不同参数对湿式制动器摩擦特性的影响

庞敬礼，彭桂枝，崔联合，薛 伟

（1.江阴职业技术学院，江苏 江阴，214405；2.江阴盛达汽车集团公司，江苏 江阴，214405）

不同参数对湿式制动器摩擦特性的影响

庞敬礼1，彭桂枝1，崔联合1，薛 伟2

（1.江阴职业技术学院，江苏 江阴，214405；2.江阴盛达汽车集团公司，江苏 江阴，214405）

运用数值分析方法，研究不同摩擦系数、制动转速、制动压力对湿式制动器摩擦特性的影响。研究结果表明：摩擦系数和制动转速对制动器的接触压力影响较小，制动压力对制动器的接触压力影响较大；选择摩擦系数为0.2～0.3的摩擦材料，制造的湿式制动器的制动性能较好；制动转速控制在40rad/s，制动压力控制在5MPa以内，湿式制动器的制动性能较好。

湿式制动器；参数；摩擦特性；接触压力；安全系数

0 引言

制动器直接影响汽车制动性能和安全性能，有必要分析和研究汽车制动器[1]。由于湿式制动器具有制动力矩易调整、散热性好、抗污染能力强、磨损小、寿命长和维修成本低的特点，在车辆制动系统中得到了广泛的应用[2]。

在国外，Luciano M.A等[3]研究了湿式制动器的振动和尖叫问题，提出了一种新的计算和测量方法；Alsksander Yevtushenko等[4]通过建立在不均匀压力条件下湿式制动器摩擦接触理论分析模型，对湿式制动器热弹性失稳现象，以及制动器对偶钢片和摩擦衬片的临界速度进行分析和研究；FuCaihu等[5]通过建立制动器热结构耦合分析模型，分析在特殊条件下热对流特性对制动器结构的影响，并分析了在紧急制动工况条件下摩擦接触失效规律和热结构耦合特性，为制动器制造材料选择、结构优化等，提供了重要的参考依据；Prashant Chavan等[6]运用理论分析方法，建立盘式制动器热机耦合模型，研究制动器的摩擦热应力和热谱。

在国内，赵启东等[7]运用分形理论，建立多片湿式制动器摩擦模型，研究制动器的摩擦力、接触特性和弹塑性变形；孙冬野等[8]通过试验，研究湿式多片制动器热应力及其分布规律；罗天洪等[9]基于偏态接触表面粗糙度理论，分析纸基摩擦材料湿式制动器的啮合特性；胡江平等[10]以300t矿用自卸车为研究对象，研究自卸车的全液压湿式制动系统；李彬等[11]运用有限元仿真方法，模拟仿真在极限工况下湿式制动器的摩擦特性，为改善湿式制动器的摩擦特性提供了重要的依据；王文静等[12]运用有限元分析软件，仿真循环对称结构制动盘的三维瞬态温度场。

综上所述，虽然国内外不少学者研究了湿式制动器的材料、结构、摩擦、振动等方面的特性，但是不同参数影响湿式制动器摩擦特性的研究较少。基于此，本文通过建立湿式制动器理论分析模型，研究摩擦衬片的摩擦系数、制动转速、制动压力等参数对湿式制动器摩擦特性的影响，为选择湿式制动器的制造材料、优化湿式制动器的结构和降低湿式制动器的振动噪提供依据。

1 湿式制动器的结构

湿式制动器是车辆制动系统的重要部件，其实体如图1所示，其结构如图2所示。由图1和图2可知，湿式制动器主要由油道、O型圈、对偶钢盘、摩擦衬片、齿圈制动推盘总成、回位弹簧、螺环、止动垫圈、隔环、挡圈等构成。

图1 湿式制动器实体图

图2 湿式制动器结构图

2 湿式制动器摩擦模型

在湿式制动器制动过程中，偶钢片和摩擦衬片相互接触挤压，从而产生一定的形变，在接触面产生接触压力。设总接触压力为p，随着偶钢片和摩擦衬片接触形变不断变化，总接触压力p的大小和方向也不断变化。设垂直接触面的结构形变压力为pj，平行接触面的摩擦压力为pm。由此可得：

