強(qiáng)制風(fēng)冷及水冷鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)

王 澤，肖凌云，佟一搏，杜 皓，童麟澳，范芷汀，陳旭亮

（1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150010；2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局缺陷產(chǎn)品管理中心，北京100101）

1 引言

鼓式剎車由剎車底板、剎車分泵、剎車蹄片等有關(guān)連桿、彈簧、梢釘、剎車鼓所組成。所以，鼓式剎車的結(jié)構(gòu)相對(duì)密封，散熱性沒(méi)有盤式剎車好，在連續(xù)剎車時(shí)，剎車鼓會(huì)受熱膨脹，使踩下剎車踏板的行程加大，剎車反應(yīng)不如預(yù)期，也就是常說(shuō)的熱衰減。由于工作環(huán)境復(fù)雜多變，制動(dòng)器工作不穩(wěn)定而導(dǎo)致出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲，鼓式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的溫度變化對(duì)制動(dòng)不穩(wěn)定性影響較大，因此對(duì)鼓式制動(dòng)器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

當(dāng)前，鼓式制動(dòng)器的熱衰退效應(yīng)被人們廣泛研究。?；涞冗M(jìn)行了汽車鼓式剎車系統(tǒng)冷卻能力自控裝置設(shè)計(jì)方面的研究[1]，單片機(jī)根據(jù)埋在摩擦片內(nèi)的溫度變送器采集到溫度信號(hào)，通過(guò)店空氣來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)水象泵水最和電磁閥的開關(guān)頻率。陳冬巖公布了專利“剎車自動(dòng)降溫裝置”，其裝置的主機(jī)與從機(jī)間采用CAN總線結(jié)構(gòu)通信[2]。王才嶧設(shè)計(jì)了汽車車身噴淋濕度檢測(cè)儀，用于檢測(cè)汽車車身噴淋實(shí)驗(yàn)之后的車廂濕度[3]。李強(qiáng)通過(guò)對(duì)貨車鼓式制動(dòng)失效和制動(dòng)溫度的相關(guān)性分析，搭建了針對(duì)不同工況下的制動(dòng)器溫度監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種制動(dòng)安全輔助手段，為主動(dòng)安全提供了基礎(chǔ)[4]。陳益慶等針對(duì)鼓式制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)的熱衰退問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于電渦流制動(dòng)的鼓式制動(dòng)器，有效提高了鼓式制動(dòng)器的熱衰退性能，提高了制動(dòng)性能[5]。

盤式剎車與鼓式剎車相比，具有較好的穩(wěn)定性、反應(yīng)性和散熱性，但鼓式剎車的制動(dòng)性能高于盤式剎車。因重載貨車對(duì)制動(dòng)性能有更高要求，所以重載貨車一般都采用鼓式剎車。但是制動(dòng)器散熱性嚴(yán)重影響行車安全，所以本文針對(duì)傳統(tǒng)的鼓式制動(dòng)器散熱性較差這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的溫度分段控制降溫的強(qiáng)制風(fēng)冷及水冷鼓式制動(dòng)器，并將制動(dòng)鼓設(shè)計(jì)成具有導(dǎo)向風(fēng)道和引流風(fēng)通道的結(jié)構(gòu)。

2 強(qiáng)制風(fēng)冷及水冷鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

本文所設(shè)計(jì)的溫度分段控制強(qiáng)制風(fēng)冷及水冷新型鼓式制動(dòng)器硬件主要由以下幾部分組成：制動(dòng)蹄、回位彈簧、調(diào)整螺母、制動(dòng)輪缸、支座、制動(dòng)蹄、可調(diào)支座、制動(dòng)底板、制動(dòng)鼓、電磁緩速器、直流風(fēng)扇、溫度傳感器、電磁閥等。

2.2 制動(dòng)鼓導(dǎo)向風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于傳統(tǒng)制動(dòng)鼓輪轂內(nèi)氣流無(wú)規(guī)則流動(dòng)，降低了氣流流動(dòng)帶走發(fā)熱區(qū)的熱量，因此本文為克服這一缺點(diǎn)，在制動(dòng)鼓內(nèi)設(shè)計(jì)了導(dǎo)向風(fēng)道結(jié)構(gòu)，使得輪轂內(nèi)氣流規(guī)則流動(dòng)，形成期望氣流。導(dǎo)向風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)置在輪轂發(fā)熱區(qū)，目的是將輪轂內(nèi)氣流導(dǎo)向發(fā)熱區(qū)，最大限度上使氣流帶走更多的熱量，提高散熱效率，達(dá)到風(fēng)冷散熱的目的。

