蹄式制动器摩擦衬片挤压效应模型研究
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２２ 流 体模 型 的 建 立 ．
Ｎ＝Ｊ ｘ Ｉｄ ｐ ｙ ｄ
由摩擦 力和承载力确定摩擦 因数 为 ：
＝
（） ４
（ ５）
２ ３ 摩擦 副宏观模 型 ．
，
设制动鼓半径为 Ｒ ，摩擦衬 片宽度 为 Ｂ ，包 角为 采用离散分割的思想 ，对 一侧摩擦衬 片的上 半部
分进行摩擦性能分析 ，如图 ３ 所示 。
一 一 一
Ⅳ
为便于计算 ，将 摩擦副部分展 开 ，假设摩擦衬 片
热分解生成 的流 体运 动形 式满 足 牛顿 流体 的运 动规
律 。建立空 间直角坐标 系，如图 ２所示 。
Ｅｘ ｒ ｓｏ ｉ ｅ ｔＭ ｏ ｌｏ ｉ ｔｏ ｎｉ ｇ ｏ ｕ ａ ｔ ｕ ｉ ｎ Ｅｆ ｃ ｄｅ ｆ Ｆｒ ｃ ｉ ｎ Ｌｉ ｎ ｎ Ｄｒ ｍ Ｂｒ ｋｅ
Ｗ ａ ｇ Ｙａ Ｗ ａ ｇ Ｊａ ｍｅ Ｗ ｅ ｏ Ｋａ ｇ Ｊａ ｆ ｎ ｎ ｏ ｎ ｉｎ ｉ ｎ Ｈａ ｎ ｉｎ ｅ ｇ
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（ ｃｏ ｌ ｆＭｅｈ ｎｃｌａ ｄＥｅ ｔ ｎｃＥ ｇｎ ｅ ｎ ， ａｙ ａ ｎｖｒｉ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｃ ａ ｉ ｎ ｌｃ ｏ ｉ ｎｉｅｒ ｇ Ｔ ｉｕ ｎＵ ｉｅｓ ｙ ａ ｒ ｉ ｔ
ｏ Ｓｉ ｃ ｄＴ ｃｎｌ ｙＴ ｉ ａ ｈｎｉ ３０４ Ｃ ｉ ） ｆ ｃ ｎｅ ｅｈｏ ｇ ，ａ ｕｎＳａｘ ００２ ，ｈｎ ｅ ａ ｎ ｏ ｙ ａ
蹄 式 制 动器 摩 擦 衬 片 挤压 效 应 模 型研 究
王 尧 王建梅 文 豪 康 建峰
（ 太原科技大学机械工程学 院
山西太原 ０ ０ ２ ） ３０４
摘 要 ：通 过分 析 蹄式 制 动器 的 工作 原 理 ，剖 析制 动 器产 生 热 衰 退 的 根 本 原 因 ，对 制 动 过 程 中挤 压 效 应 对 摩 擦 衬 片 性 能 的影 响进 行 理论 分 析 ，建 立 反映 制 动器 效力 系数 与温 度 和摩 擦 因数 关 系 的挤 压效 应 数学 模 型 ，并 对摩 擦 衬 片 的表 面 膜 厚进 行 模 拟计 算 。结 果表 明 ：制动 过 程 中 的挤 压 效 应是 造 成表 面膜 破 裂 的 主要 因素 ，进 而导 致破 裂 处 摩擦 衬 片 的磨 损 加 剧 ；所 构建 的制 动器 摩擦 副 宏 观模 型 ，说 明 了挤 压 效应 的 存在 ，可 以解 释摩 擦 衬 片 由于热 衰 退而 造 成局 部 磨 损 凹 凸不 平 的 问题 ，并可 预 测在 制 动过 程 中热 衰 退造 成 的磨 损 量 。 关键 词 ：蹄 式 制动 器 ；热 衰 退 ；挤 压效 应 中 图分 类号 ：Ｔ １５９ Ｈ １． 文献 标识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：０５ ０ ５ （０ ２ Ｆ ２． ；Ｔ １７ １ ２４— １０ ２ １ ）９— ６ ４ ０ ６—
