罗天洪，张会莉，罗文军，尹信贤，贾永清

(1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074;2.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030)

基于ADAMS 的楔式制动器摩擦特性研究

罗天洪1，张会莉1，罗文军2，尹信贤1，贾永清1

(1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074;2.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030)

通过分析重载汽车楔式制动器的基本工作原理，研究了摩擦副摩擦因数在温度、相对滑动速度、载荷等因素影响下的变化情况。在三维仿真模型的基础上，应用ADAMS多体动力学分析软件对制动力矩进行了仿真分析，并与试验结果进行对比，验证了仿真分析的正确性。从而为理论研究楔式制动器的摩擦特性提供了依据。

楔式制动器;摩擦因数;制动力矩;仿真分析

汽车的制动性能是汽车的主要性能之一，配置合理、使用性能先进的制动器，在汽车快速行驶的同时，安全性才能得到保证［1］。笔者研究的气动楔式制动器是一种用空气驱动楔形柱塞促动的鼓式制动器，具有制动性能高、结构紧凑、价格便宜等特点。目前正逐步广泛应用于重载汽车中。它的结构和工作原理如图1。

图1 楔式制动器结构Fig.1 The structure diagram of wedged drum brake

该制动器属于双向增力式制动器，其特点是制动鼓正向和反向旋转时均能借助蹄鼓摩擦起自增力作用，它的结构不同于单向自增力式主要是采用双向扩张器4，可向两蹄同时施加相等的促动力FS。制动鼓正向(箭头所示)旋转时，前制动蹄1为第1蹄，后制动蹄3为第2蹄;制动鼓反向旋转时则情况相反。同时，在制动时，第1蹄只受一个促动力FS，而第2蹄由于增力器2的作用则有2个促动力FS和F'S，且FS＞F'S。因此，这种制动器在车辆前进和倒退时都发生自增力作用。

制动力矩是制动器的重要参数，它必须满足设计规定的要求，以保证制动器具有良好的制动效能及可靠性［2］。而制动力矩好输出主要与制动输入力和摩擦副的摩擦因数有关，当输入力一定的时候，摩擦副的摩擦因数就成了影响制动器制动性能的关键因素。笔者将研究气动楔式制动器摩擦因数与制动力矩的关系。

1 摩擦副摩擦因数的影响因素

1.1 温 度

摩擦本身是一种动态随机过程，因此摩擦因数不是材料的固有特性，而是材料和多种因素下的综合特性，在各种影响因素中，摩擦热及表面温升对材料摩擦性能的影响最复杂，且最关键［3］。在制动过程中，制动器摩擦副把汽车的动能转化为热能，当大量的动能转化为热能而又来不及耗散时，必然引起热量的累积和摩擦副表面温度升高，即产生摩擦热。现代摩擦理论指出，摩擦热对摩擦副尤其是有机摩阻材料的摩擦性能有很大的影响［4］。通常，随着摩擦表面温度的升高磨损率急剧增加，摩擦因数会出现某种规律的下降，这是由于高温下摩擦副间表面膜的物化特征(树脂黏合剂的软化与分解)发生改变所致。

鼓式制动器工作时热量产生于摩擦片同制动鼓内表面的摩擦，这部分热量一部分通过各种途径散发出去，剩余部分在制动鼓和摩擦片内部积累，使其所含热量增加，温度升高。鼓式制动器温升计算模型可用式(1)［5-6］表示:

可以得出系统的温度升高值▽T

式中:Ф1为摩擦生热热流量;Ф2为辐射换热热流量;Ф3为对流换热热流量;Δτ为计算时间间隔。

通过鼓式制动器温升台架试验［7］，对该类型制动器摩擦因素的温度特性进行了验证。具体的试验工况为模拟重载汽车以稳定车速30 km/h，在一段坡度为4%坡路上的等速持续制动，制动时间为200 s，环境温度为15℃，圆盘转速为2 000 rad/s。试验得出该楔式制动器的摩擦因素与温度的关系曲线如图2。

式中:mi为质量;ci为比热容(i=1为制动鼓;i=2为摩擦片);Q1为制动器摩擦生热;Q2为对流散热量;Q3为辐射散热量。

因为制动鼓的质量和比热容都远远大于摩擦片，所以:m1c1＞＞m2c2。故式(2)中的m2c2值可以忽略，并认为制动器摩擦生热全部被制动鼓吸收，得到鼓式制动器温升计算公式:

制动器的实际工作过程中，式(3)中的Q1，Q2，Q3的值受到许多因素的影响，并不能直接求得。故使用热流量来辅助计算，得到单位时间的温度变化值计算公式(4):

图2 摩擦因素与温度的关系曲线Fig.2 The relationship curve between friction factor and temperature

从图2试验结果可知，该类型制动器摩擦副摩擦因素从常温开始，摩擦因素呈上升趋势;当温度达到150℃左右之后，摩擦因素又呈下降趋势，当温度达到350～400℃左右，摩擦因素呈大幅下降趋势。

1.2 相对滑动速度

一般情况下，滑动速度会引起表层发热和温升，从而改变摩擦副表层的性质，因此摩擦因素也会随之发生变化。图3是克拉盖尔斯基等得出的试验结果。当载荷极小时，摩擦因素随滑动速度的增加而上升;而载荷极大时该曲线呈下降状态，如图3中曲线1和曲线4。而对于一般弹塑性接触状态的摩擦副，摩擦因素随滑动速度的增加先上升而后下降，载荷越大波峰位置越靠近原点。如图3中曲线2和曲线3［8］。

