汽車車橋制動盤開裂的故障分析

       目前，汽車車橋制動盤普遍使用HT250材料，在車輛行駛過程中，曾出現(xiàn)過因制動盤裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致制動盤開裂的故障，給車輛制動造成極大的安全隱患，特別是由于重型卡車載重大，整車慣性大，制動盤安全性更加突出。因此，開展含損傷裂紋的重型卡車制動盤疲勞壽命的研究，分析裂紋參數(shù)對制動盤疲勞壽命的作用規(guī)律，并進(jìn)而確定制動盤裂紋失效的判斷依據(jù)，對制動盤的可靠性設(shè)計提供了一種有效的分析計算方法，在防止因裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致制動盤開裂的故障，提高盤式制動器的可靠性和安全性等方面都具有巨大的工程價值。
       隨著全球車輛產(chǎn)量的不斷増長，各國都開始越來越關(guān)往公路交通安全問題。其中，汽車車橋制動系統(tǒng)零部件的性能的好壞是影響汽車駕駛安全的一個重要因素，同時也是汽車制動系統(tǒng)一個重要組成部分。由于重型卡車存在著負(fù)荷大，難操縱的特點(diǎn)，因此要求制動系統(tǒng)具有高性能和長壽命特點(diǎn)。自20世紀(jì)50年代，一部分汽車就已經(jīng)開始使用錯盤式制動器，直到70年代，盤式制動器開始在客車和重型卡車上小批量使用，1996年戴姆勒克萊斯勒的奔馳重型卡車貨車的問世，打破了傳統(tǒng)鼓式制動器控制重型卡車汽車的局面。由于盤式制動器具有良好的制動穩(wěn)定性和散熱性，在歐美國家的應(yīng)用日漸普及，主要制造商為翰德、威伯科、美馳及克諾爾公司。
       汽車車橋盤式制動器有很多優(yōu)點(diǎn)，這使其越來越廣泛的應(yīng)用在汽車上。并且我國汽車工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，商用車安裝盤式制動器已成為一種趨勢，在21世紀(jì)初，國內(nèi)才開始對氣壓盤式制動器進(jìn)行研究。我國交通部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《運(yùn)營客車類型劃分及等級評定》中要求：高Ｈ類的運(yùn)營客車一定要裝備盤式制動器。
       汽車車橋盤式制動器的制動盤一般是用HT250鑄造后再經(jīng)機(jī)械加工而成的，在鑄造和機(jī)械加工過程中，制動盤很容易產(chǎn)生微觀裂紋。汽車制動是利用制動盤與摩擦塊之間的摩擦來達(dá)到減速和停車，在實(shí)際制動過程中，制動盤要承受制動力矩，由于制動過程是間歇性的，因此，可Ｗ將送一制動力矩看作是非周期性的脈沖載荷。由這一非周期性的脈沖載荷在制動盤上產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力，會使制動盤的微觀裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，可能導(dǎo)致整個制動盤疲勞斷裂而失效，研究表明，制動盤斷裂失效屬于低周疲勞破壞。
       尹延?xùn)|結(jié)合制動盤的鑄造工藝及分析各元素的比例，對客車制動盤開裂的各種因素進(jìn)行了分析。中國南車集團(tuán)的錢坤才高速客車的制動盤為研究對象，分別分析了其結(jié)構(gòu)及材質(zhì)，提出了利用特種蠕墨鑄鐵來鑄造制動盤體并同鋼穀一起組成制動盤的設(shè)想。這種結(jié)構(gòu)包括特種蠕墨鑄鐵制成的盤體及鍛鋼材料的盤穀，在周邊均勻的用高強(qiáng)度的螺栓Ｗ及防松螺母對盤體和盤穀進(jìn)行緊固。在盤穀和盤體之間采用浮動式連接，這樣不僅改善了盤體周邊的應(yīng)力分布，而且還給制動盤提供了充足的空間滿足其在熱負(fù)荷作用下的自由收縮和膨脹。
       另外，為了達(dá)到較好的散熱效果，用正六邊形分布的圓柱體來做散熱筋，這樣一來就使得散熱面積增大了，同時也最大限度的降低了高速運(yùn)行時的功率損耗。這種形式的制動盤使得表面溫度得到了降低，進(jìn)而使得熱沖擊得到了減小，熱應(yīng)力得到了分散，降低了熱裂紋產(chǎn)生的可能性，在法國和德國一些高速列車上得到應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)的制動盤不僅擁有很好的熱膨脹性能，能夠盡可能的減少制動邊程中出現(xiàn)的熱應(yīng)力；同時也擁有很好的散熱效果，降低了制動過程中盤體表面的溫度。在制動過程中，用于制動盤的材料應(yīng)當(dāng)能夠承受熱疲勞，并能盡快地吸收、消散熱量。其中，比較理想的材料是蠕墨鑄鐵，通過磨損試驗(yàn)研究了用于制動盤的三種不同類型的灰鑄鐵（強(qiáng)度等級為250MPa灰鑄鐵、高碳灰鑄鐵鐵合金化灰鑄鐵）的耐磨性Ｗ，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與蠕墨鑄鐵進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：與其他乂鑄鐵材料相比，蠕墨鑄鐵達(dá)到的最大溫度和摩擦力要大；并且在任何實(shí)驗(yàn)壓力下其質(zhì)量損失也更大，但蠕墨鑄鐵的耐高溫性好。
