盘式制动器的高温裂纹

1、盘式制动器的高温裂纹摘要 盘式制动器在一般的制动中受到很大的热压力，在紧急制动受到非同寻常的热压力。大减速度的客车通常每个衬块每秒中产生达900度的高温。这种高温将产生两种结果：（1）热震动，产生表面裂缝，（2）制动盘产生较大的塑性变性。在转动圈数相对较少的大减速制动中，如果没有热震动，将在旋转体的最厚处和盘式制动器的径向产生可见的裂缝。由此分析发现，制动器失效是短周期热力学疲劳的结果。用热流方程分析有限元素作出制动器温度纵断面图。如果得到制动温度，将用这个温度来估计紧急制动时增大的压力。研究表明，在大减速度制动时由于热压应力较大，而导致塑性变形发生。算出拉力位移量，然后用coffinmans

2、on法则来估计制动失效的圈数。关键字：热疲劳;热裂缝；制动失效；热压力；疲劳。1. 简介在大减速度制动后，在制动盘上可观察到热裂缝。热裂缝可分为两类：一类是热裂缝部分的穿过制动盘表面；另一类是透过性热裂缝，他完全透过制动盘体。虽然热裂缝是由紧急制动引起的，但是仍没办法防止其发生。本文将对盘水制动器的制动盘热裂缝做一个彻底的分析。在此，将以载重汽车f-250皮卡的前制动盘热裂缝为例进行分析，如图1所示。当卡车拖拽的挂车装满货物时，如果频繁的刹车，当听到“嘭”的一声或显著的滴答声，表示制动器失效。制动盘是由灰铸铁按照图2的几何尺寸制造而成。选择会铸铁是由于其熔点低，传热和散热较快。制动盘由连接车轮

3、和轴的头部.内制动片和外制动片组成。外制动片直接与头部相连，而内制动片则通过一系列的通风叶片连与外制动片。在制动盘的头部加工一道沟槽，用以改变该部的应力集中现象。内制动片不是直接与头部相连，它通过冷却叶片连接。制动是内外盘面被制动衬块压紧。频繁的摩擦阻止车轮旋转，同时产生大量的热。当制动数秒后，制动盘上产生了大量的热而邻近的空间内却与常温无异。热裂缝在客车上不常见，但是在卡车和动力车辆上却相对常见。许多车辆还暴露出相当极端的问题。值得注意的是，这些情况不是所谓的滥用，而是显示了制动技术的局限。虽然这篇文章是由卡车的制动器失效的例子引出的，接下来就这个问题作一个人和车辆都使用的一般性论述。 图1

4、 图22.车辆力学制动就是以及时和重复的方式消耗掉车辆的动能。为了估计制动中升高的温度，就必须算出施加于制动盘上的力。图3展示了车辆的解析图，求质心的瞬时平衡，得如下公式： (1a) (1b)图3这里： (2a) (2b) 和是有效制动系数，其他符号在图3中已标定。假设制动发生在完全平坦的地面上（=0），公式（1）可被进一步简化。再者，x向克认为是轮胎从中心的正常受力位移。由于它相对于其他尺寸很小，可以把这些项从公式（1），（2）中忽略掉。相当于每个轮胎上稍少于1%重量的制动系数也被忽略掉了。结果，公式（1）简化为如下形式： (3a) (3b) 公式（3）表明，重量的分布取决于每个轮胎距离质心

5、的距离和车的加速度。在减速时，重量转移到前轮，因此，大部分制动工作由前轮承担。大多数汽车专有比例阀，用控制前后轮液压力的分配，形成前后轮负荷分配比例为60/40。这种分配用于随后的制动分析。图4位前制动盘-轮胎的受力图，得出如下的等式： (4a) (4b) (4c) 图4由于60%的载荷由前制动器承担，单个制动盘的动力由公式（5）给出： (5)消耗与制动盘的能量等价于实际流入制动盘的热量，用这一关系可以预测制动盘上的温度变化量。对于恒加速度，可以得出如下的动力学关系式： (6) f rotor不随时间变化，而v rotor随时间呈现性变化。因此，能量平衡可变为： (7)工业标准明确规定：紧急制

6、动是在6秒内把车速从45m/s降至0。实验表明，300圈这样的制动足以是制动盘产生热裂缝。汽车制动一般用表1所时的数据进行计算：表1：汽车数据汽车质量 m 1500kg初速度 v0 45m/s制动时间t stop 6s有效制动盘半径 r rotor 0.10m轮胎半径 r tire 0.38m (8)瞬间热流量直接用下式计算： (9)最后，制动盘所需的总制动力是由制动钳夹紧使车停止所需的力来计算。二家尽力可以用摩擦公式来计算，这里=0.4： (10)这个力在制动盘上产生夹紧力，同时制动力产生剪切力。制动衬块的中心角一般是60度。现在接触面积是a=53cm。利用已知的面积和压力代入公式（8）和（

7、10），制动盘压力如下： (11)2.1 材料性质在制动应用中，工业用薄片灰铸铁。对图1种描述的制动盘进行硬度检验已确定铁的纯度。分别测量头部，外制动面，内制动面。出现以下几种情况：首先，最硬的是内制动盘面（97hrb）,其次是外制动盘（94hrb）,最后是头部（88hrb）。统计比较这些数据表明：没出的硬度明显不同于别处。这种硬度的不同是由于浇铸过程中仍却速度不同造成的，而不是制动盘的热过渡现象。rockwell-b硬度属于brinell硬度的范围，170-220hb。通过与手册的数据比较，表明这种的合金为gg25铸铁，其主要材料组成列于表2：表2：材料的疲劳极限参量材料 brinnel硬度

