制动材料

制动材料（共12篇）

制动材料 篇1

0 引言

国内高速铁路已经进入了高速发展的时期, 随着郑西、京沪、武广等高速铁路线和五大城际客运铁路线路等竣工投入使用, 国内对时速250公里及以上高速动车组的需求量也日益增大;因此时速250公里及以上动车组是我国现阶段引进和研发的重要项目。随着高动车组速度的不断提高, 很大程度上节省了国内两地间的旅行时间, 使得全国范围内很多城市之间能做到当天到当天回;然而由于运行速度的提高, 对高速列车旅行的安全性要求也不断提高, 也越来越受到大众的关注;列车安全性问题中, 盘形基础制动系统的好坏是能否保证列车按要求停车的最终保障, 而制动盘是其中最为关键的零部件之一, 承担着制动过程中产生热能量的80%~90%, 因此, 制动盘耐温性能和摩擦性能的好坏, 决定着列车运行的最终安全。现高速动车组制动盘基本全采用国外进口, 按国家铁路部门要求急需进行国产化研制。

本文设计了一种高速动车组用制动盘结构, 分析了1#和2#两种材料的材料性能, 通过利用ANSYS对1#和2#两种材料盘体制动过程温度场、热应力场情况的仿真对比分析, 确认适合用于高速列车制动盘的材料, 为制动盘的顺利研发奠定理论基础。

1 制动盘结构和材料参数

1.1 结构设计

图1为设计的制动盘三维结构, 该制动盘做了通风结构设计, 主要有盘体摩擦面和各种不同结构和作用的散热筋, 主要保证盘体制动时的通风散热效果, 降低盘体制动过程中的温升。

1.2 材料选型

本文设计了1#和2#两种制动盘盘体材料, 分别对两种盘体材料物理特性参数进行试验分析。图2为两种材料的导热系数随温度变化曲线。图3为两种材料线膨胀系数随温度变化曲线。

2 热分析仿真模型建立

2.1 结构模型

考虑到制动盘在制动过程中受力对称, 而且制动盘的结构为中心对称, 故采用整个模型的1/12进行计算, 这样可以减少计算量, 在边界上施加对称边界条件进行计算, 扇形区的两个截面采用耦合结点进行处理, 这样处理之后与整个盘体的模型等效, 而单元数减低为原先的1/12, 大大降低了计算成本。划分后的有限元计算模型如图4所示。

2.2 热载荷条件

根据传热学理论, 对于无内热源的各向同性材料, 其热传导方程为式如下:[1]

式中, T为温度, (K) ;t为时间, (s) ;ρ为材料质量密度, (kg/m3) ;C材料比热容, (J/ (kg·K) ) ;λ为材料导热系数 (W/ (m·K) ) 。由能量折算法确定制动盘的热流密度[2]:根据能量守恒定律, 从能量的角度分析列车的制动过程。假设列车动能全部转化为制动盘的热能, 则制动过程中闸瓦与制动盘摩擦产生的热量可由如下公式表示:

式中, v0列车初速度, vt为列车制动过车过程中某一时刻速度, t为总制动时间, W为列车动能, M为列车质量。

根据热流密度的定义, 热流密度q和摩擦热量Q可表出如下:

式中, S为参与摩擦的制动盘面积, 即闸片在制动盘上划过的圆环面积

考虑到实际制动过程中, 由于存在轮轨摩擦和空气阻力等因素, 列车动能只能有一部分转化为热能, 又有一部分热量被闸片吸收;因此, 引入转换效率概念η, 可得热流密度q与时间t的函数关系如下:

式中, q (t) 为t时刻加载于制动盘面的热流密度, (kW/m2) ;M为列车质量, (kg) ;a为制动加速度, (m/s2) ;v0为制动初速度, (m/s) ;n为每根轴上装配的制动盘个数;R和r分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径, (m) 。

2.3 对流换热系数Hf[3]

对流换热系数与导热系数不同, 它与材料无关, 而取决于流体流动状态、流体物理性质、壁面温度以及壁面的几何形状。根据平面散热问题的传热学理论得

式中, pr为普朗特数;λα为空气导热系数, (W/ (m·K) ) ;L为壁面长度, (m) ;u∞为空气流动速度, (m/s) ;v为空气得运动粘度, (m2/s) ;忽略制动盘温度周围温度变化的影响, 则v、pr、λ为定值, Hf只与u∞和L有关。

3 仿真分析

依据有关高速动车组制动技术参数, 设计仿真计算轴重15t, 制动初速度为300km/h, 制动盘初始温度为20℃, 进行边界条件以及热载荷的计算, 并以此进行1#和2#两种不同材料制动盘在温度场、热应变及应力场等有限元仿真计算, 并进行比较分析。

3.1 温度场仿真分析

根据所给已知条件对两种不同材料制动盘在同等条件下进行温度场的仿真分析, 图5为制动盘各部位节点温度随时间变化曲线, 图6为最高温度时刻制动盘温度云图, 图中 (a) 表示1#材料制动盘, (b) 表示2#材料制动盘, 下同。从图中分析可以得知:两种材料的最高温度均出现在摩擦面上, 最高温度均出现在约制动后80s, 1#材料制动盘最高温度约645℃, 2#材料制动盘最高温度较低, 约529℃;摩擦面温度变化趋势为先升后降, 盘体背面温度由于热传导作用升温趋势要缓于摩擦面。从仿真结果可以看出, 2#材料制动盘在制动温升方面明显优于1#材料制动盘。

3.2 应力场仿真分析

通过温度场分析模型转化为结构分析模型, 导入材料的非线性特性参数, 给有限元模型加以对称边界和位移约束, 同时步步加载所分析得到的各时段温度数值, 进行制动盘热应力的求解计算。图7所示为两种材料在相同条件下不同位置热应力有限元仿真结果。从应力分析曲线可以看出, 两种材料制动盘摩擦面应力均要高于其他部位, 1#材料制动盘最高应力410MPa, 2#材料制动盘最高应力215MPa, 明显小于1#材料材料, 这也预示着在相同疲劳强度基础下1#材料比2#材料更易出现裂纹, 所以2#材料制动盘的抗热裂纹性能明显高。

4 结论

本文主要设计了一种高速动车组制动盘的结构, 并通过制动盘温度场、热应力场仿真分析对1#材料和2#材料两种材料制动盘进行了材料选型工作, 经过分析得出结论:2#材料制动盘的最高温度、最大应力均小于1#材料制动盘, 具有更高的热容量, 符合高速动车组对制动盘的性能和高热容量的要求, 是理想的制动盘材料, 可以进行进一步的试制和试验验证工作, 同时, 为高速动车组制动盘的材料国产化提供了依据。

摘要：针对高速动车组运行速度高, 制动释放能量大, 对基础制动装置特别是制动盘高温性能要求高等特点, 研究了新型合金钢材料和结构制动盘。通过运用ANSYS仿真软件对1#材料和2#材料两种制动盘盘体的温度场、热应力场等关键性能进行仿真对比分析, 结果表明:2#材料制动盘的温升、盘体热应力情况明显优于1#材料制动盘, 为高速列车制动盘的材料选择提供了依据。

关键词：动车组,制动盘,材料,仿真,试验

参考文献

[1]曹玉璋, 邱绪光.实验传热学[M].北京.国防工业出版社, 1996.

[2]丁群.提速客车制动盘温度场及应力场的有限元分析[D].北方交通大学硕士论文, 2001.

[3]陈德玲, 张建武, 周平.高速轮轨列车制动盘热应力有限元研究[J].铁道学报, 2006 (2) .

制动材料 篇2

制动(imcnibilizatian)是临床和康复治疗时传统的保护性治疗措施，以减少体力消耗或脏器功能损害，帮助疾病恢复。制动包括卧床休息和局部固定。神经麻痹的肢体也有类似的表现。

制动就是指限制活动，当骨折等发生时，防止肌肉将两骨折端拉开使骨断端错位。

建议：最好是买个双拐，辅助走路，俗话说人有失手马有失蹄，单跳万一出现意外，那就得不偿失了，而且出了意外磕到碰到，使骨折断端分离到时候就成了陈旧性骨折，那时治疗起来就更麻烦了，肯定不是打个石膏就能好的。至于用电脑时将腿放床上，只要别影响腿的血液循环就没事，最好还是别长时间这样上网，长时间这样上网容易引起脊柱变形的。

机械用语

制动就是刹车系统。 汽车因为车轮的转动才能够在道路上行驶，当汽车要停下来时，怎么办呢?驾驶者不可能像动画片中一样的把脚伸到地面去阻止汽车前进，这时候就得依靠车上的刹车装置，来使汽车的速度降低以及停止了。 刹车装置藉由刹车片和轮鼓或碟盘之间产生摩擦，并在摩擦的过程中将汽车行驶时的动能转变成热能消耗掉。

基本概念

【词语】：制动

千万不能理解为离合，右脚脚前掌踩踏处为制动

【释义】：俗称“刹车”。使运行中的机车、车辆及其他运输工具或机械等停止或减低速度的动作。制动的一般原理是在机器的高速轴上固定一个轮或盘，在机座上安装与之相适应的闸瓦、带或盘，在外力作用下使之产生制动力矩。

文学解释

1.制止运转。 宋 沈作 《寓简》卷一：“制动也有，变通也无方。”

2.谓使运输工具或其他器械停止或减低速度的动作。

制动方式

制动方式有油压(轿车脚刹);机械(手刹);气压及真空助力气压(货车脚刹);弹簧储能(大型货车脚刹手刹);排气辅助制动(大型柴油机车);发动机怠速辅助制动(操作);电磁涡轮缓速器(大型客车)。

刹车装置

常见的刹车装置有“鼓式刹车”和“盘式刹车”二种型式，它们的基本特色如下：

鼓式刹车

在车轮毂里面装设二个半圆型的刹车片，利用“杠杆原理”推动刹车片使刹车片与轮鼓内面接触而发生摩擦。

盘式刹车

以刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘。在刹车片夹住碟盘时，其二者间会产生摩擦。 汽车在湿滑或结冰的低摩擦路面上行驶时，如果发生过度刹车的情况，则车轮会被刹车装置锁死而失去抓地力，导致车辆失去控制方向的能力。

为了使车辆在这种危险的路面上能够有效控制前进的方向，于是研发出ABS“防抱死刹车系统”。 性能越来越强的ABS“防抱死刹车系统”，在游刃有余之际还可以让TCS-Traction Control System“循迹控制系统”和VSC-Vehicle Stability Control“车辆稳定控制系统”(等同于ESP)来控制车辆在行驶时的循迹性能，以及控制车辆在过弯时的稳定性能。 鼓式刹车应用在汽车上面已经近一世纪的历史了，但是由于它的可靠性以及强大的制动力，使得鼓式刹车现今仍配置在许多车型上 (多使用于后轮)。鼓式刹车是藉由液压将装置于刹车鼓内之刹车片往外推，使刹车片与随着车轮转动的刹车鼓之内面发生摩擦，而产生刹车的效果。 鼓式刹车的刹车鼓内面就是刹车装置产生刹车力矩的位置。在获得相同刹车力矩的情况下，鼓式刹车装置的刹车鼓的直径可以比盘式刹车的刹车盘还要小上许多。因此载重用的大型车辆为获取强大的制动力，只能够在轮圈的有限空间之中装置鼓式刹车。

鼓式刹车的作用方式

简单的说，鼓式刹车就是利用刹车鼓内静止的刹车片，去摩擦随着车轮转动的刹车鼓，以产生摩擦力使车轮转动速度降低的刹车装置。 在踩下刹车踏板时，脚的施力会使刹车总泵内的活塞将刹车油往前推去并在油路中产生压力。压力经由刹车油传送到每个车轮的刹车分泵活塞，刹车分泵的活塞再推动刹车片向外，使刹车片与刹车鼓的内面发生摩擦，并产生足够的摩擦力去降低车轮的转速，以达到刹车的目的。

