《剎車片的種類以及改進性能實驗探究》7200字

目錄摘要 I1、前言 11.1研究背景 11.2研究意義 12、剎車盤和剎車片的摩擦磨損概述 12.1剎車盤和剎車片的概念 12.1.1剎車盤的概念 22.1.2剎車片的概念 22.2盤式剎車系統(tǒng)制動原理 32.2.1鼓式制動器 32.2.2盤式制動器 42.3剎車系統(tǒng)材料 42.3.1剎車盤材料 42.3.2剎車片材料 53、剎車片的種類以及改進性能實驗 53.1半金屬剎車片 53.1.1半金屬剎車片的特點 63.1.2半金屬剎車片配方設(shè)計 63.1.3實驗結(jié)果與討論 63.2無石棉、低金屬剎車片 73.2.1無石棉、低金屬剎車片的特點 73.2.2半金屬剎車片改進設(shè)計 73.2.3實驗結(jié)果與討論 83.3陶瓷剎車片 83.3.1陶瓷剎車片的特性 93.3.2陶瓷剎車片的改進制備 93.3.3實驗結(jié)果與討論 104、改善制動副摩擦性能的途徑 114.1改進剎車盤/片的材質(zhì) 114.1.1復(fù)合型剎車片 114.1.2合成剎車片 114.1.3高磨合成剎車片 114.2表面處理 124.2.1堆焊 124.2.2熱噴涂 124.2.3高能束表面改性 124.2.4仿生非光滑處理 12結(jié)論 13參考文獻 141、前言1.1研究背景剎車盤是汽車制動系統(tǒng)的重要組成部分，制動性能的好壞直接關(guān)系到車輛能否安全、高速行駛。隨著汽車產(chǎn)量增加、行駛速度逐漸加快，我國已經(jīng)成為世界上交通安全問題最嚴重的國家之一。汽車工業(yè)作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，正處于高速發(fā)展起。近兩年，汽車產(chǎn)量每年增長接近40%。另外，據(jù)南方網(wǎng)2016年2月2日報道，預(yù)計中國的汽車產(chǎn)量到2020年將超過日本居全球第二位，這種增長速度非常驚人。隨著汽車產(chǎn)量的快速增加，剎車盤的需求量也隨之增加，國內(nèi)汽車行業(yè)每年對剎車盤的需求量達數(shù)千萬件。同時，剎車盤屬易消耗件，磨損之后就必須隨時更換，因此剎車盤的市場需求量巨大。輕量化、高速化已成為車輛發(fā)展的必然趨勢。采用輕質(zhì)材料制造車輛的零部件，不僅能夠節(jié)約能源、降低使用成本，而且為車輛實現(xiàn)高速化創(chuàng)造了有利條件。初生硅和Mg2Si顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有低密度、高比強度、高比剛度、優(yōu)良的耐磨性能以及良好的導(dǎo)熱性能等一系列優(yōu)點，用來替代鑄鐵制備車輛的剎車盤，能夠取得顯著的減重效果，因此得到了廣泛關(guān)注和研究。1.2研究意義制動副的摩擦磨損特性直接影響制動器的制動性能及使用壽命，已成為制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用維護、材質(zhì)研制與最佳選配等方面的基礎(chǔ)理論依據(jù)。