新型盤式制動器襯片的研制及性能研究

王勝鑫 王煜鵬 張新聞

（1. 桐廬宇鑫汽配有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310000）

0 引言

國外汽車制造業(yè)起步早發(fā)展快，人們普遍對汽車的環(huán)保和安全性能要求比較高，很早就注重到了制動器襯片對環(huán)境的影響，在國內(nèi)還是使用石棉當(dāng)作摩擦材料時(shí)，國外早已使用其它半金屬或者少金屬以及無石棉有機(jī)型材料代替?，F(xiàn)在國外用于制動器襯片的材料已經(jīng)從半金屬/少金屬發(fā)展為有機(jī)增強(qiáng)材料，使用壽命可達(dá)5 萬km 以上，其耐高溫、高耐磨、低噪音、制動靈敏及舒適安全環(huán)保等整體性能都較高，價(jià)格也比較高[1]。

國內(nèi)汽車制造業(yè)起步晚，發(fā)展卻很迅猛，這對制動器襯片的生產(chǎn)和性能提出了更苛刻的要求，除了具有良好的摩擦性、耐磨損性能和機(jī)械強(qiáng)度之外，更提出了高耐熱性、低噪音、低粉塵、良好的剎車舒適性和環(huán)保安全的要求[3]。與此同時(shí)，國內(nèi)大部分制動器襯片制造企業(yè)存在技術(shù)水平低、規(guī)模小、產(chǎn)能低等問題，還不能滿足國內(nèi)汽車業(yè)發(fā)展的需求[2]。仍然有部分廠家還在生產(chǎn)使用石

棉做摩擦材料的產(chǎn)品，壽命普遍只有2 萬~3 萬km，也有大部分實(shí)力較強(qiáng)企業(yè)研產(chǎn)的制動器襯片的剎車性能和耐磨損性能均較高，能夠滿足行業(yè)需求，使用壽命也可達(dá)5 萬km，但存在制動器襯片材質(zhì)硬，容易出現(xiàn)傷及對偶零部件和產(chǎn)生噪音等問題，相比進(jìn)口產(chǎn)品缺乏競爭力。因此，為滿足市場需求，提高核心競爭力，本文基于傳統(tǒng)制動器襯片提出了一種新型高性能鈦基盤式制動器襯片設(shè)計(jì)，致力于解決國內(nèi)制動器襯片的摩擦系數(shù)較低、制動效果不理想、使用壽命低、制動溫度300~350 ℃以上存在熱衰退等問題。

1 制動器襯片結(jié)構(gòu)組成

制動器襯片結(jié)構(gòu)如圖1，由底板和摩擦襯塊兩部分組成。汽車制動原理是通過摩擦襯塊夾緊剎車盤使車輪停止轉(zhuǎn)動，制動過程中動能轉(zhuǎn)換為熱能，因此要求摩擦襯塊要有足夠的抵抗高溫和抵抗腐蝕的能力。可從材料和生產(chǎn)制造方面，來達(dá)到制動器襯片高性能的設(shè)計(jì)目的[4]。

2 高性能設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的摩擦材料以石棉為主，但石棉對環(huán)境污染嚴(yán)重，對人體健康也有潛在的威脅，因此探索出了新型的摩擦材料，如玻璃纖維、金屬纖維、耐熱性增強(qiáng)纖維等。同時(shí)，為了能將新型摩擦材料的優(yōu)點(diǎn)最大化，對原料預(yù)處理工藝和壓制成型工藝進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，以期望達(dá)到制動器襯片高性能的設(shè)計(jì)目的。

圖1 制動器襯片的結(jié)構(gòu)圖

表1 新型摩擦材料配方表

2.1 新型摩擦材料方案

鈦基材料作為新型的摩擦材料，對環(huán)境友好，具有優(yōu)良的力學(xué)和物理性能，化學(xué)性能穩(wěn)定、硬度低，耐腐蝕性、耐磨性、耐熱性好，具有隧道效應(yīng)的結(jié)構(gòu)可為其帶來高模量和高強(qiáng)度[5]。將鈦基材料作為摩擦材料的主料，結(jié)合其他輔助增強(qiáng)材料，以保證產(chǎn)品強(qiáng)度、摩擦性能及磨損性能等。

通過正交試驗(yàn)和響應(yīng)面分析[6]，確定了最優(yōu)的新型摩擦材料配方如表1 所示，以確保研制的制動器襯片具有低熱導(dǎo)率、高耐熱性、高耐磨性、高穩(wěn)定性、高紅外反射率以及優(yōu)異的滑動性等優(yōu)越的物理性能和化學(xué)特性。

