盤式制動(dòng)器的高溫裂紋

1、盤式制動(dòng)器的高溫裂紋摘要 盤式制動(dòng)器在一般的制動(dòng)中受到很大的熱壓力，在緊急制動(dòng)受到非同尋常的熱壓力。大減速度的客車通常每個(gè)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(dòng)，產(chǎn)生表面裂縫，（2）制動(dòng)盤產(chǎn)生較大的塑性變性。在轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)相對(duì)較少的大減速制動(dòng)中，如果沒有熱震動(dòng)，將在旋轉(zhuǎn)體的最厚處和盤式制動(dòng)器的徑向產(chǎn)生可見的裂縫。由此分析發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)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(dòng)器溫度縱斷面圖。如果得到制動(dòng)溫度，將用這個(gè)溫度來估計(jì)緊急制動(dòng)時(shí)增大的壓力。研究表明，在大減速度制動(dòng)時(shí)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(jì)制動(dòng)失效的圈數(shù)。關(guān)鍵字：熱疲勞;熱裂縫；制動(dòng)失效；熱壓力；疲勞。1. 簡(jiǎn)介在大減速度制動(dòng)后，在制動(dòng)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(dòng)盤表面；另一類是透過性熱裂縫，他完全透過制動(dòng)盤體。雖然熱裂縫是由緊急制動(dòng)引起的，但是仍沒辦法防止其發(fā)生。本文將對(duì)盤水制動(dòng)器的制動(dòng)盤熱裂縫做一個(gè)徹底的分析。在此，將以載重汽車f-250皮卡的前制動(dòng)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(shí)，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(dòng)器失效。制動(dòng)盤是由灰鑄鐵按照?qǐng)D2的幾何尺寸制造而成。選擇會(huì)鑄鐵是由于其熔點(diǎn)低，傳熱和散熱較快。制動(dòng)盤由連接車輪

3、和軸的頭部.內(nèi)制動(dòng)片和外制動(dòng)片組成。外制動(dòng)片直接與頭部相連，而內(nèi)制動(dòng)片則通過一系列的通風(fēng)葉片連與外制動(dòng)片。在制動(dòng)盤的頭部加工一道溝槽，用以改變?cè)摬康膽?yīng)力集中現(xiàn)象。內(nèi)制動(dòng)片不是直接與頭部相連，它通過冷卻葉片連接。制動(dòng)是內(nèi)外盤面被制動(dòng)襯塊壓緊。頻繁的摩擦阻止車輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)制動(dòng)數(shù)秒后，制動(dòng)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(dòng)力車輛上卻相對(duì)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(dòng)技術(shù)的局限。雖然這篇文章是由卡車的制動(dòng)器失效的例子引出的，接下來就這個(gè)問題作一個(gè)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(dòng)就是以及時(shí)和重復(fù)的方式消耗掉車輛的動(dòng)能。為了估計(jì)制動(dòng)中升高的溫度，就必須算出施加于制動(dòng)盤上的力。圖3展示了車輛的解析圖，求質(zhì)心的瞬時(shí)平衡，得如下公式： (1a) (1b)圖3這里： (2a) (2b) 和是有效制動(dòng)系數(shù)，其他符號(hào)在圖3中已標(biāo)定。假設(shè)制動(dòng)發(fā)生在完全平坦的地面上（=0），公式（1）可被進(jìn)一步簡(jiǎn)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(duì)于其他尺寸很小，可以把這些項(xiàng)從公式（1），（2）中忽略掉。相當(dāng)于每個(gè)輪胎上稍少于1%重量的制動(dòng)系數(shù)也被忽略掉了。結(jié)果，公式（1）簡(jiǎn)化為如下形式： (3a) (3b) 公式（3）表明，重量的分布取決于每個(gè)輪胎距離質(zhì)心

