摩擦學(xué)在車輛工程中的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摩擦學(xué)論文摩擦學(xué)在車輛工程中的現(xiàn)狀論剎車制動(dòng)系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展剎車片是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，汽車的剎車制動(dòng)全靠它與制動(dòng)盤鼓的摩擦來實(shí)現(xiàn)，剎車片的質(zhì)量直接影響到汽車安全性能，關(guān)系到汽車使用者和行人的人身安全，其功能地位不言而喻。一、剎車片的工作原理剎車的工作原理主要是來自摩擦，利用剎車片與剎車碟（鼓）及輪胎與地面的摩擦，將車輛行進(jìn)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成摩擦後的熱能，將車子停下來。一套良好有效率的剎車系統(tǒng)必須能提供穩(wěn)定、足夠、可控制的剎車力，并且具有良好的液壓傳遞及散熱能力，以確保駕駛?cè)藦膭x車踏板所施的力能充分有效的傳到總泵及各分泵，及避免高熱所導(dǎo)致的液壓失效及剎車衰退。二

2、、剎車片的研究意義 在汽車工業(yè)快速發(fā)展的今天，車輛的安全、環(huán)保尤為重要，對(duì)汽車剎車片的新要求不斷提高。汽車剎車片在工作時(shí)通過承受外來壓力，產(chǎn)生摩擦，使車輛達(dá)到減速的目的。因此，剎車片的材料的耐磨和耐熱性能十分重要。此外作為汽車主要安全性零部件的剎車片，除了100的安全外，車輛駕駛?cè)藛T也期望任何時(shí)候都擁有最大的剎車舒適性、靈敏性、無噪音和平穩(wěn)性。對(duì)于剎車片而言，最重要的就是摩擦材料的選擇 。它基本決定了剎車片的制動(dòng)性能。摩擦材料從基本材質(zhì)上區(qū)分包括石棉、少量金屬、半金屬和有機(jī)物型等幾種。我國(guó)剎車片的研究比國(guó)外起步晚，與世界發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距。目前國(guó)內(nèi)普遍采用半金屬摩擦材料，多使用鋼或銅材料。一

3、些剎車片生產(chǎn)廠家，仍處于傳統(tǒng)的石棉剎車片時(shí)代，已經(jīng)不符合現(xiàn)代汽車工業(yè)的要求。為此，我們綜合了國(guó)外的研究方向，探討剎車片材料的發(fā)展方向。三、剎車片基本工作條件汽車制動(dòng)是依靠盤與片之間的摩擦，盤與片在高溫、高壓下作用，磨損非常劇烈，若過大或不均勻，則整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，輕則出現(xiàn)一些噪音，重則出現(xiàn)事故。摩擦系數(shù)是摩擦材料的最基本參數(shù)，決定基本的剎車片制動(dòng)力矩，摩擦系數(shù)必須適當(dāng)，太高會(huì)造成制動(dòng)過程中的車輪死、方向失控或燒片，太低則制動(dòng)距離過長(zhǎng)，不利于安全行車。剎車片在制動(dòng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫 。尤其在高速行駛或緊急制動(dòng)時(shí)，在高溫狀態(tài)下，摩擦片的摩擦系數(shù)會(huì)下降，稱為熱衰退性。熱衰退性的高低決定高溫狀態(tài)和緊急

4、制動(dòng)時(shí)是否安全。目前有的剎盤片問題就出于此。高溫?zé)崴ネ巳魢?yán)重，極易造成長(zhǎng)距離下坡剎車失靈。舒適性是摩擦性能的直接體現(xiàn)。包括制動(dòng)感覺、噪音、粉塵、冒煙、異味等。隨著私家車的增人們生活水平的提高，在滿足安全的基本前提下，舒適性越來越成為摩擦片的重要指標(biāo)。在舒適性指標(biāo)中，剎車盤的噪音情況是被最為關(guān)心的，有許多的車輛剎車時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺耳的尖叫聲 ，這就正說明剎車片的質(zhì)量存在問題 。剎車系統(tǒng)的原理是將剎車盤同輪轂裝配在一起，通過與制動(dòng)襯片進(jìn)行干摩擦，產(chǎn)生巨大的摩擦力，將高速行駛車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。有時(shí)候汽車從時(shí)速lOOkm剎車到靜止僅需要十幾秒甚至更短， 可見剎車系統(tǒng)承受著巨大的負(fù)荷。 剎車盤是剎車系統(tǒng)中

