关键词：
制动鼓
磨损
热疲劳
耐磨性
仿生
激光加工
摘要：
制动鼓和刹车片作为制动器的重要部件,人们一直努力减小它们的磨损,提高其服役寿命。采用激光技术加工的仿生制动鼓较普通制动鼓耐磨性和服役寿命均有提高,但是,它加剧了其摩擦偶件刹车片的磨损,降低了刹车片服役寿命,影响了制动器的服役寿命和维修费用。因此,需要研究仿生制动鼓与刹车片间的摩擦磨损,掌握磨损规律,控制磨损速度,合理匹配服役寿命,有效的降低制动器维修费用。论文通过理论分析和算例证明,合理匹配制动鼓和刹车片磨损关系的重要性;以更为接近实际工况条件,研究制动鼓与刹车片的磨损;对生物耐磨体表特征分析发现,有些生物体表具有软硬相间特征时,其耐磨性很高;通过模仿这样的生物体表,在制动鼓基体上加工出较硬的单元体,使制动鼓表面也具有软硬相间的特征,形成仿生制动鼓;对仿生制动鼓表面单元体与刹车片间的作用力进行分析,建立力学模型,揭示了仿生制动鼓增大刹车片磨损的原因;通过计算机模拟及试验研究仿生制动鼓表面形貌参数对制动鼓与刹车片间相互磨损的影响,还通过试验研究了制动鼓材料对制动鼓与刹车片间相互磨损的影响规律;在此基础上研制新的仿生制动鼓,并通过台架试验优化仿生制动鼓,从而降低制动器维修费用。本文的主要研究工作如下。1.制动鼓与刹车片服役寿命合理匹配研究,得到了降低制动器维修费用条件下的合理匹配关系。通过实测和算例证明了依据这种关系设定制动鼓和刹车片的服役寿命能有效地降低制动器维修费用。2.制动鼓和刹车片间摩擦磨损试验研究。将更接近实际工况的热疲劳因素纳入研究中,对比研究了未处理制动鼓和仿生处理制动鼓在热疲劳前后两种状态下与刹车片相互摩擦现象,发现仿生制动鼓的单元体能阻碍裂纹萌生和扩展,提高自身的抗热疲劳性和耐磨性,但是,增加了刹车片的磨损,降低了刹车片的服役寿命。采用网格状单元体仿生制动鼓,当热疲劳次数为600次时,仿生制动鼓相对于未处理制动鼓磨损减少约42%,最长裂纹长度降低了50%,超过2 mm长的裂纹数量减少52.4%。发现了仿生制动鼓与刹车片间的相互摩擦磨损规律,阐明了仿生制动鼓降低磨损的机制,为合理设计仿生制动鼓创造了有利条件。3.单元体与刹车片间接触力学研究。分析了仿生制动鼓表面上的不同形状单元体与刹车片间的受力及变形,建立了接触力学模型。在该模型的基础上,依据Preston方程得到了单元体对刹车片产生的摩擦磨损。点状单元体对刹车片的摩擦磨损增加了50%以上,条纹状单元体对刹车片的摩擦磨损增加了大约27%。单元体的存在使原来近乎二维平面接触变成了三维的空间曲面接触,将二维平面摩擦变成了三维空间曲面摩擦,加大了制动鼓与刹车片间的法向正压力,增加了摩擦力,加剧了刹车片的磨损,从理论上揭示了仿生制动鼓加大刹车片磨损的原因。4.仿生制动鼓表面形貌参数对摩擦磨损影响研究。通过仿生制动鼓与刹车片接触应力计算机模拟及试验研究发现了仿生制动鼓表面形貌参数,如单元体形状、高度、排布间距、排布方式、排布角度等对仿生制动鼓与刹车片间的受力状况影响,以及对制动鼓和刹车片磨损的影响,阐明了影响机制,为调整二者磨损匹配关系创造了必要条件。5.制动鼓母材对自身和刹车片磨损影响研究。发现母材的石墨类型、含碳量的变化对抗热疲劳性、自身耐磨性和刹车片的磨损影响较大。未仿生处理制动鼓随其含碳量的增加,自身耐磨性下降,热疲劳后耐磨性进一步下降。仿生制动鼓未热疲劳时和热疲劳后,在含碳量较低时,随含碳量的增加自身磨损增加,当含碳量超过3.41%后,自身磨损开始随着含碳量的增加而减小,对刹车片磨损的影响与自身磨损规律相反。珠光体含量变化对仿生处理制动鼓自身磨损和对刹车片磨损影响不大,均不超过5%。单元体硬度提高有利于提高制动鼓自身的耐磨性,但会增加对刹车片的磨损。发现了制动鼓母材对磨损的影响规律,阐明了影响机制。这些规律的发现有助于合理确定制动鼓材料。6.仿生制动鼓研制与台架试验研究。依据仿生制动鼓与刹车片间的摩擦磨损规律合理确定仿生表面形貌参数和制动鼓材料,研制仿生制动鼓。本文研制的仿生制动鼓热疲劳寿命较未处理制动鼓分别提高27%(条纹状)和38%(网格状),自身磨损比未处理制动鼓分别减少58%(条纹状)和62%(网格状);仿生制动鼓的制动力矩大于未处理的制动鼓,当汽车行驶速度为60 km/h时,采用条纹状单元体仿生制动鼓制动力矩提高5%;采用网格状单元体仿生制动鼓制动力矩提高9.5%,提高了制动性能。在此基础上提出了双单元体间距优化仿生新模型,对该模型仿生制动鼓进行了台架试验,结果表明,其热疲劳寿命比原仿生模型制动鼓提高13%,磨损量减少5%。通过实测和分析发现,采用优化模型的仿生制动鼓能降低制动器维修费用3%;通过合理匹配制动鼓与刹车片服役寿命,进一步降低制动器整体维修费用8%。