因此，通過對制動副摩擦磨損特性的分析，研制出能夠較好地滿足摩擦性能穩(wěn)定、磨損率低、無噪音、無振動、使用壽命長等要求的新型剎車片已經(jīng)成為企業(yè)和科研人員的迫切追求。2、剎車盤和剎車片的摩擦磨損概述良好的制動系統(tǒng)對于汽車的駕駛安全非常重要，如果不能保證汽車的制動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，危險將時時威脅著你。在制動系統(tǒng)中，剎車片是最需要時常更換的部件。2.1剎車盤和剎車片的概念2.1.1剎車盤的概念剎車盤就是一個圓的盤子，車子行進時它也是轉(zhuǎn)動的。制動卡鉗就是用來兩片夾住剎車盤而產(chǎn)生制動力的。它相對旋轉(zhuǎn)的剎車盤是固定的。踩剎車時就是它夾住剎車盤起到減速或者停車的作用。圖2.1剎車盤的結(jié)構(gòu)鼓剎是密封的，形狀像鼓狀，在國內(nèi)也有很多叫剎車鍋。行車時它是轉(zhuǎn)動的。鼓剎里邊固定有兩個弧形或者是半圓的剎車蹄。踩剎車時兩個剎車蹄就在制動輪缸的作用下外張，撐起剎車蹄摩擦著剎車鼓的內(nèi)壁來起到減速或者停車的作用。2.1.2剎車片的概念剎車片也叫剎車皮。在汽車的剎車系統(tǒng)中，剎車片是最關(guān)鍵的安全零件，所有剎車效果的好壞都是剎車片起決定性作用，所以說好的剎車片是人和汽車的保護神。圖2.2剎車片剎車片一般由鋼板、粘接隔熱層和摩擦塊構(gòu)成，其中隔熱層是由不傳熱的材料組成，目的是隔熱。摩擦塊由摩擦材料、粘合劑組成，剎車時被擠壓在剎車盤或剎車鼓上產(chǎn)生磨擦，從而達到車輛減速剎車的目的。由于摩擦作用，摩擦塊會逐漸被磨損，一般來講成本越低的剎車片磨損得越快。摩擦材料使用完后要及時更換剎車片，否則鋼板與剎車盤就會直接接觸，最終會喪失剎車效果并損壞剎車盤。2.2盤式剎車系統(tǒng)制動原理汽車的摩擦式制動器按摩擦副結(jié)構(gòu)形式不同，可分為鼓式制動器，盤式制動器和帶式制動器。帶式制動器只用作中央制動器，在這里可不做考慮。鼓式制動器和盤式制動器的結(jié)構(gòu)形式有多種。2.2.1鼓式制動器鼓式制動器的摩擦元件是一對有圓弧形摩擦蹄片的制動蹄。制動時，利用制動鼓的內(nèi)圓柱面與制動蹄摩擦片的外表面作為一對摩擦表面在制動鼓上產(chǎn)生摩擦力矩。圖2.3鼓式制動系統(tǒng)構(gòu)造分解圖鼓式制動器有內(nèi)張型鼓式制動器和外束型鼓式制動器兩種，其中內(nèi)張型是目前應(yīng)用最廣泛的類型，它是以制動鼓的內(nèi)圓柱面為工作表面的。鼓式制動器的制動效能和散熱性都要差許多，鼓式制動器的制動力穩(wěn)定性差，在不同路面上制動力變化很大，不易于掌控，因此不及盤式制動器應(yīng)用廣泛。2.2.2盤式制動器盤式制動器的工作原理是將剎車盤同輪毅裝配在一起，通過與剎車片進行干摩擦，產(chǎn)生巨大的摩擦力，將高速行駛車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能。制動系統(tǒng)基本工作原理如圖2.4所示。