盤式制動器的高溫裂紋

1、盤式制動器的高溫裂紋摘要 盤式制動器在一般的制動中受到很大的熱壓力，在緊急制動受到非同尋常的熱壓力。大減速度的客車通常每個襯塊每秒中產(chǎn)生達(dá)900度的高溫。這種高溫將產(chǎn)生兩種結(jié)果：（1）熱震動，產(chǎn)生表面裂縫，（2）制動盤產(chǎn)生較大的塑性變性。在轉(zhuǎn)動圈數(shù)相對較少的大減速制動中，如果沒有熱震動，將在旋轉(zhuǎn)體的最厚處和盤式制動器的徑向產(chǎn)生可見的裂縫。由此分析發(fā)現(xiàn)，制動器失效是短周期熱力學(xué)疲勞的結(jié)果。用熱流方程分析有限元素作出制動器溫度縱斷面圖。如果得到制動溫度，將用這個溫度來估計緊急制動時增大的壓力。研究表明，在大減速度制動時由于熱壓應(yīng)力較大，而導(dǎo)致塑性變形發(fā)生。算出拉力位移量，然后用coffinmans

2、on法則來估計制動失效的圈數(shù)。關(guān)鍵字：熱疲勞;熱裂縫；制動失效；熱壓力；疲勞。1. 簡介在大減速度制動后，在制動盤上可觀察到熱裂縫。熱裂縫可分為兩類：一類是熱裂縫部分的穿過制動盤表面；另一類是透過性熱裂縫，他完全透過制動盤體。雖然熱裂縫是由緊急制動引起的，但是仍沒辦法防止其發(fā)生。本文將對盤水制動器的制動盤熱裂縫做一個徹底的分析。在此，將以載重汽車f-250皮卡的前制動盤熱裂縫為例進(jìn)行分析，如圖1所示。當(dāng)卡車拖拽的掛車裝滿貨物時，如果頻繁的剎車，當(dāng)聽到“嘭”的一聲或顯著的滴答聲，表示制動器失效。制動盤是由灰鑄鐵按照圖2的幾何尺寸制造而成。選擇會鑄鐵是由于其熔點(diǎn)低，傳熱和散熱較快。制動盤由連接車輪

3、和軸的頭部.內(nèi)制動片和外制動片組成。外制動片直接與頭部相連，而內(nèi)制動片則通過一系列的通風(fēng)葉片連與外制動片。在制動盤的頭部加工一道溝槽，用以改變該部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。內(nèi)制動片不是直接與頭部相連，它通過冷卻葉片連接。制動是內(nèi)外盤面被制動襯塊壓緊。頻繁的摩擦阻止車輪旋轉(zhuǎn)，同時產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)制動數(shù)秒后，制動盤上產(chǎn)生了大量的熱而鄰近的空間內(nèi)卻與常溫?zé)o異。熱裂縫在客車上不常見，但是在卡車和動力車輛上卻相對常見。許多車輛還暴露出相當(dāng)極端的問題。值得注意的是，這些情況不是所謂的濫用，而是顯示了制動技術(shù)的局限。雖然這篇文章是由卡車的制動器失效的例子引出的，接下來就這個問題作一個人和車輛都使用的一般性論述。 圖1

4、 圖22.車輛力學(xué)制動就是以及時和重復(fù)的方式消耗掉車輛的動能。為了估計制動中升高的溫度，就必須算出施加于制動盤上的力。圖3展示了車輛的解析圖，求質(zhì)心的瞬時平衡，得如下公式： (1a) (1b)圖3這里： (2a) (2b) 和是有效制動系數(shù)，其他符號在圖3中已標(biāo)定。假設(shè)制動發(fā)生在完全平坦的地面上（=0），公式（1）可被進(jìn)一步簡化。再者，x向克認(rèn)為是輪胎從中心的正常受力位移。由于它相對于其他尺寸很小，可以把這些項從公式（1），（2）中忽略掉。相當(dāng)于每個輪胎上稍少于1%重量的制動系數(shù)也被忽略掉了。結(jié)果，公式（1）簡化為如下形式： (3a) (3b) 公式（3）表明，重量的分布取決于每個輪胎距離質(zhì)心

