邊 疆，王曉穎，桂良進(jìn)，范子杰

（清華大學(xué) 車輛與運(yùn)載學(xué)院，和汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084，中國）

鼓式制動(dòng)器是一種主要應(yīng)用在客車、重型貨車等商用車上起制動(dòng)作用的安全構(gòu)件。這些商用車輛的特點(diǎn)是制動(dòng)溫度高、運(yùn)載重量大，因而對鼓式制動(dòng)器的性能要求較高。目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的鼓式制動(dòng)器為凸輪式領(lǐng)從蹄型制動(dòng)器。制動(dòng)器在制動(dòng)過程中，通過制動(dòng)鼓與摩擦片的摩擦作用將車輛的動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)化為熱能，吸收了制動(dòng)熱能的制動(dòng)鼓和摩擦片的力學(xué)和熱學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后，摩擦片材料的各項(xiàng)性能會(huì)迅速衰退[1]，導(dǎo)致制動(dòng)器失效。同時(shí)制動(dòng)器是車輛的常用工作部件，頻繁的溫升會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器熱疲勞，即使未達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，也會(huì)出現(xiàn)小裂紋或突然斷裂[2]。這些失效和破壞將極大地威脅行車安全。

目前，對鼓式制動(dòng)器的試驗(yàn)研究多為溫度測試，應(yīng)變測試較少。O. P. Singh等[3]對鼓式制動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)，研究了制動(dòng)器關(guān)鍵測點(diǎn)在連續(xù)制動(dòng)過程中的溫度變化歷程。陳興旺[4]通過臺(tái)架試驗(yàn)研究了商用車從不同坡度的道路上勻速下坡過程中制動(dòng)鼓外表面的溫度變化。張方宇等[5]利用試驗(yàn)臺(tái)架得到了鼓式制動(dòng)器在單次制動(dòng)中制動(dòng)蹄的溫度變化。許自濤[6]設(shè)計(jì)試驗(yàn)測試了鼓式制動(dòng)器靜態(tài)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)鼓外表面的應(yīng)變歷程。姚艷春等[7]通過實(shí)車試驗(yàn)得到了緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)鼓外表面測點(diǎn)的軸向應(yīng)變曲線。王曉穎等[8]通過臺(tái)架試驗(yàn)得到了單次緊急制動(dòng)工況下鼓式制動(dòng)器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變和溫度特性，制動(dòng)溫度最高為110 ℃。

商用車鼓式制動(dòng)器的失效和破壞多發(fā)生在高溫工況下，然而對這類工況下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變及溫度測試研究有一定困難：一方面制動(dòng)器制動(dòng)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的旋轉(zhuǎn)過程，普通的數(shù)據(jù)采集儀器難以布線；另一方面制動(dòng)器在長下坡等惡劣工況下進(jìn)行制動(dòng)，溫度可達(dá)500 ℃，普通應(yīng)變計(jì)會(huì)脫落、焦化。

本文以某商用重卡的雙金屬鼓式制動(dòng)器為研究對象，通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行了2種工況下的臺(tái)架測試，獲得了制動(dòng)器在高溫工況下的應(yīng)變和溫度變化歷程。同時(shí)采用有限元軟件ABAQUS建立了雙金屬鼓式制動(dòng)器熱-應(yīng)力-磨損耦合計(jì)算模型，將仿真計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制動(dòng)試驗(yàn)在專用的制動(dòng)臺(tái)架上進(jìn)行，共采集應(yīng)變和溫度兩類數(shù)據(jù)。試驗(yàn)參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 239-2015進(jìn)行[9]，涉及2種工況，即緊急制動(dòng)工況和加速疲勞工況，參數(shù)如表1所示。

