汽车制动器制动性能热衰退现象对行车安全的危害

  本文关键词：基于ANSYS Workbench的汽车盘式制动器性能分析，由笔耕文化传播整理发布。

　　摘要：汽车制动器是汽车制动系统的主要组成部件，是保证汽车在道路上安全行驶的重要构件之一。文章通过分析汽车制动器制动性能热衰退的形成机理以及对行车安全的危害，研究了解决制动器制动性能热衰退现象，以提高汽车行驶中的安全可靠性，避免汽车特别是大型汽车制动器热衰退导致的恶性交通事故。
　　关键词：汽车制动器；制动性能；热衰退现象；行车安全；恶性交通事故 文献标识码：A
　　中图分类号：U462 文章编号：1009-2374（2016）09-0100-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.048
　　汽车在行驶过程中，由于长时间连续制动和频繁制动，会导致制动性能热衰退现象，从而对车辆安全行驶造成危害。车辆的制动器对车辆安全运行起到了保证的作用，如果制动器温度过高就会导致制动性能的热衰退，有可能引发严重的交通事故。云南省的道路多数坡长弯急，热衰退现象引发的交通事故较多，如何降低热衰退现象对行车安全的危害是车辆行驶过程中的一个难题。本文以大型汽车为例，通过建立汽车制动器的有限元模型，对（大型）汽车制动过程进行模拟，分析制动过程中制动器的升温和散热，提出解决汽车制动性能热衰退的方法。
　　1 制动性能热衰退的概念
　　汽车制动性能的热衰退是指汽车长时间制动或者高速制动，使汽车摩擦片与制动鼓摩擦迅速升温，温度达到300℃～400℃，导致摩擦片的摩擦力矩下降，从而产生汽车制动性能热衰退现象。汽车制动性能的热衰退会导致汽车的制动能力降低，延长了制动距离，增大了交通安全事故的发生几率。对于行驶时间比较长的大型汽车，对制动性能有较高的要求，所以必须在大型汽车的制动器上安装冷却装置，以便使大型汽车始终保持良好的制动性能。冷却装置的体积比较小，并且自动化程度也比较高，可以在汽车制动器温度较高时进行自动降温，保证制动器具有良好的制动性能，具有较高的经济效益。
　　2 大型汽车制动器制动性能热衰退分析
　　2.1 制动器模型建立
　　大型汽车的制动器大多为鼓式制动器，在建立制动器模型时，需要根据制动器的制动过程建立简单的分析模型，以便确定汽车制动器的制动荷载。大型汽车鼓式制动器主要由制动鼓、制动蹄和摩擦片组成，制动蹄收到制动命令时，会挤压摩擦片紧压在制动鼓上，从而降低车轮转速，起到制动作用。制动鼓的三维模型是一个回环体，所以需要利用计算机软件生成回环体的模型，，然后通过镜像操作的方式对制动蹄的位置进行划分，并确定整个制动器的网格结构。因为制动器在制动过程中会出现接触，所以在分析制动性能热衰退现象时要考虑到制动材料的弹性。
　　2.2 制动过程的模拟仿真及结果分析
　　汽车的制动过程可以分为三个阶段：第一阶段制动踏板刚刚踩下，制动蹄和制动鼓之间还存在着间隙，这一阶段还没有起到真正的制动作用；第二个阶段是制动蹄与制动鼓接触的过程，在这一阶段汽车制动器的制动力在不断提升，直到达到汽车的最大制动力为止；第三阶段汽车的制动力始终保持在最大范围内，直到车辆停止。在这一制动过程中，制动器的温度始终处于上升状态，为了分析制动性能热衰退对车辆安全运行造成的危害，需要假设制动器的荷载处于稳定状态，然后对制动器不断施加热流，直至出现热衰退现象，观察热衰退的温度以及制动性能变化过程。制动器在制动过程中会产生巨大的摩擦力，摩擦力会对制动鼓、制动蹄、摩擦片造成一定的磨损，导致汽车的制动力矩不断增加，汽车制动力矩的增加延长了车辆的制动距离，对车辆的安全行驶造成了非常大的影响。
　　2.3 制动器的升温与散热分析
　　制动器的升温主要是汽车制动过程中汽车摩擦片与制动鼓摩擦产生的摩擦热，车辆在制动过程中，动能不断降低，部分动能转化为摩擦热分布在制动器上，摩擦热的大小与车辆的制动距离相关。在制动过程中还有部分的热量通过其他途径散发了出去，保证了车辆的制动性能。假设车辆的重量和初始速度固定，在进行制动时，制动减速度越大，制动器升温也就越快，因为摩擦片的厚度比较薄，而且材料为铸铁，所以摩擦片不容易导热，温度升高导致摩擦片的制动性能降低。在制动器上安装冷却装置，可以将制动器上的温度带走，所以在安装冷却装置时，要确定具体的散热区域，避免对冷却装置的冷却效果造成影响。
　　在不同的行驶路面上，制动器的升温和散热也会出现不同的状况。例如在干燥路面，汽车的制动距离比较短，汽车制动过程中产生的滑移率也比较低，所以制动时间比较短，制动器升温会比较低。车辆在光滑路面上行驶，会导致车辆滑移率上升，延长了车辆的制动距离，所以制动构件要素之间的摩擦时间就会比较长，导致制动器的温度比较高，严重影响了制动器的制动性能。
　　3 大型汽车制动性能热衰退对车辆运行的危害
　　3.1 制动性能热衰退导致制动摩擦片出现磨损
