及部分乘用車(chē)上。然而鼓式制動(dòng)器卻因?yàn)槠淙菀装l(fā)生熱衰退而使制動(dòng)效能下降。有關(guān)的研究資料證明，道路交通事故中有40%是與汽車(chē)的制動(dòng)性能失效相關(guān)的。若能夠抑制鼓式制動(dòng)器的熱衰退，使摩擦片的摩擦系數(shù)保持一定大小，從而使鼓式制動(dòng)器保持良好的制動(dòng)性能。

1 鼓式制動(dòng)器溫升模型的建立

1.1 鼓式制動(dòng)器生熱與散熱過(guò)程

汽車(chē)需要減速或停車(chē)時(shí)，通過(guò)制動(dòng)，汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為輪胎和制動(dòng)器的內(nèi)能。制動(dòng)器吸收熱量而溫度升高。與此同時(shí)，制動(dòng)器也向周?chē)鷫木持猩l(fā)熱量。散熱有三種不同的方式，分別是熱傳導(dǎo)的方式、熱輻射的方式和熱對(duì)流的方式。鼓式制動(dòng)器的散熱中這三種方式都是存在的。

一般情況下，制動(dòng)鼓因輻射散發(fā)的熱量約占制動(dòng)鼓總的散熱量的5%～10%。以熱對(duì)流方式散掉的熱量占總散熱量的80%以上，所以鼓式制動(dòng)器最主要的散熱方式是熱對(duì)流。制動(dòng)器通常會(huì)密封，內(nèi)部的空氣一般流動(dòng)很小，因此制動(dòng)器內(nèi)表面基本不會(huì)進(jìn)行熱對(duì)流的散熱。制動(dòng)器的對(duì)流散熱主要在制動(dòng)鼓的外表面。

1.2制動(dòng)溫升數(shù)學(xué)模型的建立

設(shè)鼓式制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中摩擦生熱量為Q，通過(guò)熱輻射方式散發(fā)的熱量為Q1，通過(guò)熱對(duì)流方式散發(fā)的熱量為Q2，制動(dòng)鼓的質(zhì)量為m，比熱容為c，則鼓式制動(dòng)器的溫升計(jì)算公式為：

2 減少熱衰退的一些方法

通過(guò)分析公式（1），可知減少熱衰退可從以下方面進(jìn)行：增大制動(dòng)鼓質(zhì)量m和制動(dòng)鼓的比熱容c；減少鼓式制動(dòng)器的摩擦生熱量Q；加快制動(dòng)器散熱速度。

2.1 減少生熱量Q

根據(jù)能量守恒定律，汽車(chē)減速到一定程度，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱量的多少是一定的，要想減少制動(dòng)器的摩擦生熱量，就需要?jiǎng)e的地方來(lái)把能量來(lái)轉(zhuǎn)化。主要為汽車(chē)的輔助制動(dòng)。

2.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)

現(xiàn)代四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作行程有進(jìn)氣行程、壓縮行程、膨脹行程和排氣行程，只有膨脹行程作正功。發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)就是在需要制動(dòng)時(shí)，停止向發(fā)動(dòng)機(jī)供燃油，發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)行程沒(méi)有做正功的，即沒(méi)有向外提供機(jī)械能，發(fā)動(dòng)機(jī)處于反拖狀態(tài)，四個(gè)行程都消耗機(jī)械能，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，并有散熱系統(tǒng)散失掉。

發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)最常見(jiàn)也最簡(jiǎn)單的輔助制動(dòng)形式。發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，松開(kāi)油門(mén)踏板和離合器踏板，變速器不能處于空擋。這時(shí)，由于節(jié)氣門(mén)不開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)不能得到燃油，從而逐漸停轉(zhuǎn)，汽車(chē)在慣性作用下，繼續(xù)向前行駛，汽車(chē)將倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗汽車(chē)的動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)緩速制動(dòng)作用。在汽車(chē)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中消耗的功主要有：機(jī)械摩擦損失、壓縮氣體損失、泵氣損失、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)各個(gè)附件的功的損失等。隨著科技不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)隨著科技的不斷進(jìn)步，為追求更大的驅(qū)動(dòng)功率，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗在逐漸降低，因此發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)功率也隨之變小。

2.1.2排氣制動(dòng)

排氣制動(dòng)原理與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)類似。排氣制動(dòng)在排氣管內(nèi)加裝了一個(gè)排氣制動(dòng)閥。在排氣制動(dòng)時(shí)，排氣閥關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣阻力就會(huì)增加，排氣管內(nèi)壓力增大，氣缸內(nèi)的氣體壓力也隨之增大。這樣，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)要克服的阻力增大了，從而增大了發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的功率，從而使車(chē)速降低。

日本有70%左右的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)上采用了排氣制動(dòng)，如今，我國(guó)也開(kāi)始在汽車(chē)上大面積采用排氣制動(dòng)。

