（动力机械及工程专业论文）车辆制动摩擦材料关键特性的研究及检测方法.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 本课题主要着手于车用摩擦材料的热衰退性及摩擦磨损性方面的实验测试 与研究，以摩擦片材料配方的改进及片内冷却结构的引入两方面为突破点进行 分析，旨在提高摩擦片本身的耐高温性能和利用冷却结构有效降低制动过程中 摩擦片表面温度，提高制动器制动稳定性。 利用摩托车制动器性能实验台对典型制动摩擦材料的关键特性进行检测， 测试内容主要包括：磨合前检查试验，磨合前制动效能试验，磨合试验，磨合 后制动效能试验，热衰退试验，热恢复试验，最终效能试验，水衰退及水恢复 试验等。利用电子扫描显微镜对试验前后的摩擦材料进行观察分析并结合实验 现象和数据对摩擦村料的热衰退性深入研究分析发现：热衰退产生的强弱程度 与材料的成分与配方有密切关系。粉末冶金摩擦材料中不含有机组分，热衰退 表现并不明显；而树脂摩擦材料中含大量有机粘结剂，热衰退较为明显。从而 提出了相关改进方案以提高制动器的抗热衰退性能。 对于重型车用粉末冶金摩擦材料，为了防止下坡制动疲软和打滑，利用粉 末冶金摩擦材料导熟好的特点在摩擦片结构中增添了智能化冷却系统来降低摩 擦片的表面温度达到减少制动衰退的目的。冷却系统由刹车片、温度传感器、 电动水泵、控制电路( 包括放大电路、比较电路、驱动电路) 等组成，通过温 度传感器监控摩擦片的温度，当温度超过或低于规定的限度，控制电路控制水 泵的开闭来开启或关闭冷却循环系统。 对一般鼓式或盘式制动器结构做了相关改进，能有效增大制动力矩，缩短 制动时间，延长了冷却时间间隔，有利于制动衰退后的热恢复，在一定程度上 使制动器的热衰退得到缓和。 制动摩擦材料是影响车辆行驶安全的关键因素，通过本课题的研究，能为 如何选择合理的摩擦材料组分及摩擦片结构的改进提供参考。 关键词：制动器，摩擦材料，热衰退性，水衰退性，摩擦磨损 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h et e s ta n dr e s e a r c ho ff r i c t i o nm a t e r i a l s c h a r a c t e r o fh e a t f a d i n ga n dw e a r - l o s s f o c u s i n go nt h ei m p r o v e m e n to ff r i c t i o nm a t e r i a l s c o m p o n e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no fc o o l i n g - s t m c t u r ef o ri t ，w ea t t e m p tt oi m p r o v e m a t e r i a l s a b i l i t yo ft e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea n dr e d u c et h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f f r i c t i o nm a t e r i a l sb ym a k i n gu s eo fc o o l i n g - s t r u c t u r et oi m p r o v et h es t a b i l i t yo f b r a l 【e t h ek e yc h a r a c t e r so faf e wt y p i c a lf r i c t i o nm a t e r i a l sw e r et e s t e dt h r o u g ht h e c h a r a c t e rt e s tb e do fm o t o r c y c l eb r a k e t h et e s ti t e m sc o n t a i nc h e c k i n ge x a m i n a t i o n b e f o r ew e a r - i n ，w e a r - i n ，t h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ea f t e rw e a r - i n ，h e a t f a d i n g ，h e a t r e s u m i n g ，f i n a lp e r f o r m a n c e ，w a t e r - f a d i n ga n dw a t e r - r e s u m i n ge t c t h ef r i c t i o n s u r f a c e sh a v eb e e na n a l y s e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，a f t e rt h et w o t y p e so ff r i c t i o nm a t e r i a