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汽车鼓式制动器的热胶着外文翻译资料

 2022-10-31 02:10  

英语原文共 18 页,剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


汽车鼓式制动器的热胶着

摘要

在汽车工业中,鼓式制动器主要用于两种类型的车轮:铸造轮和轮辐轮。制动鼓,制动器面板和制动鼓衬套是制动系统的重要组成部分。本文报告并系统地分析了高速制动期间在摩托车轮辐上观察到的这些部件的故障,发现制动鼓和制动面板可能在高速制动期间卡住,还观察到由铸铁制成的鼓衬套上的过度磨损。制动鼓衬里的冶金分析(化学分析,硬度测试和微结构分析)显示衬里上的过度磨损不是由于材料性质的变化。因此,采取了进一步的方法来研究该问题。我们开发了一种实验测试方法来模拟这些故障。对于相同材料的铸造轮和轮辐轮,测试条件和设计规格相同,在铸造轮中没有观察到失效。使用铸造车轮和轮辐车轮的三维稳态有限元分析(FEA)来进一步研究这种不寻常的故障。这种分析已经详细描述了用于确定热和结构边界条件的方法,使用能量平衡方法来确定鼓衬套上的热通量值,结构边界条件由FEA通过实验确定和验证。对于铸造轮和轮辐轮的FEA的预测温度与实验相当吻合。我们已经发现,轮辐轮中的制动系统的故障是由于制动面板和滚筒的过度热胶合超过规定的极限。因此,我们推荐在铸造轮制动系统中使用制动鼓和制动面板之间的最佳距离的迷宫间隙。

1.介绍

制动器是重要的安全组件。盘式制动器和鼓式制动器工作原理相同:摩擦和热。当阻力或摩擦力被施加到转向车轮上时,车辆的制动系统使车轮减速并最终停止运动。在此过程中产生热量,使制动器温度升高。确定车辆制动性能的因素是车辆重量,制动力,摩擦系数和制动表面积上的压力分布。除此之外,另一个重要的因素是制动系统如何有效地将车轮运动转换成热量,以及随后该热量从制动部件中消散的速度。盘式制动器部件完全暴露在大气中,因此散热效率高。另一方面,鼓式制动器部件完全封闭在制动器组件内部,这可能导致在相同制动条件下相对于盘式制动系统,鼓式制动器的温度相对较高。鼓式制动蹄高温可能导致制动性能不佳,最终失去效能。制动性能不佳是滚筒内积聚过多的热量的结果。因此,鼓式制动器只能在它们能够吸收由于车轮减速而损失的动能产生的热量时工作。一旦制动部件本身被热饱和,它们将失去停止车辆的能力。

在高温下,制动系统的其他部件经受较高的热胶着。由于鼓式制动器的几何形状比盘式制动器更复杂,因此将高温下的部件尺寸保持在期望的极限内是非常关键的。超过某一极限热胶着的部件可能干扰其它相邻部件,这可能导致鼓式制动器的热卡住或锁定。这又可以导致制动系统的温度的进一步升高,并且因此,可能导致其他部件的故障。被调查的故障是发生在高速紧急制动期间观察到的两轮车辆中的轮辐车轮的后鼓式制动器。观测到制动器的各种部件,即鼓式制动器衬片,制动鼓,制动板,制动片失效。图1显示出了轮辐车轮和铸造轮的计算机辅助设计(CAD)模型。轮圈,臂和制动鼓作为单一部件铸造在铸造合金轮中,而在轮辐轮中,制动鼓和轮缘与薄轮辐连接。此后,我们将实验合金轮,而不是铸造合金轮。从一侧的制动面板和从另一侧的滚筒容纳的制动蹄和鼓式制动器衬里,由于使用制动器而产生的热量通过面板,鼓轮,轮辐(或臂)和轮缘消散。该故障的一个有趣的部分是在相同设计规格和相同测试条件下在合金轮中没有观察到故障。我们调查这篇文章中的不同寻常的失败,提出了一个系统的分析方法,以下是我们找出的失败的根本原因。

本文的结构如下: 在第2节中,我们描述故障; 鼓衬套的冶金分析在第3节中讨论;在第4节中,我们描述了为故障调查开发的实验方法; 有限元模型的合金和辐条车轮的提出在第5节;使用FEA热机械分析的结果进行讨论,并与实验进行比较;我们在第6节总结结果。

2.故障描述:目视检查

图2和图3显示出了制动面板组件的故障鼓式制动器样本。 当遇到这种故障时,高螺距噪声和制动锁定(lsquo;发作rsquo;)就会发生。 在故障组件上观察到以下几点:

