车辆行车制动器的研究现状及展望

李晋泽 冯文

【摘 要】分别对国内外车辆行车制动器使用类别、摩擦副间压力分布规律、摩擦偶件温度场及应力场的分布、制动噪声等方面的研究现状进行了综述和评价，并对车辆行车制动器的某些研究内容提出了新的见解，通过对车辆行车制动器的类别、摩擦片的压力分布规律、温度场和应力场和噪声控制的分析，最后展望了车辆行车制动器的研究方向及其发展动态。

【关键词】行车制动器 制动噪声 温度场

1 引言

行车制动器作为关系车辆安全性能的关键部件，一直以来都被国内外研究学者所关注。其制动性能的好坏，制动效率的高低将直接影响到交通运输的安全性，而这些都与行车制动器的摩擦特性密切相关。行车制动器的摩擦特性将直接决定车辆制动系统的整体制动性能。行车制动器的合理选用，对车辆制动时散热特性、制动效能特性息息相关。

因此对车辆行车制动器使用类别、摩擦副间压力分布规律、摩擦偶件温度场及应力场的分布、制动噪声、制动过程的影响因素、整体散热特性进行综合阐述，对车辆行车制动器的设计、开发、以及理论研究都有着至关重要的作用。

2 车辆行车制动器的类别

根据车辆的车型及其综合使用工况，行车制动器通常分为通风盘式制动器、鼓式制动器、湿式全封闭多盘制动器等，如图1所示。三类制动器各有互补的优缺点，因此各自应用于不同的车型和工况，其中通风盘式制动器多用于乘用车前后桥制动器、客货车前桥制动器；鼓式制动器多用于客货车后桥制动器；湿式全封闭多盘制动器则多用于非公路矿用自卸车，轮式挖掘机，井下采煤车等工作在恶劣环境中的重型车辆。

（a）通风盘式制动器 （b）鼓式制动器 （c）湿式全封闭多盘制动器

图1 三类常用制动器 图2 摩擦片上的热应力场分布

在以上三种制动器中，各自的优缺点非常明显，通风盘式制动器的优点在于：相对于鼓式制动器，其热稳定性、水稳定性好；制动力矩与汽车运动方向无关；其易构成双回路制动系，系统有较高的可靠性和安全性；其几何尺寸小，质量小，散热较为良好；摩擦衬块上的制动压力分布比较均匀，衬块上摩擦材料所受磨损也很均匀。但是通风盘式制动器的主要缺点在于难以完全防止尘污和锈蚀；而且在作驻车制动器时，所需附加的驻车制动驱动机构较复杂

而湿式全封闭多盘制动器相比以上两种制动器来说优点更加突出，由于其特殊的全封闭工作环境，可防水防尘，制动性能稳定，不易受外界工作环境的影响，维护成本低，散热良好，并且耐磨损，寿命长，摩擦副温度与普通制动器相比显著降低。通过改变摩擦盘数量，即使不增大摩擦片尺寸，也可根据需求来调节制动力矩，且接触冲击小，动力传递效率高，结构尺寸小，易于布置，但其结构复杂，价格较贵。

在车辆制动系统设计过程中，为了减少成本，在不影响整车制动性能的前提下，一般采用前盘后鼓的原则，用于恶劣工况的设备则选用湿式全封闭多盘制动器。

3 车辆行车制动器摩擦片的压力分布规律

车辆制动时摩擦片表面的压力分布不但影响行车制动器的制动力矩容量、制动热容量和磨损，而且直接影响摩擦界面上的工作温度，从而影响热衰退性能、造成热平衡失稳及产生热裂纹。制动器制动过程中摩擦副间温度分布不均匀，会导致局部温度过高，使该处热膨胀量大于摩擦副其他接合处，一旦摩擦界面上的小块面积开始承受不均匀的载荷且其温度比周围表面高，它将膨胀并形成“热斑”。局部热斑的形成会导致制动压力不均匀分布的持续恶化，这又造成局部温度进一步升高，加剧摩擦界面表面温度梯度的变化，最终导致热机失稳。制动而产生的瞬时高温使摩擦副和附近零件温度升高，高温会使得摩擦材料的摩擦系数下降，导致热衰退，磨损加剧，严重时使摩擦材料损坏，对偶零件产生龟裂或挠曲，附近轴承润滑油脂变稀而流失，或间隙变小而胶合。在汽车盘式制动器中，该问题尤为突出，从而降低了汽车刹车性能，并造成较大的经济损失。因此，摩擦界面间压力分布是否合理直接决定着制动性能的好坏和使用寿命的长短。

