制动器惯性试验台架的研究与开发（第二稿）

分类号 学 号 硕士学位论文制动器惯性试验台架的研究与开发廖云霞指导教师姓名 长安大学 魏朗 教授 申请学位级别 硕 士 专业名称 载运工具运用工程 论文提交日期 2006年5月 日论文答辩日期 年 月 日 学位授予单位 长安大学 答辩委员会主席 评 阅 人 二六年五月91摘 要汽车制动器是关系到行车安全的关键设备，其质量至关重要，而完善的测试体系和良好的测试设备是保证产品质量的前提和基础。论文在综合研究国内外汽车制动器试验台架的基础上，利用先进的控制理论和计算机技术，设计研制出了制动器惯性试验台架。该台架能够按照国标QC/T239-1997货车、客车制动器性能要求和QC/T479-1999 货车、客车制动器试验方法的要求，可以实现汽车制动器性能的检测和试验，可以实现汽车制动器生产厂家的产品开发试验、产品质量控制以及汽车整车研发机构的制动系统匹配试验等。本文首先介绍了制动器性能要求和制动器试验方法，全面分析了国内外与制动器相关的试验设备的原理、现状和特点，提出了制动器惯性试验台架的设计原理和相关技术，并对惯性制动器试验台架的设计实现作了详细说明。具体包括试验台惯量的确定和组合、主驱动电机的选择、整机结构与安装方式、滑台结构与锁紧方式、试验台架冷却与除尘等。最后，结合试验台架设计要求和技术指标进行了分析验证。该试验台架顺利通过验收。实践证明：该试验台架在功能上能够满足最初提出的制动器效能试验、热衰退及恢复试验、制动衬片（块）磨损试验、制动器噪声测定以及同步测量记录试件温度、记录输入管路压力和输出制动力矩的关系、记录制动试件与输出力矩关系的要求。由于采用了成熟可靠的机电设备和自控技术，试验台架结构合理、控制手段先进、基本功能完善、系统运行安全、稳定、可靠。 关键词：惯性式；摩擦材料；制动器；试验台架；目 录第一章 绪 论11.1 问题的提出11.2 研究意义11.3 国内外摩擦材料试验设备分析21.4 相关技术概述111.5 本论文的主要研究内容14第二章 制动器相关理论分析152.1 制动摩擦原理152.2 制动器性能要求182.3 制动器性能试验方法23第三章 制动器惯性试验台架设计原理343.1 汽车制动过程分析343.2 制动器惯性试验台架基本设计思路353.3 制动器惯性试验台架设计原理37第四章 制动器惯性试验台架技术方案与设计实现524.1 重型车制动器惯性试验台架设计任务书524.2 重型车制动器惯性试验台架设计与实现54第五章 试验台架应用实例自动调整臂试验735.1 自动调整臂工作原理735.2 影响自动调整臂功能的因素分析755.3 自动调整臂的性能检测755.4 试验方法及实测数据765.5 出现间隙变化的原因分析78第六章 结论与建议806.1本论文的结论806.2 进一步研究的建议81特别致谢82参考文献83攻读学位期间发表的论文85 第一章 绪 论1.1 问题的提出随着我国汽车工业的飞速发展和汽车保有量的急剧增加，汽车安全问题引起了我国政府和广大民众的高度关注。众所周知，制动器是保证汽车安全行驶的重要部件之一，而制动器的一对摩擦副制动盘和摩擦垫块或制动鼓与刹车蹄，是制动器中的关键偶件，其摩擦磨损性能对汽车的制动性能起着十分重要的作用1。通过试验台架来模拟制动器实际使用条件，从而实现对汽车制动器总成性能的检测，是本课题研究的出发点。国家汽车质量监督检验中心（襄樊）是一个国家授权的汽车整车和汽车总成、零部件检测机构。随着国家对汽车总成、零部件质量重视程度的逐步提高，汽车制动器试验任务不但增加，总成试验室根据自身检测力量的实际情况，提出了研制汽车制动器惯性试验台架的要求。1.2 研究意义制动器试验台架的作用，就其本质来说是摩擦材料的试验和验证。我国的摩擦材料试验检测设备是在引进国外设备的基础上发展起来的。目前，在用的设备中有从日本、美国、德国进口的各种类型的试验检测设备，也有国内厂家生产的检测设备，其试验原理、试验方法和设备技术水平都有较大的差异。通过对国内外试验设备的研究，研制高水平制动器试验台架，使其更好地模拟制动器实际使用模式和环境条件，可以更真实地反映制动器性能，从而能够提高制动器研发水平，提升制动技术，发展摩擦材料理论。研制高水平制动器试验台架，还可以提高制动器测试技术，提高试验台架的设计水平，对制动器产品的研发、质量控制以及整车制动性能的提高都有十分重要的意义。1.3 国内外摩擦材料试验设备分析国外汽车摩擦材料的研究已经开展得比较广泛。目前，摩擦材料试验设备大致有定速摩擦试验机、FAST试验机、Chase摩擦试验机、Krauss摩擦试验机和惯性台架试验机等几种形式。