2.1.3發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器

發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器是在排氣制動(dòng)上的改進(jìn)。在切斷燃油供給，后發(fā)動(dòng)機(jī)做功行程變成由壓縮行程中被壓縮氣體膨脹做功的過(guò)程。在壓縮行程時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟排氣閥，使被壓縮的氣體排出，從而減少了膨脹過(guò)程氣體對(duì)外做的功，從而提高了制動(dòng)效能。

2.1.4電渦流緩速器

電渦流緩速器的原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，它能將汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能釋放到外界。電渦流緩速器通常由兩部分組成，即機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子一般安裝在車(chē)架上，由非磁性材料組成；轉(zhuǎn)子一般安裝在驅(qū)動(dòng)軸兩側(cè)，由軟磁性材料組成。汽車(chē)正常行駛時(shí)，電渦流緩速器不工作，定子線圈無(wú)電流，轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電渦流緩速器工作時(shí)，定子線圈內(nèi)通入電流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，轉(zhuǎn)子內(nèi)形成渦電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)，由磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，此力矩通過(guò)轉(zhuǎn)子作用到驅(qū)動(dòng)軸上從而進(jìn)行制動(dòng)。此過(guò)程，把汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電渦流產(chǎn)生的熱能，并散發(fā)到空氣中。

2.1.5液力緩速器

液力緩速器與液力變矩器有些相似。液力緩速器中的定子和轉(zhuǎn)子對(duì)置，形成工作腔。定子相當(dāng)于渦輪，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于泵輪。汽車(chē)正常行駛時(shí)，液力緩速器不工作，工作腔內(nèi)沒(méi)有油液，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)阻礙。緩速器工作時(shí)，工作腔中流入油液，這些油液被轉(zhuǎn)子帶動(dòng)沖向定子的葉片上，使定子轉(zhuǎn)動(dòng)。之后油液流出定子再次流回轉(zhuǎn)子，方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子連接傳動(dòng)軸，進(jìn)而對(duì)車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)。從此過(guò)程中，油液速度降低，溫度增大，汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為油液的內(nèi)能，最后散發(fā)到大氣中。

2.2 加快鼓式制動(dòng)器的散熱速度

除了改進(jìn)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)（在制動(dòng)鼓上增加葉片、或采用組合式制動(dòng)器的方法等）和應(yīng)用散熱速度快的材料制造制動(dòng)器，加快鼓式制動(dòng)器散熱速度的方法主要為對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行冷卻，分為水冷和風(fēng)冷兩種方式。

2.2.1水冷方式

水冷裝置包括直接淋水裝置、氣壓淋水冷卻裝置。

直接淋水裝置由電動(dòng)水泵使水淋出對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行冷卻。駕駛員一般根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)判斷制動(dòng)器是否過(guò)熱，打開(kāi)冷卻閥門(mén)或通過(guò)電信號(hào)控制電磁閥開(kāi)啟或關(guān)閉水路。這種裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本低，淋水量不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，且容易分散駕駛員的注意力。

氣壓淋水裝置通過(guò)貯氣筒內(nèi)的高壓空氣對(duì)冷卻水加壓進(jìn)行淋水使制動(dòng)器冷卻。這種裝置易改裝，是目前解決制動(dòng)性能熱衰退常用的方法。氣壓淋水裝置存在的問(wèn)題是，水箱無(wú)水時(shí)不容易發(fā)現(xiàn)，且存在氣體泄漏，使制動(dòng)系統(tǒng)氣壓不足，導(dǎo)致制動(dòng)效能下降而誘發(fā)的交通事故。

2.2.2風(fēng)冷方式

強(qiáng)制風(fēng)冷裝置：壓風(fēng)裝置與變速器取力器相連，在制動(dòng)底板上開(kāi)噴氣嘴，同時(shí)制動(dòng)鼓外壁設(shè)計(jì)散熱翅片。這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了水淋冷卻裝置管道易堵塞的問(wèn)題，在小型車(chē)上有很大應(yīng)用。但由于壓風(fēng)裝置與變速器相連，在車(chē)輛行駛中一直處于工作狀態(tài)，造成能量損失；且隨著車(chē)速降低，冷卻效果也跟著降低，散熱能力有限。

2.3其他方法

駕駛員駕駛行為控制：不要超速行駛，不要超載，保持足夠安全車(chē)距，保持鎮(zhèn)定，避免緊急剎車(chē)等等。

道路條件：公路修建時(shí)避免長(zhǎng)大下坡的道路，坡度盡量小，減少急轉(zhuǎn)彎道路等等。

3 結(jié)語(yǔ)

在一些貨車(chē)和客車(chē)上，單靠行車(chē)制動(dòng)器不能保證行車(chē)制動(dòng)的安全性，就需要加裝輔助制動(dòng)器或者制動(dòng)器的冷卻裝置。這方面，國(guó)家也有了相應(yīng)的研究及一些法規(guī)，但應(yīng)用仍不足。期待更多的研究和應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

劉燕斌 （1990--） ，男 ，山西太原人，碩士在讀，車(chē)輛工程專業(yè)。