4 行车制动器摩擦副的温度场和应力场

车辆制动时通常会产生大量的热量，由温度的不均匀而产生的高温点所引起的摩擦片局部烧损或翘曲和裂纹的现象，也成为车辆行车制动器常见的失效形式。摩擦副温度场和应力场的获得可通过解析法、数值法和试验等方法[1]。几何形状和边界条件比较简单的情况下，运用解析法可获得较为精确的求解。

随着有限元技术的持续发展，利用计算机对摩擦副热应力场进行数值仿真，如图2所示，已是目前研究湿式多盘制动器的主要手段。文献[2]在假定湿式多盘制动器各摩擦副间衬片压力沿径向均布相等的前提下，建立了以摩擦盘横截面中轴线为对称线的温度场有限元分析模型；文献[3]利用有限元间隙单元针对整个湿式多盘制动器各摩擦副间衬片压力分布规律，建立了轴对称温度场和应力场的有限元分析模型，并阐述了摩擦衬片弹性模量对制动器对偶钢盘温度和应力的影响，提出了湿式多盘制动器的等热流密度设计原则，并讨论了冷却油与摩擦副间对流换热现象对行车制动器摩擦副特定温度点的影响。

5 行车制动器的噪声控制

早期对制动时的制动尖叫现象一般简单地归结为当静摩擦系数大于动摩擦系数或动摩擦系数随相对滑动速度的变化率小于零时，制动摩擦系统的自激振动问题。早期通常采用纯试验方法研究鼓式制动器的制动尖叫，通过增加底板刚度，抑制制动尖叫噪声。进入20 世纪80 年代中后期，随着计算机技术的发展，逐步从简化模型进入对实际制动器结构的研究，定量地解释制动噪声的各类现象。关于制动噪音的研究大多集中在干式制动器（盘式、鼓式等），有限元、模态分析、结构闭环耦合模式等研究方法较为成熟。齐钢[4]等借助有限元和模态综合技术建立了盘式制动器制动尖叫摩擦耦合模型，通过复特征分析，得到对应于每阶振动模态的阻尼与频率，模态阻尼值揭示了哪些模态不稳定并可能产生尖叫，最后运用耦合模型研究了摩擦系数和子结构模态对制动尖叫的影响。杨国俊[5]等从制动器振动的角度探讨了制动尖叫噪声分析方法，在制动器摩擦闭环耦合模型的基础上，推导了系统尖叫模态的馈入能量计算方法。通过基于振动频率的分析，可较直观地看出一些结构参数对制动噪声的影响，如摩擦系数、制动块形状、刚度及有重要影响的子结构模态振型，并有助于分析抑制噪声的结构修改方案。该方法对制动器结构振动噪声的分析具有指导意义。

6 结语

行车制动器在车辆中的使用中必不可少，其研究工作方兴未艾。针对其广泛的用途以及多样的结构形式，国内外专家学者对行车制动器的研究方向和方法的选择也不尽相同，有的从理论方面进行专题研究，有的从台架试验方面进行实践研究。然而要对行车制动器进行完整的性能分析，还要从以下几个方面进一步研究：

（1）行车制动器在制动过程中压力分布与温度场及磨损存在典型的热机耦合，应将压力分布与热传导及磨损作为统一的耦合问题来研究，并采用弹塑性理论来求解热应力场；

（2）由于实际摩擦界面表面为粗糙表面，应研究粗糙表面的粗糙峰模型，并在该微凸体粗糙峰模型的基础上研究制动器摩擦磨损热动力学；

（3）现今对行车制动器的研究中，缺乏对摩擦材料热物理特性的深入研究，未来可考虑对特定的制动材料配对进行包括材料热物理参数在内的整个摩擦、磨损研究。随着高新技术的不断应用与发展及新材料的不断出现，车辆行车制动器的理论与试验研究内容也将会得到不断更新与发展。

参考文献：

[1] 朱华，陆斌斌，历健全.摩擦学问题研究的非线性理论方法[J].机械工程学报，2010， 46（15）： 82-86.

[2] Gao Chenghui， Lin Xiezhao. Transient temperature field analysis of brake in no axis metric three-dimensional model[J].Journal of Materials Processing Technical，2002，129（1-3）.

[3] 吴磊，温泽峰，金学松.车轮全滑动轮轨摩擦温升三维有限元分析[J].机械工程学报， 2008，44（3）：57-63.

[4] 齐钢，谢骋，张光荣等.制动低鸣噪声控制方法研究[J].汽车技术，2014，6：21-25.

[5] 杨国俊.鼓式制动器结构振动尖叫问题综述[J].噪声与振动控制，2010，1：1-6.

[6] 郝务云，矿用胶轮车湿式多盘失压制动器及制动系统研究[D].徐州：中国矿业大学， 2014.

[7] 张朝喜，湿式多盘制动器的动力学仿真及热应力分析[D].昆明：昆明理工大学，2014.