制动装置的超声波检测方法研究

　　2=SimSun摘要本文根据车辆不同制动状态下的特征信号，应用超声波检测技术对制动状态的识别进行了探索和研究。结果明运用超声波技术可以定量地判断刹车片与制动毂之间贴合的紧密程度，定性地判断两者界面之间是否有油污，实现了对制动装置的刹车状况和故障进行检测和识别。

　　动态特性中分类号32文献标识码制动装置的刹车状况对机动车的安全行驶有着重要的影响，特别对无动力的拖挂装置。因此，对其故障的检测就显得十分重要。通常，制动装置采用刹车片制动毂方式，刹车片与制动毂之间有较高的摩擦系数，刹车时，液压或气压将刹车片紧紧压在制动毂上，通过者之间的摩擦力来达到制动效果。这种刹车方式主要会出现以下几种故障1刹车片与制动毂之间接触面积小或者根本没有接触，产生不了足够的摩擦力，无法可靠刹车；2周围部件的润滑油沾染刹车片，导致接触面间的摩擦系数显著下降，无法形成可靠摩擦。

　　对于上述故障的检测，传统的方法是将机动车加速至40然后急刹车，观察刹车效果，这种方法要求在人少车少路况好的情况下进行，对环境要求高，准确性也较差，并且对制动装置的磨损很大。另种检测方法是在专门的检测中心，使用专用的检测台进行检测，在这种方式中，车轮仍需在检测台的带动下加速至定的速度，然后制动，观测刹车过程中的参数。第种方式虽可对被测对象进行全面准确的检测，但价格昂贵，对制动装置仍有磨损，且测试对象范围有限。

　　针对上述问，研究出种简单可靠的能在车辆静止状态下，无磨损地检测其制动装置故障的通用方法，即无损检测方法，具有着广阔的应用前检测原理声波是机械波，是机械振动在媒质中的传播过程，其振动频率在20出20000出范围内。振动频率高于20000的声波称为超声波。根据媒质中的振动方向和传播方向是否相同，超声波的波形可分为下列几种1纵波质点振动方向与波的传播方致；2横波质点振动方向垂直于波的传播方向；3面波质点的振动介于纵波和横波之间，沿固体面传播，振幅随着深度增加而迅速衰减的波；4兰姆波又称板波，只产生于有定厚度的薄板内，在板的两面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度，沿着板超声波在介质中以定的速度传播。纵波横波和面波的传播速度取决于介质的弹性模量和介质密度。兰姆波的传播速度除与介质的弹性模量有关外，还与介质的厚度及兰姆波的频率有关。

　　在超声波检测中，通常使用脉冲波，但为了简化运算过程，在理论分析中通常使用连续波。由傅立叶变换可知，个周期性脉冲，可以分解为常数项和无限个1音基频的正弦波和余弦波谐波之和。因此，可以将脉冲波用个以其中心频率的连续波代替。将脉冲宽度为7的脉冲波约为1只2的频率范围看成是由许多不同频率的正弦波组成，其中每种频率的声波决定个声场，总声场为各个频率声场的叠加。

　　在声学理论分析中，常使用声阻抗的概念。

　　声阻抗2为介质中任点的声压，和该点的质点振动速度的比值；对于平面波，声阻抗2为介质阻抗不同，它反映了介质的传声特性，又称为固有声阻抗。

　　当超声波从种介质传播到另种介质时，在两种介质的分界面上，部分能量反射回原介质内传播，形成反射波；另部分能量透过分界面在另介质内继续传播，形成折射波。声波产生反射与折射时，遵循几何光学中的反射定律和折射定律。反射定律的内容为人射角等于反射角，人射线反射线与界面法线在同平面内；折定律的内容为为介质1和介质2中的声速。

　　检测方法制动刹车状态检测方法，应用这种方法，操作人员只需在车辆处于静止的状态下，对其制动装置进行扫描，便可以确定制动装置的状；是否可靠，亦即车辆在运行时是否可以实现有效车。

　　制动装置的结构简它主要由制动毂摩擦片及压紧机构组成。制动装置出现不紧密及两者界面之间有油污。因此，制动装置在充分动作的前提下有种可能的状态1制动毂与刹车片之间无油有间隙；2制动毂与刹车片之间有油无间隙；3制动毂与刹车片之间有油有间隙；4制动毂与刹车片之间无油无间隙。在上述种状态中，前种都是故障状态，后种为正常状态。采用超声波检测手段可对上述种制动状态进行检测与识别。