圖2.4盤式制動系統(tǒng)構(gòu)造分解圖汽車在公路上正常行駛時，當(dāng)駕駛員踩下剎車的踏板時，踏板帶動制動主缸的推桿，推桿推動活塞，使得活塞擠壓制動液，制動液被壓縮對制動輪缸產(chǎn)生力的作用，使得制動輪缸帶動摩擦襯片擠壓剎車盤，產(chǎn)生摩擦阻力來阻礙車輪的旋轉(zhuǎn)，同時在車輪和地面的附著力作用下，使得車輪受到阻止其運動的外力，車輪受到剎車盤/片的摩擦阻力和路面的制動力的雙重作用，最終使得汽車減速甚至停車。2.3剎車系統(tǒng)材料2.3.1剎車盤材料目前，常用的剎車盤材料主要有鑄鐵和金屬基復(fù)合材料兩大類。（1）鑄鐵鑄鐵具有良好的強度和耐磨性能，材料的價格和制造的成本都相對比較低，所以長期以來一直是最常使用的汽車剎車盤材料。為了提高鑄鐵的耐熱性能和強度，可在鑄鐵中加入了一些合金元素如:鎳、銅、鉻等。目前的絕大多數(shù)汽車的剎車盤仍然采用鑄鐵材料。其主要缺點是密度大、導(dǎo)熱性差，這既不利于減輕車體的重量，又具有很高的、大描度的工作表面溫度，使其易形成熱點，并且產(chǎn)生熱裂。（2）鉛基復(fù)合材料陶瓷増強的錯基復(fù)合材料具有良好的耐磨性能，并且重量輕、強度高、導(dǎo)熱性好，使其成為最具潛力的新一代剎車盤材料。侶基復(fù)合材料作為新興的剎車盤材料，其研究還處于起步階段，大部分還處于實驗研究階段，而且多數(shù)局限于宏觀的摩擦學(xué)性能的研究，對于車輛實際制動工況下的摩擦磨損化理和規(guī)律的研究還很少，并且其價格也相對比較昂貴，距離其真正廣泛應(yīng)用到實際的制動系統(tǒng)上還有很大距離。2.3.2剎車片材料剎車片材料按材質(zhì)分，可分為石棉摩擦材料、無石棉摩擦材料兩大類。（1）石棉摩擦材料石棉材料是一種天然的礦物纖維，它具有很高的機械強度和耐熱性能，還具有良好的散熱性，及很好的浸潰性和柔軟性，由于其價格低廉，因此很快取代了棉布等剎車片材料而成為摩擦材料中的主要基材料。（2）無石棉摩擦材料半金屬摩擦材料；主要應(yīng)用于轎車和重型汽車的剎車片。其通常含有30%-50%左右的鐵質(zhì)金屬物。半金屬摩擦材料最早取代了石棉材料而成為一種新型無石棉摩擦材料。NAO摩擦材料；是一種非石棉一非鋼纖維型摩擦材料，但在盤式剎車片中也含有少量的鋼纖維。粉末冶金摩擦材料：主要用于較高溫度下的制動與傳動，如:飛機、載重汽車。其又稱燒結(jié)摩擦材料，是將Fe,Cu粉狀物料經(jīng)混合、壓型，并且在高溫下燒結(jié)而成。碳纖維摩擦材料:主要用于飛機、高檔轎車的制動系統(tǒng)。是一種碳纖維為增強材料的摩擦材料。碳纖維摩擦材料由碳纖維、石墨、碳的化合物組成。其組分中的有機粘結(jié)劑也需要經(jīng)過碳化處理，所以碳纖維摩擦材料也被稱為碳一碳摩擦材料或碳基摩擦材料。3、剎車片的種類以及改進性能實驗在此總結(jié)了幾款不同類型的剎車片以供參考。3.1半金屬剎車片3.1.1半金屬剎車片的特點半金屬片的摩擦性能優(yōu)良，耐高溫持久，布氏硬度適中，使用壽命延長。但是它需要更高的制動壓力來完成同樣的制動效果，特別是在低溫環(huán)境中金屬含量高對剎車盤磨損大，同時會產(chǎn)生更大的噪音。同時制動熱量被傳遞到制動鉗及其組件上，會加快制動鉗、活塞密封圈和回位彈簧老化，如果處理不當(dāng)，熱量達到一定溫度水平，將會導(dǎo)致制動萎縮和剎車液沸騰。3.1.2半金屬剎車片配方設(shè)計選擇粘合劑、鋼纖維、石墨和銅粉做為試驗因素,運用正交設(shè)計方法組織試驗.