l sw e r ef r i c t l o n a t e dw i t ht h e i rc o u n t e r p a r t s s u r f a c ef i l m so f o x i d a t i o n ，l u b r i c a t i n g ，a i rc u s h i o na n dt r a n s f e ra r ed i s c o v e r e d p o w d e rm e t a lb r a k e l i n i n gh a sl i t t l ef a d i n g ，a n dh e a tf a d i n gf o rt h i sb r a k el i n i n gc a n b ec o n t r o l l e dv e r y l i t t l e n o n m e t a lb r a k el i n i n gc o n t a i n sl a r g ea m o u n to fp h e n o l i cr e s i nw h i c hc a nb e e a s yt ob ed e c o m p o s e di n t ol i q u i do rg a s t h ee f f e c to fl u b r i c a t i n gi ss oe v i d e n tt h a t t h eh e a tf a d i n go ft h i sl i n i n gi ss e r i o u s t op o w d e rm e t a lf r i c t i o nm a t e r i a l sf o rh e a v yt r u c k ，f o ri t sg o o dh e a t - t r a n s m i t c h a r a c t e r , c o o l i n g - s t r u c t u r ei sa d d e dt oc o o lt h es u r f a c et e m p e r a t u r eo fi tt or e d u c e t h ef a d i n g t h ec o o l i n gs y s t e mi sm a d eu po fb r a k el i n i n g , t e m p e r a t u r es e n s o r , e l e c t r i cp u m pa n dc o n t r o l l i n gc i r c u i t r ye t c b r a k el i n i n g t e m p e r a t u r ei sm o n i t o r e d b yt e m p e r a t u r es e n s o r , a n dw h e nt h et e m p e r a t u r ei so v e ro ru n d e rt h el i m i t e dv a l u e ， c o n t r o l l i n gc i r c u i t r yw i l lh a v et h ep u m pw o r ko rn o tt om a k et h ec o o l i n gs y s t e m o p e no rc l o s e t h es t r u c t u r eo fc o m m o nb r a k ei si m p r o v e dt oi n c r e a s et h eb r a k em o m e n t t h a t w i l lr e d u c eb r a k et i m ea n da d dt h ec o o l i n gi n t e r v a l s oi td o e sf a v o rt ot h e h e a t r e s u m i n ga f t e rh e a t f a d i n ga n de a s e su pt h eb r a k e sh e a t - f a d i n g f r i c t i o nm a t e r i a li sak e yf a c t o rt oa f f e c tt h ed r i v i n g s a f e t y , t h i sr e s e a r c hc a n o f f e rr e f e r e n c eo nh o wt oc h o o s er e a s o n a b l em a t e r i a l sc o m p o n e n ta n di m p r o v et h e s t r u c t u r eo fb r a k i n gl i n i n ga n d p l a t e k e yw o r d s ：b r a k e ，f r i c t i o nm a t e r i a l s ，c h a r a c t e ro fh e a t f a d i n g ，c h a r a c t e r o f w a t e r f a d i n g ，w e a rl o s s 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 制动器是汽车、摩托车至关重要的安全性装置，其质量合格、性能优良是 行车安全的重要保障。