赵刚，王俊伟，周福庚

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

6x4牵引车制动盘温度分析

赵刚，王俊伟，周福庚

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通过对制动盘建立散热模型，分析制动盘的热平衡温度，并提出降温措施。其中，增加制动盘的散热时间，增加辅助制动装置以有效地分担制动盘的负荷，有效地降低制动盘的温度。同时对于6x4牵引车匹配半挂车组成的列车在下长坡时的制动盘温度进行分析，提出多种辅助制动装置经过匹配后可以得到更好的制动性能，降低制动盘的负荷。

热平衡温度；对流换热；辅助制动

1 概述

目前牵引车匹配盘式制动器的配置越来越多，欧洲多数采用全盘制动器和缓速器的配置状态。国内多数采用前盘后鼓状态，少数匹配全盘制动器，极少数车型匹配缓速器。盘式制动器因其结构特点，具有更好的散热性能，但由于制动盘一般相对于同等规格的制动鼓重量更轻，其热容量也更小，因此本文对 6x4牵引车的前桥盘式制动器的热容量进行分析。

2 制动盘传热模型建立

制动盘与摩擦片摩擦产生大量的热，这些热量一部分通过热传递散发，一部分集聚在制动盘上使制动盘的温度急剧上升，两部分又相互影响，温度越高，传热越快。对制动盘而言，当输入的热量一定时，制动盘温度升高到一定程度，散发的热量与输入的热量相等时，此时产生热平衡，温度不再上升，此时的温度为当前工作状态的最高温度。

制动盘对轮毂和摩擦片均会进行热传递，但由于摩擦片的导热系数较小，制动盘对轮毂的导热面积较小，其进行热传递的量相比制动盘的对流换热量较小，因此忽略制动盘的热传递。同时，制动盘被轮辋包围，类似封闭空间，制动盘对轮辋热辐射传热时，轮辋也对制动盘进行辐射传热，温度较低时其实际传热量较小，忽略制动盘的辐射传热。即只考虑制动盘的对流换热。

当总质量为m车辆在坡度为θ的坡道上以速度为v下长坡匀速行驶时：

图1 制动盘散热图示

dt时间内对单个制动盘的加热能力为：

dt时间内单个制动盘的散热能力为：

制动盘dt时间内的温升：

上述式(1)至式(3)中，β为制动器制动力分配系数，h为制动盘对流换热系数（20-100w/（m2.℃）[1]），S为制动盘摩擦面面积(m2)，T为制动盘的温度(℃)，c为制动盘的比热容（470J/（kg.℃）），md 为制动盘的质量(kg)[2]。

由上述式子可知，在匀速下长坡时，制动盘的温度是关于时间的函数。

可以解得：

从上式可知，制动盘的温度上升到一定程度时，其加热量与散热量相等，温度不再上升，此时制动盘处于热平衡状态，制动盘热平衡的温度Tc：

从式(5)中可以看出，热平衡温度与整车的热量输入和散热能力有关，而与制动盘的热容量无关。若要控制制动盘温度，则需要控制热量输入或提高散热能力。

3 牵引车单车制动盘温度分析

根据摩擦片的性能可知，当制动盘的温度超过300℃后，摩擦片材料可能发生分解，其摩擦系数等性能将急剧变差，制动性能衰退严重，影响行驶安全。因此后续计算以 300℃为制动盘的温升判别值。

6x4牵引车涉及相关参数如下：整车总质量m为25T（考虑单车满载），道路下坡度取4%，车速60km/h，制动器制动力分配系数为0.33，制动盘对流换热系数h取60w/（m2.℃），制动盘面S面积为0.2m2，制动盘面质量md为20kg，下坡过程中不考虑行驶阻力的影响。

可得温度与时间关系为：

从上式(6)可知，制动盘理论热平衡的温度为2250℃，实际上制动盘和摩擦片材料的工作温度远低于此温度，即此时温升若不控制，将直接导致制动失效。

根据式(6)可以计算得出，当T=300℃时，t=112s，即112s后制动盘温升达到300℃，此时车辆行驶约1.87km。显然，此制动盘的工作能力远不能满足整车的使用需求。