1、定速摩擦试验机HP-S定速摩擦试验机最早由日本人采用，它是通过测出一定压力、速度下连续制动时，摩擦材料的摩擦系数和磨损率随温度变化情况，从而判断摩擦材料性能的试验设备。其特点是采用盘块式摩擦副，定速滑磨。图1-1 定速摩擦试验机1、皮带轮； 2、转轴； 3、轴冷却水喷嘴； 4、冷却水喷嘴（微调） 5、冷却水喷嘴（粗调）6、辅助加热装置； 7、试片； 8、摩擦盘； 9、试片支撑臂； 10、加压轴； 11、摩擦力测定用弹簧； 12、链轮； 13、杠杆水平调整装置； 14、载荷用杠杆； 15、杠杆水平指示器；16、砝码；17、摩擦力记录滚筒； 18、油缓冲器如图1-1所示。定速摩擦试验机是由电机通过三角带、锥形齿轮带动主轴上的摩擦盘以一定速度（790rpm）转动的。试样（25mm25mm）安装在上支撑臂中，并通过加载杠杆系统向摩擦盘施加一定负荷。摩擦面温度由热电偶测量，加热装置置于摩擦盘下。摩擦力矩则由弹簧系统的测力杆和转鼓记录。该机结构简单，操作方便，已作为我国评定衬片材质和摩擦性能的标准样机之一。国产的MD240定速摩擦试验机工作原理相同，但杠杆加载系统改为液压加载。定速摩擦试验的条件如下：试验速度：v7.5ms试验压力：p=106N.m2摩擦盘材质：HT2040灰铸铁，珠光体大于95%，HB170210摩擦盘温度：100350升温) 350100 (降温)测量参数：不同温度时(100350)的摩擦系数 不同温度时(100350)的磨损率W 2、FAST摩擦试验机FAST（FRICTION ASSESSMENT SCREENING TEST的缩写）摩擦试验机是美国福特汽车公司研制的专门评价制动衬片和离合器摩擦面片的摩擦磨损性能的试验机。其主要试验方法是恒摩擦力试验。当摩擦系数因热衰退导致摩擦力衰退时，通过提高试验压力的办法保持恒定摩擦力，这与制动衬片在行车制动中的工作状态加大制动踏板力提高制动系统管路压力相似，因此有较好的模拟性。图1-2 FAST摩擦试验机外形如图1-2所示。试验机本体由驱动电机、摩擦盘、加载臂、夹紧总成、控制阀总成、基座兼储油室、压力传感器及附于本体上的开关柜和电动泵组成。FAST试验机的主要功能是：研究测定摩擦系数与温度、压力的关系，增加某些附件后，也可用于研究与速度的关系；还可以用于研究静摩擦、衰退特性、尖叫界限、残余拖磨等方面。FAST试验机的主要技术参数为：驱动电机功率： 0.7355kw主轴转速（定速）： 900850r/min(50Hz时)；1000950r/min（60Hz时）最大允许摩擦力： 当额定功率为0.7355kw时为97.86N夹紧管路压力（Pcmax）：4.34MPa(630psi)滑磨线速度： 7m/s（r3），6.78m/s（r2.9）转速： n880r/min（有载情况下）摩擦盘： 外径179.3mm，厚度38mm，铸铁材质试样尺寸： 12.7mm12.7mm，厚4.7mm/25.4mm25.4mm，厚4.7mm试件数： 1个摩擦副形式： 平面摩擦 3、Chase摩擦试验机Chase摩擦试验机由美国LINK公司制造，1958年由美国汽车工业工程师协会（SAE）作为制动衬片质量控制的测量设备，目前应用比较广泛。其结构原理如图1-3所示。调速电机带动一端装有试验制动鼓的主轴旋转，试样(254mm254mm)安装在可施加负荷的杠杆一端的夹具中。通过调节气压和垂直加载，经伺服阀控制正压力。测力杠杆经压力传感器，输出摩擦力信号并反馈系统控制施加压力的大小以实现恒摩擦功输出的测试。气缸和电磁阀的作用是控制加载杆的升降，便于更换试样。试验制动鼓的外套设有一加热装置，用调压器和空冷方式来保持一定的温升条件。鼓上装有三对不同深度的热电偶，可测量不同深度方向的摩擦温度。该方法与前两种试验方法不同之处在于该机采用的是输入恒摩擦功的试验方法，通过正压力的调节来保持一定的摩擦力，正压力的变化情况也就反映衬片摩擦性能的变化，因此也是评定制动衬片质量一种快捷方法，得到较广泛的认可。而且，随着计算机的广泛应用，其试验程序，包括试验参数的选择、程序的执行和处理，测试结果的分析和数据的记录等，均可用微机来控制。图1-3 Chase摩擦试验机1、负荷传感器； 2、气压记录仪； 3、压力调节器过滤器计量表；4、电磁气阀；5、汽缸； 6、周期继电器； 7、鼓的辅助加热器不同型号的Chase试验机，其试验参数有所不同(见表11)，但试验制动鼓材质及尺寸大小是一致的。