随着需求量的不断增加，对其性能提出了更高的要求。首 先制动器在制动过程中需要产生足够大的制动力矩；其次是要求制动能力的热 稳定好、制动器的水稳定和耐磨性好。 目前小轿车及轻型小货车大多采用盘式制动器。这种制动器的散热性、熟 稳定性和水稳定性好，易实现间隙自动调整及维修方便等优点。但普遍存在的 问题是有些车辆使用到一定程度，无论换与不换摩擦块，制动不良或制动失效 的现象时有发生。故障发生后，要明确故障原因。目前所用的大部分材料基本 上是含有机物的混合物，通常采用树脂或橡胶与石棉、金属纤维和添加剂拌合 在一起加工而成。但摩擦片实际工作条件比较恶劣，有静摩擦和滑动摩擦，在 摩擦片工作过程中，应尽量避兔高温影响而导致材料变质。如：车辆在下山过 程中，驾驶员长时间或频繁使用制动，其摩擦片与制动盘滑动摩擦时间过长而 产生高温，高温下材料中的有机聚合物发生分解，产生一些气体和液体，气体 作为介质在摩擦界面上产生挤压力而降低了有效接触压力，而液体则在两接触 面之间形成润滑作用的薄膜，摩擦系数下降，降低制动效能。 制动器摩擦片摩擦系数下降的原因很多，但主要归结于制动器的热衰退上。 由于汽车、摩托车在行驶过程中濒繁制动，制动器的作用就是将快速行驶的车 辆的动能在很短的时间内转化成热能，转化的热能被摩擦片及制动盘或制动鼓 吸收，摩擦片的温度迅速上升导致摩擦片中的树脂材料发生分解，产生的气体 和液体起润滑的作用使制动器的摩擦系数迅速下降，这就是因摩擦片的变质引 起的衰退也是本课题研究的重点。本课题主要从材料的配方及刹车片结构的改 进上入手分析和探讨如何解决或是减少热衰退所导致的制动器制动效能下降或 失灵的安全隐患问题。 1 2 和本课题有关的国内外研究现状 摩擦使运动物体的动能和势能转化为热能，从而达到使物体减速或停止的 目的。2 1 世纪科技发展的趋势是高速、环保和节能。因此对摩擦制动器的材料 提出了更高的要求。常用的摩擦材料_ 1 _ = = 要丁分为：石棉有机摩擦材料( 现征已 武汉理_ _ i ：= 大学硕士学位论文 经禁用) 、非石棉有机摩擦材料、半金属摩擦材料和粉末冶金摩擦材料。 1 2 1 石棉有机摩擦材料 2 0 世纪2 0 8 0 年代，石棉有机摩擦材料几乎是一统天下。从1 9 7 2 年国际肿 瘤医学会确认石棉及高温挥发物属于致癌物后，国际上掀起一股禁止使用石棉 摩擦材料的浪潮，美国职工安全与保护研究所( n i o s 哪把石棉列为8 6 种主要工 业原料中十个强致癌原料之一。此外，现代汽车速度的提高，使制动品表面温度 达3 0 0 5 0 0 。c 。石棉摩擦材料导热性和耐热性差，在4 0 0 左右将失去结晶 水，5 5 0 ( 2 时结晶水完全丧失，己基本失去增强效果。石棉脱水后会造成摩擦性 不稳定、工作层材料变质、磨损加剧，出现明显的“热衰退”现象。很明显， 石棉有机摩擦材料已不适应汽车工业和现代社会发展需求，将逐步被新材料所 取代。虽然石棉摩擦材料对人体健康和环境污染有害，但到目前为止还很难找 到一种能够完全替代石棉的增强纤维，加之非石棉纤维还存在着混合性不好、 易断、结团、分散性差、价格偏高、制品性能稳定性差等问题。因此在一定时 期内，特别是对发展中国家来讲，石棉摩擦材料仍将继续使用。 1 2 2 半金属摩擦材料 以钢纤维或金属粉( 铸铁粉、海棉粉、还原铁粉) 代替石棉纤维，是7 0 年代 初美国本迪斯公司开发的无石棉摩擦材料。半金属摩擦材料具有如下主要特点： 摩擦系数在4 0 0 以下非常稳定，不产生热衰退，热稳定性好；耐磨性好， 使用寿命是石棉摩擦材料的3 5 倍；在较高负荷下具有良好的摩擦性能，摩 擦系数稳定；导热性好，温度梯度小，特别适合尺寸较小的盘式制动品；制 动噪音小。到7 0 年代末，使用中发现半金属摩擦材料存在如下缺点：钢纤维 容易生锈，锈蚀后或者出现粘着对偶或者损伤对偶，使摩擦片强度降低，磨损 加剧，摩擦系数稳定性变差；由于半金属摩擦材料热传导率高，当摩擦温度 高于3 0 0 时，一方面易于使摩擦材料与钢基板间粘结树脂分解，加之温度差 引起热应力甚至出现剥落现象；另一方面大量的摩擦热迅速传递到活塞的液压 施力机构，导致密封圈软化和制动液发生气化而造成制动失灵；半金属摩擦 材料虽然消除了石棉摩擦材料容易产生的高频噪音，却易产生低速下的低频噪 音。半金属摩擦材料的组成是决定其摩擦学特性的主要因素。有学者将模糊优 化技术应用于半会属摩擦材料配方的优化设计和综合评价中。在组成半金属摩 擦材料的组分中，粘结剂、增强纤维和填料是主要成分。因为酚醛树脂喇热性、 成犁加i ：性和或本方面都比较优越，因而是目前广泛使用的粘结剂。文献也报 武汉理工大学硕士学位论文 道了使用橡胶与酚醛树脂共混物作为粘结剂所获得的良好效果。至于用硅树脂、 聚酰亚胺树指、c g - - 甲酸二烯脂等树脂作为粘结剂还处在研究阶段。半金属摩 擦材料使用的增强纤维主要是钢纤维和铜纤维，也有使用a 1 2 0 3 、s i 0 2 等陶瓷纤 维和碳纤维虽然钢纤维有一定的缺点，但在认真设计下仍可满足现阶段的使用 要求。