盘式和鼓式制动器热衰退性能对比试验研究∗

李 臣，晋 杰，杨良坤

(交通运输部公路科学研究院，运输车辆运行安全技术交通行业重点实验室，北京 100088)

前言

随着我国道路货物运输业的迅速发展，大型载货车辆发挥着越来越重要的作用。载货车辆在为国家发展做出巨大贡献的同时，其安全性也不容忽视，目前我国载货车辆保有量1 900多万辆，占机动车保有量总数的7.8%，但载货车肇事导致的死亡人数约占交通事故死亡总数的28%[1]。从事故原因分析，大型载货车辆制动系统失效是发生交通事故的重要原因之一。目前，我国大型载货车辆主要配置鼓式制动器，但在制动稳定性方面，鼓式制动器相对于盘式制动器劣势明显。在欧洲的重型载货车中，从2010年开始盘式制动器使用率已超过85%，且该比率还在增加，而我国中重型载货车中盘式制动器的应用不到5%[2]。

随着我国载货车技术的不断进步和社会对运输安全的日益重视，工信部于2011年底发布了第632号文，明确要求危险化学品运输车前桥必须安装盘式制动器。GB 7258—2012规定“所有专用校车和危险货物运输车的前轮及车长大于9m的其他客车的前轮应装备盘式制动器”[3]。汽车企业在国家强制要求情况下开始有了一定规模的应用，但是相对于巨大的国内载货车市场来说，这仅占很少的份额。

针对制动器的热衰退现象，国内外学者从摩擦材料、行驶车速和道路线形等方面采用有限元仿真、台架试验和单车的热衰退试验等方法开展了深入研究[4-8]，取得了一定的成果。研究多以鼓式制动器为主，针对大型载货车辆盘式制动器热衰退的研究较少。为对比大型载货车辆安装盘式和鼓式两种制动器的制动性能，在同一款半挂车上换装同一厂家的盘式和鼓式两种制动器进行制动性能对比试验，通过分析试验数据，探讨我国重型载货车辆制动器应用的发展趋势。

1 试验系统搭建

试验系统由汽车列车性能测试仪、踏板力计、多路温度记录仪、热电偶、轮胎气压表和电子汽车衡等组成。此外，还包括笔记本电脑和供电设备。主要试验设备如表1所示，其中汽车列车性能测试仪主要测量行车制动性能，包括制动距离、平均制动减速度和制动时间等；踏板力计主要测量制动时施加到制动踏板上的制动力；多路温度记录仪主要连续采集并存储热电偶的温度值；热电偶用于测量制动盘和制动鼓的温度；轮胎气压表测量试验前的轮胎气压；电子汽车衡测量试验车辆空载和满载的轴荷。

表1 主要仪器设备

2 试验系统安装

轮胎气压表和电子汽车衡在试验前保证试验车辆的胎压和轴荷符合技术要求。汽车性能测试仪安装在驾驶室中控台上部，用大吸力吸盘固定在前风窗玻璃上，如图1所示。踏板力计安装在制动踏板上表面。多路温度记录仪安装在半挂车左侧储物箱内，用软质泡沫材料固定，如图2所示。热电偶分别安装在盘式制动器和鼓式制动器的制动衬片上，如图3和图4所示。衬片打通孔，热电偶用配有弹簧的铜套固定，以调整因制动片磨损造成的间隙，保证测量过程中铜套和制动盘表面接触，如图5所示。

图1 汽车性能测试仪安装

图2 多路温度记录仪安装

图3 热电偶安装在制动盘

图4 热电偶安装在制动鼓

图5 热电偶固定装置

3 试验车辆

试验用半挂汽车列车由中国重汽某6×4型牵引车和迈隆牌三轴厢式半挂车组成。试验车辆示意图(包括各轴间距)如图6所示，试验车辆基本参数见表2。

图6 试验用半挂汽车列车示意图

表2 试验车辆基本参数

4 试验方法

试验在交通部公路交通试验场长直线性能路上进行，试验前测量路面任意方向坡度不大于2.50%。厢式半挂车匹配盘式制动器试验风速1.5m/s，气压100.0kPa，温度25.1～32.2℃；厢式半挂车匹配鼓式制动器试验风速2.5m/s，气压99.7kPa，温度26.2～31.2℃。

