【正文】 1920 年左右才開始在汽車工業(yè)廣泛應(yīng)用。 相對于盤式制動器來說，鼓式制動器的制動效能和散熱性都要差許多，鼓式 制動器的制動力穩(wěn)定性差，在不同路面上制動力變化很大，不易于掌控。制動塊和輪鼓在高溫影響下較易發(fā)生極為復(fù)雜的變形，容易產(chǎn)生制動衰退和振抖現(xiàn)象，引起制動效率下降。當(dāng)然，鼓式制動器也并非一無是處，它造價便宜，而且符合傳統(tǒng)設(shè)計。不過對于重型車來說，由于車速一般不是很高，剎車蹄的耐用程度也比盤式制動器高，因此許多重型車至今仍使用四輪鼓式的設(shè)計。 凡對蹄端加力使蹄轉(zhuǎn)動的裝置統(tǒng)稱為制動蹄促動裝置，制動蹄促動裝置有輪缸、凸輪和楔。 在轎車制動鼓上，一般只有一個輪缸，在制動時輪缸受到來自總泵液力后，輪缸兩端活塞會同時頂向左右制動蹄的蹄端，作用力相等。因此，業(yè)內(nèi)將自行增力的一側(cè)制動蹄稱為領(lǐng)蹄，自行鼓式制動器減力的一側(cè)制動蹄稱為從蹄，領(lǐng)蹄的摩擦力矩是從蹄的 2～ 倍，兩制動蹄摩擦襯片的磨損程度也就不一樣。隨著摩擦襯片磨損，制動蹄與制動 鼓之間的間隙增大，需要有一個調(diào)整間隙的機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在轎車鼓式制動器都是采用自動調(diào)整方式，摩擦襯片磨損后會自動調(diào)整與制動鼓間隙。 轎車鼓式制動器一般用于后輪（前輪用盤式制動器）。這是一個機(jī)械系統(tǒng)，它完全與車上制動液壓系統(tǒng)是分離的：利用手操縱桿或駐車踏板（美式車）拉緊鋼拉索，操縱鼓式制動器的杠件擴(kuò)展制動蹄，起到停車制動作用，使得汽車不會溜動；松開鋼拉索，回位彈簧使制動蹄恢復(fù)原位，制動力消失。主缸 4 將產(chǎn)生高壓油液經(jīng)油管 5 流入輪缸 6 中，推動兩活塞 7 外移而使兩制動蹄饒各自的支承銷轉(zhuǎn)動。這時不轉(zhuǎn)動的制動蹄對旋轉(zhuǎn)的 制動轂作用一個與轉(zhuǎn)動方向相反的摩擦力矩（也叫制動力矩） Mu 由于制動力矩 Mu 的作用，使車輪對地面作用著一個向后的圓周推力 Fu，同時地面也對車輪作用著一個向后的反作用推力 Fb，這個反作用推力 Fb是使汽車制動的外力，稱為制動力。制動力越大時，汽車的減速度也越大。在制動系不工作時，回位彈簧 13 使制動轂 8 的圓柱面與制動蹄之間留有一定大小的間隙，車輪及制動轂可以自由轉(zhuǎn)動 (圖 3)。摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性直接影響制動器工作的穩(wěn)定性和駕車的安全性，其中，熱穩(wěn)定性是一項重要的指標(biāo)，它是指制動襯片在制動過程中所表現(xiàn)出的摩擦因數(shù)隨溫度而變化的特性，主要反映在制動性能的熱衰退上。我國又是個多山的國家，約 75％的國土面積為山區(qū)或丘陵地形 ，據(jù) 2021年統(tǒng)計資料，全國公路總里程為 169． 8萬公里，其中高速公路只有 19437公里，二級以上公路僅占總里程的 13． 4％，低等級公路和等外公路占絕大部分 (交通部主頁， 2021)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)械故障導(dǎo)致的制動失效所占比例極小，而制動性能熱衰退引起的 事故占絕大部分，且肇事車輛多為大中型裝配鼓式制動器的車輛。為了保持行車安全，提高汽車運輸效率，需要對制動器進(jìn)行降溫處理，減少熱負(fù)荷。為了減少溫升，應(yīng)當(dāng)使制動轂有較大的 熱容量，因此制動轂應(yīng)具有足夠大的質(zhì)量，有些汽車的制動轂外表面還鑄出若干肋片，以增加散熱面積和剛度。因此，摩擦片工作表面的溫升也會很嚴(yán)重。 摩擦材料屬于復(fù)合材料，其性能直接受其組分的性能、含量、配比、幾何尺寸等因素影響，特別是增強(qiáng)纖維、黏結(jié)劑等主要成分與摩擦材料的性能關(guān)系最為密切。它是以增強(qiáng)材料 (石棉、玻璃纖維和復(fù)合纖維等 )、黏結(jié)材料 (樹脂等 )、填料 (石墨、硫酸鋇、泡石、銅粉、鐵粉、鋁粉和橡膠粉等 )，經(jīng)混合粉碎、模壓成型、后處理等一系列生產(chǎn)工藝加工而成。制動器襯片適宜的工作溫度為 100℃350℃，但一些劣質(zhì)的制動器襯片，在頻繁使用摩擦產(chǎn)生的溫度超過 270℃時，其摩擦系數(shù)就會急劇下降，導(dǎo)致制動失靈。無石棉低金屬襯片，通 過采用多種纖維混合體系，使用多孔性顆粒性填料及無機(jī)黏結(jié)劑等原料，減少樹脂和金屬含量，熱穩(wěn)定性好，耐磨性優(yōu)越，導(dǎo)熱性好，克服了石棉摩擦材料表現(xiàn)的“熱衰退’， 克服 摩擦表面易開裂等缺點，達(dá)到減輕“熱衰退”，穩(wěn)定摩擦系數(shù)的目的。近年來，我國針對石棉剎車片的研究力度不斷加大，引進(jìn)國外先進(jìn)技北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 術(shù)，開發(fā)無石棉低金屬剎車片，積極采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，提高我國摩擦材料技術(shù)水平。 鼓式制動器連續(xù)工作會造成制動性能熱衰退和制動鼓燒蝕，表現(xiàn)為： 制動鼓升溫快，熱應(yīng)力高，制動鼓強(qiáng)度下降，剎車時容易破裂；接觸表面溫度分布不均勻，應(yīng)力增加，易磨損； 制動鼓不能及時被冷卻，聯(lián)接部件溫度升高，聯(lián)接螺栓易失效； 制動期間摩擦材料表層的溫度變化對摩擦因數(shù)有很大的影響，摩擦片溫度過高，石棉材料 (粘合劑 )熱分解，摩擦因數(shù)降低，并且剎車時摩擦片易碎裂，致使制動性能熱衰退； 第 制動器冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀 針對制動負(fù)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(fù)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(jì)的。 制動器冷卻系統(tǒng)的研究興于上世紀(jì) 80 年代。傳統(tǒng)冷卻方式主要有兩種：風(fēng)冷和水冷。水冷方式有開式和閉式。