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第 2 9卷第 4期 2 0 0 6年 7月 非金属矿 No n M e t al l i c M i I l es V0 1 2 9 NO 4 J u1y 20 0 6 汽车摩擦材料物理特陛测试体系与试验方法 田 勇 赵继昌 苏广平 吉林大学生物 与农业工程学院 机电所 长春1 3 0 0 2 5 摘 要 汽车摩擦材料物理特性体系中的可压缩性 剪切强度及受热膨胀率等特性 对刹车片的性能有重要的意义 研究参照了国际标 准规程进行测量的方法和对数据 的计算 分析 并详 细介 绍了对应 于这三种摩擦材料物理特性所 开发 的 J F 2 2 1 A I F 2 1 1 I F 2 0 1 三种测试设备的工 作原理及应 用 关键词 压缩特性 剪切强度 热膨胀 测试方法 P h y s i c a l Ch a r a c t e ris t i c s Me a s u r i n g S y s t e m T e s t i n g M e t h o d s o f Au t o mo t i v e F ric t i o n M a t e ria l Ti a n Yo n g Z h a o J i c ha n g S u Gu a n g p i n g Me c h E l e c E q R e s e a r c h I n s t i t u t e J il i n U n iv e r s it y Ch a n g c h u n 1 3 0 0 2 5 Abs t r a c t Th e c o mp r e s s ibi l i t y s h e a r s l r e n g t h a nd h e a t e d e x p a n d i n g r a t e in t h e p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i C S o fa u t o mo ti v e fi i c t i o n ma t e r i a l a r e i mp o r r a n t t ot h ep e rfo r ma n c e o ffi i c t i o nma t e r i a 1 T hem u r i ngme tho d s a nd d a t e c a l c u l a t i n g a naly z i n g o fthe s e c h a r a c t e r i s t i c s a r et a k e n a c c o r d i n gt othe in t e r na t io n al s t a nd a r d s Th is a r t i c l e int r o d u c e s the d e t a i l e d wo r king the o r y a n d a p p l i c a t i o n o f the e q u i p me n t s J F 2 21 J F 21 1 a n d J F2 0 1 t h a t a r e d e v e l o p e d a c c o r d ing t o the s e p h y s i c a l c h a r a c t e ris t i c s of fi i c t i o n ma t e r i a l b y o u r I n s t i t u t e Ke y wo r d s c o mp r e s s i b i l it y s h e a r s t r e n g t h he ate d e x pa n d ing r a t e me a s u r i n g me t h o ds 汽车摩擦材料主要 的物理特性测试项 目包括 可压缩性 剪切强度 受热膨胀量测定等 这些物理 特性直接决定 了刹车片的各种重要的性能指标 因 此 对这些物理特性的测试就显得格外重要 现就这 些物理特性测试体系 我们提出了如下的测试方法 和试验数据计算方法 1 可压缩特性检测 刹车片工作时 靠正压力产生摩擦力 在正压力 作用下 刹车片产生的变形称为压缩变形 在不 同的 温度时 压缩变形量也不相 同 这种受力与变形的关 系 实质描述了摩擦材料的弹性模量 可压缩特性 