试验对偶件材质：低合金灰铸铁(C r(0.150.25)，Mo(0.20.3)，Ni(0.60.7)；珠光体组织；硬度为HBl79220尺寸：试样尺寸为25.425.46.1mm表11 不同型号的Chase试验机的试验参数试验参数 型号M858M600调速范围（rpm）调压范围（Pa）电机功率（kw351501000060022这种试验机也可模拟潮湿或涉水条件下制动衬片摩擦性能的变化情况。4、惯性摩擦试验机MM1000惯性摩擦试验机是在原苏联JO1、JO2试验机的基础上改进研制的，国内已经定型。该试验机是一种模拟短时反复制动时的惯性摩擦试验机，基本能满足干式摩擦试验多方面的要求，增加辅助装置后可用于湿式摩擦试验要求。图1-4 MM-1000摩擦试验机结构原理图1、主轴； 2、飞轮组； 3、4 支承架； 5、电磁离合器； 6、金属对偶（环行试样）；7、摩擦材料（环行试样）； 8、汽缸； 9、平皮带； 10、机架； 11、调速电机国产MMl000摩擦试验机(如图1-4)，由调速电机(010000 rpm)通过平皮带带动主轴l旋转，经离合器与一端装有环形试样的主轴相联接或脱离。同样形状尺才的试样安装在固定于加载气缸轴的一端。主轴1的一端可更换不同的转动惯量盘，转速可通过整流子电机无极变速，载荷可通过气缸的不同气压来调节。装在气缸主轴端的等强度杆可测量制动摩擦力矩。摩擦温度则可用装在固定件上的热电偶来测量。该机可在不同转动惯量下，对不同制动速度、制动压力、制动频率、制动时间、制动间隔时间等参数条件下制动衬片材质、摩擦力矩、制动温度及衬片磨损量的变化特性进行评定，并模拟汽车摩擦制动副的工况条件，在干摩擦条件下，评定衬片材质的摩擦性能；也可在有润滑的条件下，评定湿式制动材料的摩擦性能。制动时间、制动压力、次数及频率以及相应的摩擦力矩和温度等均可通过二次仪表自动记录和调节。这种试验机适用于压力及速度变化范围较大的摩擦制动装置，对不同的摩擦状态，模拟工况条件有一定的实际意义，但不适宜用在低速度和小压力的场合，因其试样小，散热大，又无加热装置，难以达到所需的摩擦温度。其主要技术参数为：主电机： 带遥控调速装置的JZS2型三相异步整流子变速电机功率： 07.5kw调速范围： 02850r/min遥控电机： 0.12kw主轴转速： 09000r/min，无级变速加压方式和范围： 气压加载（可预选压力）装用小汽缸时： （15150）9.8N装用大汽缸时：（901000）9.8N惯量模拟方法范围： 用组合飞轮通过弹性联轴器与主轴连接范围： 0.315千克力.厘米秒2 级差： 0.1千克力.厘米秒2磨头中心高度及移动范围：中心高度170mm试件尺寸： 种类 外径 内径 高度大磨环 78mm 53mm 20mm 小磨环 28mm 20mm 15mm5、多用途摩擦试验机我国自行研制的MD79型多用途摩擦试验机是在定速试验机上，增加摩擦温度的自动控制装置，并将原来的固定转速电机改为调速电机，除可变速外还在加载系统增设附加油缸及压力控制系统，可进行定摩擦力的试验和模拟断续式的试验程序。为了达到恒定摩擦功的目的，在一定的试验时间和摩擦速度下，主要是通过调节正压力的大小来保持摩擦系数不变。该机所采用的机械液压定摩擦力控制系统原理如图1-5所示。图1-5 MD-79多用途摩擦试验机1、摩擦盘； 2、衬片试样； 3、加载横梁； 4、拉杆； 5、拨叉； 6、测力弹簧 7、加载杠杆； 8、控制阀； 9、油缸； 10、节流阀； 11、压力传感器； 12、溢流阀；13、叶片泵； 14、电机定量油泵13和溢流阀l 2组成恒液压油源，液压油经减压阀10到控制阀8(行程节流阀)流入油缸9，对加载杠杆施加载荷，作用于试验衬片上，其摩擦力矩由拉力弹簧6保持平衡。当摩擦系数增大时，平衡弹簧被拉长，使拨叉杆带动控制阀阀芯杆向右移动，节流口间隙变小，输出油压多降低，作用正压力减少。而摩擦系数减少时，由于平衡拉力弹簧压缩作用，使拨叉杆带动控制阀的芯杆向左移动，节流间隙变大，则输出油压增高，作用正压力增大，以此调节正压力值保持摩擦力的恒定。 在定速摩擦试验机上附设该系统，既保持了原定速摩擦试验机的特点和试验规范，又可作定功摩擦试验，能快速且灵敏地测定摩阻材料的摩擦系数随温度变化的关系和比较衬片材料的耐磨性。该机的主要技术性能如下：负荷范围： 3002500N相应比压： 2.5200Ncm2：温度范围： 室温350速度范围(主轴转速)： 010000rpm电机功率： 7.5kW摩擦力测定范围： 2001000N试样尺寸： 定速20mm 30mm5mm，2个 定功20mm20mm5mm，2个试验圆盘： 外径350 mm 摩擦轨迹 300 mm 珠光体灰铸铁HB 190220加载方法： 液压6、Krauss摩擦试验机Krauss摩擦试验机是由德国ATE-TEVES与ERICH.KRAUSS研制，故称Krauss试验机。