盤(pán)式制動(dòng)摩擦片摩擦磨損特性的研究

盤(pán)式制動(dòng)摩擦片摩擦磨損特性的研究

Study on Tribological and Wear Propeties of Fibre

Reinforced Friction Materials for Disc Brake

華曉峰陳俐宋耀林

上海交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院， 上海 200030

HuaXiaofengChenliSongYaolin

SchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTong

UniversityShanghai，Zip200030

Correspondent:Chenli,ViceProfessor,Tel:021-62932674

[摘要]進(jìn)行了纖維增強(qiáng)合成摩擦片和現(xiàn)用合成摩擦片與QT450制動(dòng)盤(pán)配副的制動(dòng)摩擦試驗(yàn),記錄了制動(dòng)過(guò)程中摩擦系數(shù)、磨損量與制動(dòng)盤(pán)溫度的變化情況,采用偏振光顯微鏡分析了磨損表面形貌. 結(jié)果表明:纖維增強(qiáng)合成摩擦片的平均摩擦系數(shù)小于現(xiàn)用合成材料摩擦片,但摩擦系數(shù)穩(wěn)定且耐磨性略高于現(xiàn)用合成材料摩擦片;在模擬制動(dòng)工況下,纖維增強(qiáng)合成摩擦片比現(xiàn)用合成材料摩擦片所引起的制動(dòng)盤(pán)溫升略高;但都仍低于材料的熱衰退溫度。

Abstract[]The friction and wear behavior of the fiber reinforced friction materials under the condition of braking experiments was measured. The varying data of the coefficients, wear and braking temperatures during braking experiments were recorded, the results indicated that the average coefficients of the fiber reinforced friction materials A1 is lower than the non-reinforced friction materials C1, but the stability and anti-wear ability for the A1 is higher than the C1.

關(guān)鍵詞：盤(pán)式制動(dòng)摩擦系數(shù)磨損樹(shù)脂基合成摩擦片

文章編號(hào)：1006-8244(2015)03-013-05

中圖分類號(hào)：U463.211+.1

Key words: wearfiber reinforced friction materialscoefficientsbraking torques

制動(dòng)盤(pán)是壓機(jī)制動(dòng)部分的關(guān)鍵制動(dòng)零件,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到制動(dòng)安全,考慮到制動(dòng)盤(pán)使用過(guò)程中是在高速旋轉(zhuǎn)下進(jìn)行壓力摩擦,因而對(duì)制動(dòng)盤(pán)材質(zhì)要求不僅要有良好的綜合力學(xué)性能,即強(qiáng)度、塑韌性指標(biāo)要好,而且要具有良好的抗磨性能，而對(duì)摩擦片的材料要求有高的耐磨性，耐熱性的同時(shí)，還必須有良好機(jī)械性能，以及好的對(duì)磨性能，及不能在對(duì)偶的制動(dòng)盤(pán)面產(chǎn)生擦傷等摩擦損壞[1-3]。自20世紀(jì)90年代以來(lái),為了滿足壓力機(jī)的制動(dòng)安全性要求,試制出多種合成材料摩擦片及球鐵，低合金鑄鐵制動(dòng)盤(pán)等摩擦制動(dòng)副 ,但這些摩擦片能否滿足更高要求下的制動(dòng)還沒(méi)有充分根據(jù). 因此,有必要發(fā)展更多的閘片材料[4～8].本文以曲柄式壓機(jī)制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)及其復(fù)合材料摩擦片的研制作為研究背景,采用自制的制動(dòng)模擬試驗(yàn)機(jī), 對(duì)新研制的纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1與QT450制動(dòng)盤(pán)配副進(jìn)行制動(dòng)摩擦試驗(yàn)，開(kāi)展復(fù)合材料制動(dòng)過(guò)程中摩擦磨損性能的研究,在此基礎(chǔ)上對(duì)一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行初步分析和探討,為深入研究奠定基礎(chǔ)[9-10]。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1主要成分為酚醛樹(shù)脂、顆粒填料、炭纖維和金屬纖維等,按一定的配方和工藝制成。 為了比較,采用目前壓力機(jī)上使用的制動(dòng)摩擦片C1作為對(duì)比試驗(yàn)材料。 與它們相配的摩擦副材料選用QT450鑄鐵制動(dòng)盤(pán)。

1.2試驗(yàn)方法及參數(shù)

