目前,重型商用車普遍安裝氣壓鼓式制動器,與其他結(jié)構(gòu)的制動器相比,它具有制動力矩大、結(jié)構(gòu)相對簡單以及價(jià)格便宜等優(yōu)勢,但是頻繁制動后鼓式制動器的溫升會導(dǎo)致制動效能急劇下降,出現(xiàn)制動熱衰退現(xiàn)象的缺點(diǎn)也十分明顯,這種現(xiàn)象在車輛超載、超速行駛時(shí)更為顯著。調(diào)查發(fā)現(xiàn),重型商用車出現(xiàn)制動失效的故障絕大部分是由熱衰退引起的。因此,探究車輛載荷、行駛速度和制動距離對制動熱衰退的影響尤為重要。
國內(nèi)對鼓式制動器熱衰退的研究主要是通過選定某一試驗(yàn)車型在某典型高速公路的長下坡路段進(jìn)行實(shí)地測試,記錄制動鼓表面的溫度,分析制動鼓溫度與坡長、坡度、車速和車重的關(guān)系。這類研究的不足之處在于測試過程情況復(fù)雜,一致性難以保證;另外,實(shí)車測試只能記錄制動鼓外表面的溫度,缺乏對熱衰退過程中制動力矩的監(jiān)測。此次研究結(jié)合汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 239-2015《商用車輛行車制動器技術(shù)要求及臺架試驗(yàn)方法》,應(yīng)用重型商用車制動器慣性試驗(yàn)臺架,模擬東風(fēng)某重型商用車的氣壓鼓式制動器在長下坡持續(xù)制動工況下,分析車速、載荷和制動距離對制動器溫升的影響。
根據(jù)對312國道馬家坡和藍(lán)小路兩個(gè)長下坡路段所經(jīng)過車輛的統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn),貨車生產(chǎn)廠家中東風(fēng)商用車占比高達(dá)71%,貨車軸型中三軸載貨車比例為42%。因此,此次選用東風(fēng)商用車公司生產(chǎn)的某三軸車型的鼓式制動器作為研究對象具有一定的普遍性。結(jié)合蘇波等人根據(jù)跟車及問卷調(diào)查,發(fā)現(xiàn)大貨車在長下坡路段車速為40~65 km/h,并且下坡過程中基本能保持勻速狀態(tài)。因此,試驗(yàn)車速擬設(shè)定為40、50、60和70 km/h。臺架試驗(yàn)所需參數(shù)如表1所示。
表1 試驗(yàn)參數(shù)
1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備
1.1.1 試驗(yàn)臺主軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算
制動器慣性試驗(yàn)臺主軸轉(zhuǎn)速與車速按如下關(guān)系換算:
n=2.65v/r
式中:n為制動器慣性試驗(yàn)臺主軸轉(zhuǎn)速,r/min;v為試驗(yàn)車速,km/h;r為車輪滾動半徑,m。
根據(jù)上述公式,計(jì)算得到試驗(yàn)車速對應(yīng)的轉(zhuǎn)速如表2所示。
表2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速
1.1.2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算
試驗(yàn)轉(zhuǎn)動慣量按下式進(jìn)行計(jì)算:
I=mr2
式中:I為轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算值,kg·m2;m為將汽車最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量按制動力分配比設(shè)計(jì)值分配給被試制動器所對應(yīng)車輪承受的那部分質(zhì)量,kg;r為車輪滾動半徑,m。
經(jīng)過上述公式計(jì)算得到制動器滿載和超載時(shí)的試驗(yàn)轉(zhuǎn)動慣量,如表3所示。
表3 試驗(yàn)轉(zhuǎn)動慣量
1.2 熱電偶的安裝方式
引起熱衰退現(xiàn)象的主要因素是制動器溫度的上升使制動力矩急劇衰減,因此摸清熱衰退過程中制動蹄片和制動鼓的溫度變化尤為重要。參照QC/T 556-1999《汽車制動器 溫度測量和熱電偶安裝》的具體要求,并結(jié)合此次研究的重點(diǎn),分別在制動襯片表面、制動蹄背鋼板面、制動鼓內(nèi)表面和制動鼓外表面安裝K型熱電偶(測溫范圍:-40~1 300 ℃)。