车辆满载，技术状况达到生产商的技术要求。试验前，按照GB 12676—2014《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》[9]的要求对制动器进行磨合，对半挂汽车列车进行预热行驶。

热衰退性能试验方法如下：半挂汽车列车以初速度60km/h进行制动，速度降到30km/h时解除制动，然后加速至速度稳定在60km/h时再次制动，速度降到30km/h时解除制动，试验反复20次。另外，根据我国目前半挂汽车列车的使用现状，为更好地考核半挂车的热衰退性能，解除牵引车的制动，只保留半挂车制动，按照上述试验方法再进行一次热衰退试验。试验过程中连续采集半挂车6个制动器的温度数据。

5 试验结果分析

5.1 汽车列车热衰退性能

汽车列车60km/h满载Ⅰ型试验结果如表3所示。

表3 汽车列车60km/h满载Ⅰ型试验结果

由表3可以看出，汽车列车在60km/h热态紧急制动时，半挂车配装盘式制动器和鼓式制动器均能满足标准要求，但半挂车配装盘式制动器性能要优于配装鼓式制动器性能，说明盘式制动器的制动力矩更大。从制动距离上看，半挂车配装盘式制动器比配装鼓式制动器性能提高27.56%，因此在制动器热态时，盘式制动器比鼓式制动器优势更明显。

我国快递企业可以根据消费者对运送时效的要求不同（4Cs中的顾客需求策略）来设计快递产品，实现产品与消费者的需求相关联（4Rs中的关联策略），实现产品的差异化，进而使企业获得竞争优势。例如，有的消费者需要快递企业实现一日内将快递送达指定地点或几小时内送达指定地点，快递企业可根据其资源或与渠道成员合作来实现产品的差异化，从而实现战术4Ps中的产品策略与4Cs中的顾客需求策略、4Rs中的关联策略相融合，以获取竞争优势，为价值战打好基础。

汽车列车满载Ⅰ型试验盘式制动器制动盘和鼓式制动器制动鼓的温度随时间的变化曲线分别如图7和图8所示。

图7 汽车列车满载Ⅰ型试验盘式制动器(制动盘)温度随时间的变化曲线

图7 和图8中每一段曲线峰值代表一次制动，曲线峰值之间部分代表车辆非制动行驶。

汽车列车满载Ⅰ型试验结束时制动器温度如表4所示。

图8 汽车列车满载Ⅰ型试验鼓式制动器(制动鼓)温度随时间的变化曲线

表4 汽车列车满载Ⅰ型试验制动器温度 ℃

由表4可以看出，汽车列车满载Ⅰ型试验结束时盘式制动器平均温度351.83℃，鼓式制动器平均温度241.82℃，二者相差110.01℃。

5.2 仅半挂车制动时热衰退性能

仅半挂车制动时，汽车列车60km/h满载Ⅰ型试验结果如表5所示。

表5 汽车列车60km/h满载(仅半挂车制动)Ⅰ型试验结果

汽车列车仅半挂车制动工况我国暂无相关标准要求，试验方法参照GB 12676—2014。由表5可以看出，60km/h热态制动时，配装盘式制动器制动距离为86.07m，而配装鼓式制动器制动距离为241.40m，配装盘式制动器比配装鼓式制动器性能提高180.47%。半挂车配装盘式制动器在热态和冷态紧急制动时，性能略有下降，热态比冷态制动距离仅增加了 19.85m(仅半挂车制动时，汽车列车60km/h满载0型发动机脱开试验制动距离为66.22m)，能保持较好的制动性能；半挂车配装鼓式制动器时制动性能急剧下降，制动距离增加152.68m(仅半挂车制动时，汽车列车60km/h满载0型发动机脱开试验制动距离为88.72m)，从平均发出的制动减速度MFDD为0.61m/s2可以看出，半挂车配装鼓式制动器热衰退严重，接近失效。