目前，国内许多厂家已开始批量生产钢纤维，其价格也降至每吨约6 0 0 0 元。生产的半金属摩擦衬片在国产轿车如奥迪、桑塔纳、夏利等多种车型上得 到应用。 1 2 3 非石棉摩擦材料及混杂摩擦材料 近2 0 年的研究绝大部分集中在非石棉有机摩擦材料方面。在代替石棉的纤 维中，除了钢纤维外，目前比较多见的有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及 这些纤维相混合的混杂纤维。 1 玻璃纤维增强非石棉摩擦材料 玻璃纤维的特点是硬度高、热稳定性较好、与树脂亲和性好、价格低廉玻 璃纤维发展历史较长，其表面处理工艺和粘结剂的研究已比较成熟。因此，玻 璃纤维是早期无石棉摩擦材料中使用较多的纤维，以玻璃纤维为增强材料的无 石棉摩擦材料已在汽车工业的一定范围内得到应用。 2 碳纤维摩擦材料 碳纤维有机摩擦材料的突出优点是其高温摩擦稳定性好、耐磨。因此作为 摩擦材料常用在飞机刹车和赛车制动器上。碳纤维有机摩擦材料的研究已有许 多，但结论却并不一致。碳纤维的类型( 高模量和超高模量) 对摩擦材料的摩擦 磨损特性有较大的影响，而纤维的排列方向和摩擦过程中界面第三体对摩擦系 数和磨损率影响甚小。 3 芳纶纤维增强摩擦材料 芳纶纤维是一种芳族酰胺有机人造纤维，其一般特征是具有相当高的强度、 中等的模量、很小的密度、耐磨、耐热、高温下尺寸稳定好。 1 2 4 粉末冶金金属摩擦材料 用粉末冶金生产的铁基、铜基会属陶瓷摩擦材料，可用丁较高的使用温度， 一定程度i 二解决了高温摩擦系数热衰退和热磨损问题，但是其价格高、制造_ = ： 武汉理工大学硕士学位论文 艺复杂、制动噪音大、脆性大以及对偶件的擦伤和磨损大等缺点使其仅能应用 于一些特殊场合而不能广泛用于汽车特别是轿车上。为了降低成本，各国纷纷研 究开发铁基粉末冶金摩擦材料并致力解决对偶件磨损大的问题。美国专利 4 4 1 5 3 6 3 和欧洲专利e p 0 0 9 3 6 7 3 a 提供了美国b e n d i x 公司将铁基摩擦材料专用 于盘式制动器并成功地解决与铸铁不相容的问题。另一项研究对铜、铁基粉末 冶金摩擦材料的摩擦磨损特性进行了详细探讨。由于金属陶瓷层具有极好的耐 磨性和耐高温性能，因此在重型和特殊工况下，采用金属陶瓷或在摩擦材料表 面喷涂金属陶瓷涂层可以得到良好的使用效果。如武汉汽车工业大学和黄石摩 擦材料厂采用在一般弹簧钢表面热喷m d 及金属陶瓷( z r 0 2 、a 1 2 0 3 ) ，成功地研制 出用于工程车辆的摩擦材料。 1 3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 目前国内外的摩擦材料研制技术已经比较成熟，一般的制动器都采用的树脂 橡胶片摩擦材料，在高温高压的工作环境下，摩擦材料的树脂材料会发生分解 造成摩擦系数的大幅度下降，导致材料的热衰退。热衰退性是影响材料热稳定 性的关键因数，直接影响制动稳定性和行车安全。但材料的热衰退问题目前还 没有得到很好的解决，本课题对摩擦材料关键特性的研究，旨在为找出合理的 材料配方及制动器的相关结构改进提供依据。 1 4 拟采取的研究方法、技术路线 材料成分和配方就是摩擦材料摩擦性能的关键所在，对材料的研究主要采 取理论研究和实验分析的方法。 1 利用计算机辅助分析和计算，建立摩擦过程中摩擦副的温度计算模型、 热衰退时制动系数的计算模型，找出理论上较为合理的材料组成和配方。 2 通过制动器综合性实验台对摩擦材料性能进行实验分析，找出理论材料 性能参数值与实验结果的差距所在，通过反复的理论研究和实验分析找到最终 满足性能要求的新型摩擦材料的组成及配方。 1 5 预期的研究成果和创新点 1 采用熔点比传统粘结剂高的改性树脂材料作为摩擦片的基体，能够有效 提高材料的j i i 4 温性能，使片内树脂材料的热分解温度大幅度提高，从而增强了 武汉理j 【大学硕士学位论文 制动器的抗热衰退性能。 2 对重型车用制动器摩擦片结构进行改造，引入智能化冷却系统来降低摩 擦片温度从而有效提高其抗衰退能力。 3 对一般制动器的结构做了相关改进，在一定程度上能使制动器的热衰退 得到缓和。 4 运用流体润滑理论并结合计算机数值分析法对制动器热衰退的本质进行 了剖析，使以往的定性分析具体量化，对摩擦材料成分的选择与配方有着最直 观的指导意义。 5 通过数学模型找出理论上合理的材料配方，用制动器性能实验台检验其 可行性。 武汉理：f 大学硕士学位论文 第2 章汽车制动系统的简介及摩擦材料的重要地位 2 1 制动器的分类、结构形式及工作特点 制动器的结构形式很多，可以将它概括为以下几个大类： 1 电磁制动器 电磁制动器在工作时，可以把它看成e 型电磁铁，由车载电瓶供电。制动开 始时，由控制器发出的制动信号以电流的形式通过电磁体，电磁体在非制动时 间内与制动轮鼓中的软磁性材料摩擦环靠弹簧保持轻微接触，电磁体产生吸力 后，两者相互压紧。因为摩擦环是跟随制动轮毂( 即车轮) 一起旋转的，所以在 电磁体与摩擦环的接触面间产生了摩擦力。作用在电磁体上的摩擦力带动与之 相连的驱动杠杆绕支点转动，杠杆的从动端就将制动器的两个摩擦蹄片张开并 压向制动鼓，产生的摩擦力矩使车轮减速。