自制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)如圖1。

圖1　摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

摩擦片和制動(dòng)盤(pán)試樣均為可實(shí)際裝機(jī)的摩擦片和制動(dòng)盤(pán)，試驗(yàn)前先將制動(dòng)盤(pán)與摩擦片端面磨合使摩擦面達(dá)到80%以上的貼合程度. 制動(dòng)盤(pán)與驅(qū)動(dòng)主軸通過(guò)鍵槽連接,隨驅(qū)動(dòng)軸及慣性飛輪旋轉(zhuǎn)到設(shè)定速度后267rpm后，脫開(kāi)驅(qū)動(dòng)馬達(dá), 接通剎車壓力, 使之與靜摩擦制動(dòng)片相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦而實(shí)現(xiàn)剎車制動(dòng).試驗(yàn)檢測(cè)工具如表1所列，制動(dòng)摩擦系數(shù)是通過(guò)測(cè)量摩擦制動(dòng)力矩計(jì)算得到,摩擦系數(shù)和溫升(制動(dòng)中材料的最高溫度與制動(dòng)前的溫度差)為3次測(cè)試結(jié)果的平均值. 取400小時(shí)制動(dòng)測(cè)試內(nèi)各次測(cè)量結(jié)果的平均值作為磨損量.試驗(yàn)參數(shù)如下:表面接觸壓力85PSI,每次制動(dòng)前室溫溫度低于40 ℃.

表1　檢測(cè)項(xiàng)目及工具

表2　測(cè)試條件

1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量及處理方法

制動(dòng)摩擦盤(pán)的溫度變化(溫升)采用熱傳感器配溫度儀測(cè)量,熱傳感器與摩擦面的距離為0. 5～1. 0 mm. 采用應(yīng)變片配動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量制動(dòng)力矩, 試驗(yàn)中測(cè)得的摩擦力矩曲線經(jīng)過(guò)降噪處理后得到所需摩擦力數(shù)據(jù)。利用制動(dòng)過(guò)程中摩擦功等效原理計(jì)算距離平均摩擦力F,然后計(jì)算距離平均摩擦系數(shù)μ. 采用偏振光顯微鏡對(duì)磨痕表面形貌進(jìn)行觀察分析。

2　結(jié)果分析

2.1摩擦系數(shù)

圖2對(duì)比了2種制動(dòng)片材料平均摩擦系數(shù). 平均摩擦系數(shù)是衡量制動(dòng)能力的主要指標(biāo),其值愈大愈好. 比較圖1的數(shù)據(jù)可見(jiàn),纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1的平均摩擦系數(shù)低于C1摩擦片，但是A1摩擦片摩擦系數(shù)一直比較穩(wěn)定，而C1摩擦片的摩擦系數(shù)在逐步下降.

2.2盤(pán)形制動(dòng)瞬時(shí)摩擦系數(shù)和磨損量

圖3示出了纖維增強(qiáng)摩擦片的峰值摩擦系數(shù)與C1摩擦片峰值摩擦系數(shù)變化的曲線. 可以看出,A1的摩擦系數(shù)的變化曲線比較平緩.而C1的摩擦系數(shù)的變化曲線比較大，從理論和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,制動(dòng)過(guò)程中瞬時(shí)摩擦系數(shù)變化愈平緩,其制動(dòng)效率愈高,制動(dòng)振動(dòng)和噪聲就愈小.

對(duì)比2種制動(dòng)材料的摩擦系數(shù)從圖2 和圖3可以看出, ,纖維增強(qiáng)摩擦片的摩擦性能較穩(wěn)定。

圖4所示為2種摩擦片材料磨損量的變化曲線. 可以看出,C1摩擦片材料的磨損量遠(yuǎn)大于纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1的磨損量，在同樣條件下,現(xiàn)用合成摩擦片C1的磨損量在高速時(shí)，磨損量有加大的趨勢(shì).

2.3制動(dòng)摩擦溫升

圖5所示為纖維增強(qiáng)合成摩擦片和現(xiàn)用合成摩擦片與制動(dòng)盤(pán)相互摩擦?xí)r制動(dòng)盤(pán)溫升的曲線. 可以看出, 2種摩擦片對(duì)摩的制動(dòng)盤(pán)摩擦溫升的最大溫升均小于200 F. 同時(shí),與現(xiàn)用摩擦片C1對(duì)摩的制動(dòng)盤(pán)溫升比與纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1對(duì)摩的制動(dòng)盤(pán)溫升略低. 測(cè)量結(jié)果顯示,纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1和現(xiàn)用摩擦片C1的溫升均小于材料的熱衰退溫度300F.