5、的距離和車的加速度。在減速時，重量轉(zhuǎn)移到前輪，因此，大部分制動工作由前輪承擔(dān)。大多數(shù)汽車專有比例閥，用控制前后輪液壓力的分配，形成前后輪負(fù)荷分配比例為60/40。這種分配用于隨后的制動分析。圖4位前制動盤-輪胎的受力圖，得出如下的等式： (4a) (4b) (4c) 圖4由于60%的載荷由前制動器承擔(dān)，單個制動盤的動力由公式（5）給出： (5)消耗與制動盤的能量等價于實際流入制動盤的熱量，用這一關(guān)系可以預(yù)測制動盤上的溫度變化量。對于恒加速度，可以得出如下的動力學(xué)關(guān)系式： (6) f rotor不隨時間變化，而v rotor隨時間呈現(xiàn)性變化。因此，能量平衡可變?yōu)椋?(7)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：緊急制

6、動是在6秒內(nèi)把車速從45m/s降至0。實驗表明，300圈這樣的制動足以是制動盤產(chǎn)生熱裂縫。汽車制動一般用表1所時的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算：表1：汽車數(shù)據(jù)汽車質(zhì)量 m 1500kg初速度 v0 45m/s制動時間t stop 6s有效制動盤半徑 r rotor 0.10m輪胎半徑 r tire 0.38m (8)瞬間熱流量直接用下式計算： (9)最后，制動盤所需的總制動力是由制動鉗夾緊使車停止所需的力來計算。二家盡力可以用摩擦公式來計算，這里=0.4： (10)這個力在制動盤上產(chǎn)生夾緊力，同時制動力產(chǎn)生剪切力。制動襯塊的中心角一般是60度?，F(xiàn)在接觸面積是a=53cm。利用已知的面積和壓力代入公式（8）和（

7、10），制動盤壓力如下： (11)2.1 材料性質(zhì)在制動應(yīng)用中，工業(yè)用薄片灰鑄鐵。對圖1種描述的制動盤進(jìn)行硬度檢驗已確定鐵的純度。分別測量頭部，外制動面，內(nèi)制動面。出現(xiàn)以下幾種情況：首先，最硬的是內(nèi)制動盤面（97hrb）,其次是外制動盤（94hrb）,最后是頭部（88hrb）。統(tǒng)計比較這些數(shù)據(jù)表明：沒出的硬度明顯不同于別處。這種硬度的不同是由于澆鑄過程中仍卻速度不同造成的，而不是制動盤的熱過渡現(xiàn)象。rockwell-b硬度屬于brinell硬度的范圍，170-220hb。通過與手冊的數(shù)據(jù)比較，表明這種的合金為gg25鑄鐵，其主要材料組成列于表2：表2：材料的疲勞極限參量材料 brinnel硬度

8、 （mpa）e（gpa）fbfcgg25#4 174 215 90 241 -0.115 0.008 -0.360 從外制動盤上靠內(nèi)側(cè)用油冷鋸取下一部分作為樣品觀察其微觀組織。缺血樣本是可以看到剩余張應(yīng)力：第一次切割時可以看到制動盤上有的部分約有1cm寬的裂縫。當(dāng)鋸子在內(nèi)徑時，伴隨著“蓬”的一聲，裂縫分開數(shù)毫米（圖5），這個切口顯示了制動盤上最初的組成。第二次切示了切割的真實寬度，因為第一次的切口包括了環(huán)形剩余張力在內(nèi)的位移。把樣品擦亮，并用5%的溶液浸蝕，在多個點(diǎn)檢查樣品的微觀組織，如圖5指示的1，2，3位置。微觀組織證明制動盤的材料是片狀石磨（圖6），除了石磨片外，圖6的低倍放大圖也發(fā)現(xiàn)了

9、在澆鑄時堅硬的球狀礦渣雜質(zhì)，這些雜質(zhì)對制動盤熱性能有顯著的影響。不同的位置硬度不同，符合圖6所示的微觀組織圖。硬度較高的地方有較好的耐磨性。 圖53估計制動溫度分析有限元素用以估計制動盤上溫度的分布。假設(shè)制動盤徑向?qū)ΨQ，選擇性質(zhì)相同的部分作為代表性體積，分成50個單元。是與襯塊接觸的制動盤面逐漸升溫，而接近頭部的表面和橫斷面由于徑向?qū)ΨQ而被絕熱。其他表面進(jìn)行緩慢的傳熱，熱產(chǎn)地系數(shù)從30w/m·k在每個連續(xù)的時間段內(nèi)以單一的速度遞減，并且快于制動轉(zhuǎn)速。制動盤的初始溫度定為300k?，F(xiàn)以6s為時間間隔進(jìn)行瞬態(tài)分析，在0.5秒內(nèi)運(yùn)用以給定的熱流公式（9），結(jié)果曲線有一系列的0.5秒的時間間