5、的一個(gè)重要部件， 它的性能直接影響剎車效果的好壞。在剎車過程中， 剎車盤一直承受著磨損、 摩擦的作用，壓力過大，則會(huì)發(fā)生變形或開裂。剎車是個(gè)循環(huán)不斷的過程，使剎車盤一直處在冷熱交替的過程中，易產(chǎn)生疲勞裂紋。材料在高溫時(shí)，滑移變得相對(duì)容易，易發(fā)生塑性變形，使材料強(qiáng)度、硬度下降，所以要盡量限制材料的溫度范圍。剎車僅需幾秒，剎車后剎車盤表面溫度驟降，而內(nèi)部溫度相對(duì)較高，易產(chǎn)生熱應(yīng)力，若此應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度，則發(fā)生開裂，剎車失效，危及生命安全。四、高性能剎車片材料的基本性能要求1、合適的摩擦系數(shù)：剎車片摩擦系數(shù)必須適中，如果摩擦系數(shù)低于0.35，剎車時(shí)就會(huì)超過安全制動(dòng)距離甚至剎車失靈，如果摩擦系數(shù)高于

6、0.40，剎車容易突然抱死，出現(xiàn)翻車事故。博世安全型剎車片的摩擦系數(shù)是0.39，很好地滿足了系數(shù)適中的要求。2、 可靠的穩(wěn)定性：汽車高速行駛或緊急制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫，在高溫狀態(tài)下，剎車片的摩擦系數(shù)會(huì)下降，稱為熱衰退。剎車片抗熱衰退性能的好壞決定了汽車制動(dòng)的安全性，所以剎車片必須有適中且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。3、 滿意的舒適性：舒適性是摩擦性能的直接體現(xiàn)，包括制動(dòng)感覺、噪音、粉塵、異味等。在舒適性指標(biāo)中，車主往往最關(guān)心的是剎車片的噪音情況。4、 合理的壽命：使用壽命是大家普遍關(guān)注的產(chǎn)品指標(biāo)。正常行駛的車輛，前制動(dòng)器剎車片壽命為3 萬km，后制動(dòng)器剎車片的使用壽命為8 萬km。五、剎車片材料的發(fā)展方

7、向1、黏結(jié)劑材料的研究黏結(jié)劑的主要作用是將剎車片的各組分緊密黏結(jié)在一起，保持剎車片在高溫機(jī)械作用下的結(jié)構(gòu)完整性。剎車片中最常使用的黏結(jié)劑是酚醛樹脂，它具有優(yōu)異的耐熱性能和機(jī)械性能，電絕緣性和成型加工性能良好，且原料易得，價(jià)格便宜，工藝及生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單。但純酚醛樹脂的使用會(huì)造成剎車片硬度過高、脆性大，耐熱極限溫度僅約為250。當(dāng)超過300時(shí)，熱分解現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致剎車片的性能顯著下降。因此必須對(duì)酚醛樹脂進(jìn)行增韌和耐熱改性。國(guó)外用到的改性樹脂主要有COPNA 樹脂（分解溫度大約400500）、有機(jī)硅改性酚醛樹脂、硼酸改性酚醛樹脂、氰酯改性酚醛樹脂（能耐350以上高溫）、環(huán)氧改性酚醛樹脂（在400

8、下正常使用）、熱塑性聚酰亞胺樹脂（耐熱和耐磨性能都很好）、懸浮法樹脂。懸浮法樹脂是因酚醛樹脂懸浮聚合工藝而得名，它是國(guó)外20 世紀(jì)70 年代研制開發(fā)的一種新型酚醛樹脂，又被稱為Phenolic Thermosphere（簡(jiǎn)稱PTS），分解溫度達(dá)到490，以該樹脂為黏結(jié)劑制成的剎車片具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、高溫摩擦性能好、噪音低、熱衰退小等優(yōu)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，使用改性酚醛樹脂的剎車片的各項(xiàng)摩擦性能（包括衰退前的摩擦系數(shù)，衰退后的摩擦系數(shù)，磨損率，損傷對(duì)偶件等方面）都要比使用傳統(tǒng)酚醛樹脂的剎車片好；樹脂、剎車片的強(qiáng)度與磨損性能之間沒有必然的聯(lián)系。其中利用硼酸改性酚醛樹脂制備出的剎車片，400的時(shí)候，仍然保持

