制动器摩擦表面温度测量方法的研究

谷 曼

（合肥学院 机械工程系，安徽 合肥230022）

1 引言

试验研究证明，刹车片的工作机理是当有机基体刹车片与对偶件（一般是铸铁）相摩擦时，复合材料的各自部分会按自身特性形成不同的摩擦磨损形式，其现象十分复杂。一般地，在制动初期，表面温度不高，但制动片的工作特点在于短时间内，摩擦系数和温度的巨大变化。摩擦副要在极短的时间内耗散很大的能量，致使摩擦面上产生大量的热。当制动器温度较高时（高于100℃），不仅制动力矩急剧下降，而且会导致相邻部件的损坏。随着行驶速度及载重量的不断提高，高速重载下所产生的摩擦热也越来越大，单位面积所吸收的摩擦热越来越大，摩擦元件升温急速，对制动器的抗热衰退性以及制动稳定性影响很大，因此，制动器摩擦热的进一步研究势在必行。

2 制动器制动过程摩擦热理论分析

当汽车制动器制动时，由于刹车片表面接触的不均匀性，其远小于名义接触面积且不连续。接触点的数目多少和尺寸大小与刹车片表面粗糙度、制动力矩和材质的机械性能有关。摩擦时的热源首先在真实接触处产生，并在摩擦过程中随着表面轮廓和名义接触面积的变化而改变，其改变的程度取决于实际接触处的条件，如速度、温度、负荷摩擦过程中表层的物理变化特性以及材质的热物理性能等［1］。

制动时，摩擦片的温度分布以及制动时的温度与制动时间、制动与摩擦副从自由表面向环境介质散出的热量等因素有关，是制动摩擦热传导理论需要解决的问题，可用下式表示其间的关系［2］：

以上两式的边界条件为：

摩擦产生的总热量 （在Z＝o处）等于物体1和物体2吸热之和，即：

摩擦片界面与环境介质产生的热交换服从牛顿冷却规律，即有：

其初始条件为：t＝0，T1＝T2＝0。

汽车制动过程一般为非稳定的摩擦过程，制动时间较短。在一定的间隔时间内制动器将吸收大量的热能量。根据制动温度状态不同的计算公式得出，温度场和表面温度T可以采用一维热传导公式进行求解，用该简化的公式得出的结果有一定的准确性，也是研究摩擦片温度的基础。

3 制动器试验台的设计

3.1 试验台系统方案

本试验台是单工位结构，由主机（包括机座、惯量飞轮组）、试验滑台、调速系统、控制系统、计算机系统、气/油制动系统、冷却系统等组成。

图1为制动器试验台试验系统状态总览。界面能显示当前整个试验台的系统结构及状态，对被试制动器的转速、制动鼓和制动蹄的温度、制动液的温度、制动力矩、制动噪声及各动力源和传感器的状态进行实时显示。被测制动器当前的制动噪声声级、制动鼓、蹄温度、轮缸制动液温度、风机转速等指标一目了然，操作方便。该界面用于调整模式，即手动模式，在输入制动管路压力和制动初速度等参数后，选择正转或反转，试验台就会自动完成制动试验，并输出一些数据，这主要用于试验台调试及标定。

图1 制动器试验台系统状态总览

3.2 温度测量方式的选择

制动器在工作过程中动态温度研究尤为重要，但是测量制动器表面的动态温度存在着许多困难。由于测试的是两个相互接触的表面，两种材料相互贴合，测试仪器布置困难，其次由于从微观角度看制动器表面摩擦属于微凸体接触问题，即使同一区域温度相差也较大，闪点温度维持时间也很短，这给制动器表面动态温度测量带来了很大的难度。现在国外已有数字无绳遥测技术和蓝牙技术，它们也能够准确、同步地传输采集到的温度信号，而且安装方便。如德国KMT公司的特色产品就是点对点的小型遥测系统，该系统将模拟信号数字化后无线传输，可以采集移动部件和旋转部件上各种传感器信号，当然包括温度信号。QC/T479－1999中规定以热电偶进行温度的采集，测试位置比较明确和灵活，测试数据动态响应快，具体测量点的温度值准确度高。

与其他测温方式相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。这种测试手段属于接触式温度测量，测试位置比较明确和灵活，测试数据动态响应快，具体测量点的温度值准确度高。但是制动器摩擦表面的温度很难测量，所以表面温度常用位置距表面0.5～1mm处的点来代替［3］。此外，热电偶的鲁棒性、可靠性和快速响应时间也是其重要的因素，而且热电偶适用于中高温测量，价格低，正好适合本试验项目。