它依据盘式制动副力矩与压力成正比的特性来确定试验原理，具有优良的模拟性和数据重现性，试验简单快捷，经济可靠，是摩擦材料试验的权威性试验设备。Krauss摩擦试验机的结构简图如图16所示。它是由电机(29kW)经离合器与齿轮箱输入轴相接，而齿轮箱的输出轴端直接安装制动盘和原配卡轴，气动液压加载系统用压力传感器测量；自动记录仪记录制动力矩，并采用热电偶测温装置和强风冷却系统等。 试验条件：转速： 66010rpm(相当于70kmh)制动压力： 106Nm2制动时间： 5s制动间隔时间： 10 s 制动次数： 10次JF55型krauss试验机主要技术参数：主电机： 功率55kw,转速1480r/min,AC,380v主轴转速： 660r/min许用力矩： 820N.m制动压力： （10150）105Pa（伺服控制）恒力矩范围： 50800N.m（伺服控制）温度测量： 室温800冷却排尘： 鼓风11m3/min，引风12m3/min静力矩系统： 转速8r/min，许用力矩 1000N.m图1-6 Krauss摩擦试验机结构原理图 应该说，定速试验机、FAST试验机、Chase试验机和MM1000试验机都是小样试验机，无法实现制动器实物的检测。因此，由于摩擦副形式、工况的模拟性等方面与实际应用状态的差异性，决定了试验结果的局限性。而Krauss摩擦试验机则克服了上述因小样试验导致的不足，能够以制动器为对象进行试验，在摩擦材料的测试中具有重要意义。现在的Krauss摩擦试验机除机械结构和控制手段更加先进外，基本功能也更加完善。试验对象由单一的盘式片扩展到鼓式片；主轴转速由定速发展为调速；加载方式由拖磨发展到飞轮加载系统；有些试验机还设有力矩恒输出功能。1.4 相关技术概述1、制动器结构与工作原理制动器一般分为盘式和鼓式两种形式。盘式制动器一般采用浮动钳盘式结构，固定元件为横跨制动盘两侧的制动钳，制动钳上设有制动轮缸、活塞和摩擦垫块。制动钳支承在前桥转向节上，摩擦垫块通过导向件悬装在制动钳上，可轴向移动。在制动过程中，制动钳内活塞的移动，使摩擦垫块压向随车轮一起旋转的制动盘，产生摩擦制动力矩使汽车减速直至停车。制动盘有的采用整体通风式铸铁圆盘，有的采用两面为铸铁中间为通风间隙材料的复合式圆盘。制动钳只有内侧设有一个轮缸，钳体为一整体铸件，制动时，轮缸活塞在制动液压作用下向外运动。推动与活塞接触一侧的内刹车片紧压制动盘，由于制动盘不能作轴向移功，液压进一步上升时，制动钳体将在制动盘所受液压的反作用力作用下沿导向定位销向内移动，推动外刹车片紧压制动盘，此时制动盘因两面受阻而产生制动作用。解除制动时，导向定位销上橡胶衬套所释放出来的弹性有助于外刹车片离开制动盘，轮缸活塞上的密封圈弹性变形的回复有助于活塞和内刹车片的回位。鼓式制动器工作原理基本相似。它是靠轮缸活塞推动制动蹄片与制动鼓产生摩擦，来实现制动的。盘式制动器和鼓式制动器在结构上的最大区别在于：鼓式制动器摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其摩擦工作表面为园柱面；盘式制动器摩擦副中的旋转元件为以端面工作的金属圆盘即制动盘。由于盘式制动器热和水稳定性以及抗衰减性能较鼓式制动器好，可靠性和安全性也高，因而得到广泛应用。但是盘式制动器效能低，无法完全防止尘污和锈蚀，兼做驻车制动时需要较为复杂的手驱动机构，因而在后轮上的应用受到限制，很多车是采用前盘后鼓的制动系统组成。电动汽车和混合动力汽车上引入了新型的制动器。它作为一种新的制动器型式，势必引起制动器型式的变革。电制动系统制动器是基于传统的制动器，也分为盘式电制动器和鼓式电制动器，鼓式电制动器由于制动热衰减性大等缺点，将来汽车上会以盘式电制动器为主2。2、对摩擦材料的技术要求不管制动器形式如何变化，就其制动过程来说，都是汽车行驶的动能通过制动，消耗在制动器的摩擦对偶件上，并转化成热量。因此，制动系统的有效性和制动舒适性主要依赖于制动器使用的摩擦材料（即摩擦垫块）。摩擦材料通常通过热压的方法黏结在衬背钢板上，为提高黏结强度，摩擦材料和衬背表面之间的衬底将两者有机地结合在一起。摩擦材料主要由纤维材料、粘合剂、润滑剂和摩擦填料所组成。配方考虑了物理属性和摩擦因素。