　　对制动装置刹车状态的检测，主要采取先判断刹车片与制动毂之间的贴合情况，再判断界面间是否有油污的方法进行检测。

　　判断刹车片与制动毂之间的间隙与贴合情况采用超声波测厚技术可判断刹车片与制动毂之间的间隙与贴合情况。制动装置的刹车状态如1制动毂2刹车片3制动毂内面4刹车片附着面在实际运用中，可将单探头即发射接收两用探头直接用耦合剂贴于制动装置的外壳上，采用脉冲返回式即扫描检测手段，测得制动毂与刹车片在松弛状态下的间距2，然后再测得两者在压紧状态下的间距2，在统计的基础上建立上述两种状态的标准间距。在实际检测时，比较实测数据与标准数据之间的偏差，即可确定刹车装置是否可以有效制动。

　　在刹车片原始厚度不变的情况下，测量制动毂内面与刹车片附着面间的距离，可反映出两者间的贴合情况。2；1为制动装置紧密贴合的状态，反映出装置工作正常，压紧力充足，此时制动毂内面与刹车片附着面间的距离为1；2为制动装置处于松驰状态，说明装置未动作，此时不足，无法可靠刹车，此时的距离为在实际操作中，通过分别测量323，即可判断制动装置工作的状况。

　　判断接触面间是否有油污对于接触面间是否有油污的判断，可用超声波回波鉴别的原理当结构中有油污时，其入扫描回波在穿透油层时将发生相应变化，波形与无油时应有明显区别，运用这个原理就可以判断接触面间是否有油。超声波在穿越制动毂与刹车片之间的油层两边界即分别与制动毂和刹车片相接触的油层两面时，将发生反射，两次反射的回波叠加之后在显屏上的信号将与无油污时超声波的回波信号有区别。通过鉴别回波信号的特征，就可以定性地判断界面间是否有油污。

　　脉冲反射式超声波检测即人扫描，是利用超声波脉冲人射到两种不同介质交界面上发生反射的原理，来实现其检测功能的。在脉冲反射式超声波探伤仪中，采用同个超声波换能器兼作发射和接收，同步电路按定频率间隔发射具有定持续时间的触发脉冲信号，同时触发扫描电路和发射电路。扫描电路产生的与时间成正比的锯齿波电压加到波管水平偏转板上，形成水平扫射线。与此同时，发射电路产生个高频信号脉冲去激励换能器，这个发射脉冲信号同时在基轴的始端形成个幅度很大的起始脉冲信号。通过逆向压电效应，发射换能器将高频电振荡能，通过机械振动转换成声能，并费合到被测试件中，以超声波的形式在介质中进行传播，遇到分界面时，会发生反射，反射波被同个换能器接收，并通过正向压电效应，将声能转换成电振荡能，经放大偏置后形成反向脉冲信号。根据反射波的大小及在基轴上的位置，就可判断分界面的位置和传播媒质如油污的性质。

　　实验检测1.超声波对制动毂的实验检测将金属制动，直接从车辆的制动毂上切割下来，作为检测试件。在实验中，直接采用超声波测厚法测量制动毂上若干点的厚度，然后取统计平均值作为该试件的厚度值。

　　制动毂试件与标准的金属试件有较大差异。

　　制动毂的外涂有层防锈漆，且毂体使用的是铸钢材料，晶粒较粗，对超声波的衰减很大，因而对声耦合的要求更高。制动毂面的涂漆层相当于在探头与金属面间增加了层介质，防锈漆是有机材料，其衰减和阻抗特性都与金属材质有较大差别。在实验中，发现在有涂漆层的情况下，超声波回波信号非常微弱甚至没有；刮除面的防锈漆，将探头与金属面直接耦合，其回波信号又恢复正常，可制动毂面的防锈漆是导致回波信号强度衰减的根本原因。

　　针对上述问，提出了降低工作频率进行检测的设想。在实验中，将超声波的工作频率减至1肘出衰减量减至538，同时将回波幅值的增益开关打至大。由超声波回波可以发现，回波信号的幅值虽然很小，但已经出现了明显的波形，在主回波附出现了大量的杂波信号。上述现象说明两个问第，降低工作频率对超声波穿越防诱漆层是有效果的，但同时导致了超声波波束指向性下降和能量发散；第，由超声波主回波附近存在大量杂波现象说明，防锈漆层与金属面间存在气隙和杂质，金属面十分粗糙。