閉式冷卻：冷卻水在系統(tǒng)中強(qiáng)制循環(huán)，如機(jī)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。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。提高制動器的熱容量和散熱性，可改善其制動性能。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。熱分解溫度愈高，摩擦副的熱穩(wěn)定性愈好志剛。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。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(yán)重的 交通事故。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。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。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。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。此裝置存在自動化程度低和淋水量不能調(diào)節(jié) 的缺陷。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。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(jìn)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。 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。在 186起事故中，因制動失效造成的事故 167起，占 89． 8％ (袁泉， 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(jī)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)。 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(jī)轉(zhuǎn)速 來實現(xiàn)。 (1) 系統(tǒng)總體方案的確定； (2) 電路鋪設(shè) ； (3) 電動機(jī)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(qiáng)； 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(jī)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。風(fēng)冷卻是指利用流動冷空氣對熱源進(jìn)行冷卻。空氣冷卻的優(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(bǔ)充水及水處理用化學(xué)藥品的費用都沒有。維護(hù)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。 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。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。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。 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。這些熱量將通過表層分別向兩摩擦副的內(nèi)外層擴(kuò)散，在兩摩擦副中形成一個不穩(wěn)定的溫度場。 金屬摩擦副，熱擴(kuò)散率大，熱量在介質(zhì)中傳播快，受熱影響的區(qū)域大。 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)。根據(jù)熱力學(xué)傳遞機(jī)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。制動器的熱量產(chǎn)生的過程和機(jī)理對制動器摩擦表面摩擦學(xué)性能有重要影響。因此 , 摩擦力的產(chǎn)生機(jī)理直接決定了摩擦熱的產(chǎn)生。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 。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。研究表明 ,消耗在亞表層材料內(nèi)的能量遠(yuǎn)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。樹脂基有機(jī)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。金屬摩擦片的硬度要比摩擦材料的大得多 , 因此 ,機(jī)械切削和塑性變形大都發(fā)生在摩擦材料的表層。 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(yuǎn)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(yuǎn)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。 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。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。 目前汽車制動鼓的常用材料為鑄鐵 H1200、 HT250、 HT300，不同鑄鐵的化學(xué)成分和組分，大體上在一定范圍內(nèi)變化。又通過與錳鋼材料的熱物性對比，在 400℃以內(nèi)，其比熱容也相差不大，因此在取值時可以大體依照一種制動鼓材料選擇。 鼓式制動器工作溫度對其摩擦副摩擦因數(shù)有很大影響，通常當(dāng)溫度超過200℃后摩擦因數(shù)會隨溫度的升高而不斷降低，如圖 5所示： 圖 溫度對股市制動器摩擦材料摩擦因數(shù)的影響 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 制動