2.4磨損表面分析

對(duì)樣品A1(含較細(xì)Al2O3氧化鋁微粒)和樣品C1(含較粗Al2O3氧化鋁微粒)的在400小時(shí)循環(huán)制動(dòng)后的摩擦面在偏振光顯微鏡(Nikon135FX)下進(jìn)行了驗(yàn)測(cè)，顯微鏡放大范圍從50到600倍。

圖2　平均摩擦系數(shù)試驗(yàn)曲線

圖3　峰值摩擦系數(shù)試驗(yàn)曲線

圖6比較了二個(gè)驗(yàn)測(cè)樣品圖6-a 的C1和圖6-b的 A1摩擦面的特征。二個(gè)樣品的摩擦面都被摩擦層覆蓋著,摩擦層有來(lái)自所有摩擦材料中使用的原材料和鐵的氧化物的小碎片混合產(chǎn)生的混合物。摩擦層中同時(shí)還含有破碎的氧化鋁微粒，它在摩擦表面上產(chǎn)生了獨(dú)特的磨損形貌。理論已被證實(shí)，穩(wěn)定的摩擦層可以提高摩擦材料的摩擦性能，降低磨損。樣品C1含有較粗的Al2O3氧化鋁微粒，樣品A1含有較細(xì)的Al2O3氧化鋁微粒，樣品C1比樣品A1留在摩擦對(duì)偶上的刮痕大。值得注意的是，在這些摩擦面上留下的是刮痕而不是“磨損凹痕＂刮痕的形成是由摩擦材料中幾個(gè)較堅(jiān)硬的微?；蛩槠餐饔卯a(chǎn)生的結(jié)果。刮痕的產(chǎn)生不是由氧化鋁微粒造成，圖6-b例子顯示，玻璃纖維微粒產(chǎn)生了刮痕。藍(lán)色箭頭指示的是玻璃纖維微粒，黑色箭頭指示的是鑄鐵摩擦盤(pán)的滑動(dòng)的方向。在玻璃纖維微粒的左邊可以看見(jiàn)由玻璃纖維碎片造成的較深的刮痕。摩擦材料中硏磨玻璃纖維微粒的詳圖，見(jiàn)圖7。在這個(gè)例子中，玻璃纖維團(tuán)沒(méi)有被摩擦過(guò)程破碎，與圖6-b比較在摩擦表面上有可見(jiàn)的較輕的刮痕。

圖4　制動(dòng)磨損量

圖5　溫度試驗(yàn)曲線

(a)

圖7　玻璃纖維“團(tuán)＂詳圖

一般酚醛樹(shù)脂基剎車材料上出現(xiàn)的由比較堅(jiān)硬的研磨微粒造成的刮痕是一種正常的現(xiàn)象。摩擦層中含有的堅(jiān)硬的微粒對(duì)降低磨損和穩(wěn)定摩擦性能起著決定的作用。圖6中刮痕的深度和特征不會(huì)因繼續(xù)運(yùn)行而加重，摩擦過(guò)程中摩擦層的生成讓摩擦材料足夠地同質(zhì)。刮痕的出現(xiàn)不會(huì)造成任何危險(xiǎn)，也不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的早期損壞。如果鑄鐵摩擦盤(pán)上產(chǎn)生了刮痕。鑄鐵與鋼材比較，它有較高的減震性能比鋼高至少高10倍和耐磨性能，當(dāng)“刮痕＂沒(méi)有與對(duì)偶表面嚙合，它將會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)，因鑄鐵有優(yōu)良的減震能力，一般情況下它不會(huì)造成問(wèn)題。在進(jìn)入磨合期以后,即使有“刮痕＂的存在，鑄鐵與樹(shù)脂摩擦材料的摩擦過(guò)程會(huì)導(dǎo)接觸面積趨于穩(wěn)定。

比較圖6-a和圖6-b, A1的組織較C1密實(shí),這可能是C1摩擦片的磨損量略高于A1摩擦片的原因.

3　結(jié)論

1) 纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1相比現(xiàn)用合成材料摩擦片C1的平均摩擦系數(shù)要穩(wěn)定，能確保摩擦制動(dòng)性能更穩(wěn)定。

2) 在制動(dòng)工況，纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1比現(xiàn)用合成摩擦片C1引起的制動(dòng)盤(pán)溫升略高，但都低于材料摩擦的熱衰退溫度。

3) 在低速制動(dòng)工況下,纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1的磨損量相比現(xiàn)用的合成摩擦片的磨損量要低得多,在高速制動(dòng)工況下后者的磨損量有增大的趨勢(shì).

4) 樹(shù)脂基的摩擦材料中的研磨微粒會(huì)對(duì)對(duì)偶摩擦的制動(dòng)盤(pán)造成刮痕，通過(guò)測(cè)試和分析，“刮痕＂的寬度和深度與用在摩擦材料中的研磨微粒的大小尺寸相近，刮痕的出現(xiàn)不會(huì)造成任何危險(xiǎn)，也不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的早期損壞。

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