汽车车桥制动盘开裂的故障分析

       目前，汽车车桥制动盘普遍使用HT250材料，在车辆行驶过程中，曾出现过因制动盘裂纹扩展导致制动盘开裂的故障，给车辆制动造成极大的安全隐患，特别是由于重型卡车载重大，整车惯性大，制动盘安全性更加突出。因此，开展含损伤裂纹的重型卡车制动盘疲劳寿命的研究，分析裂纹参数对制动盘疲劳寿命的作用规律，并进而确定制动盘裂纹失效的判断依据，对制动盘的可靠性设计提供了一种有效的分析计算方法，在防止因裂纹扩展导致制动盘开裂的故障，提高盘式制动器的可靠性和安全性等方面都具有巨大的工程价值。
       随着全球车辆产量的不断増长，各国都开始越来越关往公路交通安全问题。其中，汽车车桥制动系统零部件的性能的好坏是影响汽车驾驶安全的一个重要因素，同时也是汽车制动系统一个重要组成部分。由于重型卡车存在着负荷大，难操纵的特点，因此要求制动系统具有高性能和长寿命特点。自20世纪50年代，一部分汽车就已经开始使用错盘式制动器，直到70年代，盘式制动器开始在客车和重型卡车上小批量使用，1996年戴姆勒克莱斯勒的奔驰重型卡车货车的问世，打破了传统鼓式制动器控制重型卡车汽车的局面。由于盘式制动器具有良好的制动稳定性和散热性，在欧美国家的应用日渐普及，主要制造商为翰德、威伯科、美驰及克诺尔公司。
       汽车车桥盘式制动器有很多优点，这使其越来越广泛的应用在汽车上。并且我国汽车工业技术的不断发展，商用车安装盘式制动器已成为一种趋势，在21世纪初，国内才开始对气压盘式制动器进行研究。我国交通部的行业标准《运营客车类型划分及等级评定》中要求：高Ｈ类的运营客车一定要装备盘式制动器。
       汽车车桥盘式制动器的制动盘一般是用HT250铸造后再经机械加工而成的，在铸造和机械加工过程中，制动盘很容易产生微观裂纹。汽车制动是利用制动盘与摩擦块之间的摩擦来达到减速和停车，在实际制动过程中，制动盘要承受制动力矩，由于制动过程是间歇性的，因此，可Ｗ将送一制动力矩看作是非周期性的脉冲载荷。由这一非周期性的脉冲载荷在制动盘上产生的机械应力与热应力，会使制动盘的微观裂纹进一步扩展，随着循环次数的不断增加，可能导致整个制动盘疲劳断裂而失效，研究表明，制动盘断裂失效属于低周疲劳破坏。
       尹延东结合制动盘的铸造工艺及分析各元素的比例，对客车制动盘开裂的各种因素进行了分析。中国南车集团的钱坤才高速客车的制动盘为研究对象，分别分析了其结构及材质，提出了利用特种蠕墨铸铁来铸造制动盘体并同钢穀一起组成制动盘的设想。这种结构包括特种蠕墨铸铁制成的盘体及锻钢材料的盘穀，在周边均匀的用高强度的螺栓Ｗ及防松螺母对盘体和盘穀进行紧固。在盘穀和盘体之间采用浮动式连接，这样不仅改善了盘体周边的应力分布，而且还给制动盘提供了充足的空间满足其在热负荷作用下的自由收缩和膨胀。
       另外，为了达到较好的散热效果，用正六边形分布的圆柱体来做散热筋，这样一来就使得散热面积增大了，同时也最大限度的降低了高速运行时的功率损耗。这种形式的制动盘使得表面温度得到了降低，进而使得热冲击得到了减小，热应力得到了分散，降低了热裂纹产生的可能性，在法国和德国一些高速列车上得到应用。该结构的制动盘不仅拥有很好的热膨胀性能，能够尽可能的减少制动边程中出现的热应力；同时也拥有很好的散热效果，降低了制动过程中盘体表面的温度。在制动过程中，用于制动盘的材料应当能够承受热疲劳，并能尽快地吸收、消散热量。其中，比较理想的材料是蠕墨铸铁，通过磨损试验研究了用于制动盘的三种不同类型的灰铸铁（强度等级为250MPa灰铸铁、高碳灰铸铁铁合金化灰铸铁）的耐磨性Ｗ，并将实验结果与蠕墨铸铁进行了比较。结果表明：与其他乂铸铁材料相比，蠕墨铸铁达到的最大温度和摩擦力要大；并且在任何实验压力下其质量损失也更大，但蠕墨铸铁的耐高温性好。
       为提高制动盘的使用性能，宋宝描提出了利用Ｃ－Ｃ纤维复合材料、陶瓷材料等对制动盘的使用性能进行研究对比，根据试验结果，对用Ｃ－Ｃ纤维、陶瓷、锅基强化等复合材料制造的制动盘优缺点进行了阐述。
       为对制动盘开裂的具体因素进行分析，胡万华依照其受力趋势，还有径向裂纹扩展的特点进行样件的制造，利用Ｈ点弯曲／多试样的方法来确定了相应材料的断裂初度。试验结果得出制动盘在20度和零下40度下的断裂初度值都是63，送说明在比很大的温度梯度内，制动盘的断裂初度拥有较好的一致性，这样的试验结果可Ｗ用来进行评估制动盘的寿命。
       通过对客车制动盘进行热应力有限元分析，首尔国立大学的Ｊ．Ｍｉｅｅ从车辆制动过程中制动盘的尖叫入手进行分析，对制动盘使用过程中出现的裂纹、断裂、尖叫等对其进行了静态分析，从不对称性方面提出了解决上述问题的措施ｎｗ。而对制动盘的开裂，Ｍａｎｋｈ．ｐａｌｉｗａｌ教授从摩擦系数对制动盘温度场的影响这一角度进行了分析ＩＷ，对汽车车桥制动盘从尖叫到开裂的整个过程进行了分析，通过对不同硬度的制动盘、不同摩擦系数的摩擦片等进行验证对比，指出造成制动盘开裂的主要因素是制动盘的硬度与摩擦片性能的搭配问题，在不同的条件下，造成制动盘开裂的可能性是不稳定的。为讨论研究摩擦系数、摩擦片结构对制动盘的影响，吉林大学的王登峰博±进斤了详细的分析Ｉｉｑ，找出了制动过程中造成制动盘尖叫及开裂的原因，并提出了针对性的解决措施。
       同样是灰铁，轻卡车桥制动盘在使用过程中极少出现裂纹，而重型卡车制动盘却经常出现裂纹，而且同一材质在使用过程中却有着不同结果，为了寻找其原因，许多人利用计算机模拟技术，从摩擦系数的对比、失效原因的寻找、对制动鼓与制动盘在制动过程中不同的热力场、应力场等进行细致的分析，并对比两者的失效因素，通过类推比较法确定造成制动盘失效断裂的原因。新南威尔±大学的Ｓ．Ｏｂｅｒｓｔ通过建立简单的汽车制动模型，对刹车系统的各个零部件进行有限元分析，通过受力场的分析来判定制动盘开裂的原卸１；而萨莱纳大学的Ａ．Ｓｅｎａｔｏｒｅ利用建立神经网络来分析制动盘制动过程中各个时间段的力场分布，来分析判定制动盘的市场故障原因。
       李衡等，采用非线性有限元法，建立了与汽车车桥制动盘和摩擦片的结构尺寸相同的兰维有限元模型，并添加速度可变效应，很好的对制动过程进行了数值仿真，并总结出制动过程中结构性能的一些变化。然后，在相同制动条件下，对比实也盘式制动器和通风盘式制动器，分析出在制动过程中通风盘式制动器的接触应力Ｗ及各向位移等ｔｉｓｉ。徐济民等根据断裂力学理论对高速列车制动盘进行研究，认为制动盘在残余拉应力和热压应力组成的疲劳应力循环作用下，造成制动盘失效的主要原因是在制动盘内部的原始缺陷的地方产生了裂纹，并且裂纹扩展从内部到制动盘表面，然后建立了寿命预测模型ｔｗ。曲杰等首先对实际应用通风盘式制动器进行热力縄合分析，基于分析结果对制动盘进行寿命预测，建立制动器寿命数值预测方法；最后进一步分析制动初速度和制动压力对制动盘使用寿命的影响，为合理选择制动盘的材料和优化制动盘结构提供科学依据。