其中，鈦基材料是鈦酸鉀晶體(30%~50%)與鈦酸鈉(40%~60%)混合，應(yīng)用高溫合成，其作用是提高本產(chǎn)品的柔韌性、耐高溫性和穩(wěn)定性；減摩材料是成型的小顆粒石墨，其作用是調(diào)節(jié)本產(chǎn)品的摩擦系數(shù)；配方中去掉還原鐵粉，減少鋼纖維用量，防止生銹，解決硬度大、易傷對偶等問題；使用多孔性、顆粒性材料作為填料，使產(chǎn)品具有較小的密度、較大的孔隙度，減少制動過程中的噪音；減少了樹脂類材料的用量，添加了無機(jī)粘結(jié)劑，減輕熱衰退的影響，穩(wěn)定了產(chǎn)品的高溫摩擦系數(shù)。

2.2 制備工藝優(yōu)化方案

新型摩擦材料的成型與制備從其本質(zhì)的物理和化學(xué)特性出發(fā)[7]，采取合適的制備工藝和方法，以期生產(chǎn)出穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低廉、高溫摩擦性能優(yōu)異的制動器襯片。

圖2 制動器襯片生產(chǎn)工藝流程圖

如圖2 所示，在原料預(yù)處理工藝方面，設(shè)計(jì)了定時(shí)混合定時(shí)分解設(shè)備，分別對纖維材料和其它小分子增強(qiáng)材料進(jìn)行分解，使得原材料分布更均勻，生產(chǎn)出的制動器襯片各項(xiàng)性能更穩(wěn)定。在壓制成型工藝方面，采用二步成型法，先預(yù)成型制成冷坯，后再熱壓成型，該方法可使粉料在模腔中分布均勻，流動性較好；接著采用冷壓成型機(jī)統(tǒng)一冷坯形狀；最后使用熱壓模進(jìn)行加熱，結(jié)合程控?zé)釅撼尚蜋C(jī)，保證制造出來的新型盤式制動器襯片的摩擦性能更穩(wěn)定[8]。

采用鈦基新型摩擦材料和新型制備工藝的制動器襯片，其實(shí)物外觀如圖3所示。

圖3 制動器襯片實(shí)物圖

3 制動器襯片產(chǎn)品性能驗(yàn)證

將按照上述配方和工藝研制的制動器襯片實(shí)物進(jìn)行臺架試驗(yàn)，可得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

結(jié)合表3 中的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[9]，進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：

(1)摩擦系數(shù)：0~350 ℃摩擦系數(shù)達(dá)到0.37~0.47，產(chǎn)品摩擦系數(shù)高，制動力矩大，剎車效果好，汽車高速行駛時(shí)遇到緊急情況時(shí)剎車靈敏，制動平穩(wěn)有效，確保了車輛高速行駛中的安全。

(2)磨損率：在0~350 ℃范圍內(nèi)，平均磨損率為0.18，相比國內(nèi)其他同類產(chǎn)品，可以提高使用壽命一倍以上，達(dá)到國際先進(jìn)水平，但價(jià)格卻不到進(jìn)口產(chǎn)品的二分之一。因其耐磨性好，磨損小，制動粉塵少，更符合國家提倡的環(huán)保低碳理念。

表2 制動器襯片性能檢驗(yàn)記錄

(3)耐高溫：鈦基制動器襯片的耐高溫性能尤其好，可達(dá)680~700 ℃，國內(nèi)同類產(chǎn)品在300~350 ℃時(shí)就有明顯熱衰退現(xiàn)象，鈦基制動器襯片在350 ℃時(shí)摩擦系數(shù)平穩(wěn)不衰退，且稍有增大，能夠滿足多種汽車類型的連續(xù)制動溫度高的要求，確保了長途高速行駛緊急剎車、下坡連續(xù)滯剎的高溫要求。

(4)舒適性：鈦基制動器襯片硬度適中，不傷對偶零件，制動平穩(wěn)有效，制動噪音小，舒適性好。

4 結(jié)論

隨著國內(nèi)外汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，高性能鈦基制動器襯片的研制推廣，一方面為汽車的安全發(fā)展提供了很大的幫助，另一方面新型制動器襯片可減輕汽車的質(zhì)量，保障駕乘人員的安全，且滿足人們對于燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求。研究結(jié)果表明，該高性能鈦基制動器襯片的設(shè)計(jì)方案安全可行。

表3 摩擦性能國家標(biāo)準(zhǔn)