3.3 热电偶安装

国家标准QC/T556－1999规定用热电偶进行制动器温度的测量［4］，并推荐了两种型式的热电偶：铠装热电偶和插塞式热电偶。美国SAE－J2115也规定使用插塞式热电偶，其结构型式如图2所示。它是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的［5］。

图2 插塞式热电偶

QC/T556－1999规定在靠近制动衬片（块）、制动鼓（盘）的长宽方向的中心处，钻一通孔（孔径随安装的热电偶型式而定），并应避开筋或散热片。将热电偶测量端固定于孔内，不得松动。在制动衬片（块）上安装时，偶头距摩擦表面为1.0mm；在制动鼓（盘）上安装时，偶头距摩擦表面为0.3～0.5mm［6］。测量制动液温度时，热电偶安装于制动轮缸的放气螺钉上，装用之前，需作压力试验，经过半小时，不得有泄漏现象。压力试验应为制动轮缸最高工作压力的1.2倍。

4 制动器温度测量及试验过程

4.1 试验流程

试验台测量流程如下：首先将被试制动器制动鼓（盘）通过夹具系统固定在试验台上，同时把制动片（块）固定在尾座滑移系统上；接着选择试验项目，并针对试验要求，调节好电机转速、飞轮组惯量、制动管路压力等试验条件；此时可通过传感器采集所需试验数据，并根据试验要求分别进行表1试验流程。

表1 试验流程

在试验过程中根据试验要求调整试验条件；最后通过计算机输出试验结果，停止试验。

4.2 制动器温度的采集

本试验台温度信号的采集采用集流环技术，结构如图3所示。集流环是开展以应变片测量技术为基础的非电量电测的重要器件。特别适用各种旋转构件的功率或扭矩测量，也可以用来测量各种旋转机械的其它参数，如温度，压力等。其工作原理［7］：轴套（轴）随被测量轴一起旋转，当用电阻应变片测量旋转轴上所承受的扭矩以及其他负荷引起的应力等，可在被测轴上贴上电阻应变片，电阻应变片的引线焊在集流环接线盘的焊点上，旋转时，轴受扭力，就会产生扭力，从而产生扭矩变形，使贴于其上电阻发生变化，通过滑环及电刷将变化有信号引出，送至相应的二次仪表放大，显示或记录，这样就可以测出被测轴所受扭矩等的信号大小。

集流环内附有测速机构，测速盘上有3个检测体，轴套（轴）每转一次，3个检测体分别经过测头一次，输出端感应3个脉冲讯号，其转速脉冲讯号配记录仪作记录显示用［8］。适当调整检测体和测头之间的距离L，就可调整脉冲信号的大小。测量温度用的铜环与炭刷组成铜环炭刷集流环，以传递制动时制动鼓的热电偶信号。

图3 集流环工作示意图

5 试验数据结果

表2为制动器试验过程中采集的部分实验数据。

表2 部分实验数据

另外从图4第一次效能试验制动力矩与制动温度的关系曲线图中，也可以清楚地显示制动温度随制动力矩的变化规律。

图4 第一次效能试验制动力矩与制动温度关系曲线

6 结论

通过试验分析总结出了制动初速度越大，制动过程温升越大。因为初速度越大，相对来说制动时间（也即摩擦时间）越长，温升也就越大；在制动过程中，无论是气压制动还是液压制动，管路压力越大，制动减速度越大，温升也越大；制动初期，环境温度越高，温升也越大；制动器在工作过程中产生的热能，其温度急剧上升，导致制动器的制动效能改变；转动惯量越大，制动时间越长，制动器温升越快等规律，可为汽车制动系统的研发和生产提供更丰富、更有力、更真实的检测数据支持。

［1］陈朝晖.汽车制动对安全行驶的影响［J］.热带农业工程，2003，（2）：31－32.

［2］（美）L.鲁道夫.汽车制动系统的分析与设计［M］.北京：机械工业出版社，1985.

［3］GB/T 12676－1999汽车制动系统结构、性能和试验方法［S］.中国汽车技术研究中心标准化研究所，1999.

［4］陈小元，方凯.汽车制动器试验台的系统设计与实现［J］.电子技术，2004，14（8）：55－57.

［5］赵奇平，陈汉汛.制动器性能试验智能CAD系统实现［J］.武汉理工大学学（信息与管理工程版），2003，25（4）：15－18.

［6］林荣会，刘明美.制动器试验台中模拟负载的新方法［J］.机械科学与技术，1997，26（6）：58－60.

［7］盛朝强.基于电惯量的汽车惯性式制动试验系统的设计［J］.重庆大学学报（自然科学版），2005，14（1）：90－92.

［8］王仁广.制动器惯性试验台的改进设计［J］.农业机械学报，2006，26（6）：18－20.