　　对于超声波波束指向性下降和能量发散的问声波检测仪工作频率和声速不变的前提下，增大换能器的半径，可以显著提高超声波束的指向性和能量集中的能力。由于超声波振动频率较高，空气层对超声波的反射非常强，如果超声换能器与被测对象间存在空气层，将影响检测。由于制动毂试件形状呈弧形，且外面粗糖有杂质，因而用涂脂类作声耦合的方法效果并不好。在实践中，采用干费合的方法，即在换能器与试件之间加块软橡胶，利用自身的压力使探头与试件的凸凹不平的面相适应，将换能器面涂以凡士林后，再用力压在软橡胶上。在使用大直径换能器和加软橡胶之后，实验结果有了较大的改观。其超声波的回波信号虽然还有杂波成分，但主界面反射波幅值有了较大的增加，已经可以用来测量制动毂的厚度。

　　由于制动毂试件的形状不规则，因而对它的测量必须采用多点测量，求厚度平均值的方法。出23的网格矩阵，逐点测量制动毂厚度，其数实验中，在制动毂与刹车片贴合的有效面积内，划据如1.

　　单位，1制动毂厚度测量数据测量网格点从对制动毂试件的超声波检测实验中可以得出结论采用适当的声耦合方式以及调整超声波用大直径圆片式超声波换能器和采用干耦合方量即测量探头只能接触刹车片的个面，因而只能采用低频超声波借助声楔斜人射法所得到的反射波，对刹车片厚度进行测量，经实验证明可得到较满意的结果，其大相对误差约为4左右。

　　测的效果。用有机玻璃制成的声楔时，在此声楔中仍为纵2.低频超声波对刹车片的实验检测刹车片由有机树脂压制而成，属非金属材料，对它的检测不能运用传统超声波探伤原理。由于高频超声波测量只能适用于声波衰减较小的金属材料，对于衰减较大的非金属材料如混凝土岩石木材等，只能选用低频超声波频率在5河以下。低频超声波因频率低指向性差发射余振长盲区大等原因，只能用上发收双探头进行测量。

　　刹车片厚度的测量研究是十分重要的。通过对各种状态下刹车片厚度的测量可以描述刹车片由于条件的限制，对刹车片的测量只允许单面测波。当声波从楔形块投射到刹车片试件面时，人射波成为斜人射，人射角1等于声楔的倾角01.声波在刹车片试件中传播时，产生有纵波和横波，它们的折射角分别为021和021.由于声波在声楔中的纵波波速，=27308，在刹车片试件中的纵波波速，2当人射角大于37时，纵波产生全反射现象，使得传人刹车片试件中的波只有横波。而本试验中所需的是纵波声速，故声楔的倾角不能大于37.当测厚范围在520，以内，般选用声楔的倾角为30较合适，能保证有较大的纵波反射能量。

　　片纵波声速为，超声波脉冲从发射到接收的时间为则根据几何关系可得刹车片厚度为由此可，要测量刹车片厚度关键是要设法地获得如下个物理量纵波声速7；反射波传播时间1；发射探头到接收探头之间的距离3.分别叙述如下刹车片纵波声速的测量采用斜人射测量法。加于发射换能器的电信号所产生的超声波垂直人射到声楔，再斜入射到刹车片试件后，因探头指向性不尖锐，部分超声波沿刹车片面前进，先被接收探头接收，还有大部分超声波经刹车片底面反射再被接收探头接收。如果反射探头和接收探头之间的水平距离为3此时用低频声速衰减仪测出的声时为即沿刹车片面传播的超声波；再移动接收探头，使两声楔之间的间距为，测出相应的声时为12；依此重复移动测量。

　　由此可得3和1的对应数组，根据数组作时距曲线，并求出此直线斜率，即为声速反射波传播时间的测量先进行反射波信号的识别，然后调节衰减器，使绕射波幅度减小，突出反射波，利用低频声速仪中的移动标记脉冲信号，使其与反射波脉冲前沿重合，这时显的时间，即为发射到接收的声时1.

　　发射探头和接收探头之间距离的确定发射探头和接收探头之间距3应是个探头垂直于声楔法线与刹车片面交点的水平距离，先大致估计3值的大小，然后将探头在这个3值附近移动，找出较大接收反射波信号，从而可以较正确地得到3值。

　　通过对超声波技术及制动装置的理论和实验原理和测厚技术完全可用来定量地判断刹车片与制动毂之间贴合的紧密程度定性地判断两者界面之间是否有油污，从而对制动装置的刹车状况和故障进行检测和识别。

　　石勇太郎日本，吴义等译。无损检测学肘。北京机械工业出版社，1986蒋危平，方京等。超声检测学M.武汉武汉科技大学出版社，1991袁振明，马羽宽，何泽云。声发射技术及其应用肘。北京机械工业出版社，1985 3.，0，严仁博译。无损检测。国外无损检测，1981