鼓式刹车之优点

1.有自动刹紧的作用，使刹车系统可以使用较低的油压，或是使用直径比刹车碟小很多的刹车鼓。

2.手刹车机构的安装容易。有些后轮装置盘式刹车的车型，会在刹车盘中心部位安装鼓式刹车的手刹车机构。

3.零件的加工与组成较为简单，而有较为低廉的制造成本。

制动材料 篇3

摘 要：机械式驻车即采用驻车制动拉索将手刹拉柄的驻车动作传递至制动器的驻车模式，也是目前汽车行业普遍采用的驻车模式。在实际使用过程中经常会出现松开手刹，而驻车不能解除的情况，本文主要对驻车制动拉索常见的失效模式（钢带锈蚀、进水结冰等）进行分析，并针对拉索内部进水提出相应的预防措施。

关键词：驻车制动拉索；卡滞；驻车解除

驻车制动装置是使汽车在路面上（包括斜坡）上停驻时，为防止车辆滑行，以及汽车在坡道上起步时，用以防止车辆后退的装置。驻车效果一直是消费者较为关注的一项指标，也是安全性能的一项要求，而若车辆起步时驻车制动不能及时解除，则会造成车辆无法行驶，给使用者带来极大不便。本文从实际失效角度出发分析产生问题的机理，并提出预防其产生方法和试验方法。

1 驻车制动解除原理

驻车制动拉索是通过将手刹拉柄和制动器联接起来，将手刹拉柄的动作和力传递至制动器从而实现驻车制动。在解除驻车制动的时候，将手刹拉柄放下，拉索在制动器内部弹性元件弹力的作用下释放前期动作，使制动器回位以解除制动效果。

2 失效模式

解除制動效果的力来源于制动单元内部弹性元件，当拉索的滑动阻力大于制动单元内部回位弹力即卡滞状态，此时会造成驻车效果无法解除。而造成拉索卡滞的主要原因有：

2.1 拉索变形，此种现象为拉索护管被外力挤压或拉扯变形，此为外界因素，不易控制，多产生于车辆托底或杂物拖挂工况下，主机厂需要在底盘拉索布局时进行考虑。

2.2 拉索内部进入异物，造成钢丝绳卡滞。由于拉索两端设有密封结构，普通杂质无法进入。失效模式主要有两种：①低温情况下拉索内部结冰，②拉索内部钢带锈蚀。而造成这两种失效模式的原因为拉索进水，这也是汽车拉索失效最重要的原因，本文主要针对拉索进水问题进行研究。

3 拉索进水失效分析及预防

拉索进水按部位分为：前端头（手刹端）处、后端头处、拉索护管处三个进水点。

3.1 前端头处进水，前端头位于驾驶室内部，进水源为驾驶室内部水渍进入拉索内部，此种情况比较少见，但此处钢丝绳与护管间仍应设置密封结构。

3.2 后端头处进水，后端头位于后轮制动器位置，水源为外部洗车、雨水等水渍沿钢丝绳与护管间隙进入拉索内部。在低温下快速结冰造成拉索卡滞，这种现象在北方冬季洗车后时常发生；在常温下水渍长时间存在造成钢带生锈，铁锈会减小钢丝绳与护管间隙，造成卡滞。

针对此种失效模式，需要在汽车拉索设计时进行预防，可以采用拉索密封性耐久试验进行验证。

验证方法一般为：

①将总成模拟实车状态布置在试验台上。②作动耐久10000次，同时进行喷水。③耐久后将拉索总成表面水分擦除干净。④将拉索总成放入温度试验箱，在低温（-30℃）下放置30分钟。⑤从试验箱中取出总成，在直线状态下测试总成无负荷阻力。

现在常用后端头处密封形式有如下几种（见图1）：

3.3 拉索护管处进水，此部位进水主要为外力破损护管或产品在整车使用过程中多次耐久作动后疲劳开裂，外力损失不需要进行重点关注。疲劳开裂主要发生于靠近车轮端，此端拉索一端固定在车身上，一端固定在制动单元上，随车轮的跳动在两处固定点之间拉索产生弯曲作动（如图2），在此种状态下产生疲劳开裂。

针对此种情况车厂需在设计时采取耐久试验，以验证设计状态是否能满足车辆恶劣路况需求。

验证方法一般为：①将总成模拟实车状态布置在试验台上；（如图3）。②模拟整车路况作动耐久106次。③耐久试验完成后，拉索护管不能出现开裂。

4 结论

汽车驻车制动拉索失效为汽车售后市场多发问题，直接影响顾客对车辆的使用。本文通过故障失效表现形式及整车模拟试验从车辆设计角度进行分析，得出了预防控制方法，对同类产品类似失效模式预防具有实际的借鉴意义。

参考文献：

[1]张德义，范振清，袁涛.延安SX2190型汽车驻车制动解除滞后故障排除一例[J].汽车运用.2011（08）

[2]柳炽伟.电子机械式驻车系统的工作原理与故障诊断[J].客车技术与研究.2010（06）.

[3]王成璞，胡也平.五十铃NKR100P驻车制动操纵机构简介[J].汽车与配件.1995（18）.

制动材料 篇4

组合方法是通过设计多个参数或变量同时变化的样品库达到快速、高效筛选样品和优化性能的目的[1]。传统化学每次合成一种化合物(A+B=C+D),组合化学则每次合成一个化合物库(Ai+Bj=Cm+Dn),因而提供了全面了解化合物性质的基础。在组合化学的带动下,组合材料研究(Combinatorial materials research, CMR)或组合材料学(Combinatorial materials science, CMS)在20世纪末发展起来,成为材料科学领域快速开发新材料的亮点[2,3]。在组合材料研究思想的基础上,笔者等发展了组合摩擦材料研究(Combinatorial friction materials research, CFMR)[4,5],包括组合筛选摩擦材料的组分、配方或摩擦性能优化和摩擦机理研究,目标是把一直凭经验选用原材料和优化摩擦材料配方的研究推向科学化[6]。本研究介绍了用组合筛选制动摩擦材料用原材料的原理和方法。

1 组合方法筛选原材料原理

图1为组合方法筛选多组分摩擦材料用原材料的应用原理[4],把多组分摩擦材料分解为一、二、三……多组分体系,分别测定原材料及其组合对摩擦性能(用摩擦评价与筛选实验机测定,Friction assessment and screening test, FAST)影响的主效应和相互作用。

2 一组分体系(B)

考察了酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、苯并噁嗪(开环聚合型酚醛树脂)和酚醛三嗪树脂4种基体(B)以及丁苯橡胶和丁腈橡胶改性酚醛树脂和苯并噁嗪(也属于B)的摩擦性能[7]。结果表明,硼改性酚醛树脂的摩擦系数(μ)较小,酚醛三嗪树脂具有水解性,酚醛树脂和苯并噁嗪的μ较高,丁苯橡胶和丁腈橡胶增韧改性的酚醛树脂和苯并噁嗪的耐磨性能提高。摩擦热导致摩擦表面温度升高,树脂基体发生热氧化降解,不利于提高酚醛树脂、苯并噁嗪、丁苯橡胶和丁腈橡胶增韧改性的酚醛树脂和苯并噁嗪的耐磨性。

3 二组分体系(A+B)

通过二组分体系可以评价各种纤维和填料对摩擦性能作用的主效应。在二组分体系(图2)中,固定B(酚醛树脂或苯并噁嗪)的体积分数为0.236,A(磨料、固体润滑剂、纤维增强体、空间纤维和填料)的体积分数为0.764,可以考察组分A对摩擦性能的影响[8]。根据FAST测试结果,把A分为两组:耐磨损好(FAST可持续90min)的为组Ⅰ原材料,耐磨损差(FAST不能持续90min)的为组Ⅱ原材料。属于组Ⅰ原材料有:钢棉、三氧化二铝、石墨、炭黑、二硫化钼、芳纶浆粕和上述树脂基体。属于组Ⅱ原材料有:硫酸钡、氮化硼、三氧化二硼、碳酸钙、氢氧化钙、腰果壳粉、紫铜丝、黄铜丝、硫化铜、硫化亚铜、三硫化二锑、铁粉、铸铁(摩擦盘材料)、氧化镁、聚丙烯腈基预氧丝、矿物纤维、硅灰石、硅酸锆、蛭石、钛酸钾。据此,提出了原材料选择的第一个判据,即耐磨性好的组Ⅰ原材料应优先选用。

用扫描电镜观察二组分体系的摩擦表面,可以观察到纤维或填料的摩擦断裂行为和它们对形成摩擦层的贡献,有助于理解它们的耐磨性机理和摩擦机理,如芳纶浆粕在摩擦过程中呈韧性断裂、钢棉在摩擦过程中极易形成摩擦层、二硫化钼在摩擦过程中易从摩擦材料表面转移到摩擦盘表面、石墨和炭黑在摩擦过程中存在摩擦转变(Friction transition)[9]。

4 三组分体系(A+B+C)

通过三组分体系可以评价各种纤维和填料对摩擦性能的相互作用。在三组分体系(图3)中,固定B的体积分数为0.236,A为组Ⅰ原材料(钢棉或芳纶浆粕),体积分数为0.382,C为组Ⅱ原材料,体积分数为0.382,考察组Ⅱ原材料分别与钢棉或芳纶浆粕组合后的摩擦性能[10]。根据FAST的测试结果,可进一步把C分为两组:与钢棉或芳纶浆粕组合后耐磨损好(FAST可持续90min)的为组ⅡA原材料,与钢棉或芳纶浆粕组合后耐磨损差(FAST不能持续90min)的为组ⅡB原材料。与钢棉组合后耐磨性提高的组ⅡA原材料有:碳酸钙、氢氧化钙、氧化镁、聚丙烯腈基预氧丝、三硫化二锑、硅灰石。与芳纶浆粕组合后耐磨性提高的组Ⅱ A原材料有:硫酸钡、矿物纤维、硅灰石、蛭石、钛酸钾。据此提出了原材料选择的第二个判据,即与钢棉或芳纶浆粕组合后耐磨性好的组Ⅱ A原材料应优先选用。

组Ⅰ原材料与组Ⅱ A原材料组合的一般规律是密度小的原材料(如碳酸钙的密度为2.93g/cm3,氢氧化钙的密度为2.24g/cm3)与密度大的钢棉(密度为7.80g/cm3)组合后改善了耐磨性,而密度大的原材料(硫酸钡的密度为4.20g/cm3)与密度小的芳纶浆粕(密度为1.44g/cm3)组合后改善了耐磨性。其原因可能是密度大的原材料在摩擦过程中产生的磨屑更容易在摩擦表面聚集而形成摩擦层。

对组Ⅰ的钢棉(纤维、弱磨料)、芳纶浆粕(纤维、弱固体润滑剂)、氧化铝(填料、磨料)、二硫化钼(填料、固体润滑剂)和石墨(填料、固体润滑剂)原材料也进行了三组分体系的组合评价,考察形态(纤维、颗粒)和摩擦性质(磨料、固体润滑剂)的相互作用效应[11]。结果表明,纤维/填料组合的摩擦性能优于纤维/纤维和填料/填料组合,磨料/固体润滑剂组合的摩擦性能优于磨料/磨料和固体润滑剂/固体润滑剂组合。

三组分体系还可以用来考察颗粒大小对摩擦性能影响的相互作用效应[12]。对不同颗粒大小的氧化铝组合的摩擦性能结果表明,大颗粒(微米级)/小颗粒(纳米级)组合的摩擦性能优于大颗粒/大颗粒和小颗粒/小颗粒组合。

根据一、二、三组分体系的研究,笔者提出了原材料对摩擦性能和摩擦层形成影响的原材料摩擦性能谱[13,14],以莫氏硬度为横坐标,把原材料分为润滑区(石墨、炭黑、三硫化二锑、二硫化钼等)、磨料区(碳化硅、氧化铝、硅酸锆等)和过渡区。芳纶浆粕等有机聚合物纤维位于润滑区和过渡区的边界,钢棉位于磨料区和过渡区的边界。同一磨料,颗粒大的对磨粒摩擦机理的贡献更大。位于润滑区的金属硫化物如三硫化二锑在摩擦过程中热氧化生成三氧化二锑或五氧化二锑,摩擦性质从固体润滑剂转变为磨料[15]。因此,原材料的摩擦性能谱是动态的。

5 多组分体系(摩擦材料配方)