仅半挂车制动时满载Ⅰ型试验盘式制动器的制动盘温度随时间的变化曲线如图9所示，鼓式制动器的制动鼓温度随时间的变化曲线如图10所示。

图9 仅半挂车制动时满载Ⅰ型试验盘式制动器(制动盘)温度随时间的变化曲线

图10 仅半挂车制动时满载Ⅰ型试验鼓式制动器(制动鼓)温度随时间的变化曲线

仅半挂车制动时，汽车列车满载Ⅰ型试验结束时制动器温度如表6所示。

由表6可以看出，汽车列车满载(仅半挂车制动)Ⅰ型试验结束时盘式制动器平均温度525.53℃，鼓式制动器平均温度384.82℃，二者相差140.71℃，说明盘式制动器比鼓式制动器的热容量小。

表6 汽车列车满载(仅半挂车制动)Ⅰ型试验完成制动器温度 ℃

从表4和表6可以看出，在同样的试验条件下，试验结束时总体上盘式制动器温度要比鼓式制动器高。结合表3和表5的制动性能可以看出，虽然盘式制动器温度上升快，但盘式制动器的热稳定性好，温度在525℃左右依然能提供较好的制动力，鼓式制动器在384℃时已经基本失去制动能力。

5.3 制动前后制动器的状态

制动前后制动盘和制动鼓的状态如图11～图14所示。

图11 试验前摩擦片表面状态

图12 试验后摩擦片表面状态

由图11～图14可以看出：盘式制动的制动盘和摩擦片的贴合与鼓式制动的制动鼓和制动蹄片的贴合在低温阶段没有明显的区别，制动性能也接近；但在高温阶段，制动蹄片两端在高温制动后产生了磨损，中部变化不大，这从图14表面大量粉尘分布可以看出。因此，制动蹄片在高温制动后和制动鼓贴合不良，而盘式制动摩擦副的贴合好于鼓式制动，可有效地保证行车制动安全。

从物理学的观点看，制动过程是车辆将动能转化为热能的过程。车辆在长时间制动中，制动盘和摩擦片、制动鼓和制动蹄片的温度都会迅速升高，但因制动盘和制动鼓在高温下状态不同，造成了制动效果也不同。盘式制动器和鼓式制动器在冷热情况下的状态对比如图15所示。

图13 试验前制动蹄片表面状态

图14 试验后制动蹄片表面状态

图15 制动器在冷热情况下的状态

从图15中可以看出，盘式制动在制动过程中摩擦片和制动盘一直处于面接触状态，保证了制动性能的稳定。鼓式制动在高温阶段，由于制动鼓高温变形和磨损(图15(d)中标记处)，使制动蹄片和制动鼓之间结合不紧密，造成接触面积减小，比压增大，磨损加快，制动性能变差。

6 结论

(1)从试验结果看，盘式制动器制动力矩更大、热稳定性更好，比鼓式制动器安全性优势明显。

(2)我国大型载货车辆盘式制动器安装率较低的主要原因是超载。超载车辆在连续制动时，盘式制动器温升更快，且由于高温淋水易发生断裂现象，不适合目前我国的运输市场。但随着2016年9月五部委联合治超的实施及相关标准对运输安全要求的提高，盘式制动器在我国有望逐步得到推广。

(3)本试验结果是在汽车列车额定载荷条件下测得，试验车辆和试验条件一致，试验结果具有很高的说服力。如需得到更具普遍性的结论，需更换试验车辆、变换载荷进一步对比分析。

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[9] GB 12676—2014：商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法[S].北京：中国标准出版社，2015.