对摩擦材料的技术要求如下3：（1）、要求摩擦材料产品的硬度较低；因为硬度高的摩擦材料在制动时易产生噪声，特别是在低频制动时尤为突出；另外，硬度较高的刹车片容易损伤对偶件；（2）、要求具有优良稳定的摩擦性能，尤其是在高温制动工况下摩擦系数要尽可能保持稳定，即刹车片的热衰退要小；（3）、要求制动时无颤抖，具有良好的踏板感觉，以提高制动舒适性；（4）、要求摩擦副使用寿命长，刹车片的磨损小，耐磨损性能好，剪切强度和冲击强度高，制品的热变形和热膨胀小；（5）、要求制品中对人体和环境有害的成分尽可能少；目前国内外普遍采用的是无石棉摩擦材料。3、摩擦磨损试验汽车摩擦材料从开发到批量生产，一般采用如下的试验体系：（1）、小样试验小样试验是把所需研究的摩擦材料制成尺寸较小的试样，在相应的试样试验机上进行试验。它的试验条件选择范围较宽，影响因素容易控制。在短时间内可以进行较多参数和较多次数的试验，试验数据重复性较好，对比性较强，易于发现其规律性，一般多用于摩擦材料配方研究与筛选试验。小样试验的试验费用较低，周期短，采用比较广泛。（2）、台架试验台架试验是在相应的专门台架试验机上进行。它是在试样试验基础上，用优选出来的满足摩擦磨损性能要求的材料，制成与实际结构尺寸相同或者相似的摩擦件和对偶件，并模拟实际使用条件进行试验。目的是选择摩擦副的合理结构，校验试验数据和在模拟实际工况条件下摩擦件的可靠性。台架试验比小样试验更接近于实际使用条件，从而提高了试验数据的可靠性。相比对使用试验来说，台架试验容易控制试验条件，还可强化实际使用条件，缩短试验周期，减少试验费用。（3）、使用试验在上述两种试验基础上，再优选出摩擦磨损性能好的材料，制成实际使用的摩擦副，在实际使用条件下进行试验。这种试验的真实性和可靠性好，是摩擦磨损试验最终不可缺少的环节。但是，它需要较多的人力、物力，需要特殊的测量仪器，费用较高，周期较长，而且试验结构由于受到多种因素的综合影响，不易进行单因素的考察，不易分析问题产生的原因。如果不进行前述两种类型的试验，一开始就进行使用试验，特别是对摩擦磨损这样一个多因素复杂问题，必然难以抓住主要矛盾作分析比较，致使整个试验周期拖长，费用加大。三种类型的试验，不一定分别依次进行，主要应依据具体情况决定,可以分别选取或结合进行。4、制动器惯性试验台架组成原理制动器惯性试验台架又称为惯性测功机（Dynamometer），是制动器和摩擦材料性能综合测试中最具权威性的测试设备。制动器惯性试验台架一般由试验、传动、加载、控制、测量等5部分组成。（1）、试验部分这一部分是试验台最基本部分，主要是制动器实施制动过程。（2）、传动部分传动部分由电机和传动系统组成，使制动器的对偶件具有适当的速度（转速）和足够的力矩。（3）、加载部分为试验部分提供所需的压力、制动管路压力等。加载方式可以是液压、气动等方式。（4）、控制部分一般由电控系统组成，实现按一定程序控制试验台架完成预定目的试验。具体包括转速控制、加载控制、测量控制、试验条件控制（如冷却、加热等）和数据采集控制等。（5）、测量部分实现对转速、压力、温度、摩擦力矩等的测量。通过测量，进而计算出摩擦系数等。1.5 本论文的主要研究内容本论文在详细分析制动器结构及工作原理的基础上，通过对国内外试验台架的研究，提出制动器惯性试验台架设计思路，完成了试验台架的设计并加以实现。论文完成了以下几个方面的工作：1、 汽车制动器结构和原理分析；2、 制动摩擦原理分析；3、 汽车制动器性能要求和试验方法分析；4、 国内外汽车摩擦材料试验设备的分析比较；5、 汽车制动器惯性试验台架试验原理和实现方法；6、 试验台架结构设计；7、 试验台架控制系统的总体设计；8、 试验台架试验、传动、加载、控制、测量方式的选择和实现。第二章 制动器相关理论分析本章介绍了制动摩擦原理、制动器性能要求以及制动器试验方法等内容。2.1 制动摩擦原理制动器的工作原理是利用摩擦副相对运动时接触表面间所产生的摩擦阻力来调节相对运动速度和终止运动，从而达到制动的目的。因此运动副的摩擦磨损特性将直接影响其制动性能、制动器的使用寿命和可靠性。1、制动摩擦特性汽车制动器，无论是蹄式还是鼓式，其摩擦类型都属于干式滑动摩擦。制动衬片与转动的制动鼓（盘）接触时所产生的摩擦阻力来自表面接触处因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，它们之间的关系为：F=F1+F2 （2-1）式中F摩擦力；F1粘着阻力；F2变形阻力；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。