在靠近制動襯片長寬方向的中心處鉆兩個(gè)5 mm的通孔(注意一定要避開筋和散熱片),將熱電偶測量端固定在孔內(nèi),偶頭距離制動襯片摩擦表面和制動蹄背鋼板面都為1 mm。在制動鼓摩擦面寬度方向的中心鉆兩個(gè)相對于鼓中心對稱的5 mm通孔,將熱電偶測量端固定在孔內(nèi),偶頭距離制動鼓內(nèi)、外表面為0.3~0.5 mm。制動器安轉(zhuǎn)位置和制動器試驗(yàn)臺架分別如圖1和圖2所示。
圖1 制動器安轉(zhuǎn)位置
圖2 制動器試驗(yàn)臺架
1.3 試驗(yàn)方法與步驟
由于制動器制動襯片表面與制動鼓內(nèi)表面的貼合程度對制動力矩產(chǎn)生很大影響,因此,試驗(yàn)開始前必須保證制動鼓內(nèi)表面的圓跳動控制在10絲以內(nèi),制動襯片與制動鼓內(nèi)表面的間距約為0.5 mm。同時(shí),在進(jìn)行模擬長下坡持續(xù)制動的熱衰退試驗(yàn)開始前,需要先進(jìn)行磨合試驗(yàn),保證制動襯片與制動鼓內(nèi)表面接觸良好。
長下坡持續(xù)制動的熱衰退試驗(yàn)主要模擬在長下坡路段汽車持續(xù)較長時(shí)間重復(fù)制動以達(dá)到控制車速的目的。目前,重型商用車的額定工作氣壓已經(jīng)普遍提高到1.0 MPa,為了能夠更真實(shí)地還原持續(xù)頻繁制動過程,試驗(yàn)氣壓設(shè)置為0.7 MPa,制動周期設(shè)置為1 min,各種速度下進(jìn)行15次全制動,同時(shí)記錄制動力矩、制動蹄片和制動鼓的溫度。
1.3.1 磨合試驗(yàn)
(1)制動初速度50 km/h;
(2)試驗(yàn)冷卻風(fēng)速11 m/s,冷卻空氣的溫度為室溫;
(3)調(diào)整制動管路壓力,使制動減速度達(dá)到0.3g,從制動初速度進(jìn)行制動,到終速度為零;
(4)制動間隔時(shí)間以控制制動器初溫不超過100 ℃而定;
(5)磨合次數(shù)以使制動襯片與制動鼓之間的接觸面積達(dá)到80%以上而定,磨合試驗(yàn)次數(shù)一般設(shè)置為500次。
1.3.2 模擬長下坡持續(xù)制動的熱衰退試驗(yàn)
(1)制動初速度40、50、60、70 km/h;
(2)采用恒定輸入方式進(jìn)行試驗(yàn),調(diào)整控制氣壓為0.75 MPa,從制動初速度進(jìn)行制動,到終速度為零;
(3)首次制動溫度不高于60 ℃,在第一次制動進(jìn)行前關(guān)閉試驗(yàn)臺冷卻系統(tǒng),整個(gè)試驗(yàn)過程中不對制動器吹風(fēng)降溫;
(4)制動周期設(shè)置為1 min;
(5)各種速度下各進(jìn)行15次全制動。
2 數(shù)據(jù)處理與分析
根據(jù)戈若愚等通過實(shí)車測試發(fā)現(xiàn)影響制動鼓溫度的因素主要包括車輛載重、行駛速度、坡長和坡度。由于臺架試驗(yàn)的限制無法模擬坡度,因此文中主要從車輛載荷、行駛車速、制動距離這3個(gè)方面進(jìn)行分析。從模擬長下坡持續(xù)制動過程的試驗(yàn)條件可知,輸入氣壓恒定,因此可分析多次反復(fù)制動過程中制動器溫度與上述三者之間的關(guān)系。
臺架試驗(yàn)中分別采集了制動鼓內(nèi)表面、外表面、襯片表面和背筋板面的溫度,通過對制動器滿載、車速60 km/h情況下4個(gè)位置的溫升情況分析,可以看出制動鼓內(nèi)表面溫度的變化最顯著,鼓外表面溫度次之,制動蹄背鋼板面的溫度變化靈敏度最低。此次研究以制動鼓內(nèi)表面溫升為主要研究對象。制動器4個(gè)不同位置溫度變化情況如圖3所示。
圖3 制動器4個(gè)不同位置溫度變化情況(滿載,車速60 km/h)
2.1 車輛載荷
由圖4制動鼓內(nèi)表面溫度與載荷的關(guān)系曲線可以看出:當(dāng)行駛速度一定時(shí),由于車輛載荷的增加,其存儲的動能更多,車輛制動過程中轉(zhuǎn)換的熱能越多。所以,在制動距離和行駛速度不變的情況下,制動鼓內(nèi)表面的溫度隨載荷的增加而上升。
圖4 制動鼓內(nèi)表面溫度與載荷的關(guān)系曲線(制動距離1 500 m)
2.2 行駛車速
由圖5制動鼓內(nèi)表面溫度與車速的關(guān)系曲線可以看出:當(dāng)載荷一定時(shí),由于車速的增加,初始狀態(tài)具有的動能更大,車輛制動過程中由動能轉(zhuǎn)換的熱能也更多。所以,在載荷和制動距離一定的前提下,制動鼓內(nèi)表面的溫度隨速度的升高而增加。
2.3 制動距離
由圖6制動鼓內(nèi)表面溫度與制動距離的關(guān)系曲線可以看出:當(dāng)載荷和車速一定時(shí),由于制動距離的改變導(dǎo)致制動次數(shù)增加,制動鼓內(nèi)表面與襯片的摩擦?xí)r間變長,其表面溫度隨制動距離的增加而上升。
圖5 制動鼓內(nèi)表面溫度與車速的關(guān)系曲線(制動距離1 500 m)