ｆ ｃｉｎ ｌｎ ｎ ． ｈ ｏ ｓｒ ｃｅ ｃ ｏｍｏ ｅ ｆｔｅ ｂ ａ ｅｆ ｃｉｎ ｐ ｉ ｎ ｃ ｔｓｔ ｅ ｅ ｉｔｎ ｅ ｏ ｘｒ ｓｏ ｆｅ ｔ ｗｈ ｃ ａ ｉ ｒ ｔｏ ｉ ｉｇ Ｔ ｅ ｃ ｎ ｔｕ ｔｄ ｍａ ｒ — ｄ ｌｏ ｒ ｋ ｒ ｔｏ ａｒｉｄｉａｅ ｈ ｘｓｅ ｃ ｆｅ ｔ ｉｎ ｅｆｃ ， ｉｈ ｃ ｎ ｈ ｉ ｕ
图 ２ 流体 模 型
Ｆ ｇ ２ Ｆ ｕ ｄ ｍｏ ｅ ｉ ｌｉ ｄ ｌ
由牛顿黏性定律推导流体剪切力 ｒ为 ：
＝ 叼
（ ）丢罢 ａ（一） ｕ ＋ ＝ （＋ ） ＋ ｙ２ ｚ
（） ２
图 １ 蹄 式制 动器示 意 图
Ｆｇ １ Ｔｈ ｃ ｍａｉ ｉｇａ ｏ ｕｍ ｒ ｋ ｉ ｅ ｓｈｅ ｔ ｄａ ｒ ｍ ｆｄｒ ｃ ｂａ ｅ
对 ｚ ０表 面上的剪切力积分 ，得到摩擦力 为 ： ＝
Ｆ 肌 ＿ｄ ｌｐ等（ ＋ ＝ ０ ／＋ ） 吾 ｄ＝ ｏ
ｄ ｙ （） ３
２ 挤压效应润滑模型
２ １ 制动 器 热 衰退 机 制 分 析 ．
将压力 Ｐ积分可得承载力 Ⅳ，即 ：
当制动初 速度大 、压力增大 、制动频繁导致摩擦 面温度急剧升高时 （ 通常情况为 ３０ｏ ０ Ｃ，有时局 部温度可达到 ７０— ０ ０ ８ ０℃ ） ，制动鼓与摩擦衬 片的表 面发生热变形 ，摩擦 衬片内部成分产生热分解化学反 应 ，热衰退现象 明显 。利用 扫描 电子显微镜 （ Ｅ Ｓ Ｍ） 对制动器制动后的摩擦表 面进行观察分析发现 ，摩擦 副 间存在表面膜 ，如润滑膜 、氧化膜 、气垫膜和转 移膜等 。这 ４种表 面膜 中 ：氧化膜和转移膜的形成与 破裂是摩擦衬片发生磨损的直接表现 ，关 系到摩擦材 料 的使用寿命 ；而润滑膜和气垫膜 的形成 直接影 响摩 擦衬片摩擦 因数的变化 ，从而影响制动性能 ，也是产 生热衰退 的根本 原 因。针对 摩擦 衬 片局部 磨 损 的现 状 ，固体摩擦学 已不 能很好地解释其磨损原 因，因此 从热弹性流体动力润滑理论建立流体模 型是合理 的。
１ 蹄 式 制动 器 的工 作 原 理
把机械能转化热能 ，最后再将 其散发 到空气 中。大多 数 实验结果表 明 ：随着温度的升高 ，制动器 的摩擦 因 数 出现短 暂 的增 加 ；而 当表 面温度 很 高使 材料 软化 时 ，摩擦 因数将 大大降低…。在制动过程 中 ，摩擦衬 片所 表现 出的摩擦 因数 随温度 而变 化 的特性 （ 热衰 退 性 ）可能直 接导 致制 动 的失效 ，进 而造 成摩 擦衬 片的磨损加剧 ，影响制 动器 的工作情况 、使用寿命和 安全性 。因此 ，剖析产生热衰退 的根本原 因是非常有