在外力的作用下，接触点处承受较大的应力而产生弹性或塑性变形，表面因高压变形而受到破坏，部分材料剥落或者被挤出，造成基体间的直接接触而产生“粘着”或“冷焊”现象，形成摩擦力。摩擦理论研究表明：摩擦系数值的大小及其稳定性，不仅与摩擦副材料的性质（物理性质、机械及化学性质）有关，还与制动时的工况条件（制动作用力的大小、制动初速、制动频率及制动时间等）、表面状况（摩擦表面的粗糙度及接触特性、表面的温度状况）和制动副的结构和参数等有关。故只能在特定条件下，得出某些经验公式，比如Rhee对有机石绵摩擦垫片与铸铁制动鼓组成的摩擦副，在一定的试验条件下，提出如下摩擦力的计算公式4： （2-2）式中P制动力； V制动初速；K试验常数；t制动时间；a,b与温度有关的系数，对有机石绵摩擦衬片，a=0.81.25, b= -0.25+0.25由式（2-2）可知，制动摩擦力受多种因素的影响。对金属与有机衬片组成的制动副，摩擦表面的温度对摩擦力的稳定性影响尤为突出，因此提高制动副材质的热容量、导热率、耐热性，选用散热性好的结构设计，可以提高制动摩擦力。2、 制动副的磨损 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。磨损会导致制动副的间隙增大，直至衬片或盘（鼓）不能继续使用，由此决定制动器的寿命。从安全可靠性角度考虑，希望制动副的摩擦系数较高，尤其是在高温下仍能保持较高的摩擦系数，即足够的制动摩擦力矩。但一般来说，摩擦系数越高，摩擦所产生的剪切阻力越大，表层所受的剪切应力也越大，使用寿命也越短。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，需要一定的摩擦阻力但又不致引起过大的磨损。制动副的磨损一般有粘着磨损、磨粒磨损、热疲劳磨损和氧化磨损等几种形式。（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、高温会形成局部粘着点。当粘着点受剪切所产生的磨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，材料会被挤出。剪断面总是强度小且表面不平的表面，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的表面。（2）磨粒磨损无论是摩擦衬片还是对偶件表面，在摩擦的初期，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。这种磨损叫磨粒磨损。对有机摩擦衬片的材质，其磨粒呈现卷曲状。（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。对粉末冶金摩擦衬片，材质的多孔性就是形成许多应力源，在反复热应力作用下，易出现疲劳磨损；对于有机摩擦衬片，在填料与粘合剂或填料界面间总存在一些粘合强度的薄弱点而成为裂纹根源。（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、摩擦副材质不同而易，而且在制动过程的不同阶段呈现的磨损形式也有所不同。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，以磨粒磨损为主，高温时则以粘着磨损和热疲劳磨损为主。3、制动摩擦噪声制动时由于制动副的摩擦振动而产生噪声。制动器的振动包括摩擦材料特性引起的摩擦振动和机械部件振动特性引起的部件振动。（1）制动副间的摩擦振动制动时，摩擦接触物体间的摩擦力增大，瞬间温度突然升高，接触表面会出现局部凸起点“粘着”与“分离”5。特别是高速时的强制制动，这种振动尤为剧烈。摩擦振动与摩擦材料的硬度、表面处理、压缩弹性率、抗拉强度、气孔率、粘弹性、摩擦系数温度关系曲线、摩擦系数速度关系曲线等参数有关。摩擦振动的趋势随着表面接触压力的增加而增加，也随着摩擦材料的表面温度的升高而加强。相对滑动速度增加时，摩擦系数也随着变化，因而出现振动噪声的可能性也会增加。（2）制动副的部件振动制动器部件的摩擦振动是由于作为相对速度函数的摩擦系数变化的结果，而相对速度又产生于制动衬片、摩擦表面(盘或鼓)和机械系统的阻尼器之间，当两摩擦表面的相对速度增加时，若摩擦系数减少，则产生摩擦振动，引起部件的振动而发出噪声。当接触的部件由于摩擦而发生磨损后，其间隙增大也会引起部件振动。摩擦部件的振动也与负荷的大小有关，当负荷达到足以使蹄和鼓的结构尺寸发生变化时，以及弹性力引起蹄和制动器瞬间脱离时，整个有关联的机械系统就会产生轻微的变形。