鼓式制动器磨损不均匀原因分析

梁庆海

（1.陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003；2.32153部队，河北 宣化 075100）

引言

鼓式制动器是一种典型的摩擦式制动器，在各型汽车上得到广泛应用。随着研发设计水平的提高和材料工艺的改进，盘式制动器相较于鼓式制动器具有更优良的性能，使得盘式制动器逐步取代鼓式制动器成为最主流的车用制动器[1]。但鼓式制动器因其结构简单和成本低廉，仍然被广泛应用于许多民用及军用汽车上，作为行车制动器或者驻车制动器[2-3]。制动器是汽车动力传动系统中的一个关键部件，对行车安全起着至关重要的作用。鼓式制动器在工作过程中经常出现磨损不均匀的现象，导致制动器过早失效[8]。本文从鼓式制动器的结构设计和工作过程进行分析，探究鼓式制动器磨损不均导致过早失效的原因。

1 结构原理及工作过程分析

首先通过2020版的SOLIDWORKS软件构建鼓式制动器的三维实体模型。SOLIDWORKS是全球知名的三维模型开发与设计软件，在各个行业及领域中得到广泛应用。构建的鼓式制动器实体模型如图1所示，其主要组成部件包括制动鼓、制动蹄、制动传动机构等。

图1 鼓式制动器三维实体模型

制动蹄和制动鼓是鼓式制动器的核心工作部件。制动蹄与制动传动机构安装在一起并受传动机构驱动，制动鼓通过紧固螺栓与轮毂固定在一起。在未制动时，制动鼓与制动蹄之间保持一定的间隙；在工作时，制动蹄在传动机构的作用下与制动鼓压紧并摩擦，从而产生制动力。通过控制制动的强度及时间，可使制动鼓与轮毂减速或停止，以实现行车制动或驻车制动。

从结构原理上看，由于制动器的主体部分被轮毂所包围，属于封闭式或半封闭式的设计结构。这种设计结构不利于制动过程中产生的摩擦热能的消散，且制动效能受限于制动蹄与制动鼓之间的实际接触面积的大小。作为鼓式制动器的主要工作及受力部件，制动蹄在工作过程中易发生形变，并引发制动衰退、抖震以及制动效率下降等现象[7-8]。尤其是在崎岖不平的路面上制动时，其操控稳定性较差。制动不平稳可导致制动蹄与制动鼓遭受较多的应力冲击。

2 应力及形变分析

轻型车辆上使用的的制动蹄一般由型钢辗压或钢板冲压焊接而成，而载重车辆上使用的制动蹄则多用可锻铸铁、球墨铸铁、铸钢或铸铝合金等材料制成[6-7]。本文中算例中的制动蹄的材料设定为可锻铸铁，具体的材料参数如表1所示。

表1 制动蹄材料参数

在操纵力的作用下，制动蹄与制动鼓接触压紧，制动蹄受制动鼓反向压应力，同时受到传动机构及支撑筋板的压应力。在设定强度为10 000 N的瞬时冲击应力作用下，制动蹄的静应力分析结果如图2所示，形变分析结果如图3所示。

图2 制动蹄静应力分析结果

图3 制动蹄形变分析结果

从SimulationXpress的分析结果可见，在蹄式制动器的工作过程中，当受到外部冲击应力的时候，尽管所受的力并未达到材料的屈服力，但制动蹄上的受力并不均匀，边缘处所受静应力要大于中间部位所受静应力，如图2所示。由此导致的结果是，制动蹄边缘处产生的形变要大于中间部位，如图3所示。在这种情况下，制动蹄与制动鼓的实际有效接触部位为凸起部位，因此该区域首先发生磨损，由于接触面积为非平面，必然导致磨损距离。当凸起部位磨损至一定程度后，其余区域也开始磨损，直至两区域的磨损程度趋于一致。在持续的外力冲击作用下，上述过程不断重复。随着工作时间的推移，当累积磨损超过设定阈值，制动器即发生失效。

在紧急制动或者在颠簸路面进行制动的情况下，由于外部冲击力较大，制动蹄受力极度不均，难以做到平稳制动[5]。根据上述分析结果可知，这种情况必然会导致制动鼓和制动蹄发生不均匀的形变。由于制动蹄和制动鼓均为刚性材料，其产生的形变难以完全恢复到原来的状态，形变产生的凸起部位必然会发生磨损加剧的情况，进而导致制动器过早失效。

3 结论

通过SOLIDWORKS软件构建鼓式制动器的三维实体模型，从其结构原理出发分析其结构特点，分析其制动过程中的受力特点和工作特性，并通过SimulationXpress对制动蹄进行应力和形变分析，对鼓式制动器磨损不均匀的原因进行研究。结果表明，外界载荷的综合作用使得制动蹄发生形变，由此造成制动器的局部磨损加剧，是鼓式制动器磨损不均匀的原因。