加速疲勞工況中制動(dòng)器溫度可達(dá)500 ℃，因此臺(tái)架試驗(yàn)使用高溫應(yīng)變計(jì)對制動(dòng)鼓應(yīng)變進(jìn)行測試。常用的應(yīng)變測試傳感器是箔式應(yīng)變計(jì)，其突出優(yōu)勢是：測量精度高、測量靈敏度高、橫向效應(yīng)較小、蠕變小、疲勞壽命長。試驗(yàn)選用中航電測生產(chǎn)的箔式高溫應(yīng)變計(jì)，可測量800 ℃以下的應(yīng)變。高溫應(yīng)變計(jì)在高溫環(huán)境下的熱輸出較大，不可忽略，故需要在臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)束后對其進(jìn)行熱輸出試驗(yàn)，根據(jù)熱輸出試驗(yàn)結(jié)果對臺(tái)架試驗(yàn)得到的制動(dòng)鼓應(yīng)變量進(jìn)行修正。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)工況參數(shù)

為了解決旋轉(zhuǎn)件的布線問題，采用無線數(shù)據(jù)采集儀器。制動(dòng)鼓上的高溫應(yīng)變計(jì)將應(yīng)變信號(hào)通過導(dǎo)線傳遞到無線通信模塊，該模塊通過天線將信號(hào)發(fā)射給調(diào)制放大器，信號(hào)經(jīng)調(diào)制放大后被傳送至分析儀器，最后由分析儀器完成數(shù)據(jù)的記錄和處理。

為檢驗(yàn)無線數(shù)據(jù)采集儀器在惡劣制動(dòng)工況下的可靠性，將無線通信模塊與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源連接后固定在振動(dòng)臺(tái)上。振動(dòng)臺(tái)如圖1所示。振動(dòng)臺(tái)模擬頻率20 Hz、加速度0.9g的振動(dòng)，在振動(dòng)時(shí)使標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源依次輸出不同的應(yīng)變信號(hào)，將數(shù)采得到的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源輸出的數(shù)值進(jìn)行對比。結(jié)果表明：兩者誤差在0.5%以內(nèi)，故該數(shù)采在試驗(yàn)臺(tái)架上可對應(yīng)變數(shù)據(jù)采集保持良好的準(zhǔn)確性。

圖1 無線數(shù)據(jù)采集儀器可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖

溫度傳感器使用熱響應(yīng)時(shí)間短且精確度高的K型熱電偶。試驗(yàn)臺(tái)架共有8個(gè)靜態(tài)溫度采集端口和8個(gè)動(dòng)態(tài)溫度采集端口，靜態(tài)溫度采集端口采集制動(dòng)過程中不繞軸旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)蹄總成的溫度數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)溫度采集端口在旋轉(zhuǎn)的法蘭盤上，可采集繞軸旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)鼓的溫度數(shù)據(jù)。

“人人成功”是未來素質(zhì)教育恪守的誓言，而一切素質(zhì)教育都是從學(xué)生學(xué)習(xí)語言文字開始的，學(xué)生的成長在很大程度上靠的是語文教師的熏陶。作為進(jìn)行素質(zhì)教育的語文教師，其自身的素質(zhì)和教育行為對學(xué)生的素質(zhì)形成和發(fā)展有著重要影響。下面筆者僅從教學(xué)習(xí)慣、教學(xué)方式、教學(xué)觀念三個(gè)方面談?wù)勛约旱捏w會(huì)。

2 試驗(yàn)過程

臺(tái)架試驗(yàn)前需要對傳感器進(jìn)行安裝。制動(dòng)鼓在制動(dòng)過程中不斷旋轉(zhuǎn)，同一周向上各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變歷程是類似的，只是存在相位差，因此在同一軸向上粘貼應(yīng)變計(jì)。制動(dòng)鼓產(chǎn)生裂紋的方向多是沿軸向的，故高溫應(yīng)變計(jì)沿圓周方向粘貼，如圖2所示。使用陶瓷膠經(jīng)過多步溫度梯度固化過程將高溫應(yīng)變計(jì)與制動(dòng)鼓外表面粘接牢固。