2.3 制動(dòng)鼓內(nèi)壁引流風(fēng)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于傳統(tǒng)制動(dòng)鼓輪轂依靠?jī)?nèi)部氣流不斷循環(huán)激蕩來(lái)降低發(fā)熱區(qū)熱量，通過(guò)排氣孔排出氣體，氣流降溫期間，因制動(dòng)蹄內(nèi)外氣壓差較大，導(dǎo)致高溫氣流不斷循環(huán)激蕩經(jīng)過(guò)發(fā)熱區(qū)，所以會(huì)嚴(yán)重降低散熱效率。為達(dá)到高溫期望氣流能及時(shí)排出的目的，據(jù)此提出在制動(dòng)鼓內(nèi)壁添加和外壁一樣形狀的金屬長(zhǎng)片，并且金屬長(zhǎng)片左右邊緣銜接制動(dòng)鼓內(nèi)壁，使得高溫氣流以切線形式排出輪轂，由此構(gòu)建期望氣流排出通道，最大程度上達(dá)到風(fēng)冷散熱的目的。

3 強(qiáng)制風(fēng)冷及水冷鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 強(qiáng)制風(fēng)冷及水冷鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

新型制動(dòng)鼓相較于傳統(tǒng)制動(dòng)鼓增加了電磁緩速器、外風(fēng)扇和水箱電磁閥，并且制動(dòng)鼓添加了導(dǎo)向風(fēng)道和引流通道結(jié)構(gòu)。電磁緩速器固定在貼近輪轂發(fā)熱區(qū)的位置，使其可以在感知溫度達(dá)到閾值時(shí)可以迅速發(fā)揮作用；水箱電磁閥安裝在水箱和輪轂發(fā)熱區(qū)間且靠近發(fā)熱區(qū)的位置。在貨車實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到溫度傳感器的第一個(gè)閾值時(shí)，風(fēng)冷散熱起主要作用；當(dāng)達(dá)到溫度傳感器的第二個(gè)閾值時(shí)，水冷散熱起主要作用。根據(jù)不同溫度閾值進(jìn)行不同等級(jí)的散熱處理，使得散熱效率最大化。

制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

3.2 強(qiáng)制風(fēng)冷及水冷鼓式制動(dòng)器工作原理

將制動(dòng)鼓設(shè)計(jì)成具有導(dǎo)向風(fēng)道的結(jié)構(gòu)，期望氣流對(duì)摩擦發(fā)熱區(qū)進(jìn)行風(fēng)冷散熱。當(dāng)制動(dòng)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因粘滯阻力對(duì)空氣流體施加一定扭矩，導(dǎo)致氣流體因慣性力作用進(jìn)入外圍的導(dǎo)向風(fēng)道內(nèi)，高速流過(guò)發(fā)熱區(qū)（條件：Sout≤Sin），使摩擦高溫區(qū)降溫。制動(dòng)時(shí)導(dǎo)向風(fēng)道氣流客觀上降低高溫區(qū)溫度（被動(dòng)通風(fēng)散熱階段）；當(dāng)摩擦區(qū)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，電磁緩速器開啟，車輛減速，同時(shí)外部風(fēng)扇開啟，強(qiáng)制通風(fēng)至低壓區(qū)，增加導(dǎo)向風(fēng)道流速降低高溫區(qū)溫度（強(qiáng)制通風(fēng)散熱階段）。若溫度還在升高，控制水箱噴淋系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)向風(fēng)道噴淋（強(qiáng)制水冷散熱階段）。

工作原理如圖2所示。

圖2 工作原理圖

4 創(chuàng)新點(diǎn)

導(dǎo)向風(fēng)道設(shè)計(jì)：通過(guò)導(dǎo)向風(fēng)道設(shè)計(jì)，使得輪轂內(nèi)氣流規(guī)則運(yùn)動(dòng)，形成期望氣流，使得期望氣流導(dǎo)向引流通道入口，最大限度上達(dá)到冷風(fēng)散熱的目的。

引流通道設(shè)計(jì)：通過(guò)引流通道設(shè)計(jì)，消除制動(dòng)蹄內(nèi)外氣壓差，使得輪轂內(nèi)高溫期望氣流可以順利排出制動(dòng)鼓，最大程度上提高散熱效率。

三階段散熱控制系統(tǒng)：溫度傳感器設(shè)置兩個(gè)溫度閾值，當(dāng)溫度小于閾值1時(shí)，被動(dòng)通風(fēng)，形成空氣流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)冷風(fēng)散熱的目的；當(dāng)溫度大于閾值1小于閾值2時(shí)，利用電磁緩速器和外風(fēng)扇的外力作用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制通風(fēng)，以此達(dá)到強(qiáng)制冷風(fēng)散熱的目的；當(dāng)溫度大于閾值2時(shí)，水箱電磁閥開啟，以此達(dá)到水冷散熱的目的。