研究了组Ⅰ原材料(酚醛树脂、钢棉、芳纶浆粕、氧化铝、石墨)的五组分体系的摩擦性能[16]。结果表明,对磨损率的影响排序是钢棉>芳纶浆粕>三氧化二铝>石墨>酚醛,对摩擦系数的影响排序是三氧化二铝>石墨>芳纶浆粕>酚醛>钢棉,综合摩擦性能的影响排序为三氧化二铝>芳纶浆粕>石墨>钢棉>酚醛,说明树脂基体在摩擦材料中的主要作用是作为粘合剂,磨料在摩擦材料中起了重要作用,钢棉和芳纶浆粕是半金属和无石棉有机摩擦材料的主要增强体,石墨起稳定摩擦系数的作用。

根据第一个和第二个原材料选择判据,组Ⅰ原材料和组Ⅱ A原材料应该优先选用,分别制备了以钢棉、炭黑、丁苯橡胶改性苯并噁嗪为组Ⅰ原材料,碳酸钙、氢氧化钙、氧化镁、聚丙烯腈基预氧丝、三硫化二锑、硅灰石为组Ⅱ A原材料的多组分体系(半金属型摩擦材料)[4],以芳纶浆粕、石墨、丁腈橡胶改性苯并噁嗪为组Ⅰ原材料,硫酸钡、矿物纤维、硅灰石为组ⅡA原材料的多组分体系(无石棉有机型摩擦材料)[17],测定并优化了它们的摩擦性能。结果表明,采用组合方法筛选的原材料设计的制动摩擦材料配方是成功的。

6 结论

组合筛选制动摩擦材料用组分的研究提供了考察原材料的主效应和相互作用、合理选用原材料和将复杂问题简单化的方法。通过组合方法,根据磨损率对原材料进行了分类,发现了一些原材料的特殊摩擦性能(如摩擦转变)和原材料组合的一般规律(如密度大小组合、形态组合、摩擦性质组合、颗粒大小组合),提出了原材料选择的两个判据和原材料的动态摩擦性能谱。与传统研究方法不同,组合方法有助于对原材料耐磨性的本质(摩擦断裂行为)和对摩擦层形成影响(摩擦机理)的研究,为合理设计摩擦材料配方打下了坚实基础。

摘要：为了解决凭经验选择摩擦材料用原材料的问题,发展了组合筛选原材料方法,分4步进行:(1)一组分体系,考察树脂基体的作用和摩擦性能;(2)二组分体系,考察纤维和填料对摩擦性能影响的主效应;(3)三组分体系,筛选纤维/纤维、纤维/填料、填料/填料组合以及固体润滑剂/固体润滑剂、固体润滑剂/磨料、磨料/磨料组合,考察它们对摩擦性能影响的相互作用效应;(4)多组分体系,即摩擦材料配方。通过组合筛选原材料,根据耐磨性对原材料进行了分类,发现了原材料在摩擦材料中的作用(主效应)和原材料各种组合(相互作用)如密度大小组合、颗粒大小组合、形态组合、摩擦性质组合的一般规律,提出了原材料优先选择的两个判据和原材料的动态摩擦性能谱。

制动踏板是什么 篇5

制动踏板就是限制动力的踏板，即脚刹的踏板，制动踏板用于减速停车。它是汽车驾驶五大操纵件之一。使用频次十分高。驾驶人掌控如何直接影响着汽车驾驶安全。

【相关阅读】

制动踏板就是脚刹(行车制动器)的踏板，使运行中的机车、车辆及其他运输工具或机械等停止或减低速度的动作。制动的一般原理是在机器的高速轴上固定一个轮或盘，在机座上安装与之相适应的`闸瓦、带或盘，在外力作用下使之产生制动力矩。

刹车上面有一个小踏板与刹车杆相连，所以又称这个踏板为“制动踏板”。主要作用是刹车减速或停车。离合器上面也有个小踏板，称为离合踏板。离合在左边，刹车在右边(与油门并排，右为油门)。

小型客车下长坡时推荐使用抵挡位，用发动机制动来实现减速，大型车或重载车辆长坡时切记不可长踩刹车，务必使用发动机减速，此刻很多大型车配有缓速器或刹车水喷淋装置来预防长坡时因刹车过热而导致的制动失灵问题。

1。在下坡时，有人为了省油，就挂空档，采用惯性下坡，这样时间一长，刹车的压力就不够了，容易出现刹车失效，所以不提倡挂空档，不挂空档，就是让发动机和变速器连接，这个时候车下坡时不是靠惯性的，而是靠发动机行驶的，就好像发动机带着你走，不让你的车自我走快，这个就是其中一个制动。

以静制动 噪音之外 篇6

说到对汽车噪声的控制，汽车厂商把它们归纳提升为对“NVH”的控制。其实这NVH是三个单词的缩写，即Noise（噪声）、Vibration（振动）与Harshness（不平顺性）。怎样让一部车的NVH，也就是在噪声、振动与平顺性的控制上得到理想的结果，这是一个非常系统的工程。

主动低调

凯迪拉克XTS

参考价格：

34.99万-56.99万元

除了在车身、车门以及防火墙部位的高标准隔音材料外，前门车窗的双层夹胶隔音、防紫外线玻璃也起到了非常显著的效果。

作为通用旗下高端品牌的凯迪拉克，一直以来无论在设计、行驶品质还是在舒适配置方面均是以最高标准来执行。而目前依然作为总统座驾（陆军一号）的凯迪拉克，其在舒适性方面，特别是在噪声控制方面也一定有其独到之处。

如新近推出的凯迪拉克XTS车型，除了在车身、车门以及防火墙部位的高标准隔音材料外，前门车窗的双层夹胶隔音、防紫外线玻璃也起到了非常显著的效果，这一点从XTS关车门时那厚重声音上就能明显感觉到。

值得一提的还有BOSE专为XTS打造的ANC（Active Noise Cancellation）主动降噪技术，在XTS上ANC为全系标准配置。说到汽车上的主动降噪这项技术，它其实是利用声波抵消原理来实现的。这种声波抵消的有源降噪方法多年前已被广泛用于手机通话降噪以及电脑录音降噪上。汽车上的主动降噪技术则是近几年才开始被汽车生产商所关注和利用的。在凯迪拉克XTS上的ANC主动降噪系统的工作原理是通过发动机转速作为参照信号，通过车内5个消音扬声器产生相应的噪音抑制音频信号来消除噪音。而为了达到更理想的效果，在XTS车顶还带有两个误差修正麦克风以修正噪音抑制音频信号。

对于一部超级跑车来说，雄浑的发动机排气声浪似乎已成为它们所特有的标签。而作为车迷心中超跑符号和代名词的保时捷911来说，其独特的水平对置6缸发动机发出的声音是那样的迷人和动听，录下来做为手机铃声也一定相当惊艳。

那么保时捷911这样一部超级跑车在迷人的排气声线与噪声控制的平衡上岂不是相当纠结？其实，我们相信选择保时捷911的车主对它的声线也同样着迷，但有时也会有例外，那就是在车内欣赏音乐的时候。此时，保时捷911上装备的BOSE音响就有了用武之地。这套BOSE音响装备了特有的专利技术—AudioPilot（噪音补偿技术），它能自动分析并调整被噪音覆盖部分的音乐音量，使得无论驾驶保时捷911在高速巡航还是在激烈驾驶的环境下均能精确重现声音细节。

天下谁人不识君

奔驰S级

参考价格：

124.8万-298.8万元

出色的V12发动机和足够严密的车身技术，成就了低噪神话。

润物细无声

Tesla Model S-

参考价格：

73.4万-85.25万元

重点：纯电动车在源头上解决了噪音的问题，恐怕工程师们要为其如何增加声音苦恼了。

对于以Tesla为代表的电动车型，在噪声方面相比传统能源车型就显现出了其巨大的优势。因为在发动机与排气这些重要的噪声来源已经在源头上被抹去。开着纯电动车，在低速行驶时，我们能听到的仅仅是电动机微弱的声音，这时通常我们担心的不是车子声音太大、太吵人，而是这车的声音真是太小了，因为它几乎是无声的。

但凡事都有其两面性，几十年以来，汽车厂商一直致力于减小车辆在行驶中的噪声。如今，对于行驶起来悄无声息或只有一点声音的电动车来说，恐怕工程师们就要为其增加声音了。工程师们表示，人们早已习惯了内燃机所发出的“噪声”，希望在开车的时候听到发动机的轰鸣声，所以我们也会在电动车上模拟这些声音。Tesla公司的首席执行官Elon Musk也表示，电动车应该定制一种特殊的、让人舒服的声音来达到提醒周围行人的目的，但没有必要不停地发出声音。看来，是否应对电动车施以人为“噪声”的讨论和立法在短时间内还不会有结论。

在很多人的印象中，奔驰是高调的，无论从品牌还是车型。而在三叉星辉照耀下的阵营中，最特别最高调的无疑就要属奔驰S级了。因为它是豪华车的标杆、它是人们心目中豪车的代名词、同时它也是奔驰各项最新技术的展示者。成就它的可能是它出色的V12发动机、也可能是它先进的魔术车身控制（Magic body control）、也许还有它是第一个抛弃了传统光源（卤素灯泡）进而全车采用LED光源的量产车型，可能还有很多方面。但无可否认，它在行驶质感上的体验已经做到了最好，这也就是我们上面说到的对NVH的控制。

世外禅音

雷克萨斯LS 600hL

参考价格：

238.8万元

依靠紧密的机加工精度、以抵消发动机振动的V形气缸夹角，造型复杂的排气与消声系统，成就了润物细无声的V8发动机。

一个字静，两个字真静。这就是雷克萨斯或者说丰田汽车在常规动力汽车上实现的静音最高水平。其实对于一部装备了5.0升V8发动机的混合动力车来说，雷克萨斯LS 600hL对安静的控制让人感觉竟有些“禅”的意味。通常在我们看来应是气吞山河的V8发动机上，雷克萨斯依靠极其紧密的机加工精度、最合理的以抵消发动机振动的V形气缸夹角，造型复杂的排气与消声系统，成就了一台润物细无声的V8发动机。而车内高级隔音、吸音材料的使用也绝对配得上它230多万元的售价。此时，在雷克萨斯LS 600 hL车内，我们能听到的可能就只有后排宽大自动按摩真皮座椅工作时发出的“嗡嗡”声吧。

制动材料 篇7

车辆的制动过程其实质是制动盘和摩擦块之间相互摩擦将车辆动能转为热能的过程。目前,车辆速度不断提高,以及新型技术如ABS的发展,使得车辆可以在更短的时间内停车,因此对目前的制动系统提出了更高的要求。对盘式制动器的结构进行特殊设计,可以使得制动力矩和制动盘表面摩擦因数成线性变化,从而使其失效几率大大降低。

近几十年来,国内外许多学者已经对制动器进行了深入的研究。Voller利用计算机流体力学(CFD)分析发现车辆制动器的散热特性与盘式制动器外表面有直接的关系[1]。Choi对比了普通实心制动盘和螺旋式通风盘式制动盘两种制动盘的散热能力,并使用有限元分析技术模拟制动盘在重复制动下的温度分布状态[2]。

1 制动盘生热和传热理论

1.1 盘式制动器的制动发热理论

制动器的散热能力对于保证制动系统的稳定运行起了关键的作用。车辆制动过程中,通过制动盘转子和摩擦块的相互滑动摩擦使车辆的动能转化为热能,从而降低了车辆的转速。对于长时间的重复制动,产生的热量如果不能及时散发将会对制动性能造成极大的影响,因此我们有必要对其进行研究。

1.2 盘式制动器的散热理论分析

传热的本质是物体内部的分子、原子、电子动能向外传播的过程。热传递通常有热传导、热辐射、热对流3种方式。摩擦片主要通过与其相邻部件以热传导方式散热,与周围空气以对流和辐射的方式散热。根据车辆的基本参数,计算在制动过程中制动盘转子与摩擦块之间摩擦产生的热量:

其中:为温度梯度;A为制动盘导热面积;k为制动盘材料的导热系数。因为导热面积相对比较小,从而温度变化很小,因此制动过程的热传导可以忽略不计。

制动器自身的热辐射散发的热量可以表示为:

其中:σ为波尔兹曼数;ε为制动盘表面热辐射率;Arad为制动盘热辐射面积;TD为制动盘平均温度;T∞为制动盘周围环境温度。在计算热传递问题时,制动盘主要通过热对流方式与空气进行散热。因此我们研究制动盘表面温度分布时,主要考虑制动盘与空气间的传热方式。

2 制动盘不同材料属性

随着快速成型技术的发展,对不同材料的优化分布可以生产出拥有质量更轻和热特性更好的制动器。本文选择了目前使用广泛的新型材料:铝基复合材料、灰铸铁、碳纤维来进行热量分布对比。

铝基复合材料主要由Al-Si-C三种元素的合金组成,其耐磨性、散热特性、热稳定性好,密度小,仅为铸铁密度的40%,从而可以大大降低制动盘的重量。

灰铸铁是由Fe、C、Si三种元素组成的合金,灰铸铁因其具有良好的热性能、价格低、变形程度低、热传导性能好、可铸造性和机加工性能高等优点,成为车辆制动盘目前广泛使用的金属材料。

陶瓷碳纤维是高温条件下碳纤维与碳化硅合成的增强型复合材料。这种材料密度极低,不到铸铁材料的一半。

3 对盘式制动器进行有限元分析

首先需要使用ANSYS CFX对盘式制动盘进行建模,建模是进行分析最重要的一步,合理的模型可以保证后续计算的精度和可靠性。本文以奔驰C200轿车制动盘为例进行ANSYS CFX分析。表1 为奔驰C200轿车制动工况具体参数。

车辆在制动过程中,制动盘会绕着中心轴转动产生空气紊流,同时车辆也会向前运动,此时的空气流动为湍流,因此选择目前使用最多的k-e标准来解决空气湍流问题。由于本文主要研究的是在外界条件完全相同的情况下,不同材料制动盘的热量分布影响,因此分析时可以不考虑整车对制动系统的影响,从而简化制动器空气流场模型,大大减少了计算工作量。

3.1 用ANSYS CFX建立制动盘模型

使用ANSYS软件建立制动盘模型如图1所示。

网格划分后,要分析制动盘在制动过程的瞬态热分布,首先对制动盘模型进行稳态计算,此时设置车辆的制动初速度为90km/h。在ANSYS CFX中该系统包含了3个区域和3种类型的边界条件。分别建立静止空气域、旋转空气流场和制动盘固体区域,并设置制动盘固体区域起始温度为22℃。边界条件分别设为入口、出口和壁面边界。流体入口给定流速条件,数值设置为汽车的初始运行速度90km/h;流体出口压力相对于大气压力为零;壁面施加起始温度和相对压力后进行稳态计算,迭代次数设置为100次。稳态分析完成后保存文件,对模型进行瞬态分析。为了模拟车辆制动过程瞬态的温度变化,需要在转子表面设定与摩擦块等面积区域,以施加摩擦产生的热源。当汽车以90km/h的初速度紧急制动时,入口边界条件即为25m/s,出口边界压力为0Pa。车辆制动减速度为6.94m/s2,前处理设置后如图2所示。

3.2 网格划分和边界条件设定

该模型主要由制动盘固体区域、静止和旋转的空气区域3部分组成。静止和旋转空气区域均采用四面体网格单元划分,制动盘要先采用四面体网格单元划分后再对制动盘转子摩擦面进行网格细化加密。划分完毕后,各个域网格单元数和网格节点数见表2。

制动盘材料分别选取灰铸铁、铝基复合材料、碳纤维,灰铸铁、铝基复合材料、碳纤维的材料属性见表3,其温度的计算机仿真云图分别见图3~图5。

4 结论

根据计算机仿真的云图我们可知:不同材料的盘式制动器其表面温度分布大不相同;三者中碳纤维盘式制动器表面温度最高,其表面最高温度可达711K;铸铁材料制动盘在制动过程中最高温度为587K;铝基复合材料制动盘的温度最低,在制动过程中制动器表面最高温度仅仅为359K。

通过对3种不同材料的制动盘进行ANSYS CFX瞬态热分析,我们可以得知:汽车企业生产小功率低速车可以使用铸铁盘式制动器,因为其相对于其他材料温度升高幅度低且分布均匀;对于高级轿车而言,可以使用铝基复合材料这种散热特性相对较好的材料,可以使得制动性能受高温影响较小,制动性能相对更加稳定;赛车速度较快,空气对流明显增强,应该尽可能选择通风盘式碳纤维制动盘。

参考文献

[1]Voller G P,Tirovic M,Morris R,et al.Analysis of automotive disc brake cooling characteristics[J].Applied Science&Technology,2003,217(8):657.

制动材料 篇8

作为列车所使用的制动材料, 由于服役于高速和大轴重使用条件, 因而除了在其初装时就有严格性能的要求外, 还要考虑到其在列车运行全程的使用可靠性。

闸片的制动性能一般是通过试样实验、惯性台实验和实车道路实验进行评价的。试样实验能迅速地得出结论, 多用于闸片配方筛选阶段。惯性台实验可在室内模拟车辆的实际工况, 获得闸片的摩擦因数、磨耗量、制动表面温升及静摩擦因数等重要参数。实车道路实验被认为是鉴定闸片使用性能的最直接的方法, 它能全面地反映出使用过程中的出现的各种问题, 尤其是可以考察闸片的长期可靠性和它与制动盘的匹配性情况等;但牵涉到多部门的协调, 其周期也较长。

与列车客车车辆在用的半金属及粉末冶金闸片相比, 混杂纤维盘式制动闸片属于新型配方材料。TB/T3118—2005《铁道车辆用合成闸片》的“6.3 现车运用实验”的规定, 新闸片首次提供批量产品前, 应通过一段期限的连续运用实验来考查闸片的性能, 运用实验的车辆类型、运行线路区段由铁路主管部门确定。根据铁道部运输局运装客车电[2006]2813号和济南铁路局辆客电[2006]389文件, 济南铁路局车辆段于2007年6月28日开始批量装车使用新型混杂纤维材料盘式闸片。本工作考察了装车使用中的闸片的磨耗情况和对偶制动盘的表面和尺寸变化情况。

1 实验

装车实验所用闸片系山东大学研制[5], 并由路内厂家 (兖州铁龙公司) 合作生产。闸片厚度测量使用游标卡尺, 制动盘测厚使用铁路闸盘磨耗计量专用尺, 闸片和制动盘表面形貌状况采用Sony W-1数码相机拍摄。闸片微观组织SEM图采用JXA-8800电镜 (Japan Electron出品) , 试样从装车10个月后的混杂纤维闸片上切割, 表面经喷金处理。

装车实验车为25G型2598/2597次编组的客车车辆。2007年6月28日混杂纤维闸片开始装车使用时, 该辆车刚刚进行过段修。客车车辆的车况为:运行区间泰山—北京;运行里程558km, 即该车辆每天往返运行1116km;车辆编号:RW25G 553403号 (软卧车) ;配对制动盘:一轴、三轴系中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所铁马科技有限公司生产的整体式铸铁盘, 二轴、四轴系铁道科学研究院机车车辆研究所生产的对开式H-300A灰铸铁盘。

2 结果与分析

2.1 混杂纤维闸片的磨耗及表面状况观察

混杂纤维闸片在铁道部产品质量监督检测中心机车车辆检测站进行了1∶1制动动力实验台实验, 其典型的各种制动初速度下的一次停车常规制动瞬时摩擦因数曲线参见图2所示, 混杂纤维闸片的磨损率值为0.57cm3/MJ (TB/T3118—2005规定的磨耗指标范围是≤1.0cm3/MJ) 。

混杂纤维闸片2007年6月28日装车后, 在2007年11月7日和2008年4月16日济南车辆段组织人员拆装RW 25G 553403号车挂装的闸片, 测量了闸片的线磨耗量并对闸片表面状况进行了观察, 测量值见表1。

按照TB3118—2005标准规定, 混杂纤维闸片出厂时厚度应为28.0undefinedmm。根据铁路部门的维护维修规范闸片磨耗至厚度5.0mm时视为到限, 即闸片厚度减少值达到23.0mm时应该更换。根据以上实测结果, 装车使用4个月后 (行驶里程14.5万公里) 闸片最大线磨耗值为2.25mm, 装车使用10个月后 (行驶里程32万公里) 闸片最大线磨耗值为3.88mm, 可以预见该闸片的预期使用寿命应该超过2年半的段修期。

混杂纤维闸片装车前及使用一段时间后, 观测记录了闸片外观及表面情况, 并使用Sony W-1数码相机拍摄了其表面形貌照片, 装车前后典型的混杂纤维闸片的表面状况见图3。

(a) 装车前; (b) 装车4个月后; (c) 装车10个月后

(a) before install; (b) being installed after 4 months; (c) being installed after 10 months

从混杂纤维闸片的外观来看, 装车前闸片无外观缺陷, 符合TB/T3118—2005中4.3款对闸片的要求。使用一段时间后, 闸片无烧痕、局部隆起、局部或整体变形、黏结材料熔化、表面裂纹、剥离、凹陷、黏结剂渗出和金属镶嵌现象, 也没有出现闸片折断, 摩擦衬片材料脱落及掉块等异常状况。

分析混杂纤维闸片得到适宜的摩擦因数和具有较好的摩擦表面状态的原因, 可以从闸片在制动过程中表面成分的微观结构的变化入手。目前的一般的摩擦材料的配方研究中, 采用的研究方法多是改变某一成分的比例, 再用试样实验测定对应的制件的摩擦性能, 这在摩阻材料早期研究中是普遍接受的, 这种研究方法只是概要的描述了摩擦材料结构 (即材料的化学成分及添加比例) 与性能的关系。较为精细的研究指出[6], 制动系统的摩擦作用最突出的部位集中在闸片/制动盘的接触界面, 作为有机闸片而言, 其摩擦后的表面成分会有别于闸片本底材料。由于制动所带来的垂直压力、强力剪切和摩擦热的等机械力和生热的双重作用, 有机黏结剂会产生化学键扯断和热降解, 造成闸片摩擦接触部位的化学成分发生变化, 形成 “第三体”材料薄层。Jacko[7]指出, 摩擦碎片压实所形成的所谓摩擦膜层在制动过程中对稳定摩擦因数起着重要作用。Österle[8]利用扫描电镜及表面分析技术, 对做过制动模拟实验的常规制动材料的表面化学成分和金相组织变化进行了研究, 发现“第三体”材料的碎片系由制动闸片的所有组分和制动盘上脱落的氧化铁粉的混合物组成。磨损的主要机理是, 在粗糙摩擦条件下黏结剂即酚醛树脂局部降解后, 加剧了填充粒子从有机黏结剂上的剥离, 在配方含有蛭石、石英、BaSO4和Sb2S3等成分时, 细粉剥落成灰而石英大颗粒保留下来填实在表面上作为硬质磨粒。

从使用工况来看, 列车制动时闸片最初始要经受高剪切力, 然后又会在摩擦生热作用下急剧升温, 该过程中闸片中的无机纤维及填料的物化性能变化不大, 较高温度下金属成分会发生氧化, 而基体树脂是对热最为敏感的组分。制动时的高剪切产生的力化学作用导致酚醛大分子链断链, 而摩擦热又会使材料摩擦表面层上的树脂成分热裂解, 沿表层向里也会发生不同程度的热裂解, 从而导致表面层的各成分间的结合强度发生较大的变化。传统的半金属制动闸片在其力化学和热性能设计不良时, 会因反复制动而导致表面成分的不确定性化, 故其摩阻性能会在制动中发生波动, 宏观上闸片就发生发脆、掉渣、龟裂甚至冒烟等现象, 其典型的表面缺陷参见图4。

借鉴炭纤维生产过程中聚丙烯腈预氧化过程[9]以及酚醛树脂受热稠环化[10]及炭化[11]的机理, 在文献[12]中设计了新型的改性酚醛树脂结构, 提出了利用摩擦作用使表面层树脂成分部分成环化的手段稳定闸片摩擦因数的措施, 即让摩擦表面上成环化的近似沥青质的“第三体”膜层成分粘牢并压实摩擦表面的填料碎屑 (见图5) , 使得表面黏着得以稳定;成环化也使得材料的变形作用对摩擦的贡献不至于出现很明显的涨落, 这样闸片材料的摩擦因数即可消除速度和温度敏感性。