蹄 、轮缸 （ 制动分泵 ） 、回位 弹簧 、定 位 销等零 部件 组成。底板安装在车轴 的固定位置上 ，它是 固定 不动 的 ，上面装有 制动蹄 、轮缸 、回位 弹簧 、定位 销 ，承 受制动时 的旋转扭矩 。每一个鼓有一对制动蹄 ，制动
２１ ０ ２年第 ９期
王
尧等 ：蹄式制动器摩擦衬片挤压效应模型研究
必要的 。
早在 ２ ０世纪 ８ ０年代就有学 者从 系统的角度 出发
结合运用 数学 方 法创立 了灰色 系统 理论 ，张 彦等 人 借助此理论 已对制动器摩擦衬片的磨 损量作 了等 维灰色预测 ，可对制 动器的工 作状态 实时在 线监 控 ， 但是仅仅局 限于宏观磨损情况 的表述 。结合大量 的宏 观磨损统计情 况及摩擦衬 片 内部 成分 的化学变 化 ， 本 文作者从热 弹性流体动力润滑理论探究摩擦衬片产 生热衰退 的根本原 因，对摩擦衬片 由于热衰退造成的 表面磨损构建 了制动效力 系数 的挤 压效应 数学模 型 ， 对制动器制动的平稳性研究 提供理论参考 。
ｓｏ ｆｅ ｔｏ ｈ ｒ ｋ ｒｃ ｓ ｎ ｔ ｅｆ ｃｉｎ ｌ ｉｇ’ ｅ ｆｒ ｎ ｅｗａ ｎ ｙ ｅ ｈ ｏ ｅｉａｌ ａ ｄ ｔｅ ｍａｈ ｍａｉａ ｄ ｉｎ ｅｆｃ ｎｔ ｅｂ ａ ｅｐ ｏ ｅ ｓｏ ｈ ｒ ｔ ｉ ｎ Ｓｐ ｒｏｍａ ｃ ｓａ ａ ｚ ｄ ｔｅ ｒｔ ｌ ｉ ｏ ｎ ｌ ｃ ｙ， ｎ ｈ ｔ ｅ ｔ ｌ ｍｏ — ｃ ｅ ｆｅ ｔ ｉｎ ｅｆｃ ｓｅ ｔｂ ｉｈ ｄ． ｉｈ ｒｆｅ ｔ ｈ ｅａｉｎ ｂ ｔ ｅ ｈ ｒｋ ｎ ａｉｉｙ ｃ ｅｆｃｅ ｔａ ｄ ｔ ｅ ｅ ａ ｌｏ ｘｒ ｏ ｆ ｔｗａ ｓａ ｌ ｅ ｗｈｃ ｅ ｃｓｔ ｅ ｒｌｔ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｂ ａ ｉ ｇ ｖ ｌｄｔ ｏ ｆ ｉｎ ｎ ｈｅｔ ｍｐ ｒ — ｕｓ ｅ ｓ ｌ ｏ ｉ ｔ ｒ ｎ ｒｃｉｎ ｃ ｅｆｃｅ ｔＴｈ ｕ ａ ｅｔ ｉｋ ｅ ｓｏ ｃｉｎ ｌ ｉ ｇｗａ ｉ ｌｔｄ Ｔｈ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅｅ ｔｕ ｉｎ ｅｆ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ｆ ｔｏ ｏ ｆｉｉｎ ． ｅｓ ｒ ｃ ｈｃ ｎ ｓ ｆ ｒ ｔｏ ｉ ｎ ｓｓｍｕａｅ ． ｅｒｓ ｌ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｘｒ ｓｏ ｆ ｔ ｉ ｆ ｆ ｉ ｎ ｓ ｅ ｏ ｈ ｒ ｋ ｒ ｃ ｓ ｓｔ ｅｍａｎ ｃ ｕ ｅｒ ｓ ｌｉｇ ｉ ｈ ｕ ｔｒ ｆｓ ｒａ ｅ ｆ ｍ ， ｉｈ ａｓ ｅ ｄ ｏ ｔｅ ｓ ｒｏ ｓｗｅ ｒｏ ｅ ｎ ｔ ｅ ｂａ ｅ ｐｏ ｅ ｓｉ ｈ ｉ ａ ｓ ｅｕ ｔ ｎ ｔ ｅｒ ｐ ｕ ｅ ｏ ｕ ｆｃ ｌ ｗｈｃ ｏ ｌａ ｓｔ ｈ ｅ ｕ ａ ｆｔ ｎ ｉ ｌ ｉ ｈ
