摩擦学在车辆工程中的应用

摩擦学论文摩擦学在车辆工程中的现状——论刹车制动系统研究的现状与发展刹车片是汽车制动系统中最关键的部件，汽车的刹车制动全靠它与制动盘鼓的摩擦来实现，刹车片的质量直接影响到汽车安全性能，关系到汽车使用者和行人的人身安全，其功能地位不言而喻。一、刹车片的工作原理刹车的工作原理主要是来自摩擦，利用刹车片与刹车碟（鼓）及轮胎与地面的摩擦，将车辆行进的动能转换成摩擦後的热能，将车子停下来。一套良好有效率的刹车系统必须能提供稳定、足够、可控制的刹车力，并且具有良好的液压传递及散热能力，以确保驾驶人从刹车踏板所施的力能充分有效的传到总泵及各分泵，及避免高热所导致的液压失效及刹车衰退。二、刹车片的研究意义在汽车工业快速发展的今天，车辆的安全、环保尤为重要，对汽车刹车片的新要求不断提高。汽车刹车片在工作时通过承受外来压力，产生摩擦，使车辆达到减速的目的。因此，刹车片的材料的耐磨和耐热性能十分重要。此外作为汽车主要安全性零部件的刹车片，除了100％的安全外，车辆驾驶人员也期望任何时候都拥有最大的刹车舒适性、灵敏性、无噪音和平稳性。对于刹车片而言，最重要的就是摩擦材料的选择。它基本决定了刹车片的制动性能。摩擦材料从基本材质上区分包括石棉、少量金属、半金属和有机物型等几种。我国刹车片的研究比国外起步晚，与世界发达国家还有较大差距。目前国内普遍采用半金属摩擦材料，多使用钢或铜材料。一些刹车片生产厂家，仍处于传统的石棉刹车片时代，已经不符合现代汽车工业的要求。为此，我们综合了国外的研究方向，探讨刹车片材料的发展方向。三、刹车片基本工作条件汽车制动是依靠盘与片之间的摩擦，盘与片在高温、高压下作用，磨损非常剧烈，若过大或不均匀，则整个系统不稳定，轻则出现一些噪音，重则出现事故。摩擦系数是摩擦材料的最基本参数，决定基本的刹车片制动力矩，摩擦系数必须适当，太高会造成制动过程中的车轮死、方向失控或烧片，太低则制动距离过长，不利于安全行车。刹车片在制动时还会产生瞬时的高温。尤其在高速行驶或紧急制动时，在高温状态下，摩擦片的摩擦系数会下降，称为热衰退性。热衰退性的高低决定高温状态和紧急制动时是否安全。目前有的刹盘片问题就出于此。高温热衰退若严重，极易造成长距离下坡刹车失灵。舒适性是摩擦性能的直接体现。包括制动感觉、噪音、粉尘、冒烟、异味等。随着私家车的增人们生活水平的提高，在满足安全的基本前提下，舒适性越来越成为摩擦片的重要指标。在舒适性指标中，刹车盘的噪音情况是被最为关心的，有许多的车辆刹车时会产生刺耳的尖叫声，这就正说明刹车片的质量存在问题。刹车系统的原理是将刹车盘同轮毂装配在一起，通过与制动衬片进行干摩擦，产生巨大的摩擦力，将高速行驶车辆的动能转化为热能。有时候汽车从时速lOOkm刹车到静止仅需要十几秒甚至更短，可见刹车系统承受着巨大的负荷。刹车盘是刹车系统中的一个重要部件，它的性能直接影响刹车效果的好坏。在刹车过程中，刹车盘一直承受着磨损、摩擦的作用，压力过大，则会发生变形或开裂。刹车是个循环不断的过程，使刹车盘一直处在冷热交替的过程中，易产生疲劳裂纹。材料在高温时，滑移变得相对容易，易发生塑性变形，使材料强度、硬度下降，所以要尽量限制材料的温度范围。刹车仅需几秒，刹车后刹车盘表面温度骤降，而内部温度相对较高，易产生热应力，若此应力大于材料的强度，则发生开裂，刹车失效，危及生命安全。四、高性能刹车片材料的基本性能要求1、合适的摩擦系数：刹车片摩擦系数必须适中，如果摩擦系数低于0.35，刹车时就会超过安全制动距离甚至刹车失灵，如果摩擦系数高于0.40，刹车容易突然抱死，出现翻车事故。博世安全型刹车片的摩擦系数是0.39，很好地满足了系数适中的要求。