而采用混杂纤维制造闸片, 各种纤维长径比不一且软硬度也不同 (其中金属纤维长径比最大也最硬) , 其相互交叉得不很规则, 故称为无规交叉网状堆砌结构 (见图6) 。由于各纤维的长径比不同, 将形成若干级网状堆砌架构。钢纤维直径最大, 调整其添加比例钢纤维之间会形成最粗壮的骨架网络, 钢纤维和炭纤维和其他种类的纤维之间形成次级网状架构填充其间, 更微细的粉状填料和树脂黏结剂成分弥散充满上述架构的间隙形成完整的一体化复合材料。这样从大到小形成的堆砌架构相互补充, 优势互补, 形成混杂效应, 使闸片材料的制动性能更加优良。纤维的网状堆砌架构在材料中主要起支撑载荷、传递应力的作用, 因而可以防止闸片表面受到摩擦作用时出现龟裂、塌边和掉渣等不良现象。

2.2 混杂纤维闸片与制动盘的匹配

制动盘的制造和维修成本远远高于制动闸片, 因此制动闸片与其配对时, 尤其应该关注制动闸片不应该对制动盘有严重攻击性。从制动性能方面看, 希望制动盘与闸片配偶时, 摩擦因数高且稳定, 以期获得更多的制动功;而从使用性能方面考虑, 制动系材料都属于牺牲材料, 都有不断磨耗和生成新界面的过程。制动盘使用时, 闸片与制动盘面强烈摩擦以耗散列车的动能以确保在规定距离内停车, 这一摩擦过程必然会引起制动盘面的瞬间温升, 而随后盘片又经历剧烈的强制通风冷却, 这样制动盘承受着较强烈的摩擦作用和热疲劳冲击。

为了衡量制动闸片对制动盘的匹配性, 利用制动盘磨耗测量专用尺进行了测量, 其结果见表2。

从上述数据可见, 列车运行10个多月制动盘的总平均磨耗值为0.625mm, 最大磨耗值为1.0mm。根据有关技术规范, 制动盘任一侧磨耗达7mm就需报废。若按照本实验中闸片使用10个多月后制动盘最大磨耗值仅1.0mm外推计算, 制动盘磨耗到限的期限可达到6年。

理论研究和实际运行经验表明[13], 制动盘使用过程中承受的惯性力和制动压力及其制动面切向摩擦力, 对制动盘的寿命影响比摩擦热的影响小, 制动盘的磨耗也不是引起制动盘失效的主要原因, 一般来说, 热龟裂是影响制动盘寿命的主要方面。热龟裂的形成有两个原因:一是反复制动使制动盘的温度周期性的急冷急热, 造成热龟裂;另一原因是由于摩擦面与其他部位存在温差, 形成热应力而产生热龟裂。混杂纤维闸片属于软质耐磨材料, 其自身的黏弹性既可以提高黏着性, 又可以通过自身的内损耗把摩擦生热耗散出去, 这样可以减小总制动生热分配到制动盘上的比例, 从而减少制动盘的温升[14], 降低了热应力, 防止产生热裂纹。这一点可以通过制动盘面的表面状况变化的长期跟踪照片得到印证, 与混杂纤维闸片配对的制动盘使用10个月其表面情况见图7。

从图7可见, 与混杂纤维闸片配对的制动盘使用过程中盘面清洁, 表面没有黏结剂残渣, 其摩擦带面也没有产生沟状磨耗、波浪形磨耗及其他异状磨耗, 表明混杂纤维闸片对制动盘的攻击性较小。

3 结论

(1) 从混杂纤维闸片的装车实验看, 车辆走行12万公里时, 平均线磨耗值为1.64mm, 走行30多万公里后, 平均线磨耗值为3.00mm, 可以预见闸片在25G车辆上使用其寿命会长于2年半的段修期。使用混杂纤维闸片预期会延长客车车辆闸片的更换周期, 降低铁路部门的材料消耗。

(2) 混杂纤维闸片使用中无烧痕、变形、黏结材料熔化、黏结剂渗出、表面裂纹等不良现象, 也没有出现闸片折断、摩擦材料脱落及掉块等异常状况。

制动材料 篇9

摩擦材料的性能对汽车制动系统的稳定性至关重要, 自从无石棉摩擦材料问世以来,寻求新型增强纤维一直是摩擦材料研究的重点[1]。主要的增强纤维包括金属纤维、天然纤维、有机纤维、及无机纤维[2,3,4]。硫酸钙晶须作为无机纤维的一种,具有耐高温、抗化学腐蚀、韧性好、强度高、与聚合物的亲和能力强、毒性小等优点,且价格低廉,是一种具有广泛研究前景的材料[5,6,7]。Shoubing Chen[8]等人采用硫酸钙晶须填充蓖麻油聚氨酯和环氧树脂的交联聚合物提高了其抗拉强度、热稳定性以及阻尼特性。J. Y. Liu[9]等人研究了熔融混合法与共沉淀法制备硫酸钙晶须填充聚已酸内酯复合材料对其机械性能与生物相容性的影响。J. C. Wang[10]等用硫酸钙晶须改性室温硫化硅橡胶,提高了复合材料的抗拉强度和延展性,并且使其在350 ℃ ~ 700 ℃ 具有良好的热稳定性。上述研究表明硫酸钙晶须能有效改善复合材料的性能。

目前已有学者将硫酸钙晶须用于提高汽车摩擦材料的性能[11],制动材料的摩擦学性能与其使用工况有较大的关系,文中以具有较高摩擦因数以及较稳定摩擦性能的酚醛树脂为基体材料,硫酸钙晶须为增强纤维,辅以一定成分的填料制成的摩擦材料为研究对象,与45钢配成摩擦副,研究其在不同工况下的摩擦行为,探讨该材料的摩擦性能与磨损机制。

1试验部分

为了研究配副的摩擦学性能,摩擦磨损实验采用济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的MMS - 2A微机控制磨损试验机,试样及其尺寸见图1。

实验配方使用课题组优化配方( 质量分数) : 硫酸钙晶须40% 、树脂20% 、铜粉10% 、长石粉15% 、氧化铝12% 、石墨3% 。试样的制作使用Y32 - 63T热压成型机模压成型,将制作好的试样加工成7 mm × 7 mm × 30 mm的长方体,试样放置于卡槽中用螺钉固定,通过下配偶环的转动形成摩擦副,实现相对滑动。配偶环的材料采用45钢,表面高频淬火硬度大于HRC40。实验工况为干摩擦、水润滑两种状态; 实验载荷为100 N、150 N、200 N、250 N; 转速分别为200 r / min、400 r / min。实验开始先进行磨合,使得试样与对偶件接触面积达到80% 以上,实验时间为40 min。通过工业计算机测得实际过程中的摩擦力矩, 并每隔10 s计算一次摩擦因数,取其平均值。实验使用Philips - FEI XL30 ESEM - TP环境扫描电镜观察磨损后试样的表面形貌,并用STIL型光学表面形貌仪测试表面磨损状况。

2摩擦磨损性能分析

2. 1干摩擦状态下制动片的摩擦磨性损能

图2为试样在干摩擦状态下,速度与载荷对试样摩擦磨损性能的影响。

从图2( a) 可以看出,干摩擦状态下无论是低速还是高速情况,摩擦因数均随载荷增加而增加。在载荷由100 N到150 N时,摩擦因数均有显著的增加,增长幅度都超过了15% ,这与载荷增加初期的摩擦面实际接触面积快速增大有关; 随着载荷继续增大,摩擦因数的增长速率放缓,最终都维持在0. 40左右,说明在载荷增大,摩擦温升加剧致使基体材料软化的情况下,硫酸钙晶须提高了材料的热衰退性能,使其具有较为稳定的摩擦因数。

从图2( b) 可以看出,干摩擦状态下的磨损率在低速与高速情况下均随载荷增加而升高。从增长幅度来看,不同速度条件下都在1倍左右,但相同载荷不同转速情况下的磨损率差距较小,可见该材料的磨损性能稳定。

2. 2水润滑状态下制动片的摩擦磨性损能

图3为试样在水润滑状态下,速度与载荷对试样摩擦磨损性能的影响。

从图3( a) 可以看出,水润滑状态下,试样在低速情况下摩擦因数随载荷增高而降低,在高速情况时摩擦因数也呈现下降的趋势。两种速度下,轻载与重载的摩擦因数较为接近,分别为0. 24左右和0. 21左右。与干摩擦相比, 由于流动水吸附在摩擦表面形成水膜,从而减少了表面微凸体的接触,边界润滑效果增强,摩擦因数显著下降。

从图3( b) 可以看出,与干摩擦状态相反,水润滑状态下,试样在低速与高速时的磨损率均随载荷升高而降低。 由于硫酸钙晶须对基体的强化和流动水的导热作用,摩擦温升导致的基体材料软化程度减少; 并且转速越快时,摩擦界面间的水膜承载能力越强,同时压力的增大又促进了水的展开与浸润,这就解释了为何高速时的磨损率较低速时更低。值得注意的是低速轻载状态下水润滑的磨损率略高于干摩擦状态,这可能与水的渗透作用和水膜对基体间隙的挤压促进了纤维与基体的分离,从而加快磨损有关。

2. 3工况对对偶件磨损率的影响

图4为不同工况下对偶件的磨损率。

从图4( a) 可以看出,对偶件在干摩擦状态下的磨损率随载荷与速度的增加呈现上升趋势。由于淬火45号钢的硬度较大,与摩擦材料接触时大量产生摩擦热,接触表面高温接触点多,易出现咬合与粘着现象。当转速增高时,摩擦温升加剧,从而使得磨损更为严重。从图4( b) 可以看出,对偶件在水润滑状态下的磨损率与干摩擦时相反,随速度与载荷的增加而降低。这主要是在湿摩擦条件下,流动水的冷却作用减小了树脂的热损,磨损主要来自材料本身的硬质颗粒对对偶件的磨削; 当载荷升高时,摩擦热增加加速了水分子在摩擦副表面扩散,试样表面由于水的渗入使得抗剪力减小,降低了对对偶件的磨损; 当速度升高时,在摩擦界面间形成的水膜更加连续,表面微凸体的接触减少也降低了对对偶件的磨损。

3试样磨损表面形貌分析

从以上的分析可以得出,在有润滑介质的情况下,试样的摩擦因数和磨损率的变化趋势与干摩擦状态下有所不同。总体来说摩擦因数显著降低,磨损率随载荷上升而降低,因此选择上述参数数值相差最大的高速重载情况下的试样进行表面形貌与表面磨损状态的分析。图5为不同工况下试样磨损表面的SEM照片。

从图5( a) 可以看出,干摩擦状态下试样表面磨痕较深,呈现明显的因黏着后分离而造成的表面拉伤,也有部分沟状划痕,表面还残留有高亮的硬质颗粒; 在重载荷情况下,压力与摩擦热增加,试样表面脱落的颗粒会在表面产生顺着滑动方向的划痕。从图5( b) 可以看出,在水润滑状态下,表面损伤与划痕明显减少,摩擦表面光滑平整。 由于水的流动性强,磨屑与脱落的颗粒能够及时的被冲刷走,因此在材料的划痕以及凹坑处没有残留的磨屑,而是不断有新的材料露出来,一些晶须散落在表面而没有像干摩擦时形成的大片摩擦膜。载荷的增大提高了水的吸附作用,减低了表面能,粘着磨损减少,从而导致磨损率较干摩擦时下降。

图6为光学表面形貌仪测量的试样磨损后的表面轮廓图。

由白光干涉仪测得干摩擦状态下试样的摩损面轮廓最大深度达到0.2 mm以上,水润滑状态下试样的摩损面轮廓最大深度达到0. 16 mm以上。从图6( a) 可以看出,划痕连续,排列均匀,表面分布着细小的凹坑,表明其磨损形式有粘着磨损和磨粒磨损。从图6( b) 可以看出,水润滑状态下磨损量小于干摩擦状态,磨损表面更为均匀光滑,粗糙度小。摩擦表面所形成的水膜起到的润滑与冷却作用大大减少了粘着磨损的发生,磨屑的及时排出也减少划痕的产生,因此相对于干摩擦状态,磨损表面变得光滑连续。