是影响汽车制动踏板行程 制动液需液量 制动滞后 的特性值 也影响制动的平顺性和舒适性 对于防抱 死 A BS 制动系统 可压缩特性还将影响 A BS的工 作状况 更重要的是 刹车片的可压缩性与密度密切相 关 而密度影响其固有振动频率 固有频率影响其摩 擦振动和噪声 所以 测定刹车片的可压缩性 可间 接获得刹车片产生制动噪声的重要信息 可压 缩特 性检 测 通 常 依据 I S O 6 3 1 0 J I S D 4 4 1 3 等标准进行 1 1 测试原理与试验机结构测试 的基本原理 如 图 1所示 J I S D 4 4 1 3规 定 加热 板 温度 为 3 0 0 1 0 C 可单片也可两个片相对同时测试 I S O 6 3 1 0 和欧洲 DI N I S O 6 3 1 0以及 DS I S O 6 3 1 0都把加热 板温度提高到4 0 0 5 C 单件测试 I S O 6 3 1 0 还分 别对盘式片材料试块 鼓式片材料试块 制动蹄组件 和盘式片实样的测试加载结构作了规定 l 图 1 可压缩性测试原理示意图 1 热电偶 2 试件 3 活塞 4 压头 5 石英棒 6 热电偶 7 背板 8 加 热板 图 2 J F 2 2 1 A型压缩特性试验机结构原理 1 液压站 2 控制箱 3 计算机 4 加戢部分 5 机座 6 打印机 7 一 位移传感器 8 传感器支座 9 石英玻璃棒 1 0 被试件 l 1 加热板 1 2 隔热板 1 3 升降螺母 1 4 加戢 油缸 一 6 3 维普资讯 第2 9 卷 第4 期 非金属矿 2 0 0 6 年7 月 为更好地模拟制动钳工作状态 考虑活塞的变 形 欧洲采用将活塞分成十个等级 根据实际活塞尺 寸选择活塞大小的方式进行测试 F 2 2 1 A型压缩性 能试验机的整机外形和加载部分的结构原理 如图 2 所示 1 2压 缩试验机 试验 方 法 1 2 1 J I S D 4 4 1 3标准规 定可压缩特性试 验规程 见表 1 表 1 J I S D4 4 1 3压缩测试规程 测试项 目 测试顺序和测试条件 1 把 两个摩擦 片粘舍在一起放入 夹具中 2 表 面加压力 2 0 0 k P a 变形指 示计为零 3 试 片表面压力加到 l 0 0 0 a 停止加 压 迅速读 出压 缩量 4 试片表面压力加到 2 0 0 0 k P a 停止加压 迅速读出压缩量 正常汪度试验 5 试 片表面压力加到 4 0 0 0 a 停止加 压 迅速读 出压 缩量 6 试片表面压力加 到 6 o 0 O k P a 停止加压 迅速读 出压缩量 7 试片表面压力加到 8 0 0 0 a 停 止加压 迅速读 出压缩量 8 压力返回到 0 9 重复 2 8 过程 4 次 1 0 两摩擦块中间放一加热板 重复第9项 高汪试验 l 1 加热板表面升温3 0 0 1 0 12 持续 2 h l 2 在 l m i n内 把摩擦 块取 出 执行 2 8的过程 说 明 变形数值精 确到 0 0 0 1 mm 后 面的数值 四舍五入 加 压速率大约 l m min 绘制压 缩 变形 曲线 1 2 2 I S O 6 3 1 0标准规定的可压缩特性试验规程 用千分尺在试样的几个点上测量其厚度 计算这 种厚度的平均值 击 在室温下将试样放在板上 使其摩擦面对着板的摩擦面 用压头正向负荷 用 压头压试样 使试样产生 0 5 M P a 的压力 加上一 个测压缩量的仪表并将其调整到零 对于盘式片 试样 加压负荷至 4 MP a 记下 d l 厚度减少的数值 然后加压负荷至 6 M P a 记下 的变化情况 最后加 压负荷至 8 M P a 记下 喝的变化情况 降低压力负 荷到零 盘式片试样 从零到 8 M P a 分 5 次加压负 荷 鼓式片试样 从零 到 3 MP a 分 5次加压 负荷 然 后回到零 加压负荷到 0 5 M P a 然后将表调回到 零 对盘式片试样增加负荷至 8 M P a 对鼓式片试 样增加负荷至 8 MP a 测量 d l 厚度的最终减少 的数 值 从加热板上取下试样 将板加热到 2 0 0 1 0 C 的稳定的表面温度 将试样放到加热板上 预负 荷至0 5 M P a 以保证良好的热接触 2 0 0 C 温度保持 1 0 ra i n 如有必要 重新预负荷 0 5 M P a 然后按 项进行 仅用于盘式片试样 从加热板上取下试样 然后将板加热到一个稳 定的温度 4 0 0 1 0 C 将试样放在加热板上 施加预 负荷 0 5 M P a 