铝制鼓式制动器的热点与抖动现象.docx
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铝制鼓式制动器的热点与抖动现象
铝制鼓式制动器的热点及抖动现象
1、引言
通常情形下,滑动系统在压力均匀的情形下运行,温度在摩擦表面均匀散布。
但是,当滑动速度达到某一临界值称为临界转速,接触载荷集中在一个或多个小区域摩擦表面。
这就会致使摩擦表面形成局部的温度很高的接触区域,那个区域就被称为热点。
由此就会产生摩擦生热作用,热畸变,弹性接触(又被称为摩擦激发烧弹性不稳固)。
这种现象在许多实际的滑动系统中被观察到,专门是,许多关于热点在汽车或工业盘式制动器如何形成的实验研究已经开始进行。
一般情形下,在乘用车和商用车辆行驶进程中,热点可能会致使严峻有害的马氏体相变,还有可能诱导频率较低的振动咱们通常称之为制动抖动。
此刻的理论研究已经通过实验预测出了汽车盘式制动系统的临界转速。
专门是,有限元技术已开发三维稳固性分析能够比较准确的预测汽车的临界转速。
虽然鼓式制动器已经被普遍应用于汽车和工业制动器,可是在研究鼓式制动器热点方面的科学研究是十分和极为特别的有限。
因此,本研究的重点是观察汽车鼓式制动器热点的形成。
专门是最近,汽车行业采用铝为原材料制作刹车用的盘和刹车用的鼓,利用铝为原材料最主要的原因是因为铝比较轻,能够超级有效的降低质量。
因为上述原因,所以此刻铝制的鼓式制动器被很多人普遍的、大量的研究。
Lee就开发了鼓式制动器的有限层模型,同时他还提出了初步的实验观察方案,供其他的研究铝制鼓式制动器的同行借鉴交流。
在本文中,咱们会主要论述车辆抖动的测试程序,制动材料性能测量,和观察的结果和实验的结果。
车辆抖动的测试计划的主要目的是来来肯定关键热弹性失稳时候的转速。
主观评定量表的用途是用来评估每一个测试案例的抖动性能。
制动鼓摩擦表面在速度为80.5–56.4km/h~50–35mph的一系列制动后,制动器摩擦表面产生的热点可能会造成永久的塑性变形。
通过测量两种不同的铝材料临界速度并对其进行对比还有分析和预测,最后,为了减少抖动偏向,又对鼓式制动系统进行了测试,还有各类设计修改,主要包括改换不同的复合刹车片,采用消除应力的鼓,三段的衬里和一个圆周衬槽。
基于TEI指数理论,咱们能够讨论他们对热斑点和抖动的偏向的影响有多大。
二、实验研究
为了评价铝制刹车鼓的制动性能,铝制刹车鼓D1和铝制刹车鼓D2采用不同化学组合物,然后将其别离安装在测试车后轴上。
初步的测试结果表明,采用铝制刹车鼓D1的车辆在身体后侧将会有制动抖动产生。
测试的司机说:
“汽车从速度高于80千米/小时,在比较小的刹车速度下减速或在十分之二个重力加速度左右减速,当车辆停下来时会有比较明显的振动的感觉。
一开始,制动鼓的椭圆度被怀疑的是因为汽车振动产生的,可是振动测量结果表明,哆嗦鼓径向跳动并非十分明显大于安静的鼓。
进一步的实验能够看到抖动的发生与在鼓的摩擦表面产生的深色的可见热点有很强的相关性。
当用铝制刹车鼓D2进行测试时,驾驶员则报告了一个比较温和的振动。
2.1测试程序肯定的临界速度抖动的评级
按照初步的实验观察Tei机构,通过制动抖动的测试计划的开发来肯定鼓式制动系统的临界转速。
每一个测试运行由三套四个十分之二个重力加速度的制动1后面随着一个二分之一个重力加速度的制动2。
同时给定一个初始的速度,一共有十五对不同的初始速度如图所示(表1)。
