半金属汽车制动衬片的摩擦性能

半金属汽车制动衬片的摩擦性能摘要：目的—本文的目的是要找到与刹车制动衬片的摩擦性能的变化情况以及它们对汽车的制动安全性和可靠性的影响。设计方法—半金属制动衬片目前广泛应用于汽车，它被选为实验材料。通过模拟汽车的制动条件和环境，当搭配的摩擦盘是灰口铸铁时，在X-DM摩擦试验机上对一些制动衬片的摩擦磨损进行了试验研究。发现当表面温度自然上升时，摩擦系数随着滑动速度的增加逐渐降低制动压力。随着表面温度的上升，首先上升然后下降，极大值出现在近2008°C左右。摩擦系数的稳定性明显下降时，滑动速度超过30m/s，制动压力超过1.8MPa和表面温度超过2008摄氏度。根据实验结果，作者认为当汽车高速行驶时，只通过加大制动压力来执行紧急制动是不可靠的。为了减少高温对摩擦性能的不良影响，应采取一些有效的措施来冷却摩擦盘。更重要的是，特别要注意在高速、高压和高温时制动摩擦稳定性的降低。创意/价值—本文研究制动条件对摩擦系数的影响及其稳定性的半金属制动衬片汽车。相信本研究对提高汽车的制动安全性和可靠性可能有一些实际的指导性。关键词：汽车零部件工业；刹车系统；摩擦系数；摩擦系数稳定性；半金属刹车片；汽车制动条件；1介绍由于盘式制动器有许多优点，如稳定的制动性能，快速冷却能力，低重量，结构简单等等。它已广泛应用于汽车的制动系统。汽车在制动过程中，制动衬片的摩擦性能不仅受到自身材料特性的影响，也受很多其他因素影响，如变化的环境等等。因此，在实际制动过程中，必须改变复杂的摩擦性能。有时，因为一些异常变化的摩擦性能，制动距离长，虽然刹车装置执行紧急制动，但不能及时停止汽车。因此，交通事故由此而生，威胁着司机的生命安全。为了研究汽车衬片的摩擦制动性能，许多人通过摩擦磨损入手进行实验。举个例子，为了研究材料性能对摩擦性能的影响，Xiong在2004年分析了树脂的摩擦机制并指出了对摩擦片材料的要求。Kim，Hee,Filip.Yan,Cao和Yang分别调查了前卫的形式和内容在刹车片的摩擦性能上的影响。其次，为了研究制动条件对摩擦性能的影响，Han，San，Zhang，Ma，Sviridenok，Meshkov，Straffelini和Bao分别对速度，压力和温度对摩擦学的影响进行了实验。第三，为了研究环境的影响，Mutlu于2006年研究了酚醛复合制动片在不同接触条件下（如纯净水、盐、水和油）的摩擦性能。基于目前的研究，发现实验模拟的主要是低速下的制动条件，这是完全不同于实际汽车制动条件。因此，实验结论对指导实际的刹车不是很有用。更重要的是，摩擦性能不是综合得分。一般说来，只有摩擦系数大小被考虑，而很少考虑到摩擦系数的稳定性。为了更全面的调查制动衬片的摩擦性能，在本文中，已广泛应用于中国汽车的半金属制动衬片被选为材料。通过模拟其在高速、高压和高温的工作条件下，摩擦系数的变化及其稳定性和对滑动速度影响系数、制动压力、表面温度进行了许多实验。基于实验结果，摩擦性能对汽车的制动安全性和可靠性被深刻探讨。相信本研究对提高汽车的制动安全性和可靠性可能有一些实际的指导。2实验2.1实验材料自从半金属制动衬片已广泛应用于中国制造的桑塔纳和捷达汽车，然后被选为实验材料。如图1所示，因金属纤维的含量和粉末已经超过了50%，所以被称为半金属。半金属的粘合材料制动片perbunan-modifiedphenolaldehy树脂和加强材料是铜纤维。一些铜，氧化铝和长石粉添加摩擦学的的监管机构，配对的摩擦盘HT250铸铁，这是一般用于制造汽车的制动盘。图1半金属刹车片2.2实验设备及其测试方法众所周知，衬里和阀瓣的汽车盘式制动气装置块和阀瓣的表面接触之间的运动是刹车之间的联系方式，它们是绝对的滑动。X-DM摩擦试验机，最好是模拟盘式制动器的操作条件进行摩擦磨损实验。X-DM摩擦试验机的测试原理与tribologia性能的测试类似，遵循国家标准GB5763-1998“汽车刹车片”（中华人民共和国国家标准，中国，1998）。