圖6 制動鼓內(nèi)表面溫度與制動距離的關(guān)系曲線(超載)
3 建立制動鼓升溫模型
經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)處理和分析,發(fā)現(xiàn)制動鼓內(nèi)表面溫度與車輛載荷、行駛速度和制動距離都存在一定的關(guān)系。利用試驗(yàn)臺架采集的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用統(tǒng)計(jì)數(shù)多元線性回歸方法,在SSPS軟件上采用逐步篩選策略進(jìn)行分析。設(shè)制動鼓內(nèi)表面溫度T(單位℃)、車輛軸荷G(單位t)、行駛速度v(單位m/s)、制動距離S(單位m),則模擬長下坡制動鼓溫度的數(shù)學(xué)模型可以設(shè)置為
T=b0+b1G+b2v+b3S
式中:G、v、S為自變量;T為因變量;b0為截距,即常量;b1、b2、b3為回歸系數(shù)。
將制動距離S、行駛速度v以及車輛軸荷G依次引入模型,當(dāng)每次引入1個(gè)變量后都進(jìn)行F檢驗(yàn),并對模型內(nèi)的變量逐個(gè)進(jìn)行t檢驗(yàn),如果當(dāng)原來引入的變量由于后面變量的引入變得不再顯著時(shí),則將其刪除,這是一個(gè)反復(fù)的過程,直到既沒有顯著的變量選入回歸方程,也沒有不顯著的變量從回歸方程中剔除為止。輸入和移除的變量如表4所示,其中因變量是溫度。
表4 輸入/移除的變量
回歸方程中復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.969,決定系數(shù)R2為0.940,調(diào)整決定系數(shù)R2為0.938,標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)的誤差為33.333。R2越接近1,所反映的兩個(gè)變量的共變量比例越高,模型和數(shù)據(jù)的擬合程度越好。R2=0.940,表示整個(gè)回歸方程能夠解釋制動鼓內(nèi)表面溫度的94.0%。模型匯總?cè)绫?所示,其中因變量是溫度。
表5 模型匯總
注:a.預(yù)測變量:(常量),距離;b.預(yù)測變量:(常量),距離, 速度;c.預(yù)測變量:(常量),距離, 速度, 載荷。
方差分析表顯示出各模型中對多個(gè)自變量的總體檢驗(yàn), Sig值為0.000,即完全有把握認(rèn)為回歸方程是有用的;F值為601.146,查F分布表得F0.05(3,116)=2.68,即F>F0.05(3,116),即可判定回歸方程中的各個(gè)自變量聯(lián)合起來對因變量有顯著影響。方差分析表如表6所示,其中因變量是溫度。
表6 方差分析表
注:a.預(yù)測變量:(常量),距離;b.預(yù)測變量:(常量),距離, 速度;c.預(yù)測變量:(常量),距離, 速度, 載荷。
系數(shù)表羅列出常量、非標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)、回歸系數(shù)檢驗(yàn)的t統(tǒng)計(jì)量觀測值和響應(yīng)的概率值。根據(jù)模型建立的多元線性回歸方程為
y=-92.547+5.215x1+14.926x2+0.086x3
方程中的常數(shù)項(xiàng)為-92.547,回歸系數(shù)b1為5.215,b2為14.926,b3為0.086,經(jīng)t檢驗(yàn),顯著性概率P值均為0.000,按照顯著性水平為0.05的情況下,即可判定回歸方程中的各個(gè)自變量都對因變量有顯著影響。系數(shù)表如表7所示,其中因變量是溫度。
表7 系數(shù)表
綜上所述,回歸分析得到的回歸方程為
T=-92.547+5.215G+14.926v+0.086S
式中:T為制動鼓內(nèi)表面溫度,℃;G為車輛軸荷,t;v為行駛車速,m/s;S為制動距離,m。
4 結(jié)論
此次研究通過臺架試驗(yàn)的方式模擬了重型商用車長下坡持續(xù)制動的工作過程,設(shè)計(jì)了一套完整的試驗(yàn)方法并采集了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析出制動鼓內(nèi)表面溫度與載荷、車速和制動距離的關(guān)系;運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中多元線性回歸的方法,利用SPSS軟件建立了制動鼓內(nèi)表面溫度與上述三者的預(yù)測模型。預(yù)測的溫升模型為實(shí)車制動路試以及整車制動系統(tǒng)的匹配提供參考。