制動(dòng)鼓外表面熱電偶的位置同高溫應(yīng)變計(jì)位置一致，在高溫應(yīng)變計(jì)粘貼位置附近的周向上用高溫膠帶粘貼熱電偶。制動(dòng)蹄總成上熱電偶的位置如圖3所示。摩擦片表面的1、2號(hào)熱電偶采取過盈配合固定，背面的3、4號(hào)熱電偶采用高溫膠帶粘貼的方式固定。

待安裝好傳感器后，將鼓式制動(dòng)器的各個(gè)部件安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，把傳感器導(dǎo)線用高溫膠帶固定，防止試驗(yàn)過程中離心力拉扯傳感器，再將無線數(shù)據(jù)采集儀器的通信模塊固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，連接好儀器設(shè)備，最終如圖4所示。

圖2 高溫應(yīng)變計(jì)粘貼位置

圖3 制動(dòng)蹄總成中熱電偶位置

圖4 慣性試驗(yàn)臺(tái)架傳感器安裝和器材布置

在進(jìn)行正式試驗(yàn)前，摩擦片與制動(dòng)鼓需進(jìn)行磨合。磨合可使制動(dòng)蹄上的摩擦片與制動(dòng)鼓內(nèi)表面建立良好的接觸，保證在試驗(yàn)制動(dòng)過程中制動(dòng)力矩平穩(wěn)。磨合過程是以50 km/h的初速度、0.8 MPa的制動(dòng)氣壓進(jìn)行多次制動(dòng)，直至制動(dòng)力矩穩(wěn)定。

待磨合結(jié)束，開始正式試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)以絕對時(shí)間記錄，以方便分析同一時(shí)刻的溫度和應(yīng)變。

為消除臺(tái)架試驗(yàn)得到的應(yīng)變量中高溫應(yīng)變計(jì)熱輸出的影響，在臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)束后對高溫應(yīng)變計(jì)進(jìn)行熱輸出試驗(yàn)。從制動(dòng)鼓上切割取出2個(gè)20 mm × 40 mm × 2 mm的試件，用陶瓷膠將高溫應(yīng)變計(jì)粘貼在試件上。將試件置于加熱爐中，試件在平面上不受約束，設(shè)定加熱爐程序使溫度以 2 K/min的升溫速率從25 ℃升至480 ℃，記錄溫度和應(yīng)變歷程。

3 仿真計(jì)算

基于本課題組的研究成果[5,8,10-11]，考慮摩擦材料性能的熱衰退，建立了新的雙金屬鼓式制動(dòng)器的熱—應(yīng)力—磨損耦合計(jì)算模型，利用有限元軟件ABAQUS的分析步Coupled temp-displacement和磨損子程序Umeshmotion實(shí)現(xiàn)計(jì)算。

熱學(xué)計(jì)算中，瞬態(tài)熱傳導(dǎo)公式的有限元格式為

力學(xué)計(jì)算中，采用小變形假設(shè)，又因慣性力引起的應(yīng)力在總應(yīng)力中占比極小，故忽略慣性力，則分析公式的有限元格式為

磨損計(jì)算中，廣義Archard磨損模型的增量格式為[12]

式中：h為磨損厚度； 為磨損系數(shù)；p為接觸壓強(qiáng)；s為相對滑動(dòng)位移。

在制動(dòng)器制動(dòng)過程的仿真計(jì)算中，每一個(gè)增量步進(jìn)行一次磨損厚度的計(jì)算，根據(jù)磨損厚度采用任意Lagrange-Euler方法更新摩擦片摩擦表面的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

有限元仿真計(jì)算中工況參數(shù)設(shè)置與加速疲勞工況參數(shù)一致?；诣T鐵材料性能參數(shù)參考文 [5]設(shè)置，結(jié)構(gòu)鋼材料性能參數(shù)參考文 [13]設(shè)置，摩擦材料性能參數(shù)由試驗(yàn)測試獲得，如表2所示。最終的有限元模型如圖5所示。

表2 摩擦材料性能參數(shù)