2、可靠的稳定性：汽车高速行驶或紧急制动时会产生瞬时的高温，在高温状态下，刹车片的摩擦系数会下降，称为热衰退。刹车片抗热衰退性能的好坏决定了汽车制动的安全性，所以刹车片必须有适中且稳定的摩擦系数。3、满意的舒适性：舒适性是摩擦性能的直接体现，包括制动感觉、噪音、粉尘、异味等。在舒适性指标中，车主往往最关心的是刹车片的噪音情况。4、合理的寿命：使用寿命是大家普遍关注的产品指标。正常行驶的车辆，前制动器刹车片寿命为3万km，后制动器刹车片的使用寿命为8万km。五、刹车片材料的发展方向1、黏结剂材料的研究黏结剂的主要作用是将刹车片的各组分紧密黏结在一起，保持刹车片在高温机械作用下的结构完整性。刹车片中最常使用的黏结剂是酚醛树脂，它具有优异的耐热性能和机械性能，电绝缘性和成型加工性能良好，且原料易得，价格便宜，工艺及生产设备简单。但纯酚醛树脂的使用会造成刹车片硬度过高、脆性大，耐热极限温度仅约为250℃。当超过300℃时，热分解现象相当严重，会导致刹车片的性能显著下降。因此必须对酚醛树脂进行增韧和耐热改性。国外用到的改性树脂主要有COPNA树脂（分解温度大约400~500℃）、有机硅改性酚醛树脂、硼酸改性酚醛树脂、氰酯改性酚醛树脂（能耐350℃以上高温）、环氧改性酚醛树脂（在400℃下正常使用）、热塑性聚酰亚胺树脂（耐热和耐磨性能都很好）、悬浮法树脂。悬浮法树脂是因酚醛树脂悬浮聚合工艺而得名，它是国外20世纪70年代研制开发的一种新型酚醛树脂，又被称为PhenolicThermosphere（简称PTS），分解温度达到490℃，以该树脂为黏结剂制成的刹车片具有摩擦系数稳定、高温摩擦性能好、噪音低、热衰退小等优点。研究发现，使用改性酚醛树脂的刹车片的各项摩擦性能（包括衰退前的摩擦系数，衰退后的摩擦系数，磨损率，损伤对偶件等方面）都要比使用传统酚醛树脂的刹车片好；树脂、刹车片的强度与磨损性能之间没有必然的联系。其中利用硼酸改性酚醛树脂制备出的刹车片，400℃的时候，仍然保持较高的摩擦系数（在0.4以上）。2、摩擦性能调节剂摩擦性能调节剂是一类添加到摩擦材料中能改进摩擦系数和磨损率的物质，主要分为润滑剂和研磨剂两大类。润滑剂的主要目的是减小制动时摩擦系数的变化。常用的润滑剂包括石墨和各种类型的金属硫化物。金属硫化物被认为是比石墨更好的润滑剂，因为酚醛树脂黏结剂与石墨的低黏结强度不能满足现代汽车工业高效制动的要求，会加速摩擦材料的磨损，而金属硫化物不存在这个问题。但是一些化合物如铅和锑的硫化物是有毒的，所以更加安全的金属硫化物如锡、铜、钼的硫化物有可能成为理想的润滑剂。研磨剂能增加摩擦材料的摩擦系数，但同时也会增加对偶件的磨损。它们可移除对偶材料上的铁氧化物以及制动时产生的有不利影响的表面膜，但高含量的研磨剂会增加摩擦系数的波动性。研磨剂主要是金属氧化物、石英粉和硅酸盐化合物的坚硬颗粒。其莫氏硬度值一般为7~8；常用研磨剂有锆氧化物、硅酸锆、氧化铝、碳化硅、二氧化硅和铬氧化物等。加入氧化铝可提高摩擦系数，减小磨损率；加入碳化硅，能够大幅度提高摩擦系数，而磨损率只有少量增加；一定量的三硫化二锑（Sb2S3）和硅酸锆（ZrSiO4）对汽车刹车片摩擦系数的大小、稳定性有很大的影响摩擦性能调节剂对摩擦材料的摩擦特性影响很大，增加润滑剂的含量可提高摩擦系数的稳定性，而增加研磨剂含量会增加摩擦系数的波动性，所以协调好制动摩擦材料中润滑剂与研磨剂的用量非常重要。3、增强纤维在刹车片材料中的应用20世纪70年代摩擦材料开始向无石棉化发展，出现了各种石棉纤维的替代品，主要有陶瓷纤维、芳纶纤维、碳纤维、钢纤维、铜纤维、铝纤维、玻璃纤维、矿物纤维、纤维素纤维、钛酸钾晶须和海泡石纤维等。