鼓式制动器热衰退的抑制

刘燕斌 黄超杰 杜��

摘 要：鼓式制动器的温升如果过高，会使制动器发生热衰退导致制动效能急剧下降，从而威胁人的生命和财产安全。本文在鼓式制动器的温升模型的基础上，总结了一些抑制鼓式制动器热衰退的方法。

关键词：鼓式制动器；热衰退；温升模型；辅助制动；冷却装置

近年来，交通事故频发，人们越来越关注汽车的安全性能。而汽车的制动性能是其中重要的一环。而制动器的好坏也很大程度上决定了汽车制动性能的好坏。鼓式制动器因其有较高的制动效能及技术成熟、价格便宜等因素广泛引用在货车、客车及部分乘用车上。然而鼓式制动器却因为其容易发生热衰退而使制动效能下降。有关的研究资料证明，道路交通事故中有40%是与汽车的制动性能失效相关的。若能够抑制鼓式制动器的热衰退，使摩擦片的摩擦系数保持一定大小，从而使鼓式制动器保持良好的制动性能。

1 鼓式制动器温升模型的建立

1.1 鼓式制动器生热与散热过程

汽车需要减速或停车时，通过制动，汽车的动能转化为轮胎和制动器的内能。制动器吸收热量而温度升高。与此同时，制动器也向周围坏境中散发热量。散热有三种不同的方式，分别是热传导的方式、热辐射的方式和热对流的方式。鼓式制动器的散热中这三种方式都是存在的。

一般情况下，制动鼓因辐射散发的热量约占制动鼓总的散热量的5%～10%。以热对流方式散掉的热量占总散热量的80%以上，所以鼓式制动器最主要的散热方式是热对流。制动器通常会密封，内部的空气一般流动很小，因此制动器内表面基本不会进行热对流的散热。制动器的对流散热主要在制动鼓的外表面。

1.2制动温升数学模型的建立

设鼓式制动器在制动过程中摩擦生热量为Q，通过热辐射方式散发的热量为Q1，通过热对流方式散发的热量为Q2，制动鼓的质量为m，比热容为c，则鼓式制动器的温升计算公式为：

2 减少热衰退的一些方法

通过分析公式（1），可知减少热衰退可从以下方面进行：增大制动鼓质量m和制动鼓的比热容c；减少鼓式制动器的摩擦生热量Q；加快制动器散热速度。

2.1 减少生热量Q

根据能量守恒定律，汽车减速到一定程度，动能转化为热量的多少是一定的，要想减少制动器的摩擦生热量，就需要别的地方来把能量来转化。主要为汽车的辅助制动。

2.1.1发动机制动

现代四冲程发动机的工作行程有进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程，只有膨胀行程作正功。发动机制动就是在需要制动时，停止向发动机供燃油，发动机的四个行程没有做正功的，即没有向外提供机械能，发动机处于反拖状态，四个行程都消耗机械能，把机械能转化为内能，并有散热系统散失掉。

发动机制动时最常见也最简单的辅助制动形式。发动机制动时，松开油门踏板和离合器踏板，变速器不能处于空擋。这时，由于节气门不开，发动机不能得到燃油，从而逐渐停转，汽车在惯性作用下，继续向前行驶，汽车将倒拖发动机。发动机继续运转，消耗汽车的动能，从而实现缓速制动作用。在汽车倒拖发动机运转过程中消耗的功主要有：机械摩擦损失、压缩气体损失、泵气损失、发动机驱动各个附件的功的损失等。随着科技不断进步，发动机随着科技的不断进步，为追求更大的驱动功率，发动机的机械损耗在逐渐降低，因此发动机制动时的制动功率也随之变小。

2.1.2排气制动

排气制动原理与发动机制动类似。排气制动在排气管内加装了一个排气制动阀。在排气制动时，排气阀关闭，发动机的排气阻力就会增加，排气管内压力增大，气缸内的气体压力也随之增大。这样，活塞往复运动要克服的阻力增大了，从而增大了发动机制动的功率，从而使车速降低。

日本有70%左右的柴油发动机汽车上采用了排气制动，如今，我国也开始在汽车上大面积采用排气制动。

2.1.3发动机缓速器

发动机缓速器是在排气制动上的改进。在切断燃油供给，后发动机做功行程变成由压缩行程中被压缩气体膨胀做功的过程。在压缩行程时，通过开启排气阀，使被压缩的气体排出，从而减少了膨胀过程气体对外做的功，从而提高了制动效能。

