【文章內(nèi)容簡介】 制動器冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀 針對制動負荷大的問題，人們設(shè)計了排氣制動輔助裝置，在一定程度上緩解了制動熱 負荷的問題，但該系統(tǒng)相對復(fù)雜，價格較高，使用范圍受一定的限制，對一些低價位的貨車加裝該系統(tǒng)顯然是不經(jīng)濟的。目前，一些載貨汽車進行了制動器淋水冷卻，雖然具有一定的效果，但由于淋水時機難以掌握，經(jīng)常產(chǎn)生制動轂變形開裂，導(dǎo)致車輛不能正常制動和行駛。 制動器冷卻系統(tǒng)的研究興于上世紀 80 年代。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)主要存在自動化程度低和冷卻效果難以控制的缺點。傳統(tǒng)冷卻方式主要有兩種：風(fēng)冷和水冷。風(fēng)冷形式主要為強制風(fēng)冷式，是在現(xiàn)有制動器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在制動鼓的外壁上均布徑向展開的翅片：但是冷卻效果差，主要應(yīng)用于小型車。水冷方式 有開式和閉式。開式冷卻：由人員進行控制，如果制動時未及時冷卻制動鼓，會引起制動鼓淬火，冷卻液流到路面會潮濕路面。閉式冷卻：冷卻水在系統(tǒng)中強制循環(huán)，如機動車制動鼓冷卻器，制造復(fù)雜，要求精度高，成本高，適用于小型車。 為防止制動性能熱衰退，主要有以下四種方案： (1)改進制動器結(jié)構(gòu)和摩擦材料 制動器熱容量和抗熱衰退性能的好壞是影響其使用壽命的重要因素。制動器以摩擦的方式將汽車的動能轉(zhuǎn)化為熱能，熱量則由制動器吸收并散失。但若其熱容量小，抗熱衰退性能差，會使其溫度升高，不僅摩擦力矩顯著下降，制動效能明顯 降低，而且會把車輛的輪轂軸承潤滑脂烤化，制動鼓退火變色，車輪內(nèi)胎爆北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 破等。提高制動器的熱容量和散熱性，可改善其制動性能。采取的改進方案為：制動器制動蹄襯片加寬，制動鼓直徑加大，制動摩擦力增長快，吸收能量多，制動效能提高；制動鼓凸緣有散熱降溫作用，可以適當(dāng)?shù)卦黾颖诤?。摩擦材料的熱分解溫度是影響制動器使用壽命的重要因素。不同組分的摩擦材料都有其對應(yīng)的熱分解溫度。熱分解溫度愈高，摩擦副的熱穩(wěn)定性愈好志剛。 (2)氣壓 氣壓淋水冷卻系統(tǒng)主要借助貯氣筒內(nèi)的高壓空氣壓迫高位水箱內(nèi)的水，通過電磁閥來控制噴水，淋水箱 頂部裝有調(diào)壓閥和氣壓閥。根據(jù)調(diào)壓閥設(shè)定的氣壓，壓縮空氣從淋水箱的頂部給水加壓，駕駛員通過踩下剎車踏板或者控制駕駛室內(nèi)的開關(guān)來控制淋水，噴淋制動鼓外沿，以降低制動器的溫度，保證汽車有足夠的制動效能。采用延時控制噴水，該裝置較簡單，易改裝，這是目前解決制動性能熱衰退常用的方法。但是，該裝置也存在一定的問題：水箱內(nèi)無水時不易發(fā)現(xiàn)，無水后貯氣筒內(nèi)的壓縮空氣通過水箱由淋水管直接泄漏到大氣中，而貯氣筒內(nèi)的氣壓不能正常上升，致使貯氣筒內(nèi)氣壓不足，造成制動系統(tǒng)供給氣壓不足，導(dǎo)致車輛制動效能下降甚至失效，出現(xiàn)嚴重的交通事故。 (3)壓縮風(fēng)冷卻 強制風(fēng)冷式車輪制動器冷卻系統(tǒng)。它是在現(xiàn)有的制動器基礎(chǔ)上，在制動鼓的外壁上均布徑向展開的翅片，制動器底板上裝有環(huán)形噴氣嘴，環(huán)形噴氣嘴正對著制動鼓上的外壁及翅片，環(huán)形噴氣嘴通過風(fēng)管連接壓風(fēng)裝置，壓風(fēng)裝置與汽車變速器上的取力器驅(qū)動連接。一方面通過展開的翅片向周圍環(huán)境散發(fā)熱量；另一方面用壓風(fēng)裝置強制向制動器吹風(fēng)冷卻。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易安裝及制造，可避免噴淋冷卻所致的管道阻塞的問題，在小型車方面得到很大應(yīng)用。