械的原理图机构和摩擦接触如图2所示。X-DM摩擦测试仪的测试原理表述如下：调速电动机的驱动引起摩擦盘向顺时针方向旋转。汽车的速度可以通过电动机附近叫做计数传感器的轴测得。正向的压力加载到两块制动衬片样品上。摩擦力由固定在摩擦台上的扭转传感器测量。周围的温度可以被加热管，鼓风机和水阀控制。制动衬片的表面温度被放置在摩擦盘表面，制动衬片和阀瓣的接触区域的热电偶测得。实验参数的设置，收集和处理大多数由电脑控制的测试系统完成。一般说来，摩擦系数作为影响材料摩擦性能的主要指标。为了研究摩擦性能的稳定性，摩擦系数大小和摩擦系数稳定性都需要考虑。测试这两个指标的原则如下：1摩擦性能：μ=F/pA(1)其中，F是制动衬片和摩擦盘之间的摩擦力，单位牛顿；p是特定的制动压力，单位兆帕；A是名义上的制动衬片的表面积，单位平方毫米；在每一次测试中，摩擦盘的转数都设置为5000轮，测试并注意不断变化的摩擦力，然后按照公式（1）计算并显示瞬时摩擦有效系数。例如，当压力是1.0Mpa时，速度为15m/s，表面温度自然上升，摩擦系数的曲线随时间变化如图3所示：由于表面形态和温度影响摩擦力，这在前2500轮不是稳定的，所以，每个工作条件下的摩擦系数是在后2500轮中计算出来的。2摩擦系数的稳定性：а=μ/μmax*100%(2)其中，μ和μmax分别是每个制动过程中制动衬片摩擦力的平均值和最大值。2.3实验方案在超过30m/s的条件下，为了研究制动压力p，滑动速度V和表面温度t对摩擦系数μ和稳定性a的影响，进行了大量实验，实验方案设计如下：在研究制动压力和滑动速度对摩擦性能的影响时，发热的测试仪器被关闭电源，随着实验的进行，温度自然上升。测试的制动压力值分别设置为1,1.4,1.8,2.2,2.6和3兆帕。同时，滑动速度实验值分别设置为5,10,15,20,25和30米/秒，在每个制动压力和滑动速度组合条件下，重复试验三次。而且，摩擦系数的平均值和它的每个制动条件下的稳定系数被选为最终结果。在调查表面温度对摩擦性能的影响时，摩擦盘表面温度通过加热管加热和保持热量，通过温度控制系统常数。表面温度的测试值分别设置为100,150，200，250,300和350摄氏度，在每一个温度下，制动压力和滑动速度都设置为一定值，实验重复三次，摩擦系数的平均值和它的每个制动条件下的稳定系数被选为最终结果。3结果与讨论3.1制动压力对摩擦的影响当摩擦盘的表面温度自然增加，摩擦系数的变化极其稳定性与制动压力系数关系如图4所示（a），（b），从图4（a）中发现，当滑动速度是确定的，摩擦系数随着制动压力的增加而降低。制动压力对摩擦系数的影响在速度超过30m/s时更显著，尤其是在高压下。从图4（b）中发现，当滑动速度较低，摩擦系数稳定性随着制动压力的增加变化平稳。稳定的系数值超过85%以上，这表明在低速期，制动压力对摩擦稳定性影响很小。然而，当滑动速度超过30m/s时，摩擦系数的稳定性随着刹车压力的增大而降低。稳定系数明显低于之前的值，例如，当制动压力上升到3.0Mpa时，稳定系数下降近70%。正如摩擦学的理论所述，制动压力或负载的影响主要通过摩擦力表面的实际接触面积变化。假设制动衬片与摩擦盘之间的实际接触面积为A0，剪切在制动衬片上的压力为τ，然后摩擦力F可以表示如下：F=A0*τ(3)把公式（1）、（3）联合，得到摩擦系数μ可计算如下：μ=A0*τ/pA(4)由于剪切力是材料固有的，所以很容易从公式（4）中得出，摩擦系数μ与实际接触面积A0成正比，而与额定制动压力p成反比。当制动压力p增加，公式（4）的分母也会增加，因此，摩擦系数会降低。但从另一方面，随着制动衬片上的负载的增加，实际接触面积A0也将增加，因此使得摩擦系数上升。事实上，如果制动压力的增加导致更大增量比例的实际接触面积，摩擦系数将会上升。相反，如果增加接触面积比小于负载，然后，摩擦系数将会下降。最初的半金属制动衬片在每个正常的实验之前，经过3000轮旋转后被磨损，所以制动衬片和摩擦盘之间的接触面积可能达到了一个稳定值。