試驗是在DM-S定速式摩擦試驗機上進行,試驗方法按國標(biāo)GB5763-86規(guī)定.經(jīng)過試驗研究后,確定了一個較優(yōu)的材料配方:粘合劑15%～20%(重量%,下同),鋼纖維20%～28%,金屬粉20%～30%,填料30%～45%。圖3.1鑄態(tài)試樣的微觀組織改進型半金屬剎車片平均粒徑約60μm，顆粒在邊部、中部和芯部分布基本均勻。邊部明顯觀察到Mg2Si顆粒，藍紫色的小顆粒，平均粒徑15μm，在邊部試樣照片上均勻分布。3.1.3實驗結(jié)果與討論表3.1XD-MSM定速試驗機試驗結(jié)果萊武氏相強化鐵基合金提高了高溫摩擦系數(shù),對減小磨損有利。但硬度高,基體韌性差,易引起震動和產(chǎn)生噪音,不利于人性化設(shè)計。表3.2試樣力學(xué)性能提高穩(wěn)度的主要組分是基體中柔韌的納米級丁腈橡膠、石墨、硫黃、二硫化鉬等減摩劑。納米丁腈橡膠使基體柔韌性提高,不易使合金粉粒脫落。另外,Laves相的底面滑移晶面系統(tǒng),高硬度還可滑動,有很好的抗粘著和潤滑能力,也提高了穩(wěn)度。3.2無石棉、低金屬剎車片3.2.1無石棉、低金屬剎車片的特點圖3.2半金屬剎車片改進型無石棉、低金屬剎車片不同于傳統(tǒng)型半金屬剎車片，它由一種有機配方與小量的用于導(dǎo)熱并提供更好的制動性的銅或鋼混合制成，徹底解決了噪音和使用壽命問題，同時具有制動力矩平穩(wěn)、硬度適中、磨損率低、對偶相容性好、無石棉粉塵污染、使用壽命長等特點。3.2.2半金屬剎車片改進設(shè)計為了解決半金屬配方存在的缺陷和問題，我們在充分論證的基礎(chǔ)上，在增強材料上選擇以鋼纖維、KQ復(fù)合纖維、芳綸纖維、纖維素纖維混雜為主，使纖維能取長補短，既能保證產(chǎn)品強度，又能確保產(chǎn)品的摩擦、磨損性能。圖3.3改進型試樣的微觀組織改進型半金屬剎車片初晶硅呈菱角分明的多邊形塊狀，條狀較少，邊部平均粒徑約50μm，中部平均粒徑約80μm，芯部平均粒徑約65μm；顆粒在邊部分布細密，中部和芯部分布略少于邊部，分布基本均勻。邊部、中部、芯部均明顯觀察到Mg2Si顆粒，黑色的小顆粒，平均粒徑15μm，在邊部、中部和芯部分布基本均勻，邊部和芯部略多于中部。配方中去掉還原鐵粉，減少鋼纖維用量，防止生銹，并解決硬度大、易傷對偶等問題；在填料的選擇上，使用一些多孔性、顆粒性材料，使產(chǎn)品具有較小的密度、較大的孔隙度，減少制動過程中的噪音；減少樹脂的用量，添加一些無機粘結(jié)劑，減輕熱衰退，穩(wěn)定了高溫摩擦系數(shù)。3.2.3實驗結(jié)果與討論表3.3剎車片性能試驗數(shù)據(jù)新研制剎車片裝車使用后,表面無龜裂、無裂紋、剎車靈敏、可靠,對制動鼓的損傷很輕,壽命可達6萬km以上。最初的半金屬制動襯片在每個正常的實驗之前，經(jīng)過3000輪旋轉(zhuǎn)后被磨損，所以制動襯片和摩擦盤之間的接觸面積可能達到了一個穩(wěn)定值。在實際的汽車制動時，滑動速度要比這大的多。因此，為了減少高溫摩擦對制動襯片性能的不良影響，有必要采取一些有效的行動來減少實際制動過程中閥瓣的摩擦溫度。