       為提高制動盤的使用性能，宋寶描提出了利用Ｃ－Ｃ纖維復(fù)合材料、陶瓷材料等對制動盤的使用性能進(jìn)行研究對比，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對用Ｃ－Ｃ纖維、陶瓷、鍋基強(qiáng)化等復(fù)合材料制造的制動盤優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述。
       為對制動盤開裂的具體因素進(jìn)行分析，胡萬華依照其受力趨勢，還有徑向裂紋擴(kuò)展的特點(diǎn)進(jìn)行樣件的制造，利用Ｈ點(diǎn)彎曲／多試樣的方法來確定了相應(yīng)材料的斷裂初度。試驗(yàn)結(jié)果得出制動盤在20度和零下40度下的斷裂初度值都是63，送說明在比很大的溫度梯度內(nèi)，制動盤的斷裂初度擁有較好的一致性，這樣的試驗(yàn)結(jié)果可Ｗ用來進(jìn)行評估制動盤的壽命。
       通過對客車制動盤進(jìn)行熱應(yīng)力有限元分析，首爾國立大學(xué)的Ｊ．Ｍｉｅｅ從車輛制動過程中制動盤的尖叫入手進(jìn)行分析，對制動盤使用過程中出現(xiàn)的裂紋、斷裂、尖叫等對其進(jìn)行了靜態(tài)分析，從不對稱性方面提出了解決上述問題的措施ｎｗ。而對制動盤的開裂，Ｍａｎｋｈ．ｐａｌｉｗａｌ教授從摩擦系數(shù)對制動盤溫度場的影響這一角度進(jìn)行了分析ＩＷ，對汽車車橋制動盤從尖叫到開裂的整個過程進(jìn)行了分析，通過對不同硬度的制動盤、不同摩擦系數(shù)的摩擦片等進(jìn)行驗(yàn)證對比，指出造成制動盤開裂的主要因素是制動盤的硬度與摩擦片性能的搭配問題，在不同的條件下，造成制動盤開裂的可能性是不穩(wěn)定的。為討論研究摩擦系數(shù)、摩擦片結(jié)構(gòu)對制動盤的影響，吉林大學(xué)的王登峰博±進(jìn)斤了詳細(xì)的分析Ｉｉｑ，找出了制動過程中造成制動盤尖叫及開裂的原因，并提出了針對性的解決措施。
       同樣是灰鐵，輕卡車橋制動盤在使用過程中極少出現(xiàn)裂紋，而重型卡車制動盤卻經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，而且同一材質(zhì)在使用過程中卻有著不同結(jié)果，為了尋找其原因，許多人利用計算機(jī)模擬技術(shù)，從摩擦系數(shù)的對比、失效原因的尋找、對制動鼓與制動盤在制動過程中不同的熱力場、應(yīng)力場等進(jìn)行細(xì)致的分析，并對比兩者的失效因素，通過類推比較法確定造成制動盤失效斷裂的原因。新南威爾±大學(xué)的Ｓ．Ｏｂｅｒｓｔ通過建立簡單的汽車制動模型，對剎車系統(tǒng)的各個零部件進(jìn)行有限元分析，通過受力場的分析來判定制動盤開裂的原卸１；而薩萊納大學(xué)的Ａ．Ｓｅｎａｔｏｒｅ利用建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分析制動盤制動過程中各個時間段的力場分布，來分析判定制動盤的市場故障原因。
       李衡等，采用非線性有限元法，建立了與汽車車橋制動盤和摩擦片的結(jié)構(gòu)尺寸相同的蘭維有限元模型，并添加速度可變效應(yīng)，很好的對制動過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，并總結(jié)出制動過程中結(jié)構(gòu)性能的一些變化。然后，在相同制動條件下，對比實(shí)也盤式制動器和通風(fēng)盤式制動器，分析出在制動過程中通風(fēng)盤式制動器的接觸應(yīng)力Ｗ及各向位移等ｔｉｓｉ。徐濟(jì)民等根據(jù)斷裂力學(xué)理論對高速列車制動盤進(jìn)行研究，認(rèn)為制動盤在殘余拉應(yīng)力和熱壓應(yīng)力組成的疲勞應(yīng)力循環(huán)作用下，造成制動盤失效的主要原因是在制動盤內(nèi)部的原始缺陷的地方產(chǎn)生了裂紋，并且裂紋擴(kuò)展從內(nèi)部到制動盤表面，然后建立了壽命預(yù)測模型ｔｗ。曲杰等首先對實(shí)際應(yīng)用通風(fēng)盤式制動器進(jìn)行熱力縄合分析，基于分析結(jié)果對制動盤進(jìn)行壽命預(yù)測，建立制動器壽命數(shù)值預(yù)測方法；最后進(jìn)一步分析制動初速度和制動壓力對制動盤使用壽命的影響，為合理選擇制動盤的材料和優(yōu)化制動盤結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