       《汽车用制动盘（征求意见稿）》的规范性附录‘‘制动盘台架试验＂中规定了相应地试验方法、技术要求和失效的判定准则。该标准为汽车用制动盘台架试验１及计算机仿真分析提供了参数计算方法、试验及分析工况。本论文示准中规定的高负荷台架试验方法为依据，主要开展了下工作：

１）重型卡车桥制动盘为研究对象，采用ＬＳ－ＤＹＮＡ软件完整地对其在整个制动过程中的动力学行为Ｗ及应力变化情况进行了仿真计算，为完整、准确地了解制动盘的制动过程打下了基础；

２）应用ＡＮＳＹＳＷＯＲＫＢＥＮＣＨ软件进行了重型卡车制动盘的疲劳强度分析，得出了高负荷工况重型卡车制动盘的疲劳寿命；

３）重点进行了含损伤裂纹的重型卡车制动盘疲劳寿命分析研究，参考国家标准中提出的裂纹类型，分别研究了制动盘摩擦面的径向裂纹长度和裂纹深度对制动盘疲劳寿命的影响、贯穿性径向裂纹长度对制动盘疲劳寿命的影响，分析结果与国家标准中的规定相符，另外还进行了不同材料的重型卡车制动盘含损伤裂纹疲劳寿命的对比分析，Ｗ考察材料力学性能对重型卡车制动盘含损伤裂纹疲劳寿命的影响。本论文的含损伤裂纹的重型卡车制动盘疲劳寿命分析研究为含损伤裂纹制动盘的可靠性设计提供了一种有效的分析计算方法。