4结语

1) 干摩擦状态下试样的磨损率显著大于水润滑状态。干摩擦时磨损率随载荷与速度增大而增大; 水润滑时则相反。

2) 干摩擦状态下试样的摩擦因数随着载荷与速度增加而增加,且能保持较高的摩擦因数,说明硫酸钙晶须增强的树脂基复合材料在一定范围内具有良好的抗衰退性能; 在水润滑状态下,摩擦因数会有大幅度的下降,受速度的影响较小而受载荷的影响较大。因此,应当尽量避免摩擦片在有水及雨雪环境中的使用。

3) 干摩擦时对偶件的磨损主要受摩擦热的影响,而水润滑时对偶件的磨损主要来自于试样中硬质颗粒对于表面的磨削。

4) 在干摩擦状态下试样磨损表面有较深的划痕与凹坑,磨损以磨粒磨损和粘着磨损为主。水润滑状态下水膜的形成减少了粘着磨损,试样表面更为光滑。

摘要：硫酸钙晶须作为摩擦材料增强纤维具有诸多优点,研究了硫酸钙晶须增强的树脂基摩擦片在干摩擦与水润滑状态下与淬火45钢配副时,载荷与对偶件的转速对试样摩擦磨损性能的影响,并试分析其磨损机制。实验结果表明,干摩擦状态下的摩擦因数与磨损率均显著大于水润滑状态,并且在水润滑时试样的摩擦因数与磨损率随着载荷与速度的升高而降低;对偶材料的磨损率在两种工况下随速度与载荷变化呈现出不同的趋势。

制动材料 篇10

CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料作为一种具有广阔发展前景的新型汽车制动材料,在CaSO4晶须优异的理化性能以及独特的增韧补强作用下[8],表现出摩擦性能稳定、抗热衰退性强、密度低、性价比高以及环保无污染等优异性能[9,10],但该材料用作汽车制动材料且在特殊工况下的摩擦学性能表现有待进一步研究。鉴于此,本文作者在课题组前期研究的基础上,制备出一种CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料,且为更好地反映该材料在特殊工况下的摩擦学性能,而选用一种市售材料作对比,基于长下坡重复制动工况系统地研究两种材料在不同制动频率条件下摩擦磨损性能的变化规律,并分析其磨损机理。

1 实验材料与方法

1.1 原材料

以日本住友生产的工业型腰果壳油改性酚醛树脂为基体,添加量为10%~12%(质量分数,下同),其固化温度为150℃,游离酚≤5%;添加15% ~20% 的CaSO4晶须作为增强体,为洛阳亮东非金属材料有限公司提供,其外观为白色蓬松状粉末,显微镜下为短切纤维状或针状单晶体,相对密度为2.96g/cm3,纯度≥98%;填料为7.5%左右的Q/HG3396型Al2O3颗粒以及8%的长石粉,长石粉是一种性能稳定、价格低廉的铝硅酸盐类矿物质;而摩擦性能调节剂为6%左右的铜粉以及2%左右的石墨。所选的市售制动材料为山东省某知名厂家生产的刹车片,通过EDAX能谱仪对其表面成分进行分析(见表1)可推断该材料可能是以钢纤维为主要增强纤维,以金属氧化物和碳化物为填料的树脂基复合摩擦材料。

1.2 制备工艺

首先采用JF801S型犁耙式混料机,将预先干燥好的酚醛树脂、CaSO4晶须以及各种填料组分按最优配方比例称量后均匀混合6min左右;然后在Y32-63T四柱上压式液压机上进行热模压成型,固化温度为150~160℃,保压压力为10~15MPa,保压时间为12~15min,在制品保压前每隔10s排1次气,并连续重复5~6次;接着将热压成型出的制品放置干燥箱内进行热处理,0.5h内升温至160℃,保温12h后随炉冷却得到性能趋于稳定的CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料;最后经过机加工得到摩擦试验机所需尺寸规格的试样。

1.3 摩擦磨损性能测试

在XYC-A型CHASE摩擦试验机上进行摩擦磨损实验,通过气动伺服系统对试样加载制动压力。对偶件为铸铁材料,与试样组成的摩擦副及相关规格尺寸见图1。在测试实验前,应对试验鼓摩擦表面进行打磨抛光处理,而试样需要依据SAE-J661标准实验程序在CHASE设备进行磨合,磨合时间根据试样与试验鼓的有效接触面积(≥95%)来确定,实验条件为干摩擦。实验过程中试样的摩擦因数以及摩擦表面温度由试验机自动采集记录。

参照公路工程技术标准JTG/B01-2003,在制动压力323N、制动速率70km/h、主轴转速602r/min、初始制动温度30℃、加载时间5s、卸载时间15s的实验条件下研究不同制动频率对两种材料摩擦学性能的影响。采用XHRD-150 型洛氏硬度计按照GB/T5766-2007标准在试样摩擦表面选取3个点测量其平均硬度值;用精确至0.001mg的FA2004电子天平测量各试样实验前后的质量,来计算质量磨损;分别采用Nova NanoSEM 230 型场发射扫描电子显微镜及EDAX能谱仪观测试样磨损表面形貌及表面化学成分变化。为了方便实验数据记录和分析,将CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料试样编号为A,而市售材料试样编号为B。

2 结果与分析

2.1 制动频率对试样摩擦因数的影响

图2所示为试样在不同制动频率条件下平均摩擦因数的变化情况。由图2可以看出:随着制动频率的增大,试样A的摩擦因数始终维持在较高水平(0.48左右),而并未出现在高频率制动以及高温状态下因树脂分解而导致的摩擦性能衰退现象,说明试样A制动材料可以在特殊工况下实现短时间内的可靠有效制动,这主要是因为CaSO4晶须具有强度高、韧性好以及耐高温等优异性能[11],在高温状态下,CaSO4晶须不发生分解和软化,且与树脂等成分均匀混合后易在内部形成纤维网[12],从而有效抑制聚合物分子链的热运动,提高材料的抗热衰退性;而试样B的摩擦因数则随着制动频率的增大出现了先降低后升高的变化规律,在制动频率为35 次时,摩擦因数降至最小值0.321,这可能是因为试样B的磨损表面形貌在制动次数为35次发生了明显的变化所致。

图3所示为两种材料在不同制动速率条件下随着制动频率的增大摩擦因数的变化情况。由图3可以看出:随着制动频率的变化,试样A的摩擦因数始终维持在0.41左右波动,而在不同制动速率下,试样A的摩擦因数并没有发生明显变化,表现出了对制动速率变化的不敏感性;而试样B的摩擦因数在制动速率为60km/h和80km/h时没有明显区别,均是随着制动频率的变化先增大而后趋于稳定,但在制动速率为100km/h时,摩擦因数大小及其波动性均明显增大。

(a)试样A;(b)试样B(a)sample A;(b)sample B

在整个实验过程,不同制动速率下,随着制动频率的增大,试样A和试样B的摩擦因数均出现了不同程度的波动,这主要是由于在循环制动过程中,摩擦副接触表面始终承受着短时周期性冲击应力的作用,处于循环加载和卸载的受力状态,摩擦表面将因此发生物质转移、塑性流动变形、裂纹的萌生与扩展、表面摩擦膜的难于形成等现象[13],从而导致接触表面变得复杂,摩擦因数波动性较大。

为了定量表征两种材料在循环制动过程中动摩擦因数的变化情况,采用摩擦因数的稳定系数α 和波动系数γ 来对其进行评价[14,15]。

式中:μmax为最大动摩擦因数;μmin为最小动摩擦因数;为平均摩擦因数。

式(1),(2)中,α和γ 值越接近1,说明摩擦材料的制动平稳性越好,产生颤动和噪音的可能性越小。

表2给出两种材料在不同制动频率条件下摩擦因数的稳定系数以及波动系数。从表中数据可以看出,在整个实验过程,试样A摩擦因数的稳定系数以及波动系数总平均值均大于试样B即αA>αB;γA>γB。由此说明:相比于试样B,试样A在循环制动过程中表现出了更加优异的制动平稳性,而且产生制动颤动和噪音的可能性更小,这恰好满足了现代高速发展的汽车行业所提出的汽车行驶舒适性,制动平稳性以及绿色环保的性能要求[16]。

2.2 制动频率对试样摩擦表面温度的影响

图4所示为两种材料在不同制动频率条件下摩擦表面平均温度的变化情况。由图4可以看出:随着制动频率的逐渐增大,试样A和试样B摩擦表面的平均温度变化均呈现出线性的上升规律,而且由于试样B材料组分中含有较多具有高热传导率的金属成分,使得试样B摩擦表面温度始终相对低于试样A摩擦表面温度。由于重复制动是一个加载和卸载交替进行的过程,在加载制动过程中,摩擦表面不断积聚由摩擦做功而产生的热量,温度上升,而在卸载过程中,摩擦表面又与周围物体以及空间环境进行热交换,摩擦表面的热量不断被扩散出去,温度下降,因此在整个实验过程,摩擦表面的温度始终处于动态平衡的状态,温度上升幅度较小,均未超过基体树脂的热分解温度(250℃),因此两种材料均未发生明显的热衰退现象。

2.3 制动频率对试样磨损率的影响

图5给出两种材料在不同制动频率条件下质量磨损率的变化情况。由图5可以看出:当制动频率≤35次时,两种材料的磨损率大约在1.25mg/次左右,均表现了良好的耐磨性;但随着制动频率的进一步增大,试样A的磨损率急剧上升至2.79mg/次,上升幅度高达86%,同样,试样B的磨损率也上升至1.82mg/次,上升幅度也达到了54.2%,这主要是由于此时摩擦表面温度较高,材料强度下降,部分树脂开始发生热分解,黏结性降低,在循环制动交变载荷的作用下,摩擦表面无法形成连续致密的摩擦膜,因此磨损率较大。当制动频率增大到80次时,试样A和试样B的磨损率进一步增大,但两者的上升幅度与制动频率为50次的相比均有明显降低,这主要是由于在高温状态下,基体树脂进一步发生热分解,产生的气体与液体将在摩擦表面形成“气-液-固”多相界面层,同时由于摩擦副相互作用增强会在摩擦表面形成转移膜,因此摩擦接触表面的润滑状态发生改变,从而缓解了磨损率的急剧上升。

由于试样A的摩擦因数较高,而且摩擦表面硬度小于试样B的摩擦表面硬度(见表4)。因此在整个实验过程,试样A的磨损率比试样B的高。但摩擦表面硬度越高,在摩擦制动过程中对对偶件所造成的损伤也将更严重,而且由于试样B含有较多的金属纤维成分,容易生锈的金属纤维易与对偶件发生黏着,破坏摩擦表面转移膜,从而造成制动不平稳[17]以及对对偶件的过量磨损,这也恰好说明了试验鼓与试样B摩擦后表面划痕更多且在制动过程中易发出啸叫的现象。因此,从性价比以及对对偶件的损伤程度考虑,试样A仍是一种具有潜力的制动材料。

2.4 磨损表面分析

图6给出两种材料在不同制动频率条件下磨损表面的SEM图片。由图6可以看出:当制动频率为20次时,由于摩擦表面温度相对较低,摩擦副接触表面微凸体间的相互作用强烈,在交变应力以及界面剪切阻力的作用下,微凸体被逐渐磨平或发生断裂和破碎,所形成的磨屑会填补表面凹坑或在摩擦表面被碾压形成摩擦膜,而没有被排出摩擦表面,因此试样A和试样B的磨损率均较低,而脱落的Al2O3以及金属氧化物等硬质颗粒则容易在制动过程中被压入摩擦表面而产生犁削作用并在表面留下清晰的沟犁痕迹。随着制动频率的增大,摩擦表面温度不断上升,树脂黏结性降低,表面塑性变形程度加剧,材料强度下降,因此表面硬质颗粒犁削作用所产生的沟犁痕迹更加明显,而且因基体材料对表面摩擦膜的支撑能力减弱,摩擦膜逐渐剥落并被排出表面,导致试样A的磨损率急剧上升,但由于CaSO4晶须的增韧补强作用,使材料各组分间的交互作用增强,摩擦接触表面较为平整,因此试样A摩擦因数仍保持在较高水平;而试样B由于摩擦温度的升高,黏着效应增强,使摩擦表面出现了剥落坑,摩擦表面变得粗糙,摩擦副实际接触面积减少,因此在该阶段试样B的摩擦因数以及磨损率均增大。