10、隔組成。哲學(xué)之別襯塊面積均分后輸入熱流表（j/m）。圖7展示了制動2.5s后制動盤的寬度方向上的縱斷面溫度曲線圖6圖74估計制動盤壽命制動引起制動盤面溫度迅速上升，從而導(dǎo)致其熱震動。這個問題可以由計算表面壓力來解決。制動使盤體的溫度迅速上升而頭部只有少許的變化，從而限制了制動面。另一種辦法是忽略熱震動而集中考慮制動盤頭部的熱壓力。假設(shè)頭部仍然保持室溫，限制外盤面的熱轉(zhuǎn)移，在此我們集中考慮制動盤的熱壓力。頭部是一個幾何模型，而不是開口圓柱。頭部產(chǎn)生的約束似與外盤體環(huán)形面上產(chǎn)生的內(nèi)壓力，并且大體等于約束壓力。我們忽略內(nèi)盤體和與他相連的葉片的影響，雖然這只是一個近似的簡化，但是得到的結(jié)果與實驗很吻合

11、。輪轂限制了制動盤的大小，如圖8所示。如果沒有這個限制，制動盤半徑可以按公式隨意擴(kuò)展： b=bt (12) 圖8盡管如此，總的偏移量是由頭部的彈性向外位移和制動盤的向內(nèi)位移組成。在此受力體的向內(nèi)偏移量為： (13)圖8給出了個符號代表的意義。頭部的向外位移為： （14）這兩個位移的和必須等于制動盤總的熱位移量，即： （15）在頭部和盤體相互作用時，b=c，因此 （16）在此限制壓力為： （17）為了達(dá)到與頭部相當(dāng)?shù)南拗茐毫ΓケP體的厚度內(nèi)的平穩(wěn)溫度，即t=2.5s時的溫度。當(dāng)制動盤的溫度達(dá)到200度時，平均溫度在圓周和徑向產(chǎn)生的壓力為： （18） （19）這里，1為周向壓力，2為徑向壓力。把這

12、些點(diǎn)聯(lián)成線和mises等價曲線一起展示在圖9中，從中可以看到平均壓力大約為180mpa,而gg25鑄鐵合金的屈服強(qiáng)度是215mpa，彈性模數(shù)為90gpa，圖9表明，制動溫度產(chǎn)生的熱壓力幾乎超過屈服強(qiáng)度，接近中心，延長了1cm。再者制動盤的屈服與壓縮取決于制動，而環(huán)形剩余拉力取決于冷卻。與溫度同相的壓力和張力循環(huán)是熱力學(xué)失效的機(jī)理。由于散熱片的限制，進(jìn)一步限制了制動盤的熱變形。公式（11）中展示的熱壓力也將是等價壓力增大，從而導(dǎo)致制動時的塑性變形。也可以用包括熱變化率在內(nèi)的壓力的方法。這將會增大等加壓力，加速制動盤的損壞。為了估計出制動盤的疲勞壽命，我們應(yīng)用coffinmanson法則： （20

13、）這些試驗常數(shù)為：a-所用的拉力振幅f-應(yīng)力振幅系數(shù) f-張力振幅系數(shù) nf -極限圈數(shù)壓力振幅通過計算與平均等價制動盤壓力180mpa有關(guān)的彈性壓力而估計出來， 圖9a=0.2%。應(yīng)用表2中g(shù)g25鑄鐵合金的疲勞常數(shù)，由公式（20）算得的數(shù)據(jù)在一較大范圍內(nèi)連成曲線，從而算出極限壽命。如圖10所示，a=0.2%是的疲勞極限大約是333圈。值得注意的是，福特摩托公司發(fā)現(xiàn)，在特殊情況下，制動大約三百圈就失效。 5. 結(jié)論 制動盤的熱裂縫是短周期的熱力學(xué)疲勞的結(jié)果。制動時，摩擦?xí)r制動盤迅速升溫而頭部不受影響。溫度的不同導(dǎo)致制動盤上有壓縮性的熱壓力。熱力學(xué)壓力可以由一個簡單的收縮分析系統(tǒng)來計算，在此，頭部作為限制盤體的熱伸張模型。這些壓力超過屈服極限，從中心超過大體向當(dāng)?shù)木嚯x，并且非常接近強(qiáng)度極限。頻繁的制動使制動應(yīng)力在其屈服極限附近的范圍內(nèi)作循環(huán)運(yùn)動，從而導(dǎo)致短周期循環(huán)疲勞。如此高的拉/壓力振幅正好可以應(yīng)用coffin-manson法則。在研究中，拉力振幅可以用于平均熱力學(xué)壓力有關(guān)的彈性拉力來計算。這篇報告主要介