圖5 雙金屬鼓式制動(dòng)器有限元模型

4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果

4.1 熱輸出試驗(yàn)結(jié)果

將熱輸出試驗(yàn)得到的溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，整理后的每組數(shù)據(jù)包含時(shí)間、溫度和應(yīng)變，從25 ℃開始每隔10 ℃取1組數(shù)據(jù)點(diǎn)，將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的溫度和應(yīng)變進(jìn)行擬合得到高溫應(yīng)變計(jì)的熱輸出曲線，如圖6所示。根據(jù)擬合得到的熱輸出曲線對臺(tái)架試驗(yàn)得到的制動(dòng)鼓應(yīng)變值進(jìn)行修正。

圖6 高溫應(yīng)變計(jì)熱輸出曲線

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)鼓外表面3個(gè)測量點(diǎn)的周向應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線如圖7所示。制動(dòng)鼓在制動(dòng)過程中不斷繞軸旋轉(zhuǎn)，測量點(diǎn)相對于制動(dòng)蹄總成處于同一周向上但位置不斷變化。當(dāng)測點(diǎn)對應(yīng)的制動(dòng)鼓內(nèi)部區(qū)域與摩擦片接觸時(shí)，開口和中部測點(diǎn)表現(xiàn)為拉應(yīng)變，底端測點(diǎn)表現(xiàn)為壓應(yīng)變；當(dāng)測點(diǎn)對應(yīng)的制動(dòng)鼓內(nèi)部與摩擦片不接觸時(shí)，開口和中部測點(diǎn)表現(xiàn)為壓應(yīng)變，底端測點(diǎn)表現(xiàn)為拉應(yīng)變。因此制動(dòng)鼓外表面3個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變歷程中出現(xiàn)了拉壓應(yīng)變的交替。

受接觸狀態(tài)的影響，拉應(yīng)變在上升過程中出現(xiàn)了波動(dòng)。隨著制動(dòng)進(jìn)行，制動(dòng)鼓外表面周向應(yīng)變的交變幅值逐漸變大，交變周期隨轉(zhuǎn)速降低逐漸變長，周向應(yīng)變整體受溫度影響呈現(xiàn)上升趨勢。

緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)蹄總成上的熱電偶測量結(jié)果如圖8所示。隨著制動(dòng)進(jìn)行，制動(dòng)鼓摩擦表面溫度迅速上升，因此1、2號(hào)測點(diǎn)溫度快速上升。但由于制動(dòng)時(shí)間較短，熱量還未傳導(dǎo)到距摩擦面較遠(yuǎn)的位置，因此3、4號(hào)測點(diǎn)的溫度在這段時(shí)間內(nèi)幾乎不變。

圖7 緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)鼓外表面周向應(yīng)變—時(shí)間

圖8 緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)蹄總成上4個(gè)測點(diǎn)溫度—時(shí)間

加速疲勞工況下制動(dòng)鼓外表面3個(gè)測量點(diǎn)的周向應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線如圖9所示。同緊急制動(dòng)工況的結(jié)果類似，制動(dòng)鼓外表面3個(gè)測點(diǎn)的周向應(yīng)變也存在近似周期性的交變特性。隨著制動(dòng)溫度升高，制動(dòng)鼓材料性能發(fā)生變化，剛性降低，因此應(yīng)變-時(shí)間曲線的交變幅值逐漸變大。

加速疲勞工況下制動(dòng)蹄總成上的熱電偶測量結(jié)果如圖10所示。加速疲勞工況的制動(dòng)初速度為120 km/h，制動(dòng)過程中通過摩擦產(chǎn)生大量熱，摩擦片的摩擦表面溫度迅速上升，因此1、2號(hào)測點(diǎn)溫度升溫速率初始時(shí)較高，之后隨制動(dòng)鼓轉(zhuǎn)速降低而逐漸減小。由于3、4號(hào)測點(diǎn)距摩擦表面較遠(yuǎn)，熱量傳導(dǎo)需要時(shí)間，因此這2個(gè)測點(diǎn)的溫度在制動(dòng)時(shí)間內(nèi)變化較小。