　　大型汽车在制动过程中，由于摩擦片摩擦时间过长，造成制动性能出现热衰退现象，使摩擦片出现磨损。摩擦片由于长期的磨损，导致制动器之间的摩擦间隙不断加大，制动器的摩擦系数逐渐降低，最终会出现制动失效的现象，而且由于摩擦片的磨损会导致摩擦片与制动鼓不能及时贴合，产生滞后制动的现象。汽车在高速行驶的过程中，滞后制动的时间会导致车辆延长行驶距离，增加了车辆行驶的危险性。大型汽车在制动过程中，制动器会产生较高的温度，高温对制动器的破坏极为严重，会导致制动器出现材料分解现象。例如车辆在制动过程中摩擦片的表面材料会逐渐脱落，温度越高，材料脱落速度也就越快，最终导致车辆丧失制动性能，出现车辆失控现象，引发严重的交通安全事故。
　　3.2 制动性能热衰退对制动力矩的危害
　　制动力矩是指驾驶员在踩动制动踏板时，启动了车辆制动器的制动分泵，分泵控制制动蹄与制动鼓之间产生摩擦，最终产生制动效果。为了保证车辆的运行安全，需要使车辆的制动力矩保持稳定。制动力矩与制动器的摩擦系数成正比关系，所以在汽车制动时，需要注意车辆制动器的温度变化情况，保证制动器始终在合理的温度范围内，避免制动力矩不稳定，影响车辆行驶的安全性。 　　3.3 制动器温度升高影响制动安全性
　　大型汽车的制动器经过长时间摩擦或者高强制动时，会导致制动器的散热性能较差，制动器始终处于高温状态，在这种现象下，汽车的制动器会产生热疲劳，导致制动器的表面出现损伤，严重的甚至会出现裂纹，影响车辆制动安全性。如果大型汽车的制动器是由制动鼓和有机材料组成，高温还会导致制动器的变形，影响了制动过程的稳定性。热衰退还会导致制动器的摩擦系数降低，最终会出现制动失效的现象。
　　4 降低大型汽车制动性能热衰退的主要方法
　　降低大型汽车制动性能热衰退可以从制动器、道路状况和管理几个方面来进行治理。首先可以在大型汽车制动器上安装辅助装置，例如发动机缓速装置、排气制动装置、制动冷却装置等，对汽车制动器进行散热辅助，可以在汽车制动过程中起到辅助散热作用，同时也可以在汽车紧急制动时对制动器进行降温，保证了车辆的安全行驶。驾驶人员也要定期对车辆制动系统进行检查，使车辆始终处于良好的工作状态，避免车辆制动失效，出现严重的安全事故。在道路上安装减速带，可以让车辆始终保持稳定的行驶速度，同时也对车辆减速起到了一定的帮助作用，避免车速过快，驾驶人员在进行车辆紧急制动时，造成制动性能的热衰退。相关管理部门加强对超载车辆的管理，避免车辆超载制动过程中，因为荷载过大，导致制动器温度上升加快，加剧热衰退现象的出现。
　　5 基于汽车制动器热能消散的有限元模型分析
　　5.1 对汽车制动能量消散形式的分析
　　脱开发动机，汽车连续紧急制动所产生的能量主要由两个摩擦副所决定，包括制动器摩擦副与车路面摩擦副。一般情况下，当车轮滑移率较小，制动器摩擦系数副摩擦系数未热衰退时，制动器耗散能量所占比例较大，减少了非正常轮胎磨损，提高制动稳定性。
　　总体而言，制动复摩擦系数与车轮滑移率是汽车制动热衰退耦合过程中，汽车制动系统力学在不同层次的耦合参数，属于不同过程发生相互制约的桥梁与纽带，也是整个汽车制动器热能消散有限元模型分析的基础。
　　5.2 建立基于汽车制动器热能消散的有限元模型
　　该模型主要包括动态管路压力、摩擦力矩、制动气温、制动副摩擦系数、温度特性，重点分析影响制动器促动力的相关参数，并以汽车在制动过程中出现的力学变化情况。
　　5.3 模型验证与结果分析
　　5.3.1 试验。在某大学汽车道路试验场开展本次试验，采取JS682032D1型客车为研究对象。试验路面道路质量良好，外部环境约为4℃，分别对客车进行不同速度的紧急制动试验，判断温度变化情况。
　　5.3.2 试验结果分析。
　　图1 前制动器升温值 图2 后制动器升温值
　　图1和图2分别记录了不同初始速度时紧急制动后前后制动器试验和计算温升值比较值。从研究结果来看，前后制动器温升实验值在不同初始速度下的变化基本相同，但随着车辆整体行进速度的变化，误差呈增大趋势。而后制动器仿真温度的误差小于实验值，整体上满足应用要求。
　　5.4 模型应用总结
　　通过开展汽车制动能量消散形式有限元模型分析可以发现，在不同速度下的车辆制动温度存在明显差异，并且随着车辆速度的提高，车辆制动温度也会提高。因此对司机而言，为保证行车安全，要牢记减速慢行，避免因为车辆速度过大而导致制动系统故障，最终引发交通事故。
　　6 结语
　　通过对汽车制动器制动性能热衰退现象、热衰退概念的阐述，汽车制动器制动性能热衰退现象的分析、研究，制动器制动性能热衰退对行车安全的危害以及研究降低制动性能热衰退主要方法等论述，以减少制动器制动性能热衰退现象对安全行车的危害，提高车辆运行的安全性。
　　参考文献
　　[1] 杨龙宝.基于ANSYS Workbench的汽车盘式制动器性能分析[D].广西大学，2013.
　　[2] 国俭.载货汽车制动器温度监测及预警系统研究[D].吉林大学，2014.
　　[3] 贾伟.制动器温升与山区道路参数及车辆工况关系研究[D].重庆交通大学，2012.
　　（责任编辑：王 波）

  本文关键词：基于ANSYS Workbench的汽车盘式制动器性能分析，由笔耕文化传播整理发布。