结束制动时，电流被切断，电磁体 吸力消失，作用在驱动杠杆上的摩擦力也消失，在回位弹簧拉力的作用下，摩 擦蹄片离开制动鼓，制动解除。 2 磁流变液离合器和制动器 磁流变液离合器和制动器的结构形式和工作原理基本一致，其结构形式有 两种，同轴圆筒式和多片圆盘式。主要采用剪切工作模式。当线圈内电流变化 时，主动件和从动件之间间隙内的磁流变液所处的磁场强度随之发生变化。磁 流变液的粘度也发生变化，剪切力也就发生变化，主动轴和从动轴之间的扭矩 差亦随之变化。故可实现离合器的分离或接合以及制动器是否制动。 3 摩擦制动器 利用运动表面相接触时所产生的摩擦阻力达到减速或终止运动目的的装置 称为摩擦制动器或机械制动器( 因为制动力的产生和能量的转换方式是通过机 构来实现的) 。它具有结构简单、工作可靠的优点，早已广泛地应用在各种机械 设备中而成为重要的组成部件之一。各类汽车在不同路面上行驶时转弯、下坡 的减速，紧急刹车和停车等就是通过装在轮胎处的转鼓( 盘) 与蹄片( 衬片) 间的摩 擦达到减速、刹车的目的。其摩擦的稳定性直接影响到汽车的制动性能。 4 制动器辅助装置一缓速器 缓速器和制动器原理一样，都是将汽车行驶的动能转换成其它形式的能量 从而实现减速。缓速器的作用在于减少制动器负荷提高其使用寿命以及可以回 收能量节省能源。常用缓速器有发动机排气缓速器、液力缓速器、电磁缓速器 等等。 武汉理工大学硕士学位论文 在上述几种制动器中，摩擦制动器在各种车辆上应用最普遍j 也是本课题 研究的重点。 2 1 1 摩擦制动器的分类 由于制动工况条件不同，对制动性能的要求不一样，摩擦制动器的种类也 是多种多样的。 1 按制动器的功用和使用的对象不同，摩擦制动器可分为：航空摩擦制动 器、火车摩擦制动器、汽车摩擦制动器、起重设备制动器、工程机械制动器和 纺织机械制动器等。 2 按制动器摩擦副的结构形式不同，可分为：鼓式、盘式和带式制动器。 ( 1 ) 鼓式制动器：鼓式制动器中，外蹄( 块) 式制动器是由两个外置蹄块在径 向夹持制动轮外表面因摩擦而产生制动力矩，主要应用在起重设备及火车制动 系中。而内蹄式制动器是两个内置制动蹄在径向向外紧压制动鼓( 轮) 内表面来 产生摩擦阻力矩。这类制动器广泛应用于起重机运行机构和各类车辆制动系中。 ( 2 ) 盘式制动器：盘式制动器中，摩擦副表面是在轴向方向受载后相互紧压 而产生制动力矩。它具有结构简单、制动可靠、散热性好和抗热衰退性较好的 优点，而且盘式制动器是轴向加裁，对轴无附加的弯矩，适用于高速重载的制 动条件，如飞机、重型车辆、高速火车、轿车、高速离心机等制动系中。 ( 3 ) 带式制动器：带式摩擦制动器是依靠挠性钢带上摩擦衬带与制动轮间产 生的摩擦制动力矩。带式摩擦制动器的包角比蹄式的包角大，故在相同条件下 所产生的制动力矩比蹄式要大。但制动带的受力和磨损不均匀，只适用于结构 紧凑、制动力矩大的场合，在轮式起重机、挖掘机及石油钻机上应用较广。 3 按制动副的工作环境，制动器可分为干式摩擦制动器和湿式摩擦制动器 两种。前者的摩擦副是处在干摩擦条件下产生制动力矩，大多数结构型式的制 功器属此类；后者的摩擦副是在油润滑冷却介质中，处于边界润滑工作状态下 而产生制动力矩，这主要在盘式制动器中采用。 4 按摩擦制动器的工作传力状态，可分为常闭式和常开式两类。常闭式制 动器是指在未工作时摩擦副表面受一定压力作用，相互紧贴处于闭合状态，或 称“抱闸”，工作时才松闸。闭合力大多数是用弹簧产生，少数采用重块。这 类制动器一般自重较大，上闸时有冲击力而影响驱动机构的寿命，常用于起重 运输设备中的起升、变幅、运行机构的制动器中。常开式制动器，即制动摩擦 副表面经常处于有一定间隙的脱开或“松闸”状态，需要制动时，才“闭合” 使其制动摩擦副表面相互接触产生一定的摩擦阻力矩。由于制动力可以根据要 武汉理工大学硕士学位论文 求来调节，且制动平稳，故在起重设备的旋转机构中，尤其在各种车辆的运行 机构或车轮中得到广泛的应用。 5 按产生摩擦制动力的驱动机构，可分为机械式、电磁式、磁液式、电液 式、液压式、气压式、气液式等不同驱动方式的制动器。其中电磁式驱动由于 闭合迅速、操作方便，广泛用于中等负荷起重和提升设备中。而液压和气压式， 则工作平稳而迅速，制动效率高，寿命长，但密封要求高，结构复杂，主要用 于车辆制动系中。 6 按摩擦制动力的作用方式分为自动作用式、操作式和综合式三类。制动 作用过程中，“抱闸“、松闸”都能自动进行，摩擦制动力已先确定，无需专 门操作去调节，称自动作用式。一般起重设备中采用的常闭式调动器即为自动 作用式。常开式或各类车辆制动器，制动力的大小需要依据路面情况及要求人 为地进行调节和停止。 2 1 2 摩擦制动器的主要性能参数 由于制动的工况条件不同，对摩擦制动器的功能及要求不一样，制动器性 能的评定参数侧重有所不同，但制动器的主要性能参数一般有如下几个： 1 制动力矩 这是保证制动性能的基本参数，也是选择制动器的主要依据。制动器的类 型不同，确定制动力矩的方法有所不同： 对于垂直制动，主要是应保证被吊重物在提升输送过程中悬吊的可靠性， 它是以垂直负荷为主，惯性质量次之。 对于各种车辆运行中水平制动的制动力矩为： m ，z m ，一， ( 2 1 ) 式中m + 负载力矩，可换算为制动轴上传动系统的惯性力矩， m ：世( 2 2 ) 伊 留制动轴在制动时的转角，r a d ； e 被制动提旋转质量动能或制动系动能之和 e ；! 