测试初始速度是64.4千米/小时,80.5千米/小时,96.6千米/小时,104.7千米/小时和112.7千米/小时(40英里/每小时,50英里/每小时,60英里/每小时,65英里/每小时和70英里/每小时)为了消除已经用过的材料会产生的影响,每十五个测试运行开始前还需要换上新的刹车材料。
已经利用过的刹车材料产生的影响咱们将会在3.2节继续为大家讨论。
测试车辆的相关尺寸和刹车制动系统已经在表2中给出。
所被调查研究的制动材料的相关性能在表3中已经大体给出。
在3.2节咱们会着重介绍如何测定这些制动材料的性能。
主观的评量表如表4所示,那个主观的评量表主如果用来评估抖动时的每一个测试案例的出现的效果。
十五对每一个测试运行后,当热点的数量能够看见后,别离将其记录在左和右鼓上。
表格1
图片一
2.2车辆实验及观察
车辆测试将采用铝制制动鼓D1与摩擦材料L1。
测试主如果用来重复比较鼓D2和摩擦材料L1结果如表1所示。
除对抖动,还对每次刹车进行评级,平均抖动值与热点数如表1所示。
随着运行的十五个测试刹车重复制动,同时初速度从64.4千米/小时到104.7千米/小时(40英里每小时到70英里每小时),深色的热点只有在与制动初速度超过了必然的临界值时才会出现。
本实验验证了在汽车的鼓式制动器中热弹性失稳存在临界速度。
铝制制动鼓D1没有看到任何可见的热点在64.4千米/小时到40.3千米/小时之间速度制动,可是出现了三个热点在左后制动鼓。
在时速80.5千米/小时至56.4千米/小时(50英里/小时—35英里/小时)时制动,出现了一个热点在右后制动鼓。
所以咱们能够得出结论,制动临界速度可能在64.4千米/小时(即4.16米/秒的平方)左右。
另一方面,铝制制动鼓D2在时速达到96.6千米/小时至72.5千米/小时之间制动时,并无热点产生。
可是那时速达到105千米/小时至80.5千米/小时(65英里/小时至50英里/小时)制动时,能够看到五个热点在左铝制制动鼓,五个热点在右铝制制动鼓。
所以咱们能够得出结论,制动临界速度可能在96.6千米/小时(即6.24米/秒)。
在测试进行的进程中外围的环境温度转变范围为七摄氏度至十五摄氏度。
在测试进行中热点出现的时候,制动鼓的温度被观察小于一百摄氏度。
铝制制动鼓的温度由一种被应用在制动鼓外表面的涂料能够作为温度指示器的涂料所肯定,因此,在摩擦表面的温度能够估计必然肯定会比所观察的到温度高很多倍。
随着初始刹车速度的增加,硬币大小的热点的数量将会增加,同时两个热点之间的距离将会趋向于减小。
表格二
表格三
表格四
刹车速度,热点数及抖动率的关系被总结在图片1中。
热点数在图片1中应该是平均散布在左右双侧。
主观的抖动率增加从零开始,同时热点数也是总零开始。
从而,能够证明自我发觉的抖动感是由热点引发的。
图片一同时也表明在制动系统中铝制制动鼓D2的临界速度高于铝制制动器D1制动系统的临界速度。
原料的独立性对临界速度的影响将会在3.2节中被讨论。
图片二包括在进行了各类制动速度的测试后铝制制动鼓D1包括热点的照片。
注意当刹车速度增加时,热点数增加而且两个热点间的开始减小。
化学分析表明,氧化铝膜在热点面积比周边地域更厚。
后制动鼓冷却到室温,在轴的方向热点区被追踪如图二所示。
表面轮廓的测量如图三所示。
图三(a)对摩擦表面的表面轮廓没有热点。
结果表明,没有明显的改变在表面轮廓相对于最初始时新的铝制制动鼓的轮廓表面。
图片三(b)显示出由于时速为80.4千米/小时至56.4千米/小时制动所以产生的熱斑会产生永久的塑性变形。
热量将会集中在热斑区域在刹车和高压的情形下,最终将会致使永久的变形,在测试完成以后。