图3 摩擦因素与相对滑动速度之间的关系曲线Fig.3 The relationship curve between friction factor and relative sliding speed

对目前普遍采用的鼓式制动器而言，摩擦片的摩擦因素随制动鼓转速的变化，不但黏着摩擦随速度变化，而且整个系统产生的温度也发生变化，进而影响摩擦副的微观接触形态，导致摩擦因素相应的变化。

1.3 载荷和表面粗糙度

载荷通过真实接触面积的大小和变形状态影响摩擦力。常规方法加工的粗糙表面，摩擦总是发生在一部分接触峰值点上。接触点数目和各接触点尺寸将随着载荷而增加。最初是接触点尺寸增加，随后载荷增加主要引起接触点数目增加。在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态。由于真实接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦系数随着载荷的增加而降低。

综上所述，与普通的气动凸轮驱动式制动器相比，气动楔式制动器的制动效能对摩擦因数变化的敏感程度较小，即具有良好的制动效能稳定性。同时，制动力矩相对较大，制动时间和制动距离也明显缩短，使得制动过程更加平稳，有效的提高了车辆的行驶制动性能，安全更有保障。

2 仿真分析与结果

考虑到摩擦因数对制动力矩影响的重要性。随着摩擦因素的改变，制动力矩与之成正比例关系。因此，对该楔式制动器制动力矩的仿真分析时，取摩擦因素的初始值0.4，具体的仿真分析过程如下。

2.1 仿真模型的建立

考虑到制动器制动过程中摩擦材料的弹性变形对制动器的制动力矩的影响较大，而制动鼓和制动蹄的弹性变形对制动力矩的影响较小，因此在对制动器进行建模时，通常将制动鼓和制动蹄设置为不具有弹性变形的刚体，而将摩擦片设置为具有弹性变形的柔性体，摩擦片与制动鼓之间建立非线性的接触关系。将在Unigraphics NX中建好的三维建模，先导入ANSYS软件中。对摩擦片划分网格和单元(图4)，选择与刚体的连接点为截面点，通过模态分析和缩减自由度后，导入MSC.ADAMS成为柔性体零件［9］。整个装配体模型如图5。

对不同的部件采用不同的材料属性，具体参数见表1。仿真工况与试验工况一致。

表1 各部件物性参数Tab.1 Physical parameters of the components

2.2 边界条件与分析结果

主要约束和边界条件:制动鼓绕其轴线等角速度回转。在促动力的作用下两制动蹄与制动鼓摩擦接触，同时，两制动蹄产生与制动鼓相同方向的微小转动，推杆随着制动蹄的转动产生相应的水平位移。仿真时间设为1 s。促动力大小为34 206 N，分析摩擦因数为0.4时的制动力矩。该制动器制动力矩仿真分析结果如图6和图7。

由以上动力学仿真分析结果可以看出:该制动器的制动力矩前蹄最后稳定在11 026 Nm左右，后蹄制动力矩大于前蹄，最后稳定在12 316 Nm左右。这也验证了増力器的自增力作用。因此该制动器的制动力矩仿真结果为23 342 Nm。

按照制动器温升台架试验，参照行业标准QC/T 479—1999《货车、客车制动器台架试验方法》［7］(部分试验参数如表2)，采用惯性试验设备及测量记录仪器，调整制动管路压力，使制动减速度达到0.35 g，从制动初速度进行制动，到终速度为0。每制动50次测量一次输出制动力矩值。最终试验所得出的平均制动力矩为21 475 Nm。这与本文在相同仿真条件下，采用的动力学仿真分析结果的制动力矩结果相比偏差在9%以内。由此可知，该仿真分析方法是有效、可行的。

表2 部分试验参数Tab.2 Part of the test parameters

3 结语

首先对气动楔式制动器的摩擦因数做了制动器台架温升试验，得到了摩擦因数随温度的变化曲线。其次，利用ADAMS多体动力学分析软件对制动力矩进行了仿真分析，仿真和试验结果基本吻合。

1)通过鼓式制动器温升台架试验，对该类型制动器摩擦因素的温度特性进行了研究;

2)应用ADAMS动力学分析软件建立了制动器仿真模型，对制动力矩进行了仿真分析。

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Friction Characteristics of Air Wedged Brake Based on ADAMS

LUO Tian-hong1，ZHANG Hui-li1，LUO Wen-jun2，YIN Xin-xian1，JIA Yong-qing1
(1.School of Mechatronics＆ Automobile Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.The State Key Lab of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

Through analysis of basic working principle of wedged brake，change of friction factor under the influence of temperature，relative sliding speed，load and other factors was analyzed.Based on three-dimensional simulation model，simulation of braking torque was carried out by ADAMS dynamics analysis software.Compared with the experimental results，correctness of the simulation analysis was verified，which laid a foundation for the study of wedged brake efficiency.

wedged brake;friction factor;braking torque;simulation analysis

TH117.1

A

1674-0696(2011)03-0461-04

2011-01-06;

2011-03-04

重庆交通大学科技创新基金项目［2010(上)第2号］;中央高校基本科研业务费科研专项基金项目(CDJZR10280006);重庆市“企业科技特派员”基金项目(CSTC，2009DA0001-B)

罗天洪(1975-)，男，四川乐至人，教授，博士，主要从事工程机械设计、多领域仿真等方面的研究工作。E-mail:tianhong.luo@163.com。