商用车鼓式制动器摩擦特性试验设计与数值分析

陈静　陈莹　朱亮亮　万里恩　马云鹏

（1.中国第一汽车股份有限公司技术中心汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130011；2.长春特必克世立汽车零部件有限公司，长春130012）

商用车鼓式制动器摩擦特性试验设计与数值分析

陈静1陈莹1朱亮亮2万里恩1马云鹏2

（1.中国第一汽车股份有限公司技术中心汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130011；2.长春特必克世立汽车零部件有限公司，长春130012）

以商用车鼓式制动器为研究对象，针对制动器摩擦副的摩擦特性展开研究。选取适当的试验设备，利用正交试验方法获得鼓式制动器摩擦副摩擦因数，通过三次回归分析得到摩擦因数与摩擦副表面温度、制动压强、整车速度等3个影响因素的关系式，并绘制了三维曲面与二维曲线，分析得到摩擦因数随各影响因素的变化规律，并通过极差分析方法获得了各因素对摩擦因数的影响程度。

主题词：鼓式制动器摩擦特性正交试验三次回归分析

1　前言

鼓式制动器是商用车的关键部件之一，其性能直接影响汽车行驶的安全性和稳定性，而决定制动器性能的主要因素是摩擦材料的性能。在车辆制动过程中，制动性能应保持一定的稳定性，摩擦因数过高或过低都会影响汽车的制动性能，所以应该全面研究并掌握制动器摩擦副的摩擦因数随影响因素的变化特点，以指导制动器的设计开发。

摩擦本身是一种动态随机过程，摩擦因数不是材料的固有特性，而是材料本身和多种因素影响下的综合特性［1］。鼓式制动器摩擦副的工作过程是动能转换为热能，摩擦因数主要受摩擦副的表面温度、制动压强以及整车速度3个主要因素的影响［2～3］。本文通过摩擦特性试验台——JF55功率试验机进行摩擦特性试验，并采用正交试验法以及数值回归分析方法对商用车制动鼓摩擦副的摩擦特性进行全面研究。

2　制动器摩擦副摩擦特性试验台

制动器摩擦副摩擦特性试验需要分别控制摩擦副的表面温度、制动压强以及整车速度在一定范围内任意变化，而普通的制动器摩擦因数定速试验台只能测试摩擦因数随温度的变化，制动压强与旋转速度只能是定值，重型汽车制动器惯性试验台又无法精确控制摩擦副温度，显然都不能满足对制动鼓摩擦副摩擦特性随各因素变化关系的研究需要，因此，采用图1所示的JF55功率试验机进行试验，它适用于轻型车、微型车、轿车制动器摩擦片或重型车摩擦片小样的摩擦磨损性能试验，其基本原理是通过设定程序使伺服电机控制液压装置向管路施加给定的压力值（见图2），电机带动制动盘以任意速度转动，摩擦样块由液压装置压紧在制动盘上（见图3），热电偶与制动盘采用接触式安装（见图4）。作为一台整体封装设备，它在测量摩擦特性时有以下几点优势：

a.相较于其它小样试验机，其试验结果与实际应用有更好的一致性；相较于惯性台架，试验简单，周期短，耗资少。

b.试验温度较高，跨度较大，可达500～600℃。

c.试验压力可调，可以模拟行车中各个压力。

d.试验速度可调，可以模拟汽车各种行驶速度。

3　正交试验设计

正交试验最重要的步骤是因子及其水平的合理选择。如前所述，制动器摩擦副摩擦特性主要受3个因素的影响，针对本文商用车制动鼓的常用工况，在温度100～400℃、摩擦副压强0.5～4.0 MPa、车速25～85 km/h范围内分别设7个水平。正交试验水平如表1所示。根据3因素7水平正交试验的原理和要求编制试验方案如表2所示。为了减小样品离散度对试验结果的影响，每组试验分别使用3个样品各做1次试验，再将试验结果取平均值。

表1　正交试验水平表

表2　正交试验方案

4　数值回归分析

获得正交试验数据之后，为了探索摩擦因数与摩擦副表面温度、制动压强以及整车速度之间的内在联系，采用多元回归分析的方法进行数据分析。回归分析的基本思想是：虽然自变量与因变量之间没有严格的、确定性的函数关系，但可以设法找出最能代表它们之间关系的数学表达形式。通过数值分析工具MATLAB中的多元回归分析函数regress进行编程，对试验所得摩擦因数的平均值进行三次非线性回归分析［4］，得到制动器摩擦副的摩擦因数μ受摩擦副温度T、制动压强P、车速v等3个因素影响的回归方程：

为检验通过试验数据拟合得到的式（1）是否具有代表性，对该回归方程进行精度统计分析。根据相关系数检验临界值表和F分布临界值表（显著性水平α=0.01）得到：相关系数R1=0.8570＞R0.01（34）=0.423 8；剩余标准差S1=0.031 3；F检验值F1=7.870 7＞F0.01（13，35）=2.69；F值对应的概率p1=3.518 8×10-7＜α=0.01。

