【汽车刹车片的性能优化设计7800字（论文）】

汽车刹车片的性能优化设计摘要我国汽车行业的飞速发展，汽车逐渐进入每个家庭成为人们最主要的交通工具。而伴随着汽车生产产品的日益增多，随之而来的问题也在不断增加，尤其是汽车制动系统的故障，成为人们普遍关注的问题。液压制动时制动柔和灵敏，结构简单，使用方便，不消耗发动机功率。但操作较费力，制动力不很大，制动液流动性差，高温易产生气阻，如有空气侵入或漏油会降低制动效能甚至失效。因此汽车制动系统故障的解决也变得日益重要，探讨影响汽车制动系统的各种因素，并找到解决方法，才是汽车今后发展的重中之重。本次课题研究主要是先通过查阅文献、上网查阅资料，了解汽车盘式制动器的基本原理、结构组成及功能；然后通过参加车间实习，通过对实物的检测、测量，咨询工人师傅的实际经验，结合自身的工作体会等途径来对盘式制动器的刹车盘以及刹车片性能进一步了