以保证良好的热接触 然后按 项进行 计算结果以每组试样测试结果的算术平均值表 示 按下式计算 6 P F 1 式中 6 为压缩强度 压缩屈服压力 压缩偏置应力 和规定应变时的压缩应力 MP a 只 为应力或强度 的 负荷值 N E 试样的受压横截面积 n l l n 2 应特别指 出 欧州常采用加压活塞面积 压缩应变按式 2 计算 以每组试样的算术平均 值表示 8 h h o 2 式中 s 计算的应变值 A虹 试样的原始高度的变 化 m m 试样的原始高度 in n 压缩模量按式 3 计算 结果以三位有效数字表 示 6 8 3 式中 E 压缩模量 M P a 应力应变 曲线的线性范 围内的任意应力值 M P a s 与应力应变曲线 的线性 范围内的应力相对应力 相对应的应变值 2 剪切强度检测 剪切强度对于制动片非常重要 盘式片或粘结 式制动蹄 粘结面的剪切强度指标是重要的指标 使 用中一旦 出现脱 片现象 将导致制动系统失效 造成 严重后果 应引起足够重视 因此 剪切强度检验是 制动片必备的检测项目 2 1 J F 2 1 1型剪切强度试验机测试原理及整机结构 J F 2 1 1 型剪切强度试验机是 由德 国 K r a u s s 公司提 供机械部分参考图纸 由吉林大学机电设备研究所 补充设计液压系统和计算机控制系统开发的最新机 型 图 5 该机剪切夹具部分确保按标准规定的结 构尺寸 且更换容易 加载速率 由电液伺服阀控制 全部试验过程 由计算机控制 试验后 自动生成试验 报告 剪切强度测试内容 包括盘式片摩擦材料与背 板的粘结剪切强度 鼓式片与蹄铁的粘结剪切强度 和摩擦材 料 内部 的剪切强 度 相应的标准为 I S O 6 3 1 2 J C 厂 I 4 7 2 9 2 GB 厂 I 1 1 6 1 o 标准中规定的各种试验夹具设计原理 结构 见 图 3 4 I 6 4 一 图 3 盘式片剪切夹具设计原理图 1 支座 2 上压板 3 剪切头 4 制动衬片 5 制动蹄 维普资讯 第2 9 卷第4 期 非金 属矿 2 0 0 6 年7 月 0 3 0 5 画 图 5 剪切强度试验机整机结构 图 1 机座 2 液压站 3 加 栽油缸 4 一 导杆 5 限位开关 6 精 密压 力 表 7 气源压力表 8 加压气缸 9 挡块 1 0 控制 台 1 1 试件 1 2 剪 切头 1 3 拉压 传感器 2 2 试验方法正常的剪切试验 要求相应的剪切 头和夹具的位置必须正确 特别是剪切头与刹车片 边缘的接触和负荷方 向应符合规定 按规定的速率 施加负荷 直到发生破裂为止 施加负荷时 不许冲 击 剪切强度按下式计算 T F M N ram 2 4 式中 试样面积 A 以几何表面计算 剪切强度 以 5 次测量 的平均值表示 3 热膨胀量测试 热膨胀量测试 是模拟制动器连续工作 如下山 长距离制动 工况 刹车片受热膨胀状况的检验项 目 如果膨胀量过大 甚至超过制动钳活塞 回位量或 者鼓式制动器分泵的位移量 就会导致制动器不能 彻底释放 因此 制动片的热膨胀量是一个重要指 标 3 1 测 试原 理 与试 验 机 结 构 I S O 6 3 1 3 J I S D 4 4 1 6 标准对热膨胀测试原理作 了相应规定 I F 2 0 1 型热膨胀测量仪 是由吉林大学机电设 备研究所按照 I S O 6 3 1 3和 J I S D 4 4 1 6标准规定 的测 试原理 采用计算机控温 数据采集并完成全部试验 过程 其中位移测量采用二支精密位移传感器 加热 采用特制的大功率 电热管 由于采用 P I D控温方 法 可保证线性升温 并切实满足 1 0 0 5 m i n达到 4 0 0 5 C的加热要求 J F 2 0 1 型热膨胀测量仪 的整 机外形和测量部分结构原理 如图6 所示 A 图6 J F 2 0 1 型热膨胀仪结构 图 A 1 主机 2 控制箱 3 计算机 4 工作 台 5 打印机 B 1 加 热板 2 试件 3 热电偶 4 活塞 5 支架 6 加栽弹簧 7 调 整螺杆 8 受柄 9 位移传感器 1 0 滑板 1 1 一 底座 1 2 手轮 3 2 测试方法按 I S O 6 3 1 3标准规定 的试验规程 进行 3 2 1 测试步骤 从成品仓库里取出样品作为试件 刹车片在放人检测装 置之前 用砂纸 砂粒尺寸 N o 1 2 0 磨蚀它们的两边 以清除表面的喷涂层 并使其 本身表面平滑 均匀 清除背板沉孔里的所有摩擦材料 直至足够的 深度 以免影响测试效果 