因此，有制动压力的增加而引起的A0的增加量必须被限制。故制动压力的增加主要导致公式（4）分母的上升。然后如图（4）（a）所示，随着制动压力的增加，摩擦系数减小。正如2.1节所说，半金属刹车片里有将近一半有利于热传导的的铜纤维粉。当滑动速度不高，一方面，摩擦热量不是很高，另一方面，铜纤维粉和粉末也可以及时进行热传导。所以，在低速时摩擦热对半金属制动片的摩擦性能有很小的影响。在图（4）（a）中，摩擦系数随着制动压力的增加而变化较平稳，在途（4）（b）中摩擦系数的稳定性显示稳定。然而，当速度超过30m/s时，摩擦热量迅速增加。高温度会软化和表层融化材料，是材料摩擦性能变差。因此，在图（4）高速时期，摩擦系数及其稳定性显著减少。图4随着刹车压力的摩擦性能的变化基于实验结果和结论，得出的结论是，它不是只通过提高汽车的制动距离压力来缩短制动距离。这是因为制动压力增加会导致摩擦系数降低，所以制动扭矩不一定上升。特别是，当滑动速度非常高时，制动压力的增加明显降低摩擦系数和其稳定性系数，这是对汽车的制动安全和可靠性是非常危险的。3.2表面温度对摩擦的影响当制动压力为1.8Mpa时，在不同滑动速度、摩擦系数及其稳定性对半金属刹车片的影响与表面温度关系如图5（a）和（b）所示。如图5（a）所示，总的来说，制动衬片的摩擦系数随着温度的增加先上升后下降。绝大部分的最大摩擦系数出现在2008摄氏度。当温度超过2508摄氏度时，摩擦系数下降的速度明显比以前更快了。在图5（b）中，当表面温度低于2008摄氏度时，摩擦系数稳定性变化平稳，但此后大大降低。正如摩擦学理论表明，在滑动副滑动过程中，表面温度是表面层材料发生质的变化，其结果影响了摩擦性能（Huang等人）。当表面温度不高于2008摄氏度，在半金属的耐热性限制下，制动衬片表层材料仍可以保持正常的结构和性能。在此温度间，随着温度的上升，实际联系的微极点越容易黏在一起。更多的坚持会使实际的接触面积更大，因此，摩擦系数随着图5（a）中变化而上升。其稳定性系数变化随着图5（b）中变化而稳定。然而，当表面温度超过2008摄氏度时，实际温度对接触点的影响远高于摩擦热的影响。如果实际接触区的温度超过了铜的熔点，那么铜纤维和铜粉会融化形成润滑膜。更甚的是，高温使粘结材料热解出一些气体，如氢气和一氧化碳，然后释放到空气中film的表面上。如上所分析，高温使一些面层材料发生定性的变化。结果，从干摩擦到有一半液体和气体润滑的摩擦形态变化，因此，摩擦系数及其稳定性在如图5（a）（b）中的高温期都明显减少。图5摩擦性能以及表面温度变化3.3滑动速度对半金属制动衬片摩擦的影响虽然图4中的曲线包含了摩擦系数及其稳定性系数随着制动压力与滑动速度的变化，但摩擦的变化规律性能与滑动速度的关系不能在图4中直接观察到，所以，曲线以滑动速度为横坐标被重绘，如图6所示。从图6（a）中看出，当制动压力一定时，总的来说，摩擦系数随着滑动速度增加而降低。在低压力下（1.8Mpa），在低速期（5-15m/s）间，摩擦系数下降很快。在平稳的中间速度（25-25m/s）期间下降平稳。而在高速（25-30m/s）期间上升一点。高压下（1.8Mpa），摩擦系数仍然在低速段下降很快，在中间段下降平稳，在高速段下降很快。从图6（b）低制动压力时期，随着速度的增加，摩擦稳定性系数逐渐降低。然而，在高压力时期，随着滑动速度的增加，摩擦稳定性系数波动明显。可以在图6中知道，在高滑动速度时期（25-30m/s）摩擦系数不断增加低制动压力，但降低高制动压力。这是因为当速度高于25m/s时，表层材料软化和热解的摩擦热的至关重要的影响。制动压力低不能使表层材料可塑性变化但可以增加实际的接触面积。所以，摩擦系数上升一点，而高压可能足够使关键层材料塑性变形。因此，摩擦系数迅速下降。这已被许多研究证实（Han和San；2004；Zhang,2003;Maetal.,2003;Sviriden