６ ７
蹄 上有摩擦 衬 片。制动 鼓则 是安 装 在轮 毂上 ，是 随
式 中： Ｐ为 流 体 压 力 ；叼为 流 体 黏 度 ；ｈ为润 滑 膜
厚度 。
车轮一起旋 转的部 件 ，它是 由一定份 量 的铸 铁做成 ， 形状似圆鼓 形。当制动时 ，轮缸活塞推动制动蹄绕各
自的下铰点向外摆 动一个 很小的角度 ，摩擦衬 片压紧 制动鼓发生相对转动 ，产生摩擦力矩减速 ，迫使 车轮 停 止转 动。如 图 １ 所示 ，该制动器称为简单非平衡式 制动器 ，在车 辆领 域应 用 广泛 ，不 但用 作 车轮 制 动 器 ，也可用于 中央制动器。
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｃ ｕ ｅ ｆｔｅ ｈ ａ ａ ｅ ｏ ｒ ｍ ｒ ｋ ｒ ｎ ｙ ｅ ａｅ ｎ ｉｓｗｏｋ ｎ ｒｎ ｉｌ ． ｈ ｆ ｃ ｆｅ ｔｕ ｓｒｃ ： ｈ ａ ｓ ｓｏ ｅ ｔｆｄ ｆｄ ｕ ｂ ａ ｅｗｅｅ ａ ａ ｚ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ｒ ｉ ｇｐ ｃｐｅ Ｔ ｅ ｅｆ ｔｏ ｘｒ － ｈ ｌ ｉ ｅ
２１ ０ ２年 ９月
润滑与密封
ＬＵＢＲＩ ＣＡＴ ＯＮ Ｉ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｓｐ ２ ２ ｅ ． ０１
第３ ７卷 第 ９期
Ｖｏ ． ７ Ｎｏ ９ １３ ．
Ｎ＝Ｊ ｘ Ｉｄ ｐ ｙ ｄ
由摩擦 力和承载力确定摩擦 因数 为 ：
＝
（） ４
（ ５）
２ ３ 摩擦 副宏观模 型 ．
，
设制动鼓半径为 Ｒ ，摩擦衬 片宽度 为 Ｂ ，包 角为 采用离散分割的思想 ，对 一侧摩擦衬 片的上 半部
分进行摩擦性能分析 ，如图 ３ 所示 。
一 一 一
Ⅳ
为便于计算 ，将 摩擦副部分展 开 ，假设摩擦衬 片
热分解生成 的流 体运 动形 式满 足 牛顿 流体 的运 动规
律 。建立空 间直角坐标 系，如图 ２所示 。
Ｅｘ ｒ ｓｏ ｉ ｅ ｔＭ ｏ ｌｏ ｉ ｔｏ ｎｉ ｇ ｏ ｕ ａ ｔ ｕ ｉ ｎ Ｅｆ ｃ ｄｅ ｆ Ｆｒ ｃ ｉ ｎ Ｌｉ ｎ ｎ Ｄｒ ｍ Ｂｒ ｋｅ
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（ ｃｏ ｌ ｆＭｅｈ ｎｃｌａ ｄＥｅ ｔ ｎｃＥ ｇｎ ｅ ｎ ， ａｙ ａ ｎｖｒｉ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｃ ａ ｉ ｎ ｌｃ ｏ ｉ ｎｉｅｒ ｇ Ｔ ｉｕ ｎＵ ｉｅｓ ｙ ａ ｒ ｉ ｔ
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蹄 式 制 动器 摩 擦 衬 片 挤压 效 应 模 型研 究
王 尧 王建梅 文 豪 康 建峰