熊二熊：( 竺堡i 二盟l ( 2 - 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ，、( g d 2 ) 二一换算到制动轴上的的等效转动惯量和飞轮矩 、q 哺0 动轴初始和终止时的角速度，r a d s n 。、n l 制动轴初始和终止转速，r m e 换算到制动轴上的所有直动质量的动能 e z ；里鳗二鳗! ( 2 - 4 ) 2 9 直动部分的总重量，k g ： 、q 直动部分初始及终止速度，m s ； g 重力加速度； m ，换算到制动轴上的总摩擦力矩。 2 制动的效能因素 它表明了制动器的抗衰退性能，其定义是指制动衬片与制动鼓( 轮) 或盘之 间的摩擦力( f ) 与作用于蹄或片上的制动力( 驱动力目) 之比值，即制动器的效 能因数 k 旦或k 墨! 垦! ( 2 5 ) p qp n 制功器的制动因数，也是各制动蹄或块的制动因数之和。对一定几何结构 参数的制动器，制动效能因数仅是衬片材料摩擦系数的函数。制动过程中，摩 擦温度、相对滑动速度，压力及相对湿度等的改变，都会影响衬片材质摩擦系 数的变化，因此制动因数一摩擦系数曲线的斜率，可作为制动器的敏感度，即相 对于一定摩擦系数值( 肛) 或口值变化时力矩的变化率也就反映了制动性能的稳 定程度或制动器的抗衰退性能。 s b d k d p ( 2 - 6 ) 不同结构型式的摩擦制动器，其制动因数及敏感度不相同，从表2 - 1 中可 看出，盘式制动器的制动因数较低，其敏感度较小。制动因数过大，将会引起 过高的敏感度岛而使制动稳定性恶化。当趋于m 时，若对制动蹄( 块) 施加 很小的力，则主蹄产生的制动力矩急剧增大而锁死车轮( 抱死) ，这种现象必须 防止。但这也是盘式制动器比鼓式制动器优越之处，也是它能在轿车中得到广 泛应用的重要原因之一。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 不同结构型式制动器的k 及岛 制动器类型ka k ( )抗衰退 s 口 性能 盘式制动器 0 7+ 1 4 1 42好 内领一从蹄 2 m 一2 8+ 2 1 2 18 0 蹄双领蹄2 5 _ 一3 5+ 3 6 2 81 2 式双向增力3 o _ 一7 o+ 5 l 3 34差 3 制动器的额定吸热率 它是制动器的热特性指标，表明制动时在单位时间内制动器所能吸收的热 负荷。摩擦制动过程中大量的动能转换为热能时，衬片及对偶件材质所能承受 的最大热负荷与制动工况条件有关，连续制动时的额定吸热率为： q d 一五面a t r “而a f r ( 2 7 ) 式中 a i 。制动盘最高的体积温度； a 传热系数； 艮制动器的散热面积； y 比重； c 比热； v 哺0 动盘的体积； t 连续制动的时间，s 反复继续制动时，若第一次制动后的蓄热q 不散出，经n 次制动后所达温 度为： z 。卫堕型竺空出盟 ( 2 8 ) “ c r v1 一e x p ( 一a f x t 。c ) 2 2 制动器的摩擦原理及摩擦材料的关键作用 摩擦制动器的工作原理，是利用摩擦副相对运动时接触表面问所产生的摩 擦阻力来调节相对运动速度或停止运动，从而达到制动的目的。 2 2 1 制动摩擦特性 无论是鼓式、盘式还是带式结构的制动器摩擦副，多数处r 干摩擦的滑动 武汉理工大学硕士学位论文 摩擦状态。制动衬片( 带) 与转动的制动鼓( 盘) 接触时所产生的摩擦阻力来自表面 接触处分子间的引力所产生的“粘着”阻力和由于表面凹凸不平而产生的机械 变形阻力，它们之间的关系可由下式表示： f = f l + f z ( 2 9 ) 式中：f 一摩擦力，n ； f 1 粘着阻力，n ； f 于q 形阻力，n ； 由于衬片和盘( 鼓) 表面形貌的粗糙度和接触时的不均匀性，实际接触面积 远远小于名义接触面积。 在外力作用下，接触点处承受较大的应力而产生弹性或塑性变形，吸附在 摩擦表面上的污染膜，有可能因高压及在变形过程中受到破坏、剥落或被挤出， 造成基体间的直接接触而产生“粘着”或“冷焊”。“粘着”的实质及其产生的 机理，虽至今仍未有统一的看法，但以接触物体间的分子作用为前提的吸附理 论认为：任一固体表面状态的能量，都是处于不稳定的状态，当两个物体表面 接触和接近某一距离时，就有发生分子间吸力或斥力的条件，其吸力或斥力的 大小取决于相互作用的距离及物体表面的性质，由不同材料组成的摩擦副，其 分子间的吸力或斥力大小是不一样的，所表现的“粘着”力是不同的。b u d d y 通道电子显微镜、x 衍射仪和俄歇能谱电镜，在温度为2 0 c 、真空度为1 3 3 3 2 2 1 0 。1 0 p a 条件下，研究了c u 、a 1 、n i 、p t 、t i 、s b 、c o 和f e 组成的摩擦副摩 擦时原子层范围内的原子公布和0 0 1 单分子层的表面中元素的成分，表明了产 生“粘着”的实质，其结果见表2 2 。 