9、較高的摩擦系數(shù)（在0.4 以上）。2、 摩擦性能調(diào)節(jié)劑摩擦性能調(diào)節(jié)劑是一類添加到摩擦材料中能改進(jìn)摩擦系數(shù)和磨損率的物質(zhì)，主要分為潤(rùn)滑劑和研磨劑兩大類。潤(rùn)滑劑的主要目的是減小制動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)的變化。常用的潤(rùn)滑劑包括石墨和各種類型的金屬硫化物。金屬硫化物被認(rèn)為是比石墨更好的潤(rùn)滑劑，因?yàn)榉尤渲そY(jié)劑與石墨的低黏結(jié)強(qiáng)度不能滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)高效制動(dòng)的要求，會(huì)加速摩擦材料的磨損，而金屬硫化物不存在這個(gè)問題。但是一些化合物如鉛和銻的硫化物是有毒的，所以更加安全的金屬硫化物如錫、銅、鉬的硫化物有可能成為理想的潤(rùn)滑劑。研磨劑能增加摩擦材料的摩擦系數(shù)，但同時(shí)也會(huì)增加對(duì)偶件的磨損。它們可移除對(duì)偶材料上的鐵氧化物以及

10、制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的有不利影響的表面膜，但高含量的研磨劑會(huì)增加摩擦系數(shù)的波動(dòng)性。研磨劑主要是金屬氧化物、石英粉和硅酸鹽化合物的堅(jiān)硬顆粒。其莫氏硬度值一般為78；常用研磨劑有鋯氧化物、硅酸鋯、氧化鋁、碳化硅、二氧化硅和鉻氧化物等。加入氧化鋁可提高摩擦系數(shù)，減小磨損率；加入碳化硅，能夠大幅度提高摩擦系數(shù)，而磨損率只有少量增加；一定量的三硫化二銻（Sb2S3）和硅酸鋯（ZrSiO4）對(duì)汽車剎車片摩擦系數(shù)的大小、穩(wěn)定性有很大的影響摩擦性能調(diào)節(jié)劑對(duì)摩擦材料的摩擦特性影響很大，增加潤(rùn)滑劑的含量可提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，而增加研磨劑含量會(huì)增加摩擦系數(shù)的波動(dòng)性，所以協(xié)調(diào)好制動(dòng)摩擦材料中潤(rùn)滑劑與研磨劑的用量非常重要。3、

11、 增強(qiáng)纖維在剎車片材料中的應(yīng)用20 世紀(jì)70 年代摩擦材料開始向無石棉化發(fā)展，出現(xiàn)了各種石棉纖維的替代品，主要有陶瓷纖維、芳綸纖維、碳纖維、鋼纖維、銅纖維、鋁纖維、玻璃纖維、礦物纖維、纖維素纖維、鈦酸鉀晶須和海泡石纖維等。隨著研究的深入，單一纖維增強(qiáng)的摩擦材料性能不全面，存在著各種缺陷，而幾種纖維混合在一起，性能可互補(bǔ)，發(fā)揮混雜效應(yīng)，制備的摩擦材料性能優(yōu)異，于是混雜纖維增強(qiáng)摩擦材料成為近年來研究的熱點(diǎn)。有研究表明，鈦酸鉀晶須與芳綸纖維黏附在一起，可提高摩擦表面薄膜的耐熱性和強(qiáng)度，但是當(dāng)摩擦材料僅含有兩種纖維中的某一種成分時(shí)，這種有利的協(xié)同效應(yīng)大大減小。含有玻璃纖維、鋁纖維的剎車片不能提供理想的