（ 太原科技大学机械工程学 院
山西太原 ０ ０ ２ ） ３０４
摘 要 ：通 过分 析 蹄式 制 动器 的 工作 原 理 ，剖 析制 动 器产 生 热 衰 退 的 根 本 原 因 ，对 制 动 过 程 中挤 压 效 应 对 摩 擦 衬 片 性 能 的影 响进 行 理论 分 析 ，建 立 反映 制 动器 效力 系数 与温 度 和摩 擦 因数 关 系 的挤 压效 应 数学 模 型 ，并 对摩 擦 衬 片 的表 面 膜 厚进 行 模 拟计 算 。结 果表 明 ：制动 过 程 中 的挤 压 效 应是 造 成表 面膜 破 裂 的 主要 因素 ，进 而导 致破 裂 处 摩擦 衬 片 的磨 损 加 剧 ；所 构建 的制 动器 摩擦 副 宏 观模 型 ，说 明 了挤 压 效应 的 存在 ，可 以解 释摩 擦 衬 片 由于热 衰 退而 造 成局 部 磨 损 凹 凸不 平 的 问题 ，并可 预 测在 制 动过 程 中热 衰 退造 成 的磨 损 量 。 关键 词 ：蹄 式 制动 器 ；热 衰 退 ；挤 压效 应 中 图分 类号 ：Ｔ １５９ Ｈ １． 文献 标识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：０５ ０ ５ （０ ２ Ｆ ２． ；Ｔ １７ １ ２４— １０ ２ １ ）９— ６ ４ ０ ６—
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图 ２ 流体 模 型
Ｆ ｇ ２ Ｆ ｕ ｄ ｍｏ ｅ ｉ ｌｉ ｄ ｌ
由牛顿黏性定律推导流体剪切力 ｒ为 ：
＝ 叼
（ ）丢罢 ａ（一） ｕ ＋ ＝ （＋ ） ＋ ｙ２ ｚ
（） ２
图 １ 蹄 式制 动器示 意 图
Ｆｇ １ Ｔｈ ｃ ｍａｉ ｉｇａ ｏ ｕｍ ｒ ｋ ｉ ｅ ｓｈｅ ｔ ｄａ ｒ ｍ ｆｄｒ ｃ ｂａ ｅ
对 ｚ ０表 面上的剪切力积分 ，得到摩擦力 为 ： ＝
Ｆ 肌 ＿ｄ ｌｐ等（ ＋ ＝ ０ ／＋ ） 吾 ｄ＝ ｏ
ｄ ｙ （） ３
２ 挤压效应润滑模型
２ １ 制动 器 热 衰退 机 制 分 析 ．
将压力 Ｐ积分可得承载力 Ⅳ，即 ：
当制动初 速度大 、压力增大 、制动频繁导致摩擦 面温度急剧升高时 （ 通常情况为 ３０ｏ ０ Ｃ，有时局 部温度可达到 ７０— ０ ０ ８ ０℃ ） ，制动鼓与摩擦衬 片的表 面发生热变形 ，摩擦 衬片内部成分产生热分解化学反 应 ，热衰退现象 明显 。利用 扫描 电子显微镜 （ Ｅ Ｓ Ｍ） 对制动器制动后的摩擦表 面进行观察分析发现 ，摩擦 副 间存在表面膜 ，如润滑膜 、氧化膜 、气垫膜和转 移膜等 。这 ４种表 面膜 中 ：氧化膜和转移膜的形成与 破裂是摩擦衬片发生磨损的直接表现 ，关 系到摩擦材 料 的使用寿命 ；而润滑膜和气垫膜 的形成 直接影 响摩 擦衬片摩擦 因数的变化 ，从而影响制动性能 ，也是产 生热衰退 的根本 原 因。针对 摩擦 衬 片局部 磨 损 的现 状 ，固体摩擦学 已不 能很好地解释其磨损原 因，因此 从热弹性流体动力润滑理论建立流体模 型是合理 的。