分析对偶钢片和摩擦衬片之间的微凸体，并把结构形变压力pj和摩擦压力pm分解成x和y两个方向的力，分别得到：

在湿式制动器的对偶钢片和摩擦衬片的各接触点上的力pj1和pj2， 以及pm1和pm2在x、y两个方向的力分解后，可以相互抵消，且在接触点的斜率有如下关系：

设形变量为ε、形变速率为ζ，由此可得在平面不同方向的形变速率和结构形变力与摩擦力之间的关系式为：

式中：t为时间。

将式（5）在制动器摩擦副接触面A上进行积分可以得到：

将式（6）在制动器摩擦副接触面 A（i=1，2，3…）上求和得到：

由此可以得到对偶钢片与摩擦衬片接触面的摩擦力F为：

式中：Ap为实际接触面积。

根据摩擦学理论，可得湿式制动器的实际接触面积为：

式中：d为接触面维数；ψ为接触面特征系数；γ为接触面摩擦形变时弹性变为塑性的临界值，其值由下式求得：

式中：g为接触面尺度因数；E为摩擦衬片弹性模量；σ为摩擦衬片屈服强度。

设车辆在车轮未抱死的情况下，制动器能够提供最大的制动力矩为Mmax，其计算式为：

式中：r为车轮半径；Fmax为单个车轮最大制动力。

式中：Ffmax为车辆轮胎承受的最大轴向反作用力；φ为车辆轮胎峰值的附着系数。

车辆在制动过程中的制动力矩为：

式中：β为车辆制动器制动力分配参数；tm为车辆制动器制动时间。

根据制动器理论，推导制动器摩擦衬片在制动过程中的制动力矩为：

式中：u为车辆制动器摩擦衬片的摩擦系数；车辆制动器制动压力为：p(t)。

式中：θ为车辆制动器摩擦衬片包角；r1为车辆制动器内半径；r2为车辆制动器外半径。

3 数值计算及分析

根据建立的湿式制动器理论分析模型，分析不同的摩擦系数、制动转速、制动压力参数对湿式制动器摩擦特性的影响。本文选取某车型的湿式制动器为研究对象，其具体参数如表1所示。

表1 某车型湿式制动器参数

3.1 摩擦系数对湿式制动器摩擦特性的影响

为了分析不同摩擦系数对制动器摩擦特性的影响，本文选取制动转速为20rad/s，制动压力为3MPa，其他参数不变，在摩擦系数分别为0.1、0.2、0.3、0.4的条件下，计算湿式制动器接触压力及安全系数值分别如图3、图4所示。

图3 摩擦系数对接触压力的影响

图4 摩擦系数对安全系数的影响

由图3可知，虽然随着摩擦系数增加，制动器接触压力逐渐增加。但是当接触压力增加到一定程度后，增加幅度较小，摩擦系数对制动器的接触压力影响较小。

由图4可知，随着摩擦系数增加，制动器的安全系数逐渐减小。在摩擦系数为0.1时，制动器摩擦副疲劳寿命较小，摩擦损耗也较小，安全系数较大，安全性较高；当摩擦系数为0.4时，安全系数较低，摩擦副疲劳寿命较大，寿命较短。笔者认为制造制动器的材料摩擦系数在0.2～0.3的范围比较合适，摩擦系数对制动器的安全系数影响较大，应把它作为选择制动器摩擦材料的重要依据。选择摩擦系数合适的材料，有利于延长制动器寿命，减小制动器的摩擦磨损，提高制动器的制动性能。

3.2 制动转速对湿式制动器摩擦特性的影响

为了分析不同制动转速对制动器摩擦特性的影响，本文选取摩擦系数为0.2，制动压力为3MPa，其他参数不变，在制动速度分别为10rad/s、20rad/s、30rad/s、40rad/s的条件下，计算湿式制动器接触压力及安全系数值分别如图5、图6所示。

图5 制动转速对接触压力的影响

图6 制动转速对安全系数的影响

由图5可知，随着制动转速的增加，制动器接触压力基本保持不变，制动转速对制动器的接触压力影响较小。

由图6可知，随着制动转速的增加，制动器安全系数逐渐减小，但减小幅度小于摩擦系数的变动幅度。制动转速应控制40rad/s以内，制动器制动性能最好。

3.3 制动压力对湿式制动器摩擦特性的影响

为了分析不同制动压力对制动器摩擦特性的影响，本文选取摩擦系数为0.2，制动速度为20rad/s，其他参数不变，在制动压力分别为2MPas、3MPas、4MPas、5Mpas的条件下，计算湿式制动器接触压力和安全系数值分别如图7、图8所示。