表2 2不同金属对铁的“粘着”力 金属种类能量原子半径原子价在铁中的对铁的粘 ( j m 0 1 ) ( a )溶解度( )着力( 1 0 3 ) f e4 1 6 71 4 12 ：3) 4 0 c o4 2 4 51 2 52 ：33 51 2 n i4 2 8 31 2 42 ：39 51 6 c u3 3 8 31 2 71 ；2( 0 2 51 3 a g 2 8 5 91 “1 0 1 3 0 6 a u 3 6 6 81 4 41 ( 0 50 5 p t5 6 4 41 3 42 ：42 01 0 a i3 2 1 91 4 032 2 2 5 p b1 9 6 81 7 5 2 ；4 1 4 t a7 8 1 71 4 75o 2 02 3 从表2 2 可以看m ，卜述纯会属与铁的表面均会产生“粘着”作用，【l 同 武汉理工大学硕士学位论文 一金属组成的摩擦副所产生的“粘着”力比由不同金属组成摩擦副的“粘着” 力要大得多，由不同金属组成的摩擦副中以铝( a 1 ) 与铁形成的“粘着”力最大， 而a u 与f c 之间的粘着力最小。不同金属自粘着性与外层电子数有关，外层 电子( 价电子) 对粘着起重要作用。s 或p 层缺少外层电子的原子，自粘着系数高， 而外层不缺电子的原子，自粘惹系数低。原子中缺少电子的总数则与粘着力大 小无关。 2 2 2 摩擦材料的磨损 制动衬片与对偶件在摩擦过程中，表面的相互作用将引起表面材料的流失 和转移，即产生磨损，它使制动副的间隙增大，直至衬片或盘( 鼓) 不能继续使 用，这就是制动副的使用寿命问题。从安全可靠性考虑，希望制动的摩擦系数 较高，尤其在高温下仍能保持较高的摩擦系数，即有足够的制动摩擦力矩。但 _ 般来说摩擦系数愈高，摩擦所产生的剪切阻力愈大，表层所受的剪切应力也 愈大，因而摩擦面材料的流失或破坏会愈严重，产生的磨损愈大，使用寿命也 愈短。因此摩擦与磨损是摩擦过程中既相关又矛盾的两个方面，不同的工况条 件和要求，侧重有所不同，但对制动摩擦副来说，需有一定的摩擦阻力而又不 致引起过大的磨损。制动副磨损的形式与摩擦过程中的摩擦状态有关，并随工 况条件及摩擦副材料不同而异。磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、热疲劳磨损、 氧化磨损。 1 粘着磨损 由于接触的不均匀性和分散性，接触点处承受高压、高温而形成局部粘着 点。当粘着点受剪切所产生的摩擦阻力大于表面膜与基体的结合力或基体材料 本身的流动极限时，在法向和切向力的联合作用下，表面膜将破裂、挤出。剪 断面总是在强度小及表面不平的表面。摩擦面的表面材料粘到另一面上而产生 材料的转移，一般是较软材料转移到较硬材料表面上。粘着磨损的磨损量可按 下式计算： 矽2 吒卢l + 掣2 嚣 2 _ 1 0 ) 式中：芦表面膜摩擦量系数，0 ( 卢( 1 ； j 0 仅金属接触部分的概率； “摩擦系数； d 常数，由实验确定其数值： 武汉理工大学硕士学位论文 f 叫 力，n ； h b 较软材料的硬度。 2 磨粒磨损 无论是摩擦衬片还是对偶件表面，摩擦初期由于表面粗糙及表面温度不高， 硬质点( 包括衬片材质中的高硬度填料、对偶件表面的凸峰或外界尘埃、砂粒等) 在切向力的作用下将材料表层划伤或犁出沟槽，对有机摩擦衬片的材质，其磨 粒成卷曲状。 3 热疲劳磨损 制动过程中由于表面接触的分散性，每经一个接触斑点就是一变形波。表 面接触处承受循环应力的作用，反复制动时将产生较大的温度梯度，受循环热 应力的作用，表面或在表层、多相的晶界面或界面处将产生裂纹，裂纹扩展至 小块磨粒而剥落。对于粉末冶金摩擦村片，材质的多孔性就形成许多应力源， 在反复热应力作用下，易出现疲劳磨损；对于有机摩擦衬片，在填料一粘合剂或 填料填料界面间总存在一些粘合强度的薄弱点而成为裂纹的根源。 4 氧化磨损 制动过程中，摩擦面受高温作用，易与空气介质中的氧起作用，有机衬片 高温下的热氧化，使金属表面形成氧化膜，继而破裂而产生磨损。 制动过程中出现的磨损形式随工况条件、摩擦副材料质量不同而异，而且 在制动过程的不同阶段呈现的摩擦形式也有所不同。有机摩擦衬片与灰铸铁对 偶件摩擦时，在制动摩擦初期表面温度不高，以磨粒磨损和热疲劳磨损为主。 2 2 3 摩擦材料的热稳定性 1 制动摩擦过程中的相变 制动过程中，在摩擦热力的作用下，材料表层的结构组织将发生变化。制 动工况条件不同，受热力作用的大小不一样，摩擦面的温升不同，材料表层相 应地产生强化和弱化( 包括碳化) 、冷作硬化、回火、再结晶；固熔体和过剩相 的析出；a 与y 相的互相转变；新生物的形成等等。所有这些变化都会影响到 制动副摩擦性能的改变。 在稳定的摩擦热力状态下，即在规定的表面温度和一定的连续接触时间所 进行的摩擦，当摩擦温度超过& l 时，就发生n 相转变为y 相和原珠光体向奥氏 体的转变。摩擦过程中因摩擦热的作用，原了洲的相互扩散，会引起材料中的 碳及合余元素更新分配而形成一种特殊的结构摩擦奥氏体( 奥氏体一马氏 武汉理工大学硕士学位论文 体一碳化物) 。它与般残余奥氏体的区别在于硬度较高，晶格常数较大。在一 定条件下，摩擦奥氏体又可转变为摩擦马氏体。当接触应力低于某一值时，不 能形成摩擦奥氏体。 非稳定摩擦条件下，即在反复制动下，材料表层受到“温度力”的循环作 用，每一次制动即为一热冲击，下一次制动则在上次已形成的结构下工作。由 镍铬钼合金铸铁铁基粉末冶金衬片组成的制动副，由于接触较分散、摩擦面上 温度分布不均匀，使制动表面的结构变化也不均匀。