这些制动鼓永久的由于热点所致使的厚度转变可能与热点的高度相等为7.62微米。
虽然热点的尺寸估计将会更大一点在刹车进程中,不过驾驶员并未感受到任何的振动。
可视化的检查没有显示出任何破裂的迹象在热点的周围正如常常所看到的在生铁和钢上的热斑。
化学分析表明铝的氧化薄膜在熱斑区域的厚度比相邻区域的厚度大。
在刹车速度为96.6千米/小时至72.5千米/小时制动时,严峻的热点超级高的区域温度和必然会发生的高磨损率在热点的中心区域。
因此,当材料冷却下来后一些小坑将会产生。
热点的高度被估量可能为12.7微米在磨损和冷却进程钱产生。
热点的量级会足够大的来警告驾驶员,通过一些振动来报告给驾驶员。
在更高一点刹车速度(大约113千米/小时至88.6千米/小时之间)制动,材料被移除的进程将会加倍迅速,而且对摩擦的表面产生超级严峻和超级危险的损害。
在时速113千米/小时至88.6千米/小时制动的平均抖动率0.8一样也比在时速96千米/小时至72千米/小不时制动的平均抖动率0.73更大一点。
3、临界速度的计算
3.1一个模型层双面加热
扰动分析已被用于从理论上探讨热稳固性和计算出的摩擦系统的临界转速。
它检查系统的稳固性通过寻觅条件,该条件为小正弦扰动能够随着时刻增加。
弹性和热量内部作用的公式产生了特征方程。
当增加率被咱们设置为零时,那个特征方程能够被咱们用来肯定临界时候的速度。
通过利用那个技术Lee和Barber发明了一个有限层模型。
有限的磁盘汽车刹车盘尺寸,该模型有两个加热的面。
他们考虑了对称和反对称的热点盘的中间平面,同时他们发觉反对称变形模式能够预测汽车盘式制动器中所观察到的临界转速。
Yietal.[11]用一个有限元三维盘的稳固性分析发觉,主波长和临界速度对三维效果并非产生影响,并支持二维层模型的有效性。
Zagrodzki等人[12]开发了一个模拟的二维层的非线性瞬态行为的有限元技术和验证他们的结果的直线性,同时还与LeeandBarber[9]分析预测比较。
虽然两面都能够加热的有限层能够描画盘式制动系统,可是两面都能够加热的有限层不适合只有一个内部摩擦表面的鼓式制动系统。
因此,Lee发明了一个具有一面加热的模型层来分析鼓式制动系统的热不稳固性。
实验结果表明,单面加热模式的稳固性表现出来的行为与不对称模式的稳固性极为的相似,单面加热模式的的临界速度比不对称模式的临界速度要高。
在汽车盘式制动器中,制动衬套并非是完整的套在制动器的表面,因此盘式制动器的摩擦表面会经历间歇性的滑动接触。
Barber等人[16]包括了那个影响,通过平均输入热量在圆周上。
按照一个假设。
那个假设以为一次热畸变的转变是超级极为的渺小的,是能够完全忽略不计的。
那个假设由RuizAyala等人[17]所证明。
因为摩擦系数f在真实的热量输入时会出现,所以通过减小摩擦系数f能够有效的减少热量输入。
一般通过控制衬里接触长度与圆盘的周长直接的比值减小摩擦系数f。
Lee和Barber[10]采用了减小后的摩擦系数应用于他们的汽车盘式制动器系统的临界速度分析,同时他们还取得了与实际临界速度十分接近的数值。
而在汽车的鼓式制动系统中,两个刹车衬套与更多的摩擦表面所接触。
因此在鼓式制动系统中对摩擦系数f的减小并无像在盘式制动系统中那么的大,那么的多。
不过,咱们仍然发觉一个现象,那个现象就是摩擦系数f的减小对临界速度有如此重大的影响以至于鼓式制动器的临界速度要被从头进行精准的计算。
3.2制动材料的热机械性能
实验观察和理论的研究都十分清楚的表明如此一个事实,那个事实就是临界速度与刹车材料的热机械性能有着紧密的不可分开的关系。