(a)颜色变化深度(从深棕色到浅棕色)更接近被抓住的区域(图2)。

(b)制动鼓衬套磨损(图2)。

(c)永久划痕(图2和3a)。

(d)初始银灰色变为棕色(图2和3a)。

(e)制动面板上的可变壁厚,在刮痕区域较小(图3b)。

(f)制动面板材料剥离(图3)。

图1:制动系统的计算机辅助设计(CAD)模型在(a)辐条轮和(b)铸造合金轮中,制动力通施加在制动盘上,导致凸轮运动,并将制动蹄推靠在与轮轴一起旋转的鼓的内表面上。为了显示内制动部件,制动面板未在(b)显示。

图2:后制动鼓故障的图片。圆圈区域被制动面板锁定(或卡住),可以看到制动鼓的颜色的变化。

图3:(a)左图显示了具有制动蹄的制动器面板的CAD模型,相应的故障部件显示在右面板中,(b)显示了带有制动蹄的制动器面板。

上述多个故障的根本原因未知,衬垫磨损可能是由于制动蹄和鼓衬套之间的界面之间的高热产生,或者是由于材料质量差。制动蹄材料调查显示在鼓衬里存在铸铁磨损颗粒。此外,轮辐是合金轮没有故障的另一个有趣的原因。 我们在以下部分首先调查衬垫材料特性。

3. 鼓式制动器衬垫的冶金分析

如上所述,我们观察到轮辐轮鼓式制动器衬套上的过度磨损,它是由灰口铸铁制成。许多原因可归因于这种失效模式,可能原因如下:

(i)化学成分不当,

(ii)材料的硬度值不适当,

(iii)在工作区域附近的制动鼓中存在过量的游离铁素体,

(iv)制动衬片和制动鼓之间的间隙不适当,

(v)制动衬片和制动鼓的初始表面光洁度不高。

故障模式(iv)由制动蹄和鼓衬套之间间隙太小引起的,太小的间隙将拖曳,随着热量的增加而膨胀,并且可能发生鼓和制动衬片之间的卡死。此外,如果间隙在鼓式制动器的圆周周围不相等,那么车辆的后端可能随着制动器组件的锁定而迂回(从一侧到另一侧摆动)。 另一方面,制动鼓和衬片之间的过大的间隙将导致低踏板和制动延迟。 在制动测试期间,我们确保不会由于不正确的间隙而发生故障。 此外,由于两种组分的表面光洁度在期望的限度内,故也排除了失效模式(v)。因此,我们详细研究了故障模式(i-iii)。

3.1化学分析

化学成分的微小变化将改变铸铁的机械性能。碳元素和硅元素是铸铁中的典型合金元素,其改变铁素体 - 珠光体比率。分析取自鼓式制动器的样品的化学成分(参见表1)。即使磷,硫和铬具有接近最大限度的组成,这些材料的百分比组成也在期望的限度内。

表1:鼓式制动器衬垫力的化学成分(百分比)

3.5

1.7

0.7

0.13

0.11

3.2硬度调查

表2:硬度和微观结构参数

参数

样品1

样品2

微观结构

珠光体基体中的石墨片

珠光体基体中的石墨片

芯硬度(HB)

202

207

平均片长度(mu;m)

87

100

自由铁素体(百分比)

8

4.2

铸铁的磨损率取决于材料的硬度。将样品1和2的两个轮辐样品用于硬度测量,使用布氏硬度试验机检查两个样品的横截面。使用10kN的力作用于直径1mm的球用于鼓式制动器衬套的芯部硬度测量。硬度值示于表2中。样品1和2的布氏硬度值分别为202HB和207HB,在规定限度(185-235HB)内。

3.金相分析

汽车灰口铸铁的常见微观结构是珠光体的基体,其中石墨片全部分散。由于铸造实践中的变化(例如冷却速率的变化),可能发生石墨薄片的成核和生长的变化,这可能导致所需性质的变化。因此,重要的是研究微结构以确定材料是否满足要求的规格。

得到使用光学显微镜获得的抛光样品1和2鼓式制动器衬套的微观结构。该结构由基体中的支化和相互连接的A型石墨片(ASTM名称A247)组成,其为珠光体和铁氧体。薄片的平均尺寸为87lm(样品1)和100lm(样品2)。A型片状石墨(随机取向)在汽车上应用(例如离合器和制动器,内燃机的气缸,因为它具有优越的耐磨性)。在低负载条件下,石墨薄片进给接触表面并形成石墨膜在接触表面,这导致优秀的耐磨性灰铸铁。此外,A型片状石墨增加了热导率,有助于减少热变形。

