盤式制動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制動盤配副的制動摩擦試驗,記錄了制動過程中摩擦系數(shù)、磨損量與制動盤溫度的變化情況,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盤溫升略高;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：盤式制動摩擦系數(shù)磨損樹脂基合成摩擦片

文章編號：1006-8244(2015)03-013-05

中圖分類號：U463.211+.1

Key words: wearfiber reinforced friction materialscoefficientsbraking torques

制動盤是壓機(jī)制動部分的關(guān)鍵制動零件,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到制動安全,考慮到制動盤使用過程中是在高速旋轉(zhuǎn)下進(jìn)行壓力摩擦,因而對制動盤材質(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，而對摩擦片的材料要求有高的耐磨性，耐熱性的同時，還必須有良好機(jī)械性能，以及好的對磨性能，及不能在對偶的制動盤面產(chǎn)生擦傷等摩擦損壞[1-3]。自20世紀(jì)90年代以來,為了滿足壓力機(jī)的制動安全性要求,試制出多種合成材料摩擦片及球鐵，低合金鑄鐵制動盤等摩擦制動副 ,但這些摩擦片能否滿足更高要求下的制動還沒有充分根據(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)制動器制動盤及其復(fù)合材料摩擦片的研制作為研究背景,采用自制的制動模擬試驗機(jī), 對新研制的纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1與QT450制動盤配副進(jìn)行制動摩擦試驗，開展復(fù)合材料制動過程中摩擦磨損性能的研究,在此基礎(chǔ)上對一些實驗現(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

1.1試驗材料

試驗用纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1主要成分為酚醛樹脂、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)上使用的制動摩擦片C1作為對比試驗材料。 與它們相配的摩擦副材料選用QT450鑄鐵制動盤。

1.2試驗方法及參數(shù)

自制摩擦磨損試驗機(jī)如圖1。

圖1　摩擦磨損試驗機(jī)

摩擦片和制動盤試樣均為可實際裝機(jī)的摩擦片和制動盤，試驗前先將制動盤與摩擦片端面磨合使摩擦面達(dá)到80%以上的貼合程度. 制動盤與驅(qū)動主軸通過鍵槽連接,隨驅(qū)動軸及慣性飛輪旋轉(zhuǎn)到設(shè)定速度后267rpm后，脫開驅(qū)動馬達(dá), 接通剎車壓力, 使之與靜摩擦制動片相對滑動產(chǎn)生摩擦而實現(xiàn)剎車制動.試驗檢測工具如表1所列，制動摩擦系數(shù)是通過測量摩擦制動力矩計算得到,摩擦系數(shù)和溫升(制動中材料的最高溫度與制動前的溫度差)為3次測試結(jié)果的平均值. 取400小時制動測試內(nèi)各次測量結(jié)果的平均值作為磨損量.試驗參數(shù)如下:表面接觸壓力85PSI,每次制動前室溫溫度低于40 ℃.

表1　檢測項目及工具

表2　測試條件

1.3試驗數(shù)據(jù)測量及處理方法

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

2　結(jié)果分析

2.1摩擦系數(shù)

圖2對比了2種制動片材料平均摩擦系數(shù). 平均摩擦系數(shù)是衡量制動能力的主要指標(biāo),其值愈大愈好. 比較圖1的數(shù)據(jù)可見,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盤形制動瞬時摩擦系數(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，從理論和實際使用經(jīng)驗來看,制動過程中瞬時摩擦系數(shù)變化愈平緩,其制動效率愈高,制動振動和噪聲就愈小.

對比2種制動材料的摩擦系數(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，磨損量有加大的趨勢.

2.3制動摩擦溫升

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盤相互摩擦?xí)r制動盤溫升的曲線. 可以看出, 2種摩擦片對摩的制動盤摩擦溫升的最大溫升均小于200 F. 同時,與現(xiàn)用摩擦片C1對摩的制動盤溫升比與纖維增強(qiáng)合成摩擦片A1對摩的制動盤溫升略低. 測量結(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小時循環(huán)制動后的摩擦面在偏振光顯微鏡(Nikon135FX)下進(jìn)行了驗測，顯微鏡放大范圍從50到600倍。

圖2　平均摩擦系數(shù)試驗曲線

圖3　峰值摩擦系數(shù)試驗曲線

圖6比較了二個驗測樣品圖6-a 的C1和圖6-b的 A1摩擦面的特征。二個樣品的摩擦面都被摩擦層覆蓋著,摩擦層有來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，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較堅硬的微?；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的滑動的方向。在玻璃纖維微粒的左邊可以看見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，見圖7。在這個例子中，玻璃纖維團(tuán)沒有被摩擦過程破碎，與圖6-b比較在摩擦表面上有可見的較輕的刮痕。

圖4　制動磨損量

圖5　溫度試驗曲線

(a)

圖7　玻璃纖維“團(tuán)＂詳圖

一般酚醛樹脂基剎車材料上出現(xiàn)的由比較堅硬的研磨微粒造成的刮痕是一種正常的現(xiàn)象。摩擦層中含有的堅硬的微粒對降低磨損和穩(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因繼續(xù)運(yùn)行而加重，摩擦過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)不會造成任何危險，也不會導(dǎo)致產(chǎn)品的早期損壞。如果鑄鐵摩擦盤上產(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＂沒有與對偶表面嚙合，它將會導(dǎo)致振動，因鑄鐵有優(yōu)良的減震能力，一般情況下它不會造成問題。在進(jìn)入磨合期以后,即使有“刮痕＂的存在，鑄鐵與樹脂摩擦材料的摩擦過程會導(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,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，能確保摩擦制動性能更穩(wěn)定。

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

3) 在低速制動工況下,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,在高速制動工況下后者的磨損量有增大的趨勢.

4) 樹脂基的摩擦材料中的研磨微粒會對對偶摩擦的制動盤造成刮痕，通過測試和分析，“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)不會造成任何危險，也不會導(dǎo)致產(chǎn)品的早期損壞。

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