(a)20次;(b)50次;(c)80次(a)20times;(b)50times;(b)80times

当制动频率增大到80次时,试样A摩擦表面出现了大块的摩擦膜以及较细的沟犁痕迹,这主要是因为在高温状态下,由于树脂黏结性的进一步下降,部分材料发生脱落,形成大量磨屑,而磨屑同样会被碾压形成摩擦膜,但摩擦膜与基体间的结合强度较弱而容易脱落,因此磨损又进一步上升,而磨屑中的Al2O3硬质颗粒在热应力以及摩擦剪切阻力的反复作用下逐渐细化,因此沟犁痕迹变小;而试样B磨损表面的SEM照片颜色明显变暗,这是摩擦表面树脂在高温状态下发生分解的结果。

图7给出了在制动频率为80次的条件下两种材料摩擦表面摩擦膜的能谱分析结果,由图7 可以看出:试样A的摩擦膜中出现了大量的Fe元素,而试样A原材料组分中并没有Fe元素的存在,说明在摩擦过程中,试样A与对偶材料之间有较强的黏着效应,导致材料发生转移并在摩擦表面形成了转移膜,而摩擦膜在起到润滑作用的同时也能有效减少摩擦副的直接接触面积,从而缓解了磨损率的急剧上升。而相比于表1试样B原材料表面成分的分析结果可以发现,试样B在摩擦过程也与对偶材料发生了材料转移,Fe元素含量由原来的56.9% 增加至62.53%,而且摩擦膜中氧元素的含量相对于C元素含量出现了明显增多,这主要是因为试样B材料组分所含的大量金属元素在高频制动条件下由于摩擦表面温度不断上升而发生了氧化反应,并在表面形成氧化膜,而在氧化膜以及转移膜的润滑作用下,使试样B在该阶段的摩擦因数及磨损率均没有发生明显的变化。

(a)试样A;(b)试样B(a)sample A;(b)sample B

3 结论

(1)在不同制动频率条件下,由于CaSO4晶须表现出了显著的增韧补强作用,试样A的摩擦因数始终维持在较高水平0.48左右,并具有比试样B更高的稳定系数和波动系数,制动平稳可靠,无制动噪音和震颤产生,而且对制动速率的变化不敏感;而试样B的摩擦因数则是先降低后升高,而且在制动速率为100km/h时,摩擦因数大小及其波动性明显增大。

(2)在整个实验过程,试样A和试样B摩擦表面的平均温度以及质量磨损率均随着制动频率的增大而增大,但在制动频率小于35次时,两种材料的质量磨损率仅为1.25mg/次左右,均表现出良好的耐磨性。

(3)随着制动频率的增大以及摩擦表面温度的逐渐升高,试样A与对偶件间的黏着效应明显,发生了材料转移。在整个实验过程,由于CaSO4晶须起承载支撑的双重作用,试样A磨损表面相对比较平整,磨损机理以磨粒磨损为主;而试样B的金属成分发生了氧化反应,摩擦表面出现了剥落坑和微裂纹,磨损机理以黏着磨损和氧化磨损为主。

摘要：采用热模压成型工艺制备CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料(试样A),并选用一种市售材料(试样B)作对比,研究制动频率对两种材料摩擦学性能的影响,利用SEM及EDAX观测磨损表面形貌与表面膜成分变化,并分析其磨损影响机理。结果表明:随着制动频率的变化,由于CaSO4晶须的增韧补强作用,试样A的摩擦因数始终维持在较高水平0.48左右,制动平稳可靠,对偶件损伤程度轻,磨损机理以磨粒磨损为主;而试样B的摩擦因数则是先降低后升高,且对制动速率的变化敏感,磨损机理以黏着磨损和氧化磨损为主。两种材料摩擦表面温度及磨损率均随着制动频率的变化而升高,但在制动频率小于35次时,两种材料均表现出良好的耐磨性。

何谓发动机排气制动 篇11

您好!

我是贵刊的一位忠实读者，同时也是一位十足的车迷。贵刊图文并茂、通俗易懂，确实是一本不可多得的汽车杂志。尤其是“车迷园地”栏目每期都详细解答读者的问题，使我从中学到了不少知识。我也有一些问题一直弄不明白，希望贵刊能帮助解答，谢谢!

1.最近我看到一辆日本凌志Lexus ES300轿车，发现该车自动变速杆的下部有一个O/D字样的按钮，不知该按钮起何作用?

2.一辆本田思域，我发现它的自动变速器的档位处和别的车辆不同，显示有D4、D3、2、1，它们分别代表什么含义?

3.经常听别人讲“发动机排气制动”，它的工作原理是什么?

4.富康轿车上的“后轮随动转向”是怎么一回事?

最后，祝编辑部全体同志工作顺利，万事如意!祝《大众汽车》越办越好!

(黑龙江·郭英振)

郭英振车迷：

您好!

下面顺序回答您提出的问题：

日本凌志Lexus ES300轿车自动变速杆下部的O/D按钮，又叫OD档(Over Drive——超速比省油档)，该档的速比小于1，即输入轴的转速小于输出轴的转速，使用该档可以降低油耗、减小发动机的噪音和磨损等。

本田思域轿车自动变速器的档位中，“D4”位和“D3”位都是前进档，其中“D4”位表示汽车能够在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个档位之间自动升降档；“D3”位表示汽车能够在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个档位之间自动升降档；“2”位和“1”位都是锁止档，在该档位时表示汽车分别被锁止在“Ⅱ”档和“Ⅰ”档，既不能升档，也不能降档。

“发动机排气制动”是汽车辅助制动的一种形式，这种形式多见于经常在山区行驶的汽车上。汽车在山区行驶时，经常要下长坡，这时汽车在重力的作用下要加速行驶，为了安全起见，驾驶员不得不频繁使用制动器，结果造成制动器发热过多导致制动效能减退，严重的还会将摩擦衬片烧焦。发动机排气制动就是利用关闭发动机排气系统使发动机由一个内燃机变成一个压缩机的原理来产生制动作用。当汽车需要制动时，挂入低档，利用发动机内机构的摩擦阻力和泵气阻力来消耗汽车的动能，从而降低汽车的行驶速度。采用发动机辅助制动，只需在排气歧管的出口处增装一个排气制动阀，当阀门关闭时，发动机排气的背压增高，可以吸收汽车的动能。不制动时，打开阀门，不影响发动机的正常工作。制动时，在关闭阀门的同时切断燃料供给，使发动机在压缩过程和排气过程中都是在压缩纯空气，于是内燃机变成压缩机。制动效果可以大幅度提高，但制动大小却无法由驾驶员控制。在柴油机上装有排气制动阀时，其制动效果是发动机不装排气制动阀的1.5～2倍。

制动材料 篇12

摩擦磨损性能是制动材料的主要性能指标,决定了制动材料的质量和使役安全,因而C/C-SiC摩擦磨损性能和摩擦磨损机理方面的研究引起了国内外研究者的关注。德国的航空航天研究院和法国、英国、日本等的研究机构以及国内西北工业大学、中南大学都在这方面做了很多工作。本文主要从微观结构和成分以及工况条件对C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能的影响两方面阐述近年来C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的研究进展。

1 微观结构和成分对C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

C/C-SiC复合材料的制备过程主要由两步组成,首先通过化学气相渗积(CVI)或先驱体转化法(PIP)制备出低密度的C/C复合材料预制体,然后通过CVI、PIP或者反应熔体浸渗法(LSI)制备出SiC基体。其中反应熔体浸渗法具有成本低、制备周期短、合成与成型可以同时完成的优点,被认为是C/C-SiC制动材料有市场竞争潜力的制备方法。C/C-SiC复合材料的微观结构中有不同形式的碳纤维增强体,如SiC、热解C组成的基体(由CVI和PIP制备的复合材料基体由热解碳和SiC组成,而LSI方法制备的复合材料基体中还存在未反应的Si);基体中还存在制备过程中留下的孔隙和微裂纹。不同的制备工艺决定了材料的微观结构特征。众多结构因素一方面提高了复合材料的可设计性,另一方面也增加了实验研究的复杂性。

中南大学的肖鹏等[3,4]用CVI法制备了不同密度的C/C预制体,进一步以CH3SiCI为前驱体,用CVI方法制备了4种基体中热解碳和SiC含量不同的复合材料,随着C/C预制体密度增加,复合材料中热解碳的含量增加,材料的孔隙率减小,SiC量减少,复合材料的硬度降低。其自身对磨的制动摩擦磨损性能测试表明随着热解碳含量的增加,磨损率升高,摩擦系数的稳定性线性增加,而摩擦系数随着热解碳含量的增加,有一个峰值。由于热解碳较软,容易形成稳定的摩擦膜,热解碳含量高时,一方面摩擦系数较稳定,但另一方面磨损率也较高。

西北工业大学的周璇等[5]用CVI方法制备了不同密度的C/C预制体,然后用PIP方法(以聚硅碳烷为前驱体)和CVI方法(以CH3SiCCl为先驱体)各制备了3种基体中Sic含量和孔隙率不同的复合材料。随着C/C预制体初始密度的增大,用不同方法制备的复合材料微观结构特征和摩擦磨损性能的变化趋势相似。C/C预制体初始密度增加,复合材料孔隙率都明显减小,同时SiC含量也明显减少,热解碳含量增大;平均摩擦系数增加,磨损率开始略有增大,然后明显减小。比较不同方法制备初始密度相近的复合材料可知,用PIP方法制备的材料摩擦系数和磨损率略低,摩擦系数的稳定性也略低,这主要是不同方法制备的SiC的分布不同造成的。

西安航天复合材料研究所的张永辉等[6]采用三维针刺碳纤维增强体,用CVI+LSI方法制备了4种基体中热解碳(3%～50%)(体积分数)、SiC(40%～8%)(体积分数)和残余Si(24%～7%)(体积分数)含量不同的C/C-SiC复合材料(SI-S4)。随着CVI-C/C预制体密度增加,制得的复合材料基体中热解碳含量增加,SiC含量和残余Si的含量减少,孔隙率略有增加。复合材料的热导率随着热解碳含量的增加而减小,当热解碳增加到50%(体积分数)反而增大,即S1和S4具有较高的热导率。由于S1-S3的微观结构较相近,热导率的决定因素也相同,3种复合材料的摩擦系数也较相近;而S4中SiC含量最少,晶粒度较大,相应的晶界和相界较少,因而热导率的变化规律与S1-S3不同,在4种复合材料中具有最小的摩擦系数。具有较大热导率的S1和S4复合材料同时具有较小的磨损率,摩擦系数的稳定性也较好;尤以S1中SiC和Si含量高,相应的摩擦系数也较高,是综合性能最好的一种。德国的航空航天研究院的Krenkel等[2]的研究也表明热导率对于C/C-SiC的摩擦磨损性能有较大影响,其报道了二维层叠C纤维增强的C/C-SiC,由于横向热导率低,造成摩擦系数不稳定。通过采用高热导碳纤维、在二维层叠复合材料中加入一定比例的横向纤维以及提高陶瓷含量等方法都可以提高热导率,稳定摩擦系数。

葛毅成等[7]用CVI方法制备不同密度的C/C预制体,分别用PIP和LSI法制备了SiC含量不同的C/C-SiC复合材料,并测试了其与40Cr钢对磨的摩擦磨损性能,发现用PIP方法制备的复合材料的摩擦系数较低但较稳定,LSI方法制备的材料摩擦系数很高但稳定性较差。观察发现用LSI方法制备的复合材料磨损表面粗糙,不能形成完整的碳膜,这与LSI方法制备的材料中含有Si,以及SiC分布不均匀有关。

英国莱斯特大学的研究者[8]采用CVI+LSI组合方法制备了基体中含硅的C/C-SiC复合材料,研究了在与有机粘结刹车片对磨过程中材料中不同取向碳纤维、基体中热解碳、SiC和Si随着刹车次数增多磨损表面的变化。研究发现在各种微观结构上都形成了摩擦转移膜,而这层膜的稳定性决定了摩擦系数的稳定性。Si表面的转移膜最稳定,而热解碳和SiC表面的转移膜由于其微观断裂而容易脱落。SiC微观断裂是由晶界结合弱以及存在残余拉应力造成的。另外,碳纤维在摩擦过程中也会因微观断裂造成表面膜的脱落。研究证明Si和转移膜的粘着力比较大,也有很多研究认为,这种Si造成的粘着磨损是引起摩擦系数不稳定的原因。