但是該裝置存在的問題是：汽車在行駛過程中，一直驅(qū)動空氣壓縮機，造成不必要的發(fā)動機功 率損失。由于在剎車時制動鼓才會產(chǎn)生大量的熱，而此時，傳動軸的轉(zhuǎn)速會下降，導(dǎo)致驅(qū)風(fēng)時斷時續(xù)，冷卻效果受到影響，并且空氣的散熱能力有限。 (4)直流電動水泵淋水裝置 汽車制動系統(tǒng)的直流電動水泵淋水裝置，其特征是將冷卻水箱裝的水經(jīng)過水箱出水口接的管道至過濾器，再由直流電動水泵對過濾后的水產(chǎn)生衡壓揚程。由球閥組控制壓力水的流向，分別按駕駛員的意愿輸送到需冷卻部位，降低它們的溫度。當(dāng)冷卻水箱內(nèi)的水位低于警戒水位時報警器就會發(fā)出音響報警，提醒駕駛員及時加水，確保行車安全。此裝置存在自動化程度低和淋水量不能調(diào)節(jié)的缺陷。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第二章 鼓式制動器強制風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計概述 第 課題的提出及意義 雖然鼓式制動器在工作時會產(chǎn)生大量的熱，石棉和無石棉的摩擦片其抗熱衰退能力差，但是因其能提供較大的制動力矩，所以目前仍然具有很大的應(yīng)用空間。大中型客貨車需要較大制動力，目前必須使用鼓式制動器才能滿足要求。但是摩擦片溫度升高后，會導(dǎo)致摩擦片與制動鼓之間的摩擦因數(shù)降低，致使制動器的制動力矩下降，引起制動失效。針對與此，要有效防止制動性能熱衰退，降低交通事故率，一方面要從制動器的結(jié)構(gòu)和摩擦材料改進上著手，改善其抗熱衰退的性能；另一方面，通 過降低摩擦片的工作溫度以改善其抗熱衰退的性能。降低摩擦片的溫度是防止制動性能熱衰退簡單而有效的方法。 裝備鼓式制動器的汽車，一旦出現(xiàn)制動性能熱衰退，將給駕駛員、乘客以及國家?guī)砣松碡敭a(chǎn)的巨大損失。截止到 2021年底，在八達嶺高速公路返京線有 100多輛貨車因超載引起制動失效沖進緊急避險車道。在 186起事故中，因制動失效造成的事故 167起，占 89． 8％ (袁泉， 2021)。另 312國道陜西省藍小公路路段全長 48km，為典型的山區(qū)公路，沿線地勢險要，坡大溝深，從 1999年到 2021年，共發(fā)生交通事故 560起，死亡 81人，傷 363人，直接經(jīng)濟損失 881． 384萬元 (袁偉，2021)。以上調(diào)查顯示，事故主要是由制動性能熱衰退引起的，因此有效防止制動性能熱衰退，對社會來說是有一定價值和意義的。 本課題中將通過對鼓式制動器的結(jié)構(gòu)及熱衰退原理進行分析，并結(jié)合前人對制動系冷卻設(shè)計的 結(jié)晶，設(shè)計了自動控制強制風(fēng)冷卻系統(tǒng)。本冷卻系統(tǒng)通過 感應(yīng)制動踏板工況，控制半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生制冷效應(yīng)，并通過驅(qū)動鼓風(fēng)電動機產(chǎn)生制冷氣流，氣流流經(jīng)加裝在制動鼓外壁的風(fēng)冷翅片，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。根據(jù)制動器溫度的不同，通過傳感技術(shù)及電路設(shè)計，控制半導(dǎo)體制冷片及變頻電 機的功率，從而對制冷量進行調(diào)控。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第 研究的內(nèi)容及技術(shù)要求 本課題用小型空調(diào)為系統(tǒng)提供冷卻氣體，冷卻量的調(diào)節(jié)是 通過 半導(dǎo)體制冷片電流量及電動機轉(zhuǎn)速 來實現(xiàn)?？照{(diào)系統(tǒng)工作是由制動踏板制動信號自動控制的。 (1) 系統(tǒng)總體方案的確定； (2) 電路鋪設(shè) ； (3) 電動機的選型 ； (4) 自動控制設(shè)計 (5) 保養(yǎng)與維修檢測 對汽車鼓式制動器智能冷卻系統(tǒng)的要求有以下幾個要求： (1)工作穩(wěn)定可靠，可適時適量冷卻調(diào)節(jié)，使用壽命長： (2)保證冷卻系統(tǒng)冷卻效果的同時，不影響制動鼓材料的應(yīng)力分布； (3)系統(tǒng)的抗 干擾能力強； 第 系統(tǒng)具體技術(shù)路線及實現(xiàn)的功能 圖 冷卻系統(tǒng)原理圖 鼓風(fēng)電機帶動風(fēng)扇，產(chǎn)生氣流，氣流經(jīng)過通電后的半導(dǎo)體制冷片，溫度下降，北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 最后流經(jīng)鼓式制動器制動鼓 風(fēng)冷翅片 ，產(chǎn)生冷卻效果。 第 空氣冷卻的優(yōu)缺點 在本冷卻系統(tǒng)中，冷卻方式采用強制風(fēng)冷卻。風(fēng)冷卻是指利用流動冷空氣對熱源進行冷卻。被冷卻的空氣流經(jīng)待冷卻的部件外圍的風(fēng)冷翅片，可以很大程度地帶走熱量，起到冷卻作用?？諝饫鋮s的優(yōu)點有以下幾條： 1. 不需要 水直接 用作冷卻介質(zhì)，因此用在水上的費用高，如生水、補充水及水處理用化學(xué)藥品的費用都沒有。冷卻器的設(shè)置以工廠本身均毋需靠近水源（如河流或湖泊），故水源的熱損失和化學(xué)污染得以預(yù)防。維護費用也減少，因為不在需要頻繁清洗冷卻器水側(cè)的水垢、微生物結(jié) 垢及沉積物等所花費的費用。且還去掉了相應(yīng)的管線，安裝也更加簡單； 2. 可以連續(xù)操作， 即使在動力失效時也可以通過自然風(fēng)在降低了換熱能力的條件下來運轉(zhuǎn)； ，沒有應(yīng)力。 空氣冷卻也有其缺點，這些缺點應(yīng)該在設(shè)計中盡量減小或避免。 ，空 氣的熱導(dǎo)率和比熱要低的多，故使空冷器的初始費用要比水冷器多得多； ，需要有大量的空氣強制流經(jīng)風(fēng)冷翅片。這可以通過使用大直徑高速旋轉(zhuǎn)的葉片來完成，但會產(chǎn)生很大的躁聲。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 第三 章 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計原理及整體方案 第 節(jié) 制動性能熱衰退機理分析 制動器工作時，摩擦副間產(chǎn)生大量的熱且熱量來不及散失，摩擦副表面溫度急劇升高，當(dāng)摩擦片溫度升高到一定值時其表面材料開始熱分解和燒蝕，致使其摩擦因數(shù)發(fā)生變化。另外，由于不同剎車片的制造工藝方法不同，其摩擦因數(shù)也不同；但對同一塊剎車 片來說，摩擦因數(shù)主要是隨溫度的變化而變化。以石棉摩擦材料為實驗研究對象，導(dǎo)致熱衰退的直接原因就是摩擦副的溫升，故應(yīng)從摩擦副的升溫機理入手研究。 制動器工作時，摩擦片與制動鼓劇烈摩擦，汽車的行駛動能主要通過摩擦轉(zhuǎn)化成熱能，被制動器摩擦副吸收，其表征為摩擦片和制動鼓的溫度升高。以熱的形勢耗散掉摩擦能，在接觸表面上形成局部熱源，在短時間內(nèi)使其表面溫度迅速升高。這些熱量將通過表層分別向兩摩擦副的內(nèi)外層擴散，在兩摩擦副中形成一個不穩(wěn)定的溫度場。在同一熱源作用下，熱物性不同的物體內(nèi)部所形成的溫度場分布情況有很大差別。金 屬摩擦副，熱擴散率大，熱量在介質(zhì)中傳播快，受熱影響的區(qū)域大。而有機材料或聚合物組成的摩擦副，其熱物性較差，容易在表面形成熱量的積聚。 鼓式制動器工作時溫度變化依賴于制動鼓內(nèi)的熱平衡關(guān)系，熱量的產(chǎn)生來源于摩擦片同制動鼓內(nèi)表面的摩擦過程，主要的熱量散失方式是對流散熱和輻射散熱，其中對流散熱量約占總散熱量的 80％，輻射散熱量約占總散熱量的 5％～ 10％(David B． H， 2021)。制動器工作時產(chǎn)生的熱量一部分通過各種途徑散發(fā)出去，剩余部分在制動鼓和摩擦片內(nèi)部積累，使其溫度升高。根據(jù)熱力學(xué)傳遞機理，制動 器的換熱包括傳導(dǎo)換熱、輻射換熱和對流換熱 3種方式。 