重型货车制动鼓故障及改进调查研究

　　摘要：驱动车桥总成是重型货车的三大关键零部件之一，其在整车的使用过程中起着承载、传动、制动和转向的重要作用。根据国内重型车三包故障的统计，制动系统故障普遍较高。工程车辆的制动鼓故障尤其突出，制动鼓的质量改进和提升是很多整车企业攻关的重点项目。

　　国内重型商用车经过15年的快速发展，近几年国内年销售量均达到100万辆以上。重型商用车在基础设施建设和快递物流行业中发挥着重要的作用，拉动了经济快速稳定发展。重型货车行业根据时代发展，不断地提升产品性能以满足市场需求，以便在激烈的市场竞争中占一席之地。在持续的改进和提升中，很多为重型货车配套的零部件企业也在探索改进，以提升零部件的性能，降低市场故障，减少质量损失。作为重型货车三大件之一的车桥，承载着底盘零部件的重要使命：制动、传动、承载和转向，而制动最为关键。目前制动系统故障普遍较高，其中排在第一位的就是制动鼓故障。

　　故障模式

　　重型货车主要分为三种使用平台：牵引、自卸和载货，根据对某品牌三种平台车型的统计，在制动系统故障中，制动鼓故障都排在前列。尤其是工程自卸车制动鼓故障排在制动系统故障第一位。工程车制动鼓已经成为重型货车零部件故障必须正视的首要问题之一。这也是车桥零部件企业的痛点所在。每月数以千计的制动鼓堆放在旧件仓库中，对应的是数百万的质量损失。

　　通过对失效制动鼓的故障模式分析，主要有以下几种模式：制动面摩擦面热龟裂，如图1所示；法兰面拧断掉底，如图2所示；圆柱面贯穿性炸裂，如图3所示；过度R角处拧断，如图4所示。

　　故障原因

　　通过对多处市场的调查研究，工程自卸车的使用环境是制动鼓故障多发的根源。国内工程自卸车的使用环境归纳为以下几点。

　　1）超载普遍。工程自卸主要在矿区作业，基本上载货量都在90～120t，远远超过了设计载货量。

　　2）路况恶劣。矿区的路坡度大、路面差基本是普遍现象，造成制动频繁，制动鼓长期受热。

　　3）淋水装置。用户为了下坡制动安全，加装淋水装置，制动鼓在极冷环境下，加速了龟裂速度。

　　4）使用保养。矿区的车辆使用保养是不规范的，在泥泞道路制动鼓外圆柱面上集成了厚厚泥沙，影响了散热空间，内部制动面上的泥沙影响了制动面的快速磨损。

　　无法改变环境，只能适应。制动鼓是鼓式制动器的摩擦偶件，除应具有作为构件所需要的强度和刚度外，还应具有尽可能高而稳定的摩擦系数，以及适当的耐磨性、耐热性、散热性和热容量。通过对使用工况的分析，不难发现目前鼓式制动鼓的故障主要是工况的适应性问题，目前制动鼓主要材料是HT250，要从新材料、新技术和新结构上来进行改进。

　　改进措施

　　1）措施一。制动鼓热龟裂是目前的第一失效模式，制动鼓与摩擦片接触处的摩擦热应力是造成失效的主要原因。研究人员在制动鼓的材料配方上下功夫，通过改变制动鼓材料HT250中的C含量，并加入 Cu、Cr和Mo合金元素来提高制动鼓的耐磨能力和导热能力。从而提高制动鼓的使用寿命。经过筛选最终确定了三种配方的组合，将C的含量提高到3.5%以上，加入不同比例的合金元素，通过实验室分析，合金制动鼓综合性能优于普通灰铁制动鼓。经过近一年实际市场使用情况跟踪和验证，合金鼓比普通鼓的平均故障里程略有提升，但在恶劣工况条件下，工程车制动鼓的故障在三包期内仍居高不下。

　　2）措施二。通过调研，找到了一种复合材料的制动鼓，又称双金属制动鼓。如图5所示。这种制动鼓结构有独到之处，外部采用钢质材料，内部采用铸铁材料镶嵌而成。其特点是将钢的高韧性、高强度与铸铁良好的导热性能结合在一起，能够同时满足制动鼓对高的韧性、耐磨性和导热性的要求，从而提高了制动鼓的使用寿命。为快速验证其实际使用效果，在市场上找了5台车进行定点道路试验快速验证。三个月后，有些制动鼓内部磨损严重，出现较多的裂纹，并且出现镶嵌处松动，内外材料分离的情况。通过验证，双金属的材料并不适合工程自卸车辆。

　　3）措施三。经过对热龟裂的不断研究，针对解决制动鼓快速散热的问题，除了在材料上增加合金元素来提升性能，在结构上增加散热面积外，在制动鼓的热容量也想了一些办法。研究人员与大学和铸造企业一起共同研究，发现蠕墨铸铁具有较好的耐热疲劳性，且在抗拉强度、热导性和耐磨性上都比灰铸铁要好。设计人员在结构和材料上实施了相应的改进方案。在结构上，在制动鼓的外圆柱面上增加三道加强筋，像三道波纹，来增加制动鼓的散热面积。在材料上采用蠕墨铸铁工艺，通过实验研究，得到蠕墨铸铁最佳化学成分范围与较佳的蠕化剂、孕育剂配比，获得成熟、稳定、简单的蠕墨铸铁熔炼工艺、孕育工艺、蠕化处理工艺、浇注工艺及制动鼓铸造工艺方法，使制造出的蠕墨铸铁制动鼓达到以下技术经济指标：σb≥340MPa，硬度 180～220 HB，伸长率δ≥2%，蠕化率≥70%，珠光体含量≥60%。市场验证结论，蠕墨铸铁波纹制动鼓的平均故障里程比灰铸铁有显著提升。根据同工况区域两种制动鼓的统计。灰铸铁制动鼓的平均故障里程为2.57万km，而蠕墨铸铁波纹制动鼓的平均故障里程为4.59万km。三包期内故障率由4.4%下降到3.5% （普通鼓与蠕墨铸铁波纹鼓分别见图6、图7）。

　　结语

　　在不断做好自我提升的同时，更要重点关注行业的新技术动态，制动鼓的故障浪费实在太大，每年数以万计的制动鼓损失，不但要花费巨额的三包费用，对资源也是极大的浪费。在目前用于制动鼓的材料中，可能蠕墨铸铁是最优材料。但蠕墨铸铁对蠕化率控制一致性的要求较高，浇注过程控制不到位，可能大大影响到使用性能。工程自卸车制动鼓的改进仍是整个行业都要重视和努力改进的重点课题。