随着研究的深入，单一纤维增强的摩擦材料性能不全面，存在着各种缺陷，而几种纤维混合在一起，性能可互补，发挥混杂效应，制备的摩擦材料性能优异，于是混杂纤维增强摩擦材料成为近年来研究的热点。有研究表明，钛酸钾晶须与芳纶纤维黏附在一起，可提高摩擦表面薄膜的耐热性和强度，但是当摩擦材料仅含有两种纤维中的某一种成分时，这种有利的协同效应大大减小。含有玻璃纤维、铝纤维的刹车片不能提供理想的摩擦系数和磨损率，而利用芳纶纤维代替玻璃纤维，用钛酸钾作为摩擦性能调节剂，可全面提高刹车片性能；与不含钛酸钾的刹车片相比，含有酞酸钾的刹车片材料的摩擦系数稳定性、抗热衰退性能和耐磨损性都提高了。据报道，铜纤维和钢纤维刹车片的摩擦系数都随着滑动速度的增加而减小，铝纤维刹车片的摩擦系数变化不大；加入铜纤维可使摩擦材料拥有高而稳定的摩擦系数和很低的磨损率。一些研究对比了芳纶纤维、塞珞珞纤维、PAN纤维（聚丙烯腈纤维）、碳纤维对摩擦材料摩擦系数和耐磨性能的影响。结果表明，芳纶纤维能够克服树脂的热敏感性，增进摩擦系数稳定性，减小磨损率；塞珞珞纤维能够显著的提高摩擦系数，但是磨损最大；碳纤维增强摩擦材料拥有最好的抗热衰退性能；聚丙烯腈纤维对制动载荷和滑动速度的敏感性最小，对摩擦系数和磨损率的影响也不大。与树脂、填料、摩擦性能调节剂相比，增强纤维更受刹车片研究人员的关注。各种增强纤维对汽车刹车片摩擦性能的影响，国内外进行了大量的研究，但是在陶瓷纤维增强刹车片领域的研究却不多，仅局限于钛酸钾晶须、硅氧铝纤维方面，今后有必要开拓其它种类的陶瓷纤维在刹车片上的应用。4、填料类型对刹车片材料性能的影响填料分有机填料和无机填料两大类。无机填料包括硫酸钡、碳酸钙、长石粉、云母、滑石、蛭石、高岭土和硅藻土等。硫酸钡和碳酸钙都是很常用的填料，能够提高摩擦材料的热稳定性，同时也能改善材料的热衰退性能，但在更高温度下，前者不如后者稳定。云母和蛭石是另外两种常用填料，具有平面网状结构，都能够抑制低频制动噪声，但蛭石在大约800℃时呈片状迅速剥落，云母在高温下耐磨性能很差。腰果壳油摩擦粉和橡胶粉都是常用的有机填料，有相似的性能，都有优异的黏弹性，因此常被添加到刹车片中以达到降低噪声的目的。三氧化钼是填料家族的一个新品种，熔点较高，大约为800℃。据报道，三氧化钼可防止摩擦材料在高温下发生热衰退和开裂。研究发现，硫酸钡对刹车片的摩擦性能影响很大。通过对蛭石、重晶石、蓝晶石、钾长石和泡沫铁粉五种常用填料对制动摩擦材料性能的影响研究，发现填料含量对材料摩擦系数的影响并不明显，对磨损率的影响同样很小，只有钾长石除外。随钾长石含量的增加，摩擦材料的磨损率也增加。另外，还有报道利用一种新的组合方法研究各种填料对刹车片磨损性能的影响，提出了减小磨损率的三种机理。填料对摩擦材料的机械性能、物理性能和摩擦性能都有重要影响，能调节摩擦材料的硬度，改善制动噪音和制品外观，降低成本。但是在刹车片的开发和应用中，研究人员大都集中在增强纤维的研究上，而对填料的研究很少，在实际生产中也往往只凭经验和习惯选择填料，没有一套系统科学的理论作指导。六、总结刹车片摩擦理论的研究现在只是刚刚触及了这一领域冰山一角，具体研究工作还需要我们今后继续努力，不断发展，才能将该领域的研究应用到实际生活中，希望通过一代又一代不懈的努力能是该领域获得较大的发展。参考文献1.张明喆,刘勇兵,杨晓红.车用摩擦材料的摩擦学研究进展[J].摩擦学学报,1999,19(4):379-3842.杨波,向定汉,周芳.SAFC纤维改性半金属摩擦材料及摩擦学性能研究[J].润滑与密封,2009,34(2):21-24.3.史以俊,何明,顾晓利,等.钛酸钾晶须增强聚四氟乙烯复合材料摩擦磨损机制的研究[J].润滑与密封,2009,34(1):59-62.