汽車車橋制動(dòng)盤開裂的故障分析

       目前，汽車車橋制動(dòng)盤普遍使用HT250材料，在車輛行駛過程中，曾出現(xiàn)過因制動(dòng)盤裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致制動(dòng)盤開裂的故障，給車輛制動(dòng)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(dòng)盤安全性更加突出。因此，開展含損傷裂紋的重型卡車制動(dòng)盤疲勞壽命的研究，分析裂紋參數(shù)對(duì)制動(dòng)盤疲勞壽命的作用規(guī)律，并進(jìn)而確定制動(dòng)盤裂紋失效的判斷依據(jù)，對(duì)制動(dòng)盤的可靠性設(shè)計(jì)提供了一種有效的分析計(jì)算方法，在防止因裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致制動(dòng)盤開裂的故障，提高盤式制動(dòng)器的可靠性和安全性等方面都具有巨大的工程價(jià)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(dòng)系統(tǒng)零部件的性能的好壞是影響汽車駕駛安全的一個(gè)重要因素，同時(shí)也是汽車制動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)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(dòng)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(cuò)盤式制動(dòng)器，直到70年代，盤式制動(dòng)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(dòng)器控制重型卡車汽車的局面。由于盤式制動(dòng)器具有良好的制動(dòng)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(dòng)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(dòng)器已成為一種趨勢，在21世紀(jì)初，國內(nèi)才開始對(duì)氣壓盤式制動(dòng)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(jí)評(píng)定》中要求：高Ｈ類的運(yùn)營客車一定要裝備盤式制動(dòng)器。
       汽車車橋盤式制動(dòng)器的制動(dòng)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(dòng)盤很容易產(chǎn)生微觀裂紋。汽車制動(dòng)是利用制動(dòng)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(dòng)過程中，制動(dòng)盤要承受制動(dòng)力矩，由于制動(dòng)過程是間歇性的，因此，可Ｗ將送一制動(dòng)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(dòng)盤上產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力，會(huì)使制動(dòng)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(gè)制動(dòng)盤疲勞斷裂而失效，研究表明，制動(dòng)盤斷裂失效屬于低周疲勞破壞。
       尹延?xùn)|結(jié)合制動(dòng)盤的鑄造工藝及分析各元素的比例，對(duì)客車制動(dòng)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(dòng)盤為研究對(duì)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(dòng)盤體并同鋼穀一起組成制動(dòng)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(duì)盤體和盤穀進(jìn)行緊固。在盤穀和盤體之間采用浮動(dòng)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(dòng)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(shí)也最大限度的降低了高速運(yùn)行時(shí)的功率損耗。這種形式的制動(dòng)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(dòng)盤不僅擁有很好的熱膨脹性能，能夠盡可能的減少制動(dòng)邊程中出現(xiàn)的熱應(yīng)力；同時(shí)也擁有很好的散熱效果，降低了制動(dòng)過程中盤體表面的溫度。在制動(dòng)過程中，用于制動(dòng)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(dòng)盤的三種不同類型的灰鑄鐵（強(qiáng)度等級(jí)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(dòng)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(duì)制動(dòng)盤的使用性能進(jìn)行研究對(duì)比，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)用Ｃ－Ｃ纖維、陶瓷、鍋基強(qiáng)化等復(fù)合材料制造的制動(dòng)盤優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述。
       為對(duì)制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(píng)估制動(dòng)盤的壽命。
       通過對(duì)客車制動(dòng)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(dòng)過程中制動(dòng)盤的尖叫入手進(jìn)行分析，對(duì)制動(dòng)盤使用過程中出現(xiàn)的裂紋、斷裂、尖叫等對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)分析，從不對(duì)稱性方面提出了解決上述問題的措施ｎｗ。而對(duì)制動(dòng)盤的開裂，Ｍａｎｋｈ．ｐａｌｉｗａｌ教授從摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)盤溫度場的影響這一角度進(jìn)行了分析ＩＷ，對(duì)汽車車橋制動(dòng)盤從尖叫到開裂的整個(gè)過程進(jìn)行了分析，通過對(duì)不同硬度的制動(dòng)盤、不同摩擦系數(shù)的摩擦片等進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，指出造成制動(dòng)盤開裂的主要因素是制動(dòng)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(dòng)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(duì)制動(dòng)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(dòng)過程中造成制動(dòng)盤尖叫及開裂的原因，并提出了針對(duì)性的解決措施。
       同樣是灰鐵，輕卡車橋制動(dòng)盤在使用過程中極少出現(xiàn)裂紋，而重型卡車制動(dòng)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(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，從摩擦系數(shù)的對(duì)比、失效原因的尋找、對(duì)制動(dòng)鼓與制動(dòng)盤在制動(dòng)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(duì)比兩者的失效因素，通過類推比較法確定造成制動(dòng)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(dòng)模型，對(duì)剎車系統(tǒng)的各個(gè)零部件進(jìn)行有限元分析，通過受力場的分析來判定制動(dòng)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(dòng)盤制動(dòng)過程中各個(gè)時(shí)間段的力場分布，來分析判定制動(dòng)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(dòng)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(duì)制動(dòng)過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，并總結(jié)出制動(dòng)過程中結(jié)構(gòu)性能的一些變化。然后，在相同制動(dòng)條件下，對(duì)比實(shí)也盤式制動(dòng)器和通風(fēng)盤式制動(dòng)器，分析出在制動(dòng)過程中通風(fēng)盤式制動(dòng)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(duì)高速列車制動(dòng)盤進(jìn)行研究，認(rèn)為制動(dòng)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(dòng)盤失效的主要原因是在制動(dòng)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(dòng)盤表面，然后建立了壽命預(yù)測模型ｔｗ。曲杰等首先對(duì)實(shí)際應(yīng)用通風(fēng)盤式制動(dòng)器進(jìn)行熱力縄合分析，基于分析結(jié)果對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行壽命預(yù)測，建立制動(dòng)器壽命數(shù)值預(yù)測方法；最后進(jìn)一步分析制動(dòng)初速度和制動(dòng)壓力對(duì)制動(dòng)盤使用壽命的影響，為合理選擇制動(dòng)盤的材料和優(yōu)化制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

       《汽車用制動(dòng)盤（征求意見稿）》的規(guī)范性附錄‘‘制動(dòng)盤臺(tái)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(dòng)盤臺(tái)架試驗(yàn)１及計(jì)算機(jī)仿真分析提供了參數(shù)計(jì)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(tái)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(dòng)盤為研究對(duì)象，采用ＬＳ－ＤＹＮＡ軟件完整地對(duì)其在整個(gè)制動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)行為Ｗ及應(yīng)力變化情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，為完整、準(zhǔn)確地了解制動(dòng)盤的制動(dòng)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(dòng)盤的疲勞強(qiáng)度分析，得出了高負(fù)荷工況重型卡車制動(dòng)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(dòng)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(dòng)盤摩擦面的徑向裂紋長度和裂紋深度對(duì)制動(dòng)盤疲勞壽命的影響、貫穿性徑向裂紋長度對(duì)制動(dòng)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(dòng)盤含損傷裂紋疲勞壽命的對(duì)比分析，Ｗ考察材料力學(xué)性能對(duì)重型卡車制動(dòng)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(dòng)盤疲勞壽命分析研究為含損傷裂紋制動(dòng)盤的可靠性設(shè)計(jì)提供了一種有效的分析計(jì)算方法。