某载货汽车制动鼓开裂分析

王小龙， 陶世波， 幸振帆

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心,　安徽　合肥　230022)



某载货汽车制动鼓开裂分析

王小龙， 陶世波， 幸振帆

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心,安徽合肥230022)

摘要：本文以西南山区市场上淋水开裂的制动鼓为研究对象，从制动鼓的材质、结构及制动操作习惯等几个方面来研讨了制动鼓淋水开裂的原因，并且从中找出延长制动鼓寿命的具体的解决方案。给类似问题的解决提供了广义的思路。

关键词：山区；制动鼓；开裂

一、引言

目前，国内绝大多数卡车都采用鼓式制动器。鼓式制动器结构简单，性能可靠，制动力矩大，且成本较低。制动鼓的性能好坏直接影响着汽车的制动系统的优劣。制动鼓工作环境极其恶劣，要受到制动蹄片强大的压力及相互间静或者动的摩擦力，特别是在山区地带，由于频繁制动，制动鼓的温度可以达到400℃以上，热衰退十分严重，严重影响了制动鼓和制动器的安全性及制动的有效性。为了解决制动鼓高温发烫导致热衰退的不良现象的发生，许多的客户自发增加了给制动鼓降温的装置-淋水装置，通过在下坡时断续的给制动鼓淋水来降低制动鼓的温度，以提高制动性能。该措施可以有效降低制动鼓的温度，但是对制动鼓的材料及结构提出了更高的要求。制动鼓在淋水时发生开裂的故障时有发生，发生开裂的平均里程只有1.8万公里，严重影响了车辆的安全。该文意通过对某载货汽车在山区淋水开裂制动鼓的分析，探讨制动鼓的材料及结构对制动鼓可靠性的影响。提高制动鼓的可靠性，为解决类似的问题提供一条可参考的途径。

二、制动鼓开裂分析

本文的研究对象是在西南市场淋水开裂的故障件，通过制动鼓开裂的故障分析、制动鼓的材料分析、制动鼓金相及硬度分析、制动鼓的结构CAE分析，识别出造成制动鼓淋水开裂的主要因素，找出延长制动鼓寿命的对策。

图1　制动鼓淋水装置图

（一）制动鼓开裂故障重现

通过市场调研，目前在山区市场，载货汽车基本都增加了制动鼓淋水装置，其装置简图见图1，制动鼓的失效模式见图2所示。

图2　开裂的制动鼓示意

根据对失效制动鼓的观察和对失效场景的重现，我们可以得出以下的初步结论：

1.在高温状态下，外部突然受冷，导致在制动鼓的内表面出现高温膨胀的同时，外表面突然出现了冷态收缩，这样容易在薄处、边角处出现裂纹，其示意图见图3。

图3　制动鼓受力作用力

2.制动鼓的材料不符合要求，导致制动鼓的强度过低，低于制动蹄片所施加的压力，从而形成了轴向的裂纹，这个可以通过对制动鼓的材料检验来判断。

3.制动鼓的硬度过低，在制动蹄片的压紧力及摩擦力作用下，在制动鼓表面形成了台阶性的磨痕。

4.制动鼓的结构不符合使用要求，在热胀冷缩的反复作用下，导致了在制动鼓的薄弱点产生了裂纹。

5.后桥制动器过小，散热性能差，导致制动时温度过高，也是会造成制动鼓开裂的一个因素。

下文将逐步验证各个因素的对于制动鼓开裂的影响，排除一些干扰因素，从而找到该载货汽车制动鼓淋水开裂的主因，并实施有效对策。

（二）制动鼓材料、硬度和金相分析

为了更好的判断该载货汽车制动鼓的材料是否满足使用要求，我们选取以下对象做材料分析对比：a市场上失效的制动鼓；b新的制动鼓；c市场上反馈良好的竞品制动鼓。制动鼓的材料检测结果见表1。

表1　制动鼓的材料检验

从材料的分析可以来看，新旧制动鼓和竞品的制动鼓均可达到相关标准的要求，因此不能简单的仅从化学成分上来判断和分析制动鼓的开裂原因，下面将从金相分析及硬度检测来找出制动鼓开裂的原因。具体的检测数值见表2。

表2　制动鼓的硬度和金相检测

竞品和该载货汽车的制动鼓的材料均为HT250，从表1可以看出：其微量元素的含量基本都符合要求。而旧制动鼓表面出现的黑斑和亮斑，表明在制动鼓表面出现了部分碳化，从而使局部的制动鼓达到很高的硬度，由于硬度较高，制动鼓与摩擦片在摩擦过程中自然也形成了亮斑。一些研究可以表明，制动鼓在恶劣的工作环境下，会达到导致制动鼓产生相变的温度，若同时具备了强冷（水冷）的条件，就会形成马氏体和索氏体等。马氏体和索氏体的产生会在制动鼓上新增外在应力，若外在应力大于制动鼓材料本身的强度，则会造成制动鼓的开裂。从以上的金相和硬度检测，应属于正常范围之内。