制動器吸收的制動能量幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱量。制動器的熱量產(chǎn)生的過程和機理對制動器摩擦表面摩擦學(xué)性能有重要影響。在鼓式制動器中 ,制動蹄在管路壓力的作用下壓緊在制動鼓上 , 當(dāng)二者發(fā)生相對運動時 , 接觸的表面產(chǎn)生摩擦力 , 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 摩擦力所做的功轉(zhuǎn)化為熱量 ,即在摩擦表面產(chǎn)生熱量。因此 , 摩擦力的產(chǎn)生機理直接決定了摩擦熱的產(chǎn)生。兩個粗糙表面在干摩擦狀態(tài)下 , 摩擦力主要由三部分構(gòu)成 :一是在摩擦副相對運動時 , 雙方微凸體頂峰的相互切削阻力 。二是在一定的壓應(yīng)力和局部高溫條件下 , 摩擦副微凸體接觸點瞬時冷焊成為一體 , 由于摩擦副的相對運動 , 使這些局部粘結(jié)點分離 ,克服結(jié)點粘結(jié)的阻力便形成了摩擦力的一部分 。 三是存在于摩擦面的磨損物在隨同摩擦運動過程中 ,一方面有可能重新壓入摩擦面而形成新的微凸峰而產(chǎn)生切削阻力 , 另一方面這些磨粒在摩擦面上以滑動和滾動形式運動過程中 ,不斷對摩擦副表面產(chǎn)生切削也構(gòu)成了摩擦力的一部分。其中摩擦界面粘結(jié)的形成和斷裂對摩擦力有較大的影響 , 所以 ,也直接影響到摩擦熱量。由機械切削作用而造成的接觸區(qū)域的塑性變形對摩擦熱有很大的影響。研究表明 ,消耗在亞表層材料內(nèi)的 能量遠大于接觸面上的能量 , 占摩擦熱的絕大部分 ,且大部分轉(zhuǎn)化為熱量而被摩擦偶件吸收。構(gòu)成摩擦熱量的另一部分是樹脂基有機復(fù)合摩擦材料在一定溫度下產(chǎn)生的化學(xué)變化。樹脂基有機復(fù)合摩擦材料在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而降解 ,降解產(chǎn)物包括固體、液體、和氣體。由上述分析可知 ,摩擦熱量絕大部分是由機械切削作用和接觸區(qū)域的塑性變形而形成的。金屬摩擦片的硬度要比摩擦材料的大得多 , 因此 ,機械切削和塑性變形大都發(fā)生在摩擦材料的表層。磨損產(chǎn)物大都來自摩擦材料并附著在其表面之上不隨摩擦盤片轉(zhuǎn)動 , 故可認為 ,摩擦熱量產(chǎn)生在摩擦材料表層 , 通過接觸界面?zhèn)鬟f到摩擦片中。 第 冷卻系統(tǒng)散熱定量分析 無論制動過程中還是制動結(jié)束后，制動鼓摩擦面區(qū)域為高溫度值分布區(qū)，其附近區(qū)域溫度梯度較大；離摩擦面較遠的制動鼓底面的溫度場沒有變化，這是因為制動時間較短；持續(xù)制動生熱時，由傳熱學(xué)知識知道，熱量向四周傳遞，離熱源較遠部位的溫度場也會發(fā)生變化，但是制動鼓的高溫部位仍然集中在制動鼓摩擦表面的中間部分，且左右兩個方向上的溫度在逐漸降低。因此冷卻制動鼓時主要的冷卻部位應(yīng)該是在摩擦區(qū)域附近，往制動鼓鼓風(fēng)時，冷卻氣流應(yīng)直接流經(jīng)該區(qū)域，這樣冷卻效果可視為最佳 。 通過對制動器的失效分析得知，摩擦片的摩擦因數(shù)隨表面溫度的升高而下降，在 200℃之前摩擦因數(shù)從 O． 4降到 0． 3，變化緩慢；在 200℃以后摩擦因數(shù)急北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 劇下降，制動力矩明顯減小，在 300℃以后摩擦因數(shù)低于 0． 15，摩擦片開始熱分解，最終致使制動性能熱衰退。剎車片中的石棉在 250℃時就開始失去結(jié)晶水，750℃時就變成粉末而完全失去工作能力，粘結(jié)劑在 300℃以下就會產(chǎn)生降解，使剎車副摩擦表面的強度降低而喪失工作能力。要使剎車副正常工作，應(yīng)保證耐溫性較低的一方不發(fā)生破壞。因此，取剎車片摩擦磨損性能開始變化的溫度作為剎車副的許用溫度。 目前汽車制動鼓的常用材料為鑄鐵 H1200、 HT250、 HT300，不同鑄鐵的