3.3陶瓷剎車片3.3.1陶瓷剎車片的特性陶瓷剎車片是目前剎車片行業(yè)的頂級產(chǎn)品，它由陶瓷纖維，不含鐵的填料物質(zhì)，膠粘劑，和少量的金屬組成的。圖3.4陶瓷剎車片與其它剎車片的性能相比較，具有四大優(yōu)勢：第一，具有優(yōu)良的制動性能；(高速性能，車速達到160Km/h的制動摩擦系數(shù)大于0.45；高溫性能，剎車溫度達到600攝氏度時制動摩擦系數(shù)大于0.4；第二，使用壽命長：裝車試驗壽命在5～8萬公里；第三，噪音低；第四，使用車型廣：幾乎所有車型(除賽車外)、所有路況。主要優(yōu)點是無論在低溫還是高溫都能保持良好的制動效果，減少磨損，降低噪音，能夠克服在制動摩擦表面上形成的界面膜，抗熱衰退性能，獲得需要的制動摩擦力。3.3.2陶瓷剎車片的改進制備按照質(zhì)量分數(shù),其中改性的鋁、硅酸鹽類無機陶瓷粘結(jié)劑為5%~10%,陶瓷、礦物和芳綸等纖維為20%~40%,石油焦炭/石墨10%~20%,有機摩擦粉和橡膠粉5%~10%,復(fù)合填料20%~30%,改性酚醛樹脂3%~5%。圖3.5試樣的微觀組織改進型陶瓷剎車片初晶硅呈菱角分明的多邊形塊狀和條狀較，平均粒徑約60μm；顆粒在邊部、中部和芯部分布基本均勻。邊部、中部、芯部均未明顯觀察到Mg2Si顆粒。原材料經(jīng)過均勻混合后,在160℃左右熱壓,再經(jīng)熱處理、后續(xù)加工制得樣品,工藝流程如圖。圖3.6陶瓷剎車片的材料改進制備工藝流程圖3.3.3實驗結(jié)果與討論圖3.7兩種材料衰退試驗曲線陶瓷基剎車片表面有較多孔隙的存在,減少了材料本身承受外界載荷的有效面積,導(dǎo)致硬度測試時數(shù)值較小。和陶瓷基剎車片相比,樹脂基剎車片中有機成分含量相對較多,特別是丁腈橡膠粉的加入。陶瓷基剎車片的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出對制動次數(shù)的不敏感性,整個曲線無明顯的“大起大落”,摩擦系數(shù)波動范圍在0`08以內(nèi),材料耐熱性能良好。陶瓷基剎車片摩擦表面較為光亮,而樹脂基剎車片相對灰暗一些,表面附有薄薄的一層磨屑,試驗結(jié)束后落灰較多。這說明陶瓷基剎車片的自清潔能力較強,制動過程中能不斷更新工作表面,形成穩(wěn)定的摩擦層,與剎車盤形成較好的貼合。4、改善制動副摩擦性能的途徑根據(jù)剎車盤/片摩擦過程影響因素的分析，能夠改善剎車盤/片摩擦性能、減少磨損的途徑主要分為兩大類，一是改進剎車盤/片的材質(zhì)；二是對剎車盤/片進行表面處理。4.1改進剎車盤/片的材質(zhì)通過使用新型的具有良好性能的材料來代替舊的材料，這樣可以直接有效地提高材料的性能延長其使用壽命、降低成本。在原有剎車盤和剎車片的材質(zhì)中加入某些元素，以改變其材料屬性，可提高材料的耐磨性。4.1.1復(fù)合型剎車片C/C復(fù)合材料是近幾年開發(fā)出來的新型制動材料，是一種C纖維增強、以C為基體的新型結(jié)構(gòu)材料。C/C復(fù)合材料制動剎車片由于成本高，主要用于飛機制動器，但是隨著近年來高速鐵路的發(fā)展，國內(nèi)外科技工作者開始研制開發(fā)用于汽車的C/C復(fù)合材料制動剎車片。