热作用区在l 一2 秒就可形 成奥氏体，4 - 6 秒就有f e 3 c 的y 相。铸铁表层中摩擦奥氏体的数量，将随摩擦 时间的增加而增多，当整个摩擦面接触时，初期y 相增加快，以后就相对稳定。 表层中的石墨沿摩擦方向被拉长。铁素体在高热作用区，当摩擦温度超过了a c 3 时，将发生口相向r 相的转移；在一定条件下，相与a 相的转移处是可逆的， 当接触处应力较高时，a 相向y 相的转变则较难实行。制动愈频繁，摩擦面的 散热条件愈差，这有利于进一步回火及摩擦面上氧化膜的增厚，但使结构进一 步变化，分散的马氏体量进一步增多。摩擦奥氏体量增加，接着奥氏体量减少， 又增多，这样不断重复。因此在非稳定摩擦条件下，结构变化具有一定的周期 性，即摩擦副在工作过程中，反复的冷作硬化及结构变化、反复的消失都有一 定的周期性，这一结构变化的特点，是因反复制动时“温度切向力”循环作用 所致。这将会影响摩擦系数的稳定性和表面热疲劳裂纹的萌生、扩散，从而产 生磨损。 对于“有机摩擦片金属摩擦副”来说，由于有机摩擦衬片的力学及热物理 性能r 导热性，热容量等1 与金属差异很大，接触机构具有粘弹性特点，制动时 表面和表层的温度分布与金属副是不同的，由于有机摩擦衬片导热性差，对温 度的敏感性高，摩擦热将会引起有机物组分的热分解、热氧化、热交联、环化 等一系列化学结构变化。衬片中有机物的含量及种类不同，摩擦时化学结构变 化的特性也有所不同。 2 制动摩擦过程中的“氢脆”现象 有机衬片与金属制动鼓( 盘) 摩擦时，由于摩擦热的作用，有机物的热降解 和力化学反应而产生的c 、h 2 等气体吸附在对偶件( 金属) 表面上，并向内部缺 陷和空穴处逐渐扩散，对偶件表层中的含氢量大大增加。金属中的含包量，随 着压力和速度的增大而增加。高温时( t 1 0 0 0 。c ) ，达到相变温度时，在法向应 力梯度及温度梯度的作用下，氢的溶解度增大为一个数量级。 f e 3 c + 4 h _ 3 f e + c h 4 ( 2 1 1 ) 高温下氧的扩散又引起浓度的分布不均，最大浓度靠近摩擦表面，表层是 微硬度h v 最高处，也是氢的浓度最大处。其浓度梯度的存在又促进了氧的扩 武汉理工劣：学硕士学位论文 散。 ，i 一d i _ o c i d x 式中b 扩散系数 c _ 浓度 x 一坐标 ( 2 1 2 ) 制动过程中接触处的弹性或塑性变形，可加速氢的扩散，因此氢在金属表 面中的扩散速度取决于应力梯度、温度梯度及浓度梯度，可用如下公式表示： ，d o _ o c t 蝎罢+ d c i o c ( 2 1 3 ) 0 x“0 式中三k 、珥、丑l 由于应力、温度、浓度变化而引起的扩散系数； 仃应力，n m 2 ； t - 一绝对温度； c _ 一氢在金属中的浓度。 其中温度梯度及浓度梯度是由于摩擦热产生的，故也是热扩散的动力。当 表层某处的含氢浓度达到某一值( 饱和) 后，即产生“氯脆”现象，这将促使 对偶件( 鼓或盘) 磨粒的形成与分离，使之磨损增加，对偶件材质中含有合金 元素，将使氢的扩散速度降低。如何减少氢的形成、吸附及扩散，是选取衬片 与对偶件材质时应考虑和注意的问题。 3 制动摩擦中的表面膜 摩擦表层一般是由污染膜、吸附膜、氧化膜以及加工或成型过程中的变质 层所组成。在制动过程中所有表面膜的形成破裂再生都将影响其制动性能和 摩擦副的使用寿命。深入地了解这些膜的形成特性，对正确选择摩擦副材质， 进行制动器的结构设计及衬片材质的配方设计，都是十分有益的。关于表面膜 的详细介绍及相关研究将会在后面的章节里做进一步说明。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章车用摩擦材料的性能要求及配方与生产 3 1 车用摩擦材料的分类 根据摩擦制动器材料性质的不同摩擦副材料可分为两大类：金属衬片一金 属制动鼓( 盘) 摩擦副和非金属衬片一金属制动鼓( 盘 摩擦副。摩擦衬片及对偶件 材料分类如图3 - 1 所示。 摩 擦 衬 片 广铁基( f e ) 厂粉末冶金摩擦片_ 铜基( c u ) 金 ll 铝基( a 1 ) 属 广灰铸铁 类1 铸铁摩擦片 高磷铸铁 ll 合金铸铁 l 高碳奥氏体钢 广酚醛石棉 f 有机石棉摩擦材料 橡胶石棉 ll 树脂橡胶石棉 非f广钢纤维增强 金lf 半金属基_ 铸铁粉增强 属i摩擦片l 铁矿石粉增强 类il广芳纶纤维 il 有机纤维 聚酰胺纤维 i 有机无石棉j 增强l 聚酯纤维 i 摩擦材料 _ (广玻璃纤维 i 无机纤维一碳纤维 i增强l 硅酸铝纤维 i广 i 无机j 石墨 摩擦片l 碳碳基 广一般灰铸铁 铸铁 低合金铸铁 l 蠕虫状铸铁 广碳钢 钢_ 1 合金钢 铜合金 铝合金 烧结金属陶瓷 碳纤维复合材料 阿3 - 1摩擦衬片艘对偶件材料分类 厂，llll，(、ll 料材 ) 鼓 或盘(件偶对 武汉理工人学硕士学位论文 3 2 对摩擦材料性能的要求 由于工况条件不同，制动时产生的摩擦功不一样，表面温升不同，因而制 动摩擦副的性能要求也不一样，汽车制动器制动时，蹄片与制动鼓面的温升为 3 0 0 一4 0 0 ( 盘式制动器达5 0 0 6 0 0 ) ，而火车制动时可达7 0 0 一8 0 0 。汽车制 动器按照结构、载重量、速度、功率大小、制动条件与要求