8、 （mpa）e（gpa）fbfcgg25#4 174 215 90 241 -0.115 0.008 -0.360 从外制动盘上靠内侧用油冷锯取下一部分作为样品观察其微观组织。缺血样本是可以看到剩余张应力：第一次切割时可以看到制动盘上有的部分约有1cm宽的裂缝。当锯子在内径时，伴随着“蓬”的一声，裂缝分开数毫米（图5），这个切口显示了制动盘上最初的组成。第二次切示了切割的真实宽度，因为第一次的切口包括了环形剩余张力在内的位移。把样品擦亮，并用5%的溶液浸蚀，在多个点检查样品的微观组织，如图5指示的1，2，3位置。微观组织证明制动盘的材料是片状石磨（图6），除了石磨片外，图6的低倍放大图也发现了

9、在浇铸时坚硬的球状矿渣杂质，这些杂质对制动盘热性能有显著的影响。不同的位置硬度不同，符合图6所示的微观组织图。硬度较高的地方有较好的耐磨性。 图53估计制动温度分析有限元素用以估计制动盘上温度的分布。假设制动盘径向对称，选择性质相同的部分作为代表性体积，分成50个单元。是与衬块接触的制动盘面逐渐升温，而接近头部的表面和横断面由于径向对称而被绝热。其他表面进行缓慢的传热，热产地系数从30w/m·k在每个连续的时间段内以单一的速度递减，并且快于制动转速。制动盘的初始温度定为300k。现以6s为时间间隔进行瞬态分析，在0.5秒内运用以给定的热流公式（9），结果曲线有一系列的0.5秒的时间间

10、隔组成。哲学之别衬块面积均分后输入热流表（j/m）。图7展示了制动2.5s后制动盘的宽度方向上的纵断面温度曲线图6图74估计制动盘寿命制动引起制动盘面温度迅速上升，从而导致其热震动。这个问题可以由计算表面压力来解决。制动使盘体的温度迅速上升而头部只有少许的变化，从而限制了制动面。另一种办法是忽略热震动而集中考虑制动盘头部的热压力。假设头部仍然保持室温，限制外盘面的热转移，在此我们集中考虑制动盘的热压力。头部是一个几何模型，而不是开口圆柱。头部产生的约束似与外盘体环形面上产生的内压力，并且大体等于约束压力。我们忽略内盘体和与他相连的叶片的影响，虽然这只是一个近似的简化，但是得到的结果与实验很吻合

11、。轮毂限制了制动盘的大小，如图8所示。如果没有这个限制，制动盘半径可以按公式随意扩展： b=bt (12) 图8尽管如此，总的偏移量是由头部的弹性向外位移和制动盘的向内位移组成。在此受力体的向内偏移量为： (13)图8给出了个符号代表的意义。头部的向外位移为： （14）这两个位移的和必须等于制动盘总的热位移量，即： （15）在头部和盘体相互作用时，b=c，因此 （16）在此限制压力为： （17）为了达到与头部相当的限制压力，去盘体的厚度内的平稳温度，即t=2.5s时的温度。当制动盘的温度达到200度时，平均温度在圆周和径向产生的压力为： （18） （19）这里，1为周向压力，2为径向压力。把这

12、些点联成线和mises等价曲线一起展示在图9中，从中可以看到平均压力大约为180mpa,而gg25铸铁合金的屈服强度是215mpa，弹性模数为90gpa，图9表明，制动温度产生的热压力几乎超过屈服强度，接近中心，延长了1cm。再者制动盘的屈服与压缩取决于制动，而环形剩余拉力取决于冷却。与温度同相的压力和张力循环是热力学失效的机理。由于散热片的限制，进一步限制了制动盘的热变形。公式（11）中展示的热压力也将是等价压力增大，从而导致制动时的塑性变形。也可以用包括热变化率在内的压力的方法。这将会增大等加压力，加速制动盘的损坏。为了估计出制动盘的疲劳寿命，我们应用coffinmanson法则： （20

13、）这些试验常数为：a-所用的拉力振幅f-应力振幅系数 f-张力振幅系数 nf -极限圈数压力振幅通过计算与平均等价制动盘压力180mpa有关的弹性压力而估计出来， 图9a=0.2%。应用表2中gg25铸铁合金的疲劳常数，由公式（20）算得的数据在一较大范围内连成曲线，从而算出极限寿命。如图10所示，a=0.2%是的疲劳极限大约是333圈。值得注意的是，福特摩托公司发现，在特殊情况下，制动大约三百圈就失效。 5. 结论 制动盘的热裂缝是短周期的热力学疲劳的结果。制动时，摩擦时制动盘迅速升温而头部不受影响。温度的不同导致制动盘上有压缩性的热压力。热力学压力可以由一个简单的收缩分析系统来计算，在此，头部作为限制盘体的热伸张模型。这些压力超过屈服极限，从中心超过大体向当的距离，并且非常接近强度极限。频繁的制动使制动应力在其屈服极限附近的范围内作循环运动，从而导致短周期循环疲劳。如此高的拉/压力振幅正好可以应用coffin-manson法则。在研究中，拉力振幅可以用于平均热力学压力有关的弹性拉力来计算。这篇报告主要介