材料的弹性模量、材料的泊松比、材料热膨胀系数、材料的热传导率、材料的热扩散率和材料的摩擦系数,材料的这些性质都与临界速度计算有专门大关系。
在表格三中,材料的弹性模量由英文字母大写E来表示,材料的泊松比由希腊小写v表示,材料的热膨胀系数由希腊字母小写α表示,材料的热传导率由英文字母大写K表示,材料的热扩散率由英文字母小写k表示,材料的摩擦系数有英文字母小写f表示。
铝制鼓式制动器所需要测量的这些性能都从制造商那里取得的。
众所周知,衬里材料的性质是十分相当有困难测量的,这是由温度的独立性决定的。
所有衬里的新材料L1和L2由温度的函数来测量。
制动衬面材料也有各个方向异性的性质。
热扩散率由激光热导方式肯定。
热传导性通过比热,密度和热扩散率来肯定。
材料L1的热传导性显示在图四中。
比热通过扫描量热器来测定。
新的刹车衬面化合物通常会分解,当温度上升时。
压力测试在厚度方向上实施。
对于摩擦材料L1所测量的压力和应变曲线展示在图片五中。
其相关的横向应变曲线与纵向应变曲线被展示在图片六中。
新摩擦材料的弹性模量十分明显的受温度影响。
每次的测试开始前,都会改换新的制度鼓和新的摩擦材料。
因为摩擦材料最多只能实施15次制动。
在测试中,制动鼓的外表面被观察小于100摄氏度。
虽然摩擦衬里对温度有依赖性,可是咱们能够以为持续的摩擦材料的操作时的温度为60摄氏度。
考虑到间歇接触对制动器的影响,在此刻的分析中咱们把摩擦系数略微减小。
摩擦材料L1的测量出来的摩擦系数是0.32,但用于计算临界速度的摩擦系数咱们去0.2。
3.3计算出来的临界速度与测量出来的临界速度相较较
通过临界速度的参数分析,咱们发觉摩擦系数和热膨胀率对鼓式制动器的临界速度有专门大影响。
热传导性和制动鼓材料的弹性模量对临界速度也有必然的影响。
那个结果Hartsock等人的分析结果一致。
在2.2部份,制动鼓D1临界速度被估量为64.4km/h,制动鼓D2的临界速度被估量为96.6km/h。
两个制动鼓所采用的材料不同致使了临界速度不同。
因为制动鼓D2的热膨胀系数更低,所以制动鼓D2有更高的临界速度。
同时,咱们通过实证证明了减小热膨胀系数能够提高临界速度。
4实验设计案列研究
为了研究热点形成的偏向,咱们对实验进行了一些修改。
如3.3节所明白的,临界速度能够通过改变制动材料的热机械性能来提高。
制动鼓D1被挑选作为对照组。
每一个改动的设计会被装在左制动器和右制动器上。
所有的设计案列和2.1节的的测试步骤一样。
每次设计改动的实验结果总结在表格5中。
4.1制动材料改变
高摩擦系数的刹车衬里
理论研究表明摩擦系数对临界速度有着超级大影响,因此被测试的车辆的制度材料的摩擦系数超级高,结果驾驶员发觉超级严峻的抖动现象。
由此,咱们通过实验得出高摩擦系数的摩擦材料的制动系统的临界速度更低。
热处置过的制动鼓
将制动鼓D1热处置后来测试评估他的热点和抖动特性。
热处置是为消除残留的应力。
图3
在这次研究中两个程序将会被实施,一个是HT1一个HT2。
在HT1中,制动鼓会在铸造后进行热处置,再进行机械加工。
在HT1中,制动鼓会在铸造机机械加工后再进行热处置。
别离测试HT1处置后的制动鼓及HT2处置后的制动鼓。
结果显示虽然热点大大减少,可是抖动率都只有轻微的增加。
长期利用过的制动器
汽车行驶距离达到3300千米时,然后将摩擦的部份做从头的测试来苹果长期利用后的摩擦片产生的影响。
通过肉眼检查能够看到12个热点在左制动鼓上还有10个热点在右制动鼓上。
在整个抖动测试进程中,驾驶员没有感到任何的振动,同时没有任何的新的点被发觉。