圖9 加速疲勞工況下制動(dòng)鼓外表面周向應(yīng)變—時(shí)間

圖10 加速疲勞工況下制動(dòng)蹄總成上4個(gè)測點(diǎn)溫度—時(shí)間

4.3 仿真計(jì)算結(jié)果

選取加速疲勞工況下典型的臺(tái)架測試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。圖11為制動(dòng)鼓外表面開口位置測點(diǎn)的周向應(yīng)變結(jié)果對比，圖12為制動(dòng)蹄總成上1、2號(hào)測點(diǎn)的溫度結(jié)果對比。

圖11 加速疲勞工況下有限元與試驗(yàn)應(yīng)變

圖12 加速疲勞工況下有限元與試驗(yàn)溫度

由圖11可知，加速疲勞工況下，應(yīng)變仿真計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢及幅值吻合良好。最大誤差出現(xiàn)在制動(dòng)初始時(shí)間段內(nèi)，約為10%，其他時(shí)刻的最大誤差小于5%。

由圖12可知，仿真計(jì)算溫度結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本一致，最大誤差小于4%。仿真計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對比表明，雙金屬鼓式制動(dòng)器的熱—應(yīng)力—磨損耦合計(jì)算模型是可靠的。

圖13為仿真計(jì)算得到的加速疲勞工況下制動(dòng)鼓周向應(yīng)力分布圖。制動(dòng)鼓圓周方向?yàn)槠渲饕冃畏较?，因此制?dòng)鼓周向應(yīng)變最大，這與其沿軸線方向開裂的失效形式相吻合。周向應(yīng)力最大為212.4 MPa，位置出現(xiàn)在制動(dòng)鼓開口邊緣處，這也是較為常見的裂紋起始位置。該位置的應(yīng)力—時(shí)間曲線如圖14所示。

圖15為加速疲勞工況下摩擦片磨損量分布，其中process代表制動(dòng)的進(jìn)程， process = 10%和process = 100%分別代表制動(dòng)進(jìn)行10%的時(shí)刻和制動(dòng)完成的時(shí)刻。

可觀察到磨損量分布極不均勻：在周向上，靠近凸輪和下部固定處的磨損量較小，中部較大；在軸向上，靠近開口和底端的位置磨損量較大，中部較小。磨損量最大位置在軸向靠近開口處且周向?yàn)橹胁康奈恢?，此處的磨損量為105 μm。

4 結(jié) 論

本文針對雙金屬鼓式制動(dòng)器進(jìn)行了高溫工況下的臺(tái)架試驗(yàn)與熱—應(yīng)力—磨損耦合計(jì)算，以試驗(yàn)結(jié)果對有限元仿真計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了制動(dòng)器制動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)特性，為制動(dòng)器的失效分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

圖13 加速疲勞工況下雙金屬制動(dòng)鼓周向應(yīng)力分布

圖14 周向應(yīng)力最大位置的應(yīng)力—時(shí)間

圖15 加速疲勞工況下摩擦片磨損量分布

1）通過臺(tái)架試驗(yàn)得到了雙金屬鼓式制動(dòng)器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變和動(dòng)態(tài)溫度特性，制動(dòng)鼓的周向應(yīng)變在時(shí)間歷程上呈現(xiàn)類似正弦波的交替特性，交變幅值隨溫度升高逐漸增大。

2）高溫工況下的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了雙金屬鼓式制動(dòng)器熱—應(yīng)力—磨損耦合計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

3）仿真計(jì)算結(jié)果表明：圓周方向?yàn)橹苿?dòng)鼓主要的變形方向，最大周向應(yīng)力出現(xiàn)在開口邊緣處；摩擦片的磨損量分布極不均勻，軸向靠近開口側(cè)且周向?yàn)橹胁康奈恢檬悄p量最大位置，最大磨損量為105 μm。