由这些研究可以看出C/C-SiC复合材料基体中碳化硅/热解碳的含量、碳化硅的分布、碳化硅晶粒度和晶界、残余Si及其含量都会对复合材料的摩擦磨损性有影响。

首先,热解碳含量增加有利于摩擦过程中形成连续的碳润滑膜,起到减轻粘着、稳定摩擦系数的作用;可是由于碳较软,含量过多会加大磨损,而磨损量过大时,粗糙的磨损表面会使摩擦系数发生较大起伏。SiC的强度、硬度高,可以降低磨损率,提高摩擦系数,但是如果SiC颗粒发生晶间断裂,坚硬的磨屑颗粒也可能增加材料的磨损量,降低摩擦系数稳定性。因而要得到适宜的摩擦磨损性能,控制碳化硅/热解碳的比例是关键。

其次,不同制备方法制备的成分相近的复合材料摩擦磨损性能相差也较大。从文献中的数据来看,CVI法和PIP法制备的复合材料往往摩擦系数稳定,磨损率相对较低,而PIP法的磨损率更低,制备的材料性能更优[3,4,5]。LSI法制备的复合材料摩擦系数较高,但稳定性不如其他方法制备的复合材料[6,7,8],且磨损率也相对较高,这是由于不同方法制备的SiC基体分布和力学性能不同引起的。对于C/C-SiC不同基体相的微观力学性能也有许多研究。法国波尔多第一大学的Fouquet等[9]用纳米压痕比较了CVI法和LSI法制备的SiC基体的杨氏模量和硬度,CVI-SiC的杨氏模量和硬度分别为450 GPa和38 GPa,而LSI-SiC的杨氏模量在360～250GPa,硬度为35～28 GPa,LSI-Si的杨氏模量为170～180GPa,硬度为12 GPa。英国莱斯特大学的Leatherbarrow等[10]用两种碳纤维和CVI、PIP工艺制备了C/C预制体,用LSI法制备SiC和Si基体,用纳米压痕方法测试了各种结构的微观力学性能,PIP+LSI-SiC的杨氏模量为400 GPa(酚醛树脂碳)和520 GPa(环氧树脂碳),CVI+LSI-SiC的杨氏模量为385 GPa,三者的硬度分别为27 GFPa、35 GPa和29GPa,对应Si的杨氏模量为170 GPa、200 GPa和210 GPa,硬度为10.5 GPa、11.5 GPa和12.5 GPa,与Fouquet等的研究结果相近。这些研究表明,LSI法形成的SiC基体模量和硬度均低于用其他方法制备的基体,而Si是基体中较软的一部分。LSI法制备的复合材料摩擦系数不稳定、磨损率较高可能有两个原因:一是Si的粘着作用较强;二是SiC基体力学性能较低,容易发生微观断裂。另外,SiC分布不均匀也会造成应力集中引起更多的微观断裂。

LSI法成本低,而成本则是制约复合材料广泛应用的主要因素,因此LSI法还是得到了较多的研究。很多研究者通过在基体中添加其他成分,改进RMI法制备的基体组成,从而提高其力学性能和摩擦系数的稳定性。

西北工业大学的蔡艳芝等[11]用PIP法采用掺入石墨粉的前驱体树脂得到具有一定密度的C/C预制体,然后用LSI法制备SiC基体。研究表明,用掺石墨粉的树脂制备的复合材料中SiC量增加,Si含量减少,如采用30%(质量分数)石墨填料制备的复合材料含58%(质量分数)碳、36%(质量分数)SiC和6%(质量分数)Si,并且磨损率比未添加石墨填料的降低了171%,而摩擦系数变化较小。Kim等[12]采用掺加碳黑和硅粉的前驱体树脂用PIP+LSI方法制备了一系列复合材料,随着填料量增加复合材料中的SiC增加,Si减少,磨损率比未添加填料的复合材料降低2个数量级;不过,研究表明用掺加硅和石墨填料的树脂制备预制体时,纤维在制备过程中的损伤会加剧,因而材料的断裂强度有所降低。西北工业大学的范晓孟[13]采用CVI法制备了C/C预制体,然后向其中浸渗一定量的TiC料浆,再用LSI法渗硅得到基体中含有热解碳、SiC和Ti3SiC2的复合材料,通过合金化除去了残余硅,该种复合材料与含有残余硅的复合材料相比,具有较低的磨损率、较高的摩擦系数以及稳定性。

一般采用LSI法时,SiC含量的增加会伴随着残余Si含量的增加,由于Si的力学性能较SiC差,而且粘着性较强,不利于材料的摩擦磨损性能,但是添加碳或者石墨填料后,可以生成更多的SiC,使Si的含量减少;另外也可通过合金化除去Si,生成其他基体相。这些方法均可以降低材料的磨损率并提高摩擦系数稳定性。不过目前还没有明确的报道说明这些方法是否提高了基体中SiC的力学性能以及分布均匀性。

2 使役条件对C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

材料的摩擦磨损性能是摩擦系统和使役工况的整体表现,它受多方面因素的影响。除了材料成分、微观结构、力学和物理性质等因素外,摩擦过程的速度、载荷、温度、摩擦偶件的性质、气氛和润滑条件都会对材料的摩擦磨损性能产生影响。目前的研究表明,载荷、速度、温度、湿度以及对偶材料等使役条件对C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能都有很大的影响。

(1)速度和载荷的影响。范尚武等[14]研究了制动压力(0.5～0.9 MPa)和初始转速(5～28 m/s)对C/C-SiC(CVI+LSI)复合材料在模拟飞机制动情况下自身对磨的摩擦磨损性能的影响。在不同制动压力下随着初始转速的增加,平均摩擦系数先增加,当速度在10 m/s时开始减小;不同制动压力和初始转速条件下,磨损率在压力为0.5 MPa和0.7 MPa时变化不大,当增大到0.9 MPa时,尤其在较高的速率下,磨损率急剧增加。蔡艳芝等[15]用PIP+LSI方法制得的C/C-SiC复合材料在制动速率为5～28 m/s范围内自身对磨的线磨损率为0.0～2.2μm/cycle,平均摩擦系数随着初始速度增大先增大,当速度在15 m/s时开始减小,摩擦系数稳定性随着初始速度增大而增加。蔡艳芝等认为有一个速率、压力和摩擦系数的乘积的临界值,当超过这个值后,制动性能就会下降。摩擦磨损性能的急剧变化往往体现了磨损机制的变化,磨损机制往往不止一种,并存在一个磨损控制机制(产生最大磨损率的机制),可以认为在某一个临界条件下,材料的磨损控制机制发生了变化,因而摩擦系数和磨损率随着外界环境的变化有一个突变的临界点。由于应力和速度的加大,可能造成磨损表面较高的温升,引起力学性能下降,微观断裂加剧,同时伴随氧化磨损、粘着磨损的加剧,磨损控制机制发生了变化。

(2)温度湿度的影响。Fouquet[9]研究了温度(20～400℃)、湿度(HR 0%～60%)对C/C、CVI-C/C-SiC、CVI-C/SiC、(PIP+LSI) C/C-SiC-Si、(CVI+LSI) C/SiC-Si等几种复合材料自身对磨滑动摩擦磨损性能的影响。随着温度和湿度的变化,复合材料的摩擦系数和磨损率都发生了很大变化,基体中含碳的复合材料有一个明显的摩擦磨损转变(摩擦系数和磨损率急剧增大)发生的临界温度、湿度值。对磨损表面的分析表明,这种转变是由于基体中的热解碳在较高温度下发生了水蒸汽的解吸,失去润滑性造成的。在C/C材料和其他碳材料[16]中,这种转变是非常典型的,也是造成C/C复合材料的摩擦磨损性能受环境影响较大的主要原因。在不含基体碳的复合材料中,没有发生明显的摩擦磨损转变,但是在较高的湿度下,SiC和Si会与水反应生成润滑膜,使摩擦系数和磨损率降低,而温度和氧化性气氛也被认为对这一反应有影响。有很多研究[17]表明SiC等含硅的陶瓷材料在水存在的条件下可以通过摩擦化学反应形成超光滑表面,产生流体润滑,摩擦系数会降到10-2,而且这种润滑状态会随载荷、速度等因素变化而发生改变。

为了测试复合材料的湿态制动稳定性,谢乔等[18]研究了不同成分的C/C-SiC(CVI)复合材料在不同载荷下,与表面镀Cr的钢材料在干态和湿态时(将试样浸泡,测试过程中在界面处滴加水滴)的定速滑动摩擦磨损性能,在较低的载荷下,复合材料湿态摩擦系数衰减50%左右,在较高载荷下,湿态的摩擦系数略有降低;湿态下的磨损率也有所下降。水的存在一方面带走部分热量,防止摩擦表面的温升;另一方面可以形成润滑,在较低载荷下这种效果较明显,高载下润滑膜被破坏,摩擦系数和磨损率与干态下差别缩小。范尚武等[19]研究了C/C-SiC复合材料(CVI+RMI)和C/C复合材料在制动条件下干态和湿态(喷水)的摩擦系数,C/C-SiC复合材料在水介质存在的情况下,摩擦系数降低了2.9%,而C/C降低了69%,另外,C/C-SiC复合材料的湿态恢复较快。在干态下,碳可以增加材料摩擦系数的稳定性,但是含量过高除了会使磨损率升高外,还可能造成材料的环境(水的存在)敏感性加强,在湿态下SiC和Si比碳有更强的环境耐受力,但Si/SiC和水的反应也可能生成摩擦系数极低的润滑膜,在较低载荷下也会造成摩擦系数的下降。因而在湿态条件下不同基体相之间适当的比例关系也很重要。另外也有研究[8,9]表明,提高材料的致密度可以降低材料的摩擦磨损行为对水和水气的敏感性(气孔可以吸附水和水蒸气)。

(3)摩擦对偶件的影响。在测试C/C-SiC复合材料的耐磨性时,多采用合金钢或者自身对磨,不同对偶件对复合材料的摩擦磨损性能的影响也很大。Paris等[20]研究了C/SiC分别与100Cr6和氧化铝销对磨的滑动摩擦磨损性能。与100Cr6对磨时由于发生了严重的粘着磨损而使复合材料有较高的磨损率;与氧化铝对磨时,由于细小碳纤维磨屑起到润滑作用,复合材料磨损率较低。李专等[21]用CVI+LSI方法制备的C/C-SiC复合材料(其中含碳55%,SiC 39%,Si6%,质量分数)与自身对磨和与钢对磨时的摩擦磨损性能相差较大。在与钢对磨时表现了较低的摩擦系数和较高的摩擦系数稳定性,但摩擦副的磨损率较高。这可能是由于与钢对磨时粘着和氧化磨损更加严重,磨损表面粗糙;另外,与钢对磨时表面温升也更高。

3 结语

目前对制动用C/C-SiC复合材料摩擦学性能研究主要集中在不同制备方法或者制备参数下复合材料的微观结构以及外界工况条件对摩擦磨损‘性能的影响方面·,这些研究揭示了影响C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的材料性质和使役条件,对材料的磨损机理以及影响因素也进行了讨论;为材料的设计、选择和安全应用提供了依据。为了材料的进一步广泛应用,以下几方面还需要进一步研究。

(1)提高复合材料尤其是LSI方法制备的复合材料的力学性能和摩擦系数的稳定性,从目前的研究来看,如何采用经济且对增强体损伤小的方法进一步改进材料中Sic的微观力学性能及分布均匀性,同时减少Si的含量是需要解决的主要问题。

(2)一些研究指出采用短纤维等不同形式碳纤维增强体[2],如采用短纤维的刹车片、三维增强体的刹车盘会从成本和性能两方面提高复合材料的应用潜力。不同形式的纤维增强体制备的C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能还需进一步探索,而目前对材料微观结构的研究主要集中在不同的基体成分上。