4.1.2合成剎車片合成摩擦材料是將金屬粉末、酚醛樹脂和摩擦調(diào)節(jié)劑等經(jīng)充分混煉后加熱壓制而成，它將材料與制品工序合二為一。所用摩擦調(diào)節(jié)劑，一般是采用腰果殼油制成的顆粒。這類剎車片與車輪踏面反復(fù)磨合后，使二者間的粘性降低；有機合成摩擦材料的使用溫度一般不能超過250℃。當(dāng)制動處溫度達250℃時，其磨損率急劇增加。4.1.3高磨合成剎車片C/C2SiC復(fù)合材料開始應(yīng)用于摩擦領(lǐng)域,成為最新一代高性能制動材料而引起研究者的廣泛關(guān)注和重視。采用合成橡膠為黏合劑的高摩合成剎車片的制動性能優(yōu)異其主要優(yōu)點是無論在低溫還是高溫都保持良好的制動效果，減少磨損，降低噪音，延長剎車盤的使用壽命。樹脂基剎車片中有機成分含量相對較多,特別是丁腈橡膠粉的加入，阻礙了裂紋的進一步擴大,從而減緩了材料的破壞程度,在宏觀上表現(xiàn)出來就是材料沖擊強度的提高。4.2表面處理除了改變物質(zhì)的材料，表面處理技術(shù)作為一種改善材料摩擦磨損性能的有效方式，越來越受到人們的關(guān)注。常用的表面處理方式主要有:堆焊、熱噴涂、高能束表面改性以及仿生非光滑處理等。4.2.1堆焊堆焊是利用火焰、電弧、等離子等熱源將金屬等材料熔化，靠自身重力在工件表面或邊緣熔敷成一層耐磨、耐蝕、耐熱涂層的焊接工藝。其優(yōu)點:可以方便、有效地控制堆焊層的尺寸；可以合理選擇焊層材料來改善和提高基體材料的表面性能。其缺點:堆焊所采用的熱源注入量不易控制，能量不能集中，熱影響區(qū)較大，尤其是多層堆焊時，容易產(chǎn)生畸變、開裂、剝落等缺陷。4.2.2熱噴涂熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并以一定的速度噴射并沉積于工件表面，從而形成涂層的一種表面加工方法。其優(yōu)點:工藝靈活，操作的程序較少；涂層厚度可以有效控制；加熱溫度較低，工件變形小。其缺點:熱噴涂技術(shù)對于基材表面有嚴格的預(yù)處理要求，否則很難保證涂層與基體材料間的良好結(jié)合；涂層具有明顯的方向性，要充分考慮如何選擇摩擦方向以發(fā)揮熱噴涂涂層的耐磨作用。4.2.3高能束表面改性高能束表面改性技術(shù)是指當(dāng)高能束發(fā)生器發(fā)出功率密度達到1護W}C1112以上的能束，定向作用在金屬表面，使其產(chǎn)生物理、化學(xué)或相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。高能束主要包括離子束、激光束和電子束。其優(yōu)點:可以獲得極高的加熱和冷卻速度，整個基體的溫度可以不受影響，工件變形極小；其屬于非接觸式加熱，沒有機械應(yīng)力作用。其缺點:價格較昂貴。4.2.4仿生非光滑處理研究仿生非光滑表面的耐磨性能，并進行創(chuàng)造性的仿生研究，設(shè)計一種新型仿生非光滑耐磨形態(tài)并應(yīng)用到剎車盤或剎車片表面，以達到提高耐磨性能的效果。其理論意義不僅體現(xiàn)在提出了從仿生學(xué)的角度提高剎車盤/片耐磨性能，而且還可以揭示出仿生非光滑表面耐磨性能的機理，完善和擴展工程仿生學(xué)理論及其應(yīng)用，探索