实验结果表明热点是在最初的抖动测试中产生的。
图4
图5
图6
图7
图8
图9
图10
4.2改变制动衬面的几何形状
摩擦衬面的横截面为凹或凸的
摩擦衬面的横截面有一个凸出来的摩擦表面。
因为最初的几何形状极可能会提升热点数,所以横截面是一个平面或一个凸面。
三个已经检查过的表面展示在图7中。
制动鼓D1被测试,测试结果表明抖动率增加而热点数减少。
补充的实验也表明当热点的尺寸减小时振动的幅度也会减小。
制动鼓D1没有产生任何热点,因此最初的凸面有效的抑制了热点的形成,不过抖动率比平面的摩擦衬面要差一点。
由于明显的振动特征,有经验的驾驶员能够别离出因为热点产生的抖动。
那个振动在刹车应用后会逐渐消失。
通过度段的衬面
Le和Barber假设衬面的接触长度能够对摄动产生阻碍作用。
若是Lee和Barber的假设是真的,咱们能够增加鼓式制动器的临界速度仅仅通过减小摩擦衬里的长度。
在时速80.5km/h制动时,作为基准的制动器有三个热点,而且两个热点之间的距离被测量为85mm。
当制动车速为96.6km/h制动时会产生更多的热点,同时热点之间的间距范围在55至85mm。
所以咱们决定将摩擦衬面分为三段,每段长为50mm。
两个部份之间的弧长为37.5mm。
制动鼓D1和3段式的衬面L1被测试的结果如表格5所示。
热点数相较于作为基准的制动器明显减少。
两热点间的距离范围为84mm至87mm。
虽然每一个部份比热点空白的部份要小,可是这三部份紧密连接在刹车板上。
因此三段式的衬面需要更多的改良。
第一,咱们打算去掉中间的衬面。
两个衬面之间的弧长为125mm,那个长度比热点的空白长度85mm要大。
两段式的衬里的测试结果如表格5所示。
在抖动测试以后吗,左制动鼓和右制动鼓不会产生任何热点。
可是驾驶员感受到了强烈的振动在刹车的时候。
咱们以为是因为缺乏对制动踏板中心的支撑才会致使刹车踏板的振动。
有一个圆周槽的衬面
由于作为基准的摩擦衬面有一个凹进去的摩擦面,所以作为基准的摩擦衬面容易产生热点在制动鼓的中心。
因此咱们在摩擦表面的中心机械加工了一个7mm宽度的圆槽如图9所示,然后再进行测试。
在表格5中的结果显示虽然左右双侧出现了明显数量的热点,可是驾驶员只有一次感受到了振动在15次的制动进程中。
咱们取得了最好的抖动率在这次设计的案列中。
因为在衬面上开槽会降低衬面的寿命,所以咱们采用比较窄的槽。
咱们采用3mm的槽进行测试,取得的结果是抖动率并无变坏。
热点的类型可能由最初制动鼓与制动衬面之间的接触条件决定。
5结论
为了观察汽车铝制鼓式制动器的热点和抖动现象,咱们将会进行更多的相关实验。
主观感受到的抖动与热点的数量有着紧密的关系。
因此,咱们能够肯定刹车抖动是由热点产生引发的,而且,热点只有在高速制动时才会出现。
咱们通过实验已经证明了在铝制鼓式制动器中临界速度的存在性。
两种不同的铝制鼓式制动器所测量的取得的临界速度与Lee所分析预期取得的临界速度几乎完全一致。
为了研究制动鼓和制动衬面对热点和抖动偏向的影响,咱们对制动鼓和制动衬面进行了修改和测试。
修改包括制动衬面采用不同了化合物,消除应力的制动鼓,凹面或凸面的制动衬面,三段式的制动衬面和含有圆槽的制动衬面。
凸面的制动衬面和三段式的制动衬面有效的减小了热点的数量。
但是,这些改动产生的振动与热不稳固性没有太大的关系。
有圆槽的摩擦衬里能够有效的减小热点的尺寸。
最后咱们找到了最佳的抖动率的设计改动。
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