盘式制动器的高温裂纹

盘式制动器的高温裂纹

摘要盘式制动器在一般的制动中受到很大的热压力，在紧急制动受到非同寻常的

热压力。大减速度的客车通常每个衬块每秒中产生达900度的高温。这种高温将产生两种结果：（1）热震动，产生表面裂缝，（2）制动盘产生较大的塑性变性。在转动圈数相对较少的大减速制动中，如果没有热震动，，将在旋转体的最厚处和盘式制动器的径向产生可见的裂缝。由此分析发现，制动器失效是短周期热力学疲劳的结果。用热流方程分析有限元素作出制动器温度纵断面图。如果得到制动温度，将用这个温度来估计紧急制动时增大的压力。研究表明，在大减速度制动时由于热压应力较大，而导致塑性变形发生。算出拉力位移量，然后用Coffin—Manson法则来估计制动失效的圈数。

关键字：热疲劳;热裂缝；制动失效；热压力；疲劳。

1.简介

在大减速度制动后，在制动盘上可观察到热裂缝。热裂缝可分为两类：一类是热裂缝部分的穿过制动盘表面；另一类是透过性热裂缝，他完全透过制动盘体。虽然热裂缝是由紧急制动引起的，但是仍没办法防止其发生。本文将对盘水制动器的制动盘热裂缝做一个彻底的分析。在此，将以载重汽车F-250皮卡的前制动盘热裂缝为例进行分析，如图1所示。当卡车拖拽的挂车装满货物时，如果频繁的刹车，当听到“嘭”的一声或显著的滴答声，表示制动器失效。

制动盘是由灰铸铁按照图2的几何尺寸制造而成。选择会铸铁是由于其熔点低，传热和散热较快。制动盘由连接车轮和轴的头部.内制动片和外制动片组成。外制动片直接与头部相连，，而内制动片则通过一系列的通风叶片连与外制动片。在制动盘的头部加工一道沟槽，用以改变该部的应力集中现象。内制动片不是直接与头部相连，它通过冷却叶片连接。制动是内外盘面被制动衬块压紧。频繁的摩擦阻止车轮旋转，同时产生大量的热。当制动数秒后，制动盘上产生了大量的热而邻近的空间内却与常温无异。热裂缝在客车上不常见，但是在卡车和动力车辆上却相对常见。许多车辆还暴露出相当极端的问题。值得注意的是，这些情况不是所谓的滥用，而是显示了制动技术的局限。虽然这篇文章是由卡车的制动器失效的例子引出的，接下来就这个问题作一个人和车辆都使用的一般性论述。

图1

图2

2.车辆力学

制动就是以及时和重复的方式消耗掉车辆的动能。为了估计制动中升高的温度，就必须算出施加于制动盘上的力。图3展示了车辆的解析图，求质心的瞬时平衡，得如下公式：

()()()

2

1

2 1

2 1

sin

cos

x

x

l

V

g

h

V

K

h

x

b

mg

F

G G

Z∆

+

∆

+

--

-

∆

-

=

•α

α

(1a)

()()()

2

1

2 2

2 2

sin

cos

x

x

l

V

g

h

V

K

h

x

a

mg

F

G G

Z∆

+

∆

+

--

-

∆

+

=

•α

α

(1b)

图3

这里：

()[]Z M G x C x b lC h C mg

S K y 212∆-+-⨯=ρ (2a) ()[]Z M G x C x a lC h C mg S K y 122∆++-⨯=

ρ (2b) 和是有效制动系数，其他符号在图3中已标定。

假设制动发生在完全平坦的地面上（α=0），公式（1）可被进一步简化。再者，Δx 向

克认为是轮胎从中心的正常受力位移。由于它相对于其他尺寸很小，可以把这些项从公式

（1），（2）中忽略掉。相当于每个轮胎上稍少于1%重量的制动系数也被忽略掉了。结果，

公式（1）简化为如下形式：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=•V g h b l mg F G Z 1 (3a) ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=•V g h b l mg F G Z 2 (3b) 公式（3）表明，重量的分布取决于每个轮胎距离质心的距离和车的加速度。在减速时，

重量转移到前轮，因此，大部分制动工作由前轮承担。大多数汽车专有比例阀，用控制前后

轮液压力的分配，形成前后轮负荷分配比例为60/40。这种分配用于随后的制动分析。图4

位前制动盘-轮胎的受力图，得出如下的等式：

0==-=∑y y ma W N F (4a)

x tire rotor axel x ma F F F F =+-=∑2 (4b)

αrotor tire tire rotor rotor I F r F r M =+=∑)()2(0 (4c)

图4

由于60%的载荷由前制动器承担，单个制动盘的动力由公式（5）给出：

()()()⎰⎰==•dt t v F dt t P M rotor rotor disipated 22

13.020 (5) 消耗与制动盘的能量等价于实际流入制动盘的热量，用这一关系可以预测制动盘上的

温度变化量。对于恒加速度，可以得出如下的动力学关系式：

(6)

F rotor 不随时间变化，而V rotor 随时间呈现性变化。因此，能量平衡可变为：

()()()⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-==•⎰2000202122213.0stop stop stop tire rotor rotor t rotor rotor t t v t v r r F dt t v F Mv stop (7) 工业标准明确规定：紧急制动是在6秒内把车速从45m/s 降至0。实验表明，300圈这

样的制动足以是制动盘产生热裂缝。汽车制动一般用表1所时的数据进行计算：

表1：汽车数据