（三）制动鼓结构的CAE分析

我们通过对竞品制动鼓的精测、建模分析，希望能够从两者的结构差异中来找出影响制动鼓寿命的要因所在。两种制动鼓的结构如图4、图5所示。

图4　该载货汽车制动鼓及数模

图5　竞品制动鼓结构及数模

通过图纸对比和数模对比，该载货汽车的制动鼓尺寸为φ320×120，而竞品的制动鼓尺寸为φ320× 100。相比较而言，在同样的制动环境下，竞品制动鼓单位面积所受到的制动力矩更大，工作环境更恶劣。而且因为其作用面积较小，温度上升就比较快。如果两者结构一样，φ320×100的制动鼓寿命比φ320×120较小，更容易发生淋水开裂的故障。实际上竞品的制动鼓的寿命反而优于该载货汽车的制动鼓，所以，有必要对其结构进行进步的对比分析。

给定约束条件，对制动鼓进行结构的CAE分析，其约束条件如下：

1.为避免安装螺栓孔处应力集中问题，将安装面加厚15mm。

2.施加载荷：总摩擦力f=70000N，正压力N= 70000/0.4=175000，摩擦系数取0.4。

3.材料力学性能：弹性模量E=1.3×105MPa，泊松比μ=0.27。

分析的结果见图6、图7、图8所示：

图6　最大应力点应力的比较（左图为该载货汽车，右图为竞品）

图7　最大位移点的比较（左图为该载货汽车，右图为竞品）

图8　端口处最大应力的比较（左图为该载货汽车，右图为竞品）

通过以上的比较分析，竞品制动鼓的几个应力点的应力、端口处的位移量要小于该载货汽车制动鼓，其结构更优。从图4、图5中可以看出，两种制动鼓在结构上相似，但是在制动鼓的端面上，两者结构有所不同。该载货汽车的制动鼓参考WSL原件设计，保留了原有的甩水槽，而竞品的制动鼓没有。而且从以上的CAE分析还可以看出，最大位移点恰恰出现在制动鼓最容易，也是最经常发生淋水开裂的区域-端口处。所以我们尝试进行了以下结构改进的尝试：a、为了提高制动鼓的强度，增大其散热面积，在其表面增加加强筋，其结构见图9所示；b、为了消除结构突变而引起的应力突变，去除掉该甩水槽，其结构见图10所示。

图9　增加加强筋制动鼓

图10　去甩水槽制动鼓

给定同上面分析相同的约束条件，分析的结果如图11、图12、图13所示。

图11　最大应力点应力的比较（左图为方案a，右图为方案b）

图12　端口处最大应力的比较（左图为方案a，右图为方案b）

图13　端口处最大位移的比较（左图为方案a，右图为方案b）

以上分析的结论见表3：

表3　各个方案的结构分析结果比较

从以上的结构分析结果来看，可以看出b方案的力学特性最优，更加符合设计需求。当然，由于实际操作及装车上有着其它很复杂的因素，其实际的实施效果，还需要实际装车验证。

（四）改进后制动鼓的实施效果

为了验证b方案的有效性，我们在云南市场投放了10台套的样件，制定了以下验证方案：

1.投放5台套样件给用户进行更换，对用户进行跟踪和定期电话回访。

2.投放另外5台套的样件、并且下发了驾驶员使用排辅制动说明书，对更换制动鼓的用户进行排辅使用指导，对用户进行跟踪和定期电话回访。再对样件的实施效果进行了长达六个月的跟踪。

市场验证的结果表明：

1.按照b方案实施后的样件，其制动鼓的寿命提高到3万公里左右，大大优于之前的老制动鼓，验证了理论分析的有效性。

2.在山区市场，用户在使用排辅的状态下，制动鼓的温度将大大降低，其寿命也能得到很大的提高。

三、结论

本文通过对失效制动鼓和竞品制动鼓的分析，可以得出以下结论：

（一）汽车制动鼓的失效模式有以下几种：

1.出现明显的磨痕台阶，主要是因为制动鼓的硬度太低，在频繁的制动过程中，过度磨损造成的。

2.轴向裂纹，主要是因为制动鼓的材料强度不足，无法满足实际使用要求。

3.制动鼓表面出现了亮斑、黑斑或网状裂纹，主要是制动鼓的表面温度过高而形成了部分碳化，制动鼓表面发生了相变。

4.制动鼓的结构缺陷，会造成制动时，制动鼓应力集中，而在薄弱点造成裂纹。

（二）在长坡制动或山区地带，驾驶员的操作习惯、各种辅助制动的使用也对制动鼓的寿命有着很大的影响。

参考文献：

[1]黄笑梅.低合金化灰铸铁汽车制动鼓的研制[J].汽车工艺与材料.2002，(1).

[2]新力,任正立.鼓式制动器的热力学分析[M].辽宁汽车. 1999.

[3]方明霞,冯齐,等.制动鼓的有限元分析[M].上海汽车. 1998.

（责任编辑：袁媛）

中图分类号：U463.55

文献标识码：B

[文章编号]1671－802X(2016)02－0046－06

收稿日期：＊2016－02－23

作者简介：王小龙（1990-），男，湖北荆州人，工程师，研究方向：汽车实验。E-mail:357860398@qq.com.

Analysis of Brake Drum Crack of a Truck

WANG Xiao-long,TAO Shi-bo,XING Zhen-fan
(The Technique Center of Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230022,Anhui)

Abstract:For the crack problem of brake drum with water dropping in the southwest mountainous market,the causes of the crack are analyzed from perspectives of material,structure and brake operation habit.A solution is put forward to extend the using period of the brake drum,which offers reference for similar problems.

Key words:mountainous area;brake drum;crack