一旦蹄和制动器脱离啮合，机械系统的弹性力就会很快使蹄和鼓恢复到原来的状态而在两接触面产生较低频率的摩擦振动。高频制动尖叫声和低频制动噪声是产生制动噪声的主要原因。2.2 制动器性能要求制动器主要性能参数一般有如下几个：1、制动力矩制动力矩是保证制动性能的基本参数，也是选择制动器的主要依据。 （2-3）式中M制动器制动力矩Mt负载力矩，可换算为制动轴上的传动系统的惯性力矩；Mf换算到制动轴上的 总摩擦力矩；2、制动的效能因数（K）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）与作用于蹄或块上的制动力（驱动力PN）之比值，即制动器的效能因数。 （2-4）或 （2-5）制动器的制动因数，也是各制动蹄或块的制动因数之和。对一定结构参数的制动器，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，因此制动因数摩擦系数曲线的斜率，可作为制动器的敏感度，即相对一定摩擦系数值（）或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。 （2-6）一般来说，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SB而使制动稳定性恶化。当时，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抱死车轮。这种现象必须防止，但敏感度高恰好又是盘式制动器优于鼓式制动器之处，也是它能在轿车中得到广泛应用的重要原因之一6。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最大的热负荷与制动工况条件有关，连续制动时的额定吸热率为： （2-7）式中 制动盘最高的体积温度；传热系数；制动器的散热面积；比重；C比热；V制动盘的体积；t连续制动时间；国标QC/T 582-1999 、QC/T239-1999对轿车以及货车、客车制动器性能提出了明确要求。本文以QC/T239-1999货车、客车制动器性能要求为例作简单介绍7。制动器性能试验评价指标有：（1）、第一次衰退率 （2-8）式中 第一次衰退试验中，第一次制动时的制动力矩值，N.m；第一次衰退试验中，第二次至第十次制动时的制动力矩的最小值，N.m；该指标考核制动器在多次连续使用时制动力矩的衰变；（2）第二次衰退率 （2-9）式中第二次衰退试验中，单位管路压力的制动力矩最大值；第二次衰退试验中，单位管路压力的制动力矩最小值；该指标考核制动器经过第一次衰退和恢复试验后，单位管路压力的制动力矩变化。（3）恢复差率恢复试验中，最后一次制动力矩与基准制动力矩的差值，以百分数计。 （2-10）式中衰退恢复试验前，基准试验时的三次制动力矩平均值；恢复试验中最后一次制动力矩值；该指标重点考核制动器在多次连续使用，冷却后的恢复能力。（4）速度稳定性试验中，在额定制动管路压力下，不同制动初速度时的制动力矩差值，以百分数计。 （2-11）式中车速m(km/h)与n(km/h)相比的速度稳定性，；、效能试验中，在额定制动管路压力下，车速分别为m,n时的制动力矩；该指标考核制动器输出制动力矩的速度稳定性。对货车、客车制动器而言，制动器性能试验判定标准：a.第一次磨合试验达到80%接触面积的磨合次数满足表2-1 要求。表2-1 磨合次数车 型次 数Ga1800kg的N1类Ga6000kg的N2及M2类200Ga6000kg的N2、N3及M3类500* Ga为汽车最大总重(质量),kg; b. 第一次效能试验（1）、制动初速度为30km/h，制动管路压力为额定值时，制动器输出的制动力矩应满足下式要求：MeMB1.3Me （2-13）式中MB制动力矩，Nm； Me制动力矩额定值，Nm；（2）、制动器输出制动力矩的速度稳定性应满足下式要求：Vst（50-30）10% （2-14）Vst（70-30）20% （2-15） c 第一次衰退-恢复试验 (1)、第一次衰退率应满足表2-2的要求。表2-2 第一次衰退率车 型衰退率|Fa1|Ga1800kg的N1类Ga6000kg的N2及M2类40%Ga6000kg的N2、N3及M3类25% (2)、第一次恢复差率满足下式要求： Re20% （2-16）(3)、试验中及试验后，制动器应能彻底松开，不得有拖磨现象。d. 第二次效能试验与b中规定相同。e.