以上统计结果表明回归方程的显著性水平达到99%，且不失拟，说明其精度高，满足工程要求。

5　温度、压强、车速对摩擦因数的影响分析

利用式（1）可分别得到摩擦因数与各影响因素的变化规律，由于3个变量无法统一在三维空间展示，分别固定其中1个因素，作出摩擦因数随另2个因素变化的三维曲面图形，从而分析得到3个因素对摩擦因数的影响。

5.1温度的影响

将温度分别固定，得到摩擦因数随压强和车速的变化情况。图4为不同温度下摩擦因数变化情况的三维曲面图。由图4可知，摩擦因数随车速和压强在高温时相对低温时稳定，变化幅度小。由摩擦因数均值随温度的变化曲线（见图5）可知，随着温度的逐渐升高，摩擦因数呈现先升后降的变化趋势，温度在300～350℃之间摩擦因数最大，继续升高温度时，摩擦因数数值呈下降趋势，但至400℃时，数值下降幅度不大，说明该摩擦片在400℃时没有出现热衰退现象，摩擦性能稳定。

5.2压强的影响

将压强分别固定，得到摩擦因数随温度和车速的变化情况。图6为不同压强下摩擦因数变化情况的三维曲面图。由图6可知，摩擦因数随温度和车速在高压强时相对低压强时变化幅度小，因为压强越大，摩擦副间的贴合效果越好。通过三维曲面与摩擦因数均值随压强的变化曲线（见图7）可知见，单纯随着压强的变化，摩擦因数呈现波动的状态，变化幅度较大，且随压强的增大呈先减小后增大再减小的变化趋势。

5.3车速的影响

将车速分别固定，得到摩擦因数随温度和压强的变化情况。图8为不同车速下摩擦因数变化情况的三维曲面图。由图8可知，摩擦因数随温度和压强在高速时相较低速时变化平缓。因为摩擦副间的相对滑移速度会引发表层发热和温度升高，从而改变摩擦副表面微观接触形态，引起摩擦因数的变化。通过三维曲面与摩擦因数均值随车速的变化曲线（见图9）可知，摩擦因数单纯随车速的变化呈现先升高再下降后波动，并逐渐趋于平缓的状态，变化幅度相对较小。

5.4温度、压强、车速对摩擦因数的影响主次分析

根据正交试验的极差分析法对正交试验结果进行分析，分别得到3个因素的试验指标平均值tni（n=T，P，v； i=1，2，3，4，5，6，7）和极差Rn（n=T，P，v）值，以此比较分析3个影响因素的主次水平。对于温度T，由tT5＞tT6＞tT4＞tT7＞tT3＞tT2＞tT1可以判断T5=300℃为温度因素的优水平，并得到极差RT=tT5-tT1=0.076；对于压强P，由tP1＞tP6＞tP7＞tP2＞tP5＞tP3＞tP4可以判断P1=0.5 MPa为压强因素的优水平，并得到极差RP=tP1-tP4=0.093；对于车速v，由tv3＞tv6＞tv7＞tv4＞tv2＞tv5＞tv1可以判断v3=45 km/h为车速因素的优水平，并得到极差Rv=tv3-tv1=0.020。由极差RP＞RT＞Rv可知，压强对摩擦因数的影响相对较大，温度次之，车速影响相对较小。

6　结束语

本文针对商用车鼓式制动器摩擦副摩擦特性进行试验测试，应用优化试验设计方法确定影响因素与水平并编排试验方案，采用多元回归分析方法分析试验数据，得到商用车鼓式制动器摩擦副摩擦因数与温度、制动压强、整车速度的连续变化关系。通过数值分析，得到各影响因素对摩擦特性的影响规律及主次关系，有助于预测商用车鼓式制动器的摩擦性能，量化性能指标，指导产品研发设计。

1王志刚.制动器摩擦热效应分析.润滑与密封，2005（6）：164～175.

2刘惟信.汽车制动系的结构分析与设计计算.北京：清华大学出版社，2004.

3丛春梅.制动摩擦副摩擦特性分析.长春工业大学学报（自然科学版），2006，27（4）：382～386.

4王岩，隋思涟.试验设计与MATLAB数据分析.北京：清华大学出版社，2012.

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2016年5月9日。

Experiment Design and Numerical Analysis on Friction Characteristics of Commercial Vehicle Drum Brake

Chen Jing1，Chen Ying1，Zhu Liangliang2，Wan Lien1，Ma Yunpeng2
（1.China FAW Co.，Ltd R&D Center，State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise&Safety Control，Changchun 130011；2.Changchun TBK SHILI Auto Parts Co.，Ltd.，Changchun 130012）

With commercial vehicle drum brake as the object of study，and the friction characteristic of brake friction pair was studied.An appropriate test equipment was selected，the friction coefficient of the brake drum friction pair was obtained from orthogonal test method.Then the relation among the friction coefficient with three influential factors of temperature，braking pressure，vehicle speed was deduced from the cubical recursive analysis.Then the change rule of the friction coefficient with the influential factors was summarized from plotting the three dimensional surface and two dimensional curve.Finally，the influence degree of three factors to the friction coefficient of the friction pair was obtained from the analysis of variance.

Drum brake，Frictional characteristic，Orthogonal test，Cubical recursive analysis

U463.51+1；U461.3

A

1000-3703（2016）10-0039-04