图7 制动压力对接触压力的影响

图8 制动压力对安全系数的影响

由图7可知，随着制动压力增加，制动器接触压力逐渐增加，且制动器接触压力大于制动压力；随着制动时间延长，制动器接触压力增加，但在增加到一定程度后，基本保持稳定。由此可见，制动压力是影响制动器接触压力的主要因素。由于制动器接触压力是多种因素共同影响的结果，如摩擦系数、温度等，导致制动器的接触压力略大于制动压力。

由图8可知，随着制动压力的增加，制动器安全系数逐渐减小，且在制动压力为5MPa时，安全系数较小，大约为2。笔者认为，为了保证制动器的制动性能，制动器制动压力应控制在5MPa以内。

4 结论

本文运用数值分析方法，研究摩擦系数、制动转速、制动压力对湿式制动器摩擦特性的影响。研究表明，摩擦系数和制动转速对制动器的接触压力影响较小，制动压力对制动器的接触压力影响较大；选择摩擦系数为0.2～0.3的摩擦材料，制造的湿式制动器的制动性能较好；制动转速控制在40rad/s，制动压力控制在5MPa以内，湿式制动器的制动性能较好。

[1]吕辉，于德介，谢展，等．基于响应面法的汽车盘式制动器稳定性优化设计 [J]．机械工程学报，2013（9）：55-60．

[2]马宏革．大吨位车辆传动轴电磁制动与半轴湿式制动集成系统设计及开发 [J]．机械传动，2015（9）：109-112．

[3]LUCIANO M.A,MADRUGA O,COSTA C A.A method for measuring creep groan based on brake inertial dynamo-meter[C].SAE Paper 2005-01-4126,2005.

[4]YEVTUSHENKO A，KUCIEJ M.Temperature and thermal stresses in a pad/disc during Braking[J].Applied Thermal Engineering,2010(5)：233-236.

[5]HU F C， LI H L，XIE B S,Analysis of the Thermai-Structure Coupling of the Band Brake[J].Appied Mechanics and Materials,2011(10)：499-503.

[6]CHAVAN P，APTE A.Axisymmetric analysis of bolted discbrakeassembly to evaluate thermal stresses[J].Abaqus Users’Meet,2008(21)：321-325.

[7]赵启东，罗天洪，罗文军，等.基于分形理论的多片盘式湿式制动器摩擦模型[J].华中科技大学学报（自然科学版），2015（04）：123-127.

[8]孙冬野，胡丰宾，秦大同，等．湿式多片制动器热应力分布规律试验分析[J]．中国机械工程,2010(16)：2006-2010．

[9]罗天洪，李富盈，李春宏．基于偏态接触表面粗糙度的纸基摩擦材料湿式制动器啮合特性研究[J]．机械传动，2013(12)：47-53．

[10]胡江平，杨务滋，彭国普，等．300t矿用自卸车全液压湿式制动系统研究[J].郑州大学学报(工学版)，2011(3)：68-71．

[11]李彬，吴小川，李德山．极限工况下湿式制动器摩擦特性模拟仿真研究[J]．北京汽车，2013（4）：42-46．

[12]王文静，谢基龙，刘志明．基于循环对称结构制动盘的三维瞬态温度场仿真[J]．机械工程学报，2002（12）：131-134．

责任编辑仇大勇

Influences of Different Parameters on Friction Characteristics of Wet Brake

PANG Jinli1，PENG Guizhi1,CUI Lianhe1,XUE Wei2

（1.Jiangyin Polytechnic College;2.Jiangyin Shengda Automobile Group,Jiangyin Jiangsu 214405,China）

The effects of the friction properties of wet brake on different parameters of friction coefficient,speed brake and brake pressure were studied by the numerical analysis method.The result shows that the friction coefficient and brake speed have little effects on the contact pressure of wet brake,while the brake pressure has greater effects on the brake contact pressure;the brake performance of wet brake is better if the friction material with friction coefficient is between 0.2 and 0.3;the brake performance of the wet brake is better if the braking speed is controlled at 40rad/s,and the braking pressure is less than 5MPa.

wet brake;difference parameters;friction characteristics;contact pressure;safety factors

U463.51

A

1674－5787（2017）03－0141－05

10.13887/j.cnki.jccee.2017（3）.37

2017-03-15

本文系江苏省教育厅项目“中高等职业教育衔接课程体系建设”(项目编号：苏教职[2015]-19)、江阴职业技术学院科研项目“汽车智能温控湿式制动器研究”（项目编号：16E-JD-15）的研究成果之一。

庞敬礼（1982—），男，江苏赣榆人，江苏大学硕士研究生，江阴职业技术学院讲师，研究方向：车辆故障检测诊断技术研究。