第二次衰退试验 第二次衰退率满足下式要求：Fa260% （2-17）同时，试验中及试验后，制动器应能彻底松开，不得有拖磨现象。f.第二次磨合试验磨合次数为50次，不允许人工打磨。g.第三次效能试验与b中规定相同。h. 制动噪声噪声应小于90dB（A）。i.磨损量及制动器外观检查要求 做完全部规定的试验项目后，制动器应工作正常。（1）、制动鼓或制动盘工作表面应无刮伤。（2）、制动底板或制动钳应无影响制动器性能的变形。（3）、制动衬片 (衬块）应完整、无脱层、无烧焦现象，允许有轻微裂纹。（4）、制动轮缸应无渗漏现象。试验报告表见表2-3表2-3 试验报告表序号试验项目性能要求试验结果1第一次磨合试验达到80%的接触面积时次数:按车型而定(200或500次)2第一次效能试验V=30km/hMeMB1.3MeV=50km/hV=80%Vmax3速度稳定性Vst（50-30）10%Vst（70-30）20%4第一次衰退恢复试验衰退率按车型 (|Fa1|25%或40%)恢复差率Re20%5第二次效能试验V=30km/hMeMB1.3MeV=50km/hV=80%Vmax6速度稳定性Vst（50-30）10%Vst（70-30）20%7第二次衰退试验Fa260%8第三次效能试验V=30km/hMeMB1.3MeV=50km/hV=80%Vmax9速度稳定性Vst（50-30）10%Vst（70-30）20%10噪声90dB(A)11磨损量12制动鼓(盘)工作表面无刮伤痕迹制动底板(卡钳)没有影响制动性能的变形制动衬片完整无损、不脱层、无严重裂纹、无烧焦轮缸不准有渗油现象2.3 制动器性能试验方法制动器的性能根据不同的工况条件要求而异。为了保证制动器性能的可靠性，需要对制动器的摩擦性能进行综合评价。国内外有关制动摩擦试验机的型式很多，试验方法也很多，下面介绍几种典型的试验方法和评价规范。 1、SAEJ661试验程序与规范（8）（1）目的：本标准为SAE（美国汽车工业工程师协会）推荐标准，其目的在于用一种统一的试验室测试方法，对制动衬片的安全情况及摩擦磨损特性做出报告。本规范的测试数据可以用于制动衬片生产厂内的质量控制，也可以用于外购制动衬片的质量评估。（2）设备：设备应具有以下功能：测量鼓温、加热试验鼓、控制试验鼓的升温速率、仅从鼓的背面对鼓进行冷却、控制试验鼓降温速率、测量摩擦力、测量鼓的转动速度，同时还应该具有对试样的重量及厚度进行测量的条件。（以Chase机为主）。温度的测量装置由焊接的热电偶、鈰合金滑环、银石墨碳刷、温度显示器或高输入阻抗的记录仪组成。鼓的升温速率可按下述方法调整，并且在测试过程中保持此速率，鼓的旋转速度为411r/min。打开冷却空气，从149冷却至93，然后关闭冷却风使鼓温冷却至82，在82时打开加热器并记录时间，加热10分钟，鼓温应在10分钟时达到22114。鼓的降温速率可按照下述方法调整，鼓的转速为411r/min。打开加热器加热试验鼓，使其温度达到371，关闭加热器并打开冷却空气，当鼓温降至343时开始记时，冷却10分钟。在10分钟时，鼓的温度应当是9314。温度测量系统的精度应达到满量程的2%，摩擦力测量系统的精度应达到满量程的2%，试验鼓转速的测量系统精度应达到满量程的2%，试验鼓内径的有效使用范围为277.0mm的新鼓内表面距离为2.55mm（打印位置号1）、3.05mm（打印位置号2）和3.55mm（打印位置号3）。热电偶安装的位置按如下安排：鼓内径 热电偶安装位置号277278mm 1278279mm 2279280mm 3 （3）试验条件：在按照上述要求完成准备工作后，方可进行性能测试。 所试验的进行：所有的测试要连续进行，不能中断。试验鼓转速：试验鼓转速（r/min）是以公称直径为278.5mm的鼓并且对试样加载的状态为基准的。（4）试验准备：试样的准备：本试验所用之试样，应该从摩擦材料的中部截取，取样位置到材料周边距离相等。试样为方形，尺寸为25.7mm25.6mm（660mm2），试样背面为平面，其工作面的半径应与试样鼓的半径一致，对于从已经过磨削加工的制动衬片上截取的试样，应从其工作表面上磨去1.01.2mm，以便衬片表面的树脂浸润层能被完全去掉。从试样中心测量试样（或试样加上垫片）厚度，应该为6mm左右，多余的部分应从工作面的背面去掉。如果取样的制动衬片厚度不到5mm，则在对工作面的背面磨削时，应尽可能减少磨削量，以恰好磨出平面为宜。试样的工作面不可以用手接触，同时应避免沾上其他外来物质。 试验鼓表面状态的准备：a.新的或表面重新加工的鼓：在试验机上对鼓进行磨削后，应用砂纸或砂布抛光，以去