2.1.4电涡流缓速器

电涡流缓速器的原理是法拉第电磁感应定律，它能将汽车的动能转化为热能释放到外界。电涡流缓速器通常由两部分组成，即机械系统和电控系统。机械系统主要由转子和定子组成。定子一般安装在车架上，由非磁性材料组成；转子一般安装在驱动轴两侧，由软磁性材料组成。汽车正常行驶时，电涡流缓速器不工作，定子线圈无电流，转子自由转动。当电涡流缓速器工作时，定子线圈内通入电流，从而产生磁场。转子转动切割磁感线，由法拉第电磁感应定律可知，转子内形成涡电流，进而产生磁场，由磁场的相互作用产生阻碍转子转动的力矩，此力矩通过转子作用到驱动轴上从而进行制动。此过程，把汽车的动能转化为电涡流产生的热能，并散发到空气中。

2.1.5液力缓速器

液力缓速器与液力变矩器有些相似。液力缓速器中的定子和转子对置，形成工作腔。定子相当于涡轮，转子相当于泵轮。汽车正常行驶时，液力缓速器不工作，工作腔内没有油液，转子转动无阻碍。缓速器工作时，工作腔中流入油液，这些油液被转子带动冲向定子的叶片上，使定子转动。之后油液流出定子再次流回转子，方向与转子转动方向相反，阻碍转子的转动。转子连接传动轴，进而对车辆进行制动。从此过程中，油液速度降低，温度增大，汽车的动能转化为油液的内能，最后散发到大气中。

2.2 加快鼓式制动器的散热速度

除了改进制动器的结构（在制动鼓上增加叶片、或采用组合式制动器的方法等）和应用散热速度快的材料制造制动器，加快鼓式制动器散热速度的方法主要为对制动器进行冷却，分为水冷和风冷两种方式。

2.2.1水冷方式

水冷装置包括直接淋水装置、气压淋水冷却装置。

直接淋水装置由电动水泵使水淋出对制动器进行冷却。驾驶员一般根据自己的经验判断制动器是否过热，打开冷却阀门或通过电信号控制电磁阀开启或关闭水路。这种装置结构比较简单，成本低，淋水量不能自动调节，且容易分散驾驶员的注意力。

气压淋水装置通过贮气筒内的高压空气对冷却水加压进行淋水使制动器冷却。这种装置易改装，是目前解决制动性能热衰退常用的方法。气压淋水装置存在的问题是，水箱无水时不容易发现，且存在气体泄漏，使制动系统气压不足，导致制动效能下降而诱发的交通事故。

2.2.2风冷方式

强制风冷装置：压风装置与变速器取力器相连，在制动底板上开喷气嘴，同时制动鼓外壁设计散热翅片。这种装置结构简单，避免了水淋冷却装置管道易堵塞的问题，在小型车上有很大应用。但由于压风装置与变速器相连，在车辆行驶中一直处于工作状态，造成能量损失；且随着车速降低，冷却效果也跟着降低，散热能力有限。

2.3其他方法

驾驶员驾驶行为控制：不要超速行驶，不要超载，保持足够安全车距，保持镇定，避免紧急刹车等等。

道路条件：公路修建时避免长大下坡的道路，坡度尽量小，减少急转弯道路等等。

3 结语

在一些货车和客车上，单靠行车制动器不能保证行车制动的安全性，就需要加装辅助制动器或者制动器的冷却装置。这方面，国家也有了相应的研究及一些法规，但应用仍不足。期待更多的研究和应用。

参考文献：

[1] 袁伟，鼓式制动器温升计算模型及其应用[D].西安：长安大学，2003.

[2] 顾永田，长大下坡持續制动制动鼓温升实验研究[D].西安：长安大学，2008.

[3] 刘成晔，汽车辅助制动装置发展综述[J].中国安全科学学报，2008，18（1）：105-111.

[4] 黄榕清，李刚营，胡宏，液力缓速器和电涡流缓速器[J].2005，34（10）：75-78.

[5] 杨东宇，鼓式制动器热分析及冷却装置研究[D]，威海：哈尔滨工业大学，2011.

[6] 陈红，莫嘉陵，汽车鼓式制动器强制风冷系统研究[J].广东交通职业技术学院学报，2015，14（3）：40-43.

作者简介：

刘燕斌 （1990--） ，男 ，山西太原人，硕士在读，车辆工程专业。