盘式刹车片背板配置有隔音薄片时 该薄片的 准备工作与摩擦材料一样 以提供良好的接触面积 确定两个参 照点 引 测 出参 照点 的厚度 精确度 达 0 0 1 ra m 取两点的平均值用 d m表示 测量刹车片外 形有关尺寸 的值 用 表示 刹车片边上钻一个直径 2 m m的小孔 小孔 向下 延伸到两个参照点 中的一个 小孔平行于摩擦表面 距表面 5 m m 用来铠装热电偶 在刹车片背板上钻 一 个直径 2 m m的小孔 与上述小孔平行而且深度相 等 用来安装热电偶 如盘式刹车片装有隔音片 就 不必钻这一小孔 刹车片超过 1 2 0 X 8 0 X 2 0 m m者 应加以切削或修磨至这一尺寸范围 热源必 须能使加 热板在 1 0 0 5 m i n内上升至 4 o 0 在特殊条件下 尤其在测试应用于某种特定 型号车辆 的刹车片时 也许必须在不到 1 0 mi n的时 间内达到 4 0 0 以上 如果盘式刹车片配有隔音片 在刹车片与夹具 之间放 4X 8 0 X 1 0 0 ram的导热板 用来测量热传导 导热板温度用安装在小孔里的热电偶测得 小孔延 伸到导热板 的中心 夹持盘式刹 车片的夹板 配置一个 能够施加 2 0 2 0 0 N的装置 在同一边的移动测量仪 要测出底 板或中间板移动的数据 把刹车片放在加热盘与夹 板之间 摩擦面朝向加热板 刹车片表面承受的夹力 一 6 5 维普资讯 第2 9 卷 第4 期 非金属矿 2 0 0 6 年7 月 约 0 0 2 N m m 2 如果盘式刹车片配有隔音片 在刹车 片与夹板之间放入一中间板 装上千分表或者位移 传感器 并调到零 启动加热器 使其在 l O mi n内温度达到 4 0 0 在特定条件下 尤其在测试某种特定型号车辆 的刹车片时 也许有必要在不到 1 0 mi n的时间内达 到 4 0 0 C以上的最终温度 试验中 需测量刹车片与 加热板温度的变化 测量摩擦材料与背板或 中间盘 在加热和冷却过程的位移量 如果测量的数据不是 用记录器记录 那么加热盘在 5 O c I 至最终温度之 间 每间隔 2 5 C 应读一次 达到最终温度后关闭热 源 进入冷却阶段 冷却时需进行 自然冷却 加热板 冷却到 5 0 时 立即开启热源 重复上述程序 在第 二次加热期间 不论出现什么情况都不必进行任何 调节 测试终了时 在室温条件下测量刹车片的尺寸 其值称为 d B i 3 2 2 试验测试结果 包括如下几个方面 盘式刹车 片的材质牌号 类 型及来源 试验开始 时的平均厚度 d m 与温度及试验阶段相应的刹车片厚度相对变化 的最大值 第一次和第二次测试时间 在最高温度时 的刹车片厚度变化 在试验终 了冷却到室温时 刹车 片厚度及外形尺寸的变化 第一次和第二次测试期 间 在加热板达到最高温度时刹车片背板或中间板 上接 第 6 2页 解加剧 导致各种增强纤维与基体树 脂较快地转移 磨损率有所增大 在 2 5 0 C 时A试样 摩擦系数急剧衰减 磨损来 自黏结树脂 的分解碳化 和热疲劳 导致表面全面崩溃后表面材料大量转移 磨损率非常高 表面形貌如图 5 a 所示 3 结语 1 由于编织摩擦材料在运行 中 可能 出现树脂 在摩擦面上的富集 故树脂对摩擦材料的性能有显 著的影响 2 双改性树脂 由于引入 了无机元素硼和有机改 性剂 耐热性比传统的聚桐油脂有明显的提高 故用 于无石棉编织摩擦材料 使之抗 热衰退能力获得明 显提高 热衰退温度点提高了5 0 左右 3 正常运行过程 中 双改性树脂制 动带摩擦材 料的摩擦系数稳定 数值比聚桐油脂的高 降温恢复 摩擦系数的重现性好 运行性能稳定 4 两种制动带摩擦材料的磨损率均随温度上升 有所上升 在低温阶段磨损率相近 大 于 2 0 0 后 的温度 试验后盘式刹车片的外观 尤其要注明摩擦 材料出现任何龟裂 起泡 剥皮 破碎的现象 以及与 背板分离的情况 4 其它理化特性检验 摩擦材料其它理化特性 包括硬度 冲击强度 弯曲强度 密度 吸水 油 率 收缩率 显气孔率 丙 酮可溶物测定 耐腐蚀性测定等 这些测试用于产品 质量控制或出厂检验 5 结束语 所设计 的相关汽车摩擦材料的物理特性测试 如可压缩特性 热膨胀量测试及剪切强度测试等设 备 经长时间的应用 现在不但被国内同行所接受 而且得到国际认可并已出口 参考文献 1 I S O 6 3 1 3 1 9 8 0 公路 车辆盘 式刹车 片尺寸和 形态 受热影 响测试 方法规程 s 2 I S O 6 3 1 2 1 9 8 1 汽 车刹 车片 盘 式刹