盘式制动器摩擦材料的性能.doc

盘式制动器摩擦材料的性能Pradnya Kosbe, Chittaranjan MoreDepartment of Mechanical Engineering ,Pune UniversityJayawantrao Sawant College of Engineering,Pune, India.摘要：摩擦材料的作用是在各种速度、压力和温度的条件下为制动器提供一个稳定的摩擦系数和较低的磨损率的环境。同时摩擦材料必须和制动盘材料相兼容以减少与之的磨损、振动和刹车噪音。并且摩擦材料满足所有的这些条件之外，还需要合理的成本和较小的误差方法。材料的选择往往要基于经验和反复试验，不断摸索。本文主要来探讨机动车辆盘式制动器摩擦材料的性能。这些材料有不同的基线校准和平均摩擦系数等摩擦性能参数。在这里所研究的的物理特性均参照印度标准。最后根据所观察到的摩擦现象对相关结果进行讨论。关键词：盘式；制动器；摩擦系数；速度 简介 制动器的工作原理是将汽车的动能转化为热能并将热量散失到环境中从而使车辆减速。作为汽车的零件，制动器摩擦材料在如防腐，质量小，寿命长，噪音低，摩擦稳定，磨损率低和高性价比方面有更严格的要求。 1897年发明了第一种制动片摩擦材料。这种材料主要成分是一种棉制材料，浸渍上了沥青，不仅用于早期汽车，还用于马车轮子。这项发明直接促成了菲罗多公司的成立，这个公司至今仍生产供应摩擦材料。这些制动片材料最初是编织出来的但在20世纪20年代时被一种浇铸的材料所代替。这种浇铸材料包含一种轻石棉纤维，这是一种丰富的矿物。20世纪50年代提出了胶合金属线性材料，到了60年代所谓的半金属材料得到发展。这些材料中都包含了比较多的金属。 在过去的20年里，汽车业的高速发展的同时伴随着速度，载重量和引擎功率的增加。制动器中所用的摩擦材料，按设计要求在各种操作速度，压力和环境条件下，必须具有一个稳定的摩擦系数和比较低的磨耗率。这些摩擦材料同时必须和制动盘材料兼容以减少刹车中大范围的磨损，振动和噪音。这些要求应该以合理的成本和最小的环境负荷来达到。一件商业制动摩擦片通常包括超过10个不同的组成部分。这些组件的选择通常依据经验或者检误法来制成一种新的摩擦片。A. 制动器衬片 盘式制动片包括铆接着或粘接着制动片的钢背板。制动片由石棉（石棉纤维填充）或者半金属（金属颗粒填充）摩擦材料组成。许多新的汽车，特别是那些前轮驱动的汽车使用这些半金属衬片。半金属衬片能够在不改变它们摩擦性能的情况下承受比较高的操作温度。 摩擦材料可以视为是安德孙列为的有机的，碳基的，金属复合材料。其中第一种主要用于汽车行业。根据伯格曼和艾尔以及杰克和安尔的研究，一件有机制动片里包含多达25种的组件，它们统称为摩擦材料。这些组件可以分为五类：l 由粘合剂和其他材料组成的矩阵l 纤维l 包括金属 的摩擦改进剂l 提高工艺性能的矿物填料l 固体润滑剂 粘合剂通常含有一种热固性聚合物，可能添加一些橡胶和树脂。安德森指出有三种使用的纤维：石棉纤维，无石棉有机纤维和树脂金属纤维（半 或者半金属）。出于对健康问题的考虑和公众意识的逐步觉醒，近年来人们越来越关注无石棉有机纤维的摩擦材料。金属微粒用来控制损耗和摩擦材料的热力性质。固体润滑剂则用来稳定摩擦系数。摩擦材料中采用的五个组成部分的精确混合比例取决于磨损，操作温度范围和所要求的摩擦系数。文献中所讨论的操作温度范围从零度到五百度。在这个温度范围的上限，摩擦材料的磨损率呈指数增加。B. 摩擦衬片材料的分类 一件商用的刹车片通常包含20多种不同的组成部分。通常使用的有四种制动衬片：l 添加石棉的有机制动衬片l 半金属或者树脂粘结金属刹车片：50% 重量%金属含量l 低金属含量：50 重量的金属含量。l 无金属衬片：不含金属C. 制动器中石棉的管理和使用现状 医学研究表明石棉纤维被人吸入肺部，会引发呼吸问题。1986年美国环境保护署公布了一项提议禁止石棉的使用。这项禁令本要求所有的新型汽车到1993年9月应该使用无石棉制动器。至1996年零件市场必须转向使用非石棉材料。美国环境保护署的这项提议在联邦法院被推翻，但是它却使很多摩擦材料供应商和汽车生产商选择不再使用石棉。 材料成分和配方组成的选择在很大程度上都依赖于经验。最近又报道了几种以优化多成分的摩擦材料的方法。考虑到制动振颤，褪色，恢复和耐磨性等和制动相关的因素，对这些组成部分的摩擦性能和它们的协同效应也进行了研究。然而关于物理性质分析，摩擦材料成分，性能和磨损特性的分析仍然非常有限，这一方面是专利的原因，另外一方面则是因为很难从复杂的材料系统中得到明确的结论。D. 无石棉有机制动衬片 低金属和无金属制动刹车片经常被叫做无石棉有机制动衬片。一件典型的无石棉有机衬片包括一个聚合纤维/陶瓷纤维/金属纤维，粘合剂、填充剂、研磨剂和固体润滑剂。纤维的作用在于为衬片提供了强度，刚度，热稳定性，耐磨性和稳定的摩擦性能。