4 制动盘降温措施

4.1 提高散热能力

制动盘包围在车轮轮辋内，其结构本身不具备较好的散热能力，同时，制动盘散热相当于强制风冷，其最大的换热系数约为100w/（m2.℃）[1]，散热能力极其有限。

市场上不少用户加装淋水装置，对制动盘或制动鼓淋水，以达到重载下坡时对制动器进行降温。水强制对流的换热系数为 1000-15000w/（m2.℃）[1]，是空气散热能力至少 10倍以上，淋水装置可以轻松地将制动盘或制动鼓的热平衡温度降到300℃以内。

但是，对高温的制动盘或制动鼓淋水，容易导致制动盘或制动鼓开裂损坏，同时使用后的水遗留在道路上，在冬天有可能结冰，容易导致其他的过往车辆行驶不安全。

4.2 降低热量输入

从前面的论述中可以知道，减小载质量，降低下坡时的行驶速度，可以降低制动盘的热量输入，但低载质量和低行驶速度会使得车辆的运输效率急剧降低，显然不可取。

另一种方法是采用较好的辅助制动系统，其能吸收较多的热量，降低制动盘的热量输入。以前文中的6x4牵引车为例，若制动盘的热平衡温度控制在 300℃，则辅助制动系统需要承担142kw的热量输入，全车所有制动器承担约21kw的热量输入。

当整车质量、坡度、行驶速度进一步提升时，则输入的热量更大，但制动器能够承担的热量输入相对比整车的热量输入非常小，必须匹配辅助制动系统来分担。

根据前期的辅助制动系统试验结果，可以得到如下表数据：

表1 各辅助制动的最大制动功率

上表1中，液力缓速器自身的最大制动功率大于300kw，但整车散热器的散热能力达不到更大，其最大制动功率受到限制。

从上表1中可知，要满足制动盘的温度要求，至少要选择发动机制动才能满足整车满载下长坡的要求。

5 列车下长坡时制动盘温度分析

6x4牵引车带三轴半挂车所组成的汽车列车，满载总质量49T，以匀速60km/h在坡度为4%的道路上下长坡，假定所有制动器的参数一致。当辅助制动系统单独工作时，所需要的制动功率将达到320kw，即使匹配液力缓速器，其最大制动功率也达不到要求，需要主制动器介入工作，即液力缓速器最大制动功率300kw加上主制动器制动功率21kw。此时制动盘的温升已接近 300℃。若进一步提高车速或道路坡度，列车下坡将存在安全危险。

上述为辅助制动系统的理想状态，即在 60km/h的速度时，辅助制动系统刚好达到最大制动功率。实际因为传动系的速比匹配与辅助制动系统工作性能最优区间存在差异，最大制动功率发挥的速度段有较大差异，辅助制动性能还可能降低[3]。

因此，多数高端牵引车在匹配液力缓速器的同时，还匹配了排气辅助制动或发动机制动，二者进行较好地补充后，可以提高更大的辅助制动力，即可提高满载列车下长坡时的行驶速度和更大的坡度适应性[3]。

6 总结

整车下长坡制动时，风冷制动盘的热平衡温度通常非常高，其与制动盘的热容量无关，只与输入热量和散热能力有关。但制动盘的热容量直接影响单次制动的温升大小。

制动盘的散热能力相比于整车整车运行时的热量输入非常小，需要整车匹配性能良好的辅助制动系统来分担下长坡绝大部分热量。

牵引车列车由于载质量大，行驶速度高，行驶范围广，需要匹配制动能力更好的一种或多种辅助制动系统来提高下长坡的制动性能。

[1] 杨世铭.传热学[M].北京：高等教育出版社,1980.

[2] 余志生主编. 汽车理论（第四版）[M]. 北京:机械工业出版社,2008.

[3] 王恒凯.商用车辆持续制动装置对我国山区高速公路适应性研究[D].长安大学,2012.

An analyzing for the tempurature of braking disc in 6x4 tractor

Zhao Gang, Wang Junwei, Zhou Fugeng
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, a heat dissipation model was built to analyze the braking disctemperature. Effective cooling can be achieved by extending the cooling time, and adding the auxiliary braking devices to share the load of the disc. Further thermal analysis of the braking disc on a combination vehicle with 6x4 tractor and semi-trailer when driving on a long slope,concludes that matching auxiliary braking devices can bring better braking performance.

banance temperature; convective heat transfer; auxiliary braking

CLC NO.: U463.91 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-91-03

U463.91 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-91-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.029

赵刚（1982-），男，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，从事重型卡车设计。