5、的距離和車的加速度。在減速時(shí)，重量轉(zhuǎn)移到前輪，因此，大部分制動(dòng)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(dòng)分析。圖4位前制動(dòng)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(dòng)器承擔(dān)，單個(gè)制動(dòng)盤的動(dòng)力由公式（5）給出： (5)消耗與制動(dòng)盤的能量等價(jià)于實(shí)際流入制動(dòng)盤的熱量，用這一關(guān)系可以預(yù)測(cè)制動(dòng)盤上的溫度變化量。對(duì)于恒加速度，可以得出如下的動(dòng)力學(xué)關(guān)系式： (6) f rotor不隨時(shí)間變化，而v rotor隨時(shí)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(dòng)是在6秒內(nèi)把車速從45m/s降至0。實(shí)驗(yàn)表明，300圈這樣的制動(dòng)足以是制動(dòng)盤產(chǎn)生熱裂縫。汽車制動(dòng)一般用表1所時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：表1：汽車數(shù)據(jù)汽車質(zhì)量 m 1500kg初速度 v0 45m/s制動(dòng)時(shí)間t stop 6s有效制動(dòng)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(jì)算： (9)最后，制動(dòng)盤所需的總制動(dòng)力是由制動(dòng)鉗夾緊使車停止所需的力來計(jì)算。二家盡力可以用摩擦公式來計(jì)算，這里=0.4： (10)這個(gè)力在制動(dòng)盤上產(chǎn)生夾緊力，同時(shí)制動(dòng)力產(chǎn)生剪切力。制動(dòng)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(dòng)盤壓力如下： (11)2.1 材料性質(zhì)在制動(dòng)應(yīng)用中，工業(yè)用薄片灰鑄鐵。對(duì)圖1種描述的制動(dòng)盤進(jìn)行硬度檢驗(yàn)已確定鐵的純度。分別測(cè)量頭部，外制動(dòng)面，內(nèi)制動(dòng)面。出現(xiàn)以下幾種情況：首先，最硬的是內(nèi)制動(dòng)盤面（97hrb）,其次是外制動(dòng)盤（94hrb）,最后是頭部（88hrb）。統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(shí)可以看到制動(dòng)盤上有的部分約有1cm寬的裂縫。當(dāng)鋸子在內(nèi)徑時(shí)，伴隨著“蓬”的一聲，裂縫分開數(shù)毫米（圖5），這個(gè)切口顯示了制動(dòng)盤上最初的組成。第二次切示了切割的真實(shí)寬度，因?yàn)榈谝淮蔚那锌诎谁h(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(gè)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(dòng)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(shí)堅(jiān)硬的球狀礦渣雜質(zhì)，這些雜質(zhì)對(duì)制動(dòng)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(jì)制動(dòng)溫度分析有限元素用以估計(jì)制動(dòng)盤上溫度的分布。假設(shè)制動(dòng)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(gè)單元。是與襯塊接觸的制動(dòng)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(gè)連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)以單一的速度遞減，并且快于制動(dòng)轉(zhuǎn)速。制動(dòng)盤的初始溫度定為300k。現(xiàn)以6s為時(shí)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(shí)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(dòng)2.5s后制動(dòng)盤的寬度方向上的縱斷面溫度曲線圖6圖74估計(jì)制動(dòng)盤壽命制動(dòng)引起制動(dòng)盤面溫度迅速上升，從而導(dǎo)致其熱震動(dòng)。這個(gè)問題可以由計(jì)算表面壓力來解決。制動(dòng)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(dòng)面。另一種辦法是忽略熱震動(dòng)而集中考慮制動(dòng)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(dòng)盤的熱壓力。頭部是一個(gè)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(gè)近似的簡(jiǎn)化，但是得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)很吻合

11、。輪轂限制了制動(dòng)盤的大小，如圖8所示。如果沒有這個(gè)限制，制動(dòng)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(dòng)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(gè)符號(hào)代表的意義。頭部的向外位移為： （14）這兩個(gè)位移的和必須等于制動(dòng)盤總的熱位移量，即： （15）在頭部和盤體相互作用時(shí)，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?，去盤體的厚度內(nèi)的平穩(wěn)溫度，即t=2.5s時(shí)的溫度。當(dāng)制動(dòng)盤的溫度達(dá)到200度時(shí)，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(jià)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(dòng)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(dòng)盤的屈服與壓縮取決于制動(dòng)，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(dòng)盤的熱變形。公式（11）中展示的熱壓力也將是等價(jià)壓力增大，從而導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)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(huì)增大等加壓力，加速制動(dòng)盤的損壞。為了估計(jì)出制動(dòng)盤的疲勞壽命，我們應(yīng)用coffinmanson法則： （20

13、）這些試驗(yàn)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(jì)算與平均等價(jià)制動(dòng)盤壓力180mpa有關(guān)的彈性壓力而估計(jì)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(dòng)大約三百圈就失效。 5. 結(jié)論 制動(dòng)盤的熱裂縫是短周期的熱力學(xué)疲勞的結(jié)果。制動(dòng)時(shí)，摩擦?xí)r制動(dòng)盤迅速升溫而頭部不受影響。溫度的不同導(dǎo)致制動(dòng)盤上有壓縮性的熱壓力。熱力學(xué)壓力可以由一個(gè)簡(jiǎn)單的收縮分析系統(tǒng)來計(jì)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(dòng)使制動(dòng)應(yīng)力在其屈服極限附近的范圍內(nèi)作循環(huán)運(yùn)動(dòng)，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(jì)算。這篇報(bào)告主要介