       《汽車用制動盤（征求意見稿）》的規(guī)范性附錄‘‘制動盤臺架試驗(yàn)＂中規(guī)定了相應(yīng)地試驗(yàn)方法、技術(shù)要求和失效的判定準(zhǔn)則。該標(biāo)準(zhǔn)為汽車用制動盤臺架試驗(yàn)１及計算機(jī)仿真分析提供了參數(shù)計算方法、試驗(yàn)及分析工況。本論文示準(zhǔn)中規(guī)定的高負(fù)荷臺架試驗(yàn)方法為依據(jù)，主要開展了下工作：

１）重型卡車橋制動盤為研究對象，采用ＬＳ－ＤＹＮＡ軟件完整地對其在整個制動過程中的動力學(xué)行為Ｗ及應(yīng)力變化情況進(jìn)行了仿真計算，為完整、準(zhǔn)確地了解制動盤的制動過程打下了基礎(chǔ)；

２）應(yīng)用ＡＮＳＹＳＷＯＲＫＢＥＮＣＨ軟件進(jìn)行了重型卡車制動盤的疲勞強(qiáng)度分析，得出了高負(fù)荷工況重型卡車制動盤的疲勞壽命；

３）重點(diǎn)進(jìn)行了含損傷裂紋的重型卡車制動盤疲勞壽命分析研究，參考國家標(biāo)準(zhǔn)中提出的裂紋類型，分別研究了制動盤摩擦面的徑向裂紋長度和裂紋深度對制動盤疲勞壽命的影響、貫穿性徑向裂紋長度對制動盤疲勞壽命的影響，分析結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定相符，另外還進(jìn)行了不同材料的重型卡車制動盤含損傷裂紋疲勞壽命的對比分析，Ｗ考察材料力學(xué)性能對重型卡車制動盤含損傷裂紋疲勞壽命的影響。本論文的含損傷裂紋的重型卡車制動盤疲勞壽命分析研究為含損傷裂紋制動盤的可靠性設(shè)計提供了一種有效的分析計算方法。