某轿车前刹车片磨损过快问题建模与测试分析

作者:谭树南;唐嘉楠;张智明;章桐;邹海斌 刊名:上海汽车 上传者:汪攀

【摘要】结合某轿车前刹车片磨损过快的问题;在常规检测排查无法找到根本原因的情况下;文章通过分析已有用户数据;总结影响刹车片磨损的主要因素;导出刹车片磨损过快的量化数学解析式;通过对比实际问题车辆与对标车辆的仿真计算结果;揭示影响刹车片磨损的关键设计参数的经验阈值区间;确定刹车片磨损过快的根本原因;并最终通过测试方法解决了刹车盘的热性能差问题;对实际车用刹车片的正向设计具有指导意义;

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1背景介绍国内某乘用车公司在开发新车型时,发现在北京通州交通部试验场及襄阳东风试验场进行路试过程中,前刹车片磨损异常,在约1. 8万公里时前刹车片磨损完毕(见图1),与该车型刹车片寿命里程大于3. 3万公里的要求相差甚远。为解决这一问题,进行了系统的校核与分析。首先对制动器及环境件系统进行调查,确定问题并非由产品单品质量问题导致。根据常规分析磨损异常[1]的排查因素表(俗称“分析树”),发图1磨损后的刹车片现主要问题为滑移系统问题、环境污染、装配问题、刹车片制程质量、刹车盘制程质量以及驾驶员使用工况确认等(见图2)。如表1所示,产品质量均满足单品质量规格。图2故障“分析树”表1故障“分析树”检查数据项目左钳右钳活塞启动压力/k Pa59/48138/137活塞滑阻/N169. 9156总成滑阻/N96/7595/94内摩擦片滑阻/N35. 7/46. 439. 5/44. 9外摩擦片滑阻/N46. 7/39. 945. 5/36. 6拖滞力矩/N·m2. 2/1. 02. 5/0. 762刹车片磨损的机理分析刹车片是汽车制动系统中最关键的安全件之一,是刹车过程中能量转换的承担者,一般的刹车片构成[2]如图3所示,由降噪材料、背板、面料和底料组成。图3刹车片构造图在刹车过程中,主要是面料与刹车盘进行摩擦,形成驾驶员所需要的制动力,同时也是动能向摩擦热能转化的过程,热能在刹车的瞬间通过刹车盘与刹车片之间传导及散发。刹车片的表面(即面料)由于温度升高,其中部分材料发生化学反应,尤其是材料内部的酚醛树脂类粘合剂在高温下会挥发,俗称“发白”,这些材料会在下次制动时被切削,使刹车片出现损耗,俗称“磨损”。3刹车片关键设计参数通过刹车片及磨损机理介绍可知,磨损的影响因素[3]有:(1)刹车动能的大小;(2)刹车片单位面积的热功率;(3)刹车盘温度升高性能;(4)刹车片材料的磨损属性。3. 1刹车动能的大小一般考核刹车片性能的前提条件是:在车辆满载状态下,以1. 1 g减速度,从设计的最高速度(乘用车一般为160 km/h)进行刹车,刹车动能[4]的计算公式为Q=12MVmax2(1)2MVmax2(1)式中:Q为刹车动能; M为车辆满载质量; Vmax为设计最高时速。3. 2刹车片单位面积的热功率在刹车过程中,假设制动盘吸收100%的热量。由于刹车盘比较大,且为铸铁材料,具有良好的散热性能,一般的经验参数是:NAO刹车片小于2. 0 k W/cm2;低金属刹车片小于2. 5 kW/cm2。T=T=Vamax(2)T=(2)aP=QT(3)T(3)Pf=Pf=FFtoftal×P (4)Pf=×P (4)Ftotal×P Ppad=Ppad=Psf(5)Ppad=(5)s式中:T为制动时间; a为减速度,一般设为1. 1 g;P为热功率; Pf为前轴热功率; Ff为前轴制动力;Ftotal为总制动力; Ppad为前刹车片单位面积热功率;s为刹车片面积。3. 3刹车盘温度升高性能刹车过程中热量的主要承担者为刹车盘,其热性能的主要影响参数[5]有:摩擦环尺寸,如外径、内径和厚度;刹车盘的材料,典型的如GG15;刹车盘构造,如散热筋数量、方向等(见图4)。图4刹车盘热容量分析运用CFD程序[6]进行刹车盘的热分析,假设的前提条件如表2所示。表2刹车盘热分析的假设条件间隔/s次数/次初始速度/(km/h)终了速度/(km/h)减速度/g初始盘温/℃外部温度/℃50 15100200. 55023生成的温度曲线如图5所示,一般的经验值为:前刹车盘小于530℃,后刹车盘小于

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