填料一般都是惰性材料，其主要作用是调整其他成分的相对体积分数。粘结剂一般是热固性酚醛树脂。研磨剂用于产生摩擦。润滑剂的功能则是提供摩擦稳定并控制衬片和转子的磨损。 在本篇论文中，我们主要运用数字表征法来研究商业盘式制动片摩擦材料的物理特性和性能特点。 此处讨论的车辆是四轮的后轮驱动汽车，装有盘式制动器的前轮及蹄式制动器后轮的。商业刹车片材料是用于指定车辆的制动衬片，本文研究了在不同条件下的这种材料所表现的特性。 实验A. 物理属性 盘式制动器摩擦材料的硬度是使用R标度的洛氏硬度测试仪测量的。密度的测定是使用康德（加州123）数字式密度计。通过测量沿长度和中心宽度的等隔分布的五个不同点间的间距空白厚度可测得热膨胀。厚度的平均差值就是热膨胀。发现水膨胀则可检测到这种材料的吸水率。它是通过测量试样在水中浸泡30分钟前后沿长度的五个点和宽度中心点的试样厚度的平均差而得到的。B. 摩擦特征 为了评估用于指定车的盘式制动衬块的性能特征，我们使用了四轮汽车惯性闸功率（如图1所显示）和制动衬块。飞轮是根据模拟测试在一种特殊应用中的惯性而装配的。这个测试中的惯性是90千克美平方米。轮尺盘式制动衬块设备装置在功率计末端的尾部上面。盘式衬块则准确的安置在轮尺上。不同的测试如表1所述，用于进行测定摩擦的特征。图1 四惠勒惯性制动测功机表1性能试验参数 结果和讨论A. 物理属性 物理性质的测量数据见表2。表2物理性能B. 性能特征 盘式功率机测试以预先的抛光和床身导轨开始。这个测试的进行用于初步检查盘式功率机和刹车的运作。摩擦材料在此阶段是崭新的所以在摩擦材料和转片之间也没有正式的接触。因此在初始阶段摩擦系数（）低。用于衬块等级的床身的摩擦系数值见表3。床身导轨测试之后进行床身垫底测试。当转片和盘垫之间实现了一定的接触，在两个triboelements(12)之间即可形成稳定的摩擦膜。制动性能几乎是稳定的，并且它为经测试的衬块在垫机床的周期中提供了稳定的摩擦系数。表3性能特点C. 速度和压力效应 磁盘制动系统是在不同的压力和速度下运行的。这都是在性能测试时观察得到，摩擦材料能达到80km每小时的高合作效率。 这个材料给了一个几乎持续的摩擦合作效率。这时由于在床垫和磁盘的表面稳定的摩擦薄片。摩擦的合作效率是由不同的速度和压力决定的。当速度从20km每小时增到80km每小时，摩擦的合作效率也随着增加。但当速度从80km每小时增到140km每小时，摩擦的合作效率就会下降。当速度调到80km每小时时，摩擦的合作效率达到最高。图2 不同压力下的摩擦系数图3 不同速度下的摩擦系数 结论 这种材料使摩擦系数几乎恒定不变。这是由于在衬块和盘垫之间的界面形成了稳定的摩擦膜。磨擦系数的变化是由不同的速度和压力决定。当速度增加时，摩擦系数也随之在20kmph至80 kmph之间增加，然后从 80 kmph 不断下降到 140 kmph。磨擦系数最大值出现在 80 kmph。参考文献：【1】J.Bijwe, Nidhi, N.Mujumdar, B.K.Satapathy, “Influence of modifiedphenolic resin on the fade and recovery behavior of friction materials”,Wear 259(2005)1068-1078.【2】 DR. D. Eggleston (Technical Manager)-Precision disc castings ltd.,“EURAC-Technical bulletin 00010433” (2000).【3】 Peter J. Blau, “Compositions, functions and testing of friction brakematerials and their additives”, prepared for U.S.Department of Energyunder contract DE-AC5OOOR227254 S.C. Ho, J.H. Chern Lin, C.P. Ju, “Effect of fiber addition onmechanical and tribological properties of a copper/phenolic basedfriction material”, Wear 258 (2005)861-869.5 M.Boz, A.Kurt, “The effect of Al2O3 on the friction performance ofautomotive brake friction materials”, Tribology International40(2007)1161-1169.6 K.W.Hee, P.Filp, “Performance of ceramic enhanced phenolic matrixbrake l