3.4结论

上述鼓式制动器衬套的冶金分析表明制动衬片材料符合规格标准。因此,衬里的故障(过度磨损)可能是由于其他因素,这需要进一步研究,稍后将讨论异常故障模式的原因。

4. 辐条和合金车轮制动器的实验和测试

4.1实验程序

在轮辐中观察到制动鼓(图2)和制动面板(图3)上的过度金属磨损,但是在合金轮中没有观察到。 第一手分析表明,制动鼓和制动器面板之间的摩擦导致的热胶着是这种失效的主要原因。 由于在紧急制动条件下观察到故障,必须设计系统的实验程序,使衬套处的最大温度升高。 最近,Qi和Day 进行了实验方法的统计设计,以找到各种参数对制动盘/衬垫界面处的温度升高的影响。 他们报告,和其它因素,即摩擦负载,滑动速度和摩擦材料组成相比,制动应用的数量对界面温度的影响最强。 在下面描述的实验过程中,制动施加的数量已经被认为是主要参数。

为了研究上述故障的目的选择四种不同的车辆。 此后,我们将其称为参考车辆1, 车辆2, 车辆3和车辆4。 车辆1和2装配有具有合金轮的制动鼓,而参考车辆3和4具有带轮辐的鼓式制动器(样品1和2)。

图7示出了用于车辆制动测试的制动周期。制动周期包括车辆减速(制动器的应用),加速,然后以恒定速度运行车辆并且再次施加制动以停止车辆。最初,参考车辆以50km / h的恒定速度运行。最大可能的制动(在轮打滑的边缘,但不允许打滑)被应用以在最小时间内停止车辆。 鼓式制动器内的最大发热率可能是这样。 该过程确保了测试持续时间最小化,同时在制动鼓内产生最大的热量。表3描述了测试条件。

在每10个制动周期之后在每个参考车辆的鼓室,面板和轮辋上进行外表面处的温度测量。圆圈点被选择在离开衬垫区域,因为温度的升高不会很快,并且由于当车辆停止时不太快速的冷却,它将给出相当一致的温度读数。非接触式红外温度传感器用于测量温度。实验在仅有驾驶员作为有效载荷的测试轨道上进行。图8示出了对于鼓式制动器的不同部件每10个制动周期之后的温度变化。应当注意,在第60次制动施加温度结束时,渐渐变为恒定值。轮毂达到最高温度,然后是制动面板和轮辋。与轮毂相比,制动面板温度的升高较低。原因是制动面板通过销和制动凸轮连接到制动蹄(图10c),而轮毂经由制动鼓与较大制动蹄区域连通。这有效地导致制动蹄和轮毂之间的热阻小于制动面板和销之间的热阻。这种热阻的差异表现为制动鼓的最高温度的形式。

只有在制动鼓温度显示饱和的迹象之后,通过制动闸瓦到制动面板的热传导才占主导地位。有趣的是,即使在制动鼓温度达到饱和值之后,制动面板温度仍然保持上升。温度升高的速率随时间降低。值得注意的是,车辆3在任何时间点都经历最快的温度上升。

还应注意,与类似制动条件下的合金轮(参考车辆1和2)相比,我们观察到装配有轮辐轮缘的轮毂(参考车辆3和4)的温度升高更快。制动鼓和制动器面板的温度升高将改变迷宫间隙(见图9)。迷宫式间隙设计是鼓式制动器的重要设计方面,提供适当的迷宫间隙主要有两个原因:首先,高间隙将允许水和外来颗粒(灰尘和砂粒等)进入制动器组件内部;水和其他腐蚀性盐进入会引起腐蚀并降低制动效率。这是提供复杂通道(见图9b)以避免水和外来物质进入制动器内的主要原因之一鼓。 关于这一点的进一步讨论在有限元分析部分提供。

图7:实验程序遵循鼓式制动器测试。从第n个开始到第(n 1)个制动开始的时间构成一个周期,每10个制动周期后测量制动鼓部件的温度。

图8:四种不同参考车辆上各种鼓式制动器部件(轮毂,制动器面板和轮辋)的温度变化。 轮毂温升最快。 温度值在第7个制动周期后(在第60次制动后)渐进到一个恒定值。

4.2.观察和讨论

在该系统性道路测试期间观察到前述的故障(参见图2和图3)。观察沿着制动器面板和鼓式制动器的周边的刮痕和深度标记。在合金轮和轮辐轮中,制动面板和轮毂之间的初始轴向间隙为0.50mm。在装有辐条轮的车辆(参考车辆3和4)中观察到失效,而不是在装有合金车轮的车辆(参考车辆1和2)中观察到失效。除了热胶着,制动鼓的不正确对准还可以沿制动鼓

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