１ 蹄 式 制动 器 的工 作 原 理
把机械能转化热能 ，最后再将 其散发 到空气 中。大多 数 实验结果表 明 ：随着温度的升高 ，制动器 的摩擦 因 数 出现短 暂 的增 加 ；而 当表 面温度 很 高使 材料 软化 时 ，摩擦 因数将 大大降低…。在制动过程 中 ，摩擦衬 片所 表现 出的摩擦 因数 随温度 而变 化 的特性 （ 热衰 退 性 ）可能直 接导 致制 动 的失效 ，进 而造 成摩 擦衬 片的磨损加剧 ，影响制 动器 的工作情况 、使用寿命和 安全性 。因此 ，剖析产生热衰退 的根本原 因是非常有
蹄 、轮缸 （ 制动分泵 ） 、回位 弹簧 、定 位 销等零 部件 组成。底板安装在车轴 的固定位置上 ，它是 固定 不动 的 ，上面装有 制动蹄 、轮缸 、回位 弹簧 、定位 销 ，承 受制动时 的旋转扭矩 。每一个鼓有一对制动蹄 ，制动
２１ ０ ２年第 ９期
王
尧等 ：蹄式制动器摩擦衬片挤压效应模型研究
必要的 。
早在 ２ ０世纪 ８ ０年代就有学 者从 系统的角度 出发
结合运用 数学 方 法创立 了灰色 系统 理论 ，张 彦等 人 借助此理论 已对制动器摩擦衬片的磨 损量作 了等 维灰色预测 ，可对制 动器的工 作状态 实时在 线监 控 ， 但是仅仅局 限于宏观磨损情况 的表述 。结合大量 的宏 观磨损统计情 况及摩擦衬 片 内部 成分 的化学变 化 ， 本 文作者从热 弹性流体动力润滑理论探究摩擦衬片产 生热衰退 的根本原 因，对摩擦衬片 由于热衰退造成的 表面磨损构建 了制动效力 系数 的挤 压效应 数学模 型 ， 对制动器制动的平稳性研究 提供理论参考 。
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６ ７
蹄 上有摩擦 衬 片。制动 鼓则 是安 装 在轮 毂上 ，是 随
式 中： Ｐ为 流 体 压 力 ；叼为 流 体 黏 度 ；ｈ为润 滑 膜
厚度 。
车轮一起旋 转的部 件 ，它是 由一定份 量 的铸 铁做成 ， 形状似圆鼓 形。当制动时 ，轮缸活塞推动制动蹄绕各
自的下铰点向外摆 动一个 很小的角度 ，摩擦衬 片压紧 制动鼓发生相对转动 ，产生摩擦力矩减速 ，迫使 车轮 停 止转 动。如 图 １ 所示 ，该制动器称为简单非平衡式 制动器 ，在车 辆领 域应 用 广泛 ，不 但用 作 车轮 制 动 器 ，也可用于 中央制动器。
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２１ ０ ２年 ９月
润滑与密封
ＬＵＢＲＩ ＣＡＴ ＯＮ Ｉ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｓｐ ２ ２ ｅ ． ０１
第３ ７卷 第 ９期
Ｖｏ ． ７ Ｎｏ ９ １３ ．