12、摩擦系數(shù)和磨損率，而利用芳綸纖維代替玻璃纖維，用鈦酸鉀作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑，可全面提高剎車片性能；與不含鈦酸鉀的剎車片相比，含有酞酸鉀的剎車片材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性、抗熱衰退性能和耐磨損性都提高了。據(jù)報(bào)道，銅纖維和鋼纖維剎車片的摩擦系數(shù)都隨著滑動(dòng)速度的增加而減小，鋁纖維剎車片的摩擦系數(shù)變化不大；加入銅纖維可使摩擦材料擁有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和很低的磨損率。一些研究對(duì)比了芳綸纖維、塞珞珞纖維、PAN 纖維（聚丙烯腈纖維）、碳纖維對(duì)摩擦材料摩擦系數(shù)和耐磨性能的影響。結(jié)果表明，芳綸纖維能夠克服樹脂的熱敏感性，增進(jìn)摩擦系數(shù)穩(wěn)定性，減小磨損率；塞珞珞纖維能夠顯著的提高摩擦系數(shù)，但是磨損最大；碳纖維增強(qiáng)摩擦材料

13、擁有最好的抗熱衰退性能；聚丙烯腈纖維對(duì)制動(dòng)載荷和滑動(dòng)速度的敏感性最小，對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率的影響也不大。與樹脂、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑相比，增強(qiáng)纖維更受剎車片研究人員的關(guān)注。各種增強(qiáng)纖維對(duì)汽車剎車片摩擦性能的影響，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，但是在陶瓷纖維增強(qiáng)剎車片領(lǐng)域的研究卻不多，僅局限于鈦酸鉀晶須、硅氧鋁纖維方面，今后有必要開拓其它種類的陶瓷纖維在剎車片上的應(yīng)用。4、 填料類型對(duì)剎車片材料性能的影響填料分有機(jī)填料和無機(jī)填料兩大類。無機(jī)填料包括硫酸鋇、碳酸鈣、長(zhǎng)石粉、云母、滑石、蛭石、高嶺土和硅藻土等。硫酸鋇和碳酸鈣都是很常用的填料，能夠提高摩擦材料的熱穩(wěn)定性，同時(shí)也能改善材料的熱衰退性能，但在更高

14、溫度下，前者不如后者穩(wěn)定。云母和蛭石是另外兩種常用填料，具有平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，都能夠抑制低頻制動(dòng)噪聲，但蛭石在大約800時(shí)呈片狀迅速剝落，云母在高溫下耐磨性能很差。腰果殼油摩擦粉和橡膠粉都是常用的有機(jī)填料，有相似的性能，都有優(yōu)異的黏彈性，因此常被添加到剎車片中以達(dá)到降低噪聲的目的。三氧化鉬是填料家族的一個(gè)新品種，熔點(diǎn)較高，大約為800。據(jù)報(bào)道，三氧化鉬可防止摩擦材料在高溫下發(fā)生熱衰退和開裂。研究發(fā)現(xiàn)，硫酸鋇對(duì)剎車片的摩擦性能影響很大。通過對(duì)蛭石、重晶石、藍(lán)晶石、鉀長(zhǎng)石和泡沫鐵粉五種常用填料對(duì)制動(dòng)摩擦材料性能的影響研究，發(fā)現(xiàn)填料含量對(duì)材料摩擦系數(shù)的影響并不明顯，對(duì)磨損率的影響同樣很小，只有鉀長(zhǎng)石除外。隨鉀長(zhǎng)石含量的增加，摩擦材料的磨損率也增加。另外，還有報(bào)道利用一種新的組合方法研究各種填料對(duì)剎車片磨損性能的影響，提出了減小磨損率的三種機(jī)理。填料對(duì)摩擦材料的機(jī)械性能、物理性能和摩擦性能都有重要影響，能調(diào)節(jié)摩擦材料的硬度，改善制動(dòng)噪音和制品外觀，降低成本。但是在剎車片的開發(fā)和應(yīng)用中，研究人員大都集中在增強(qiáng)纖維的研究上，而對(duì)填料的研究很少，在實(shí)際生產(chǎn)中也往往只憑經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣選擇填料，沒有一套系統(tǒng)科學(xué)的理論作指導(dǎo)。六、總結(jié) 剎車片摩擦理論的研究現(xiàn)在只是剛剛觸及了這一領(lǐng)域冰山一角，具體研究工作還需要我們今后繼續(xù)努力，不斷發(fā)展，才能將該領(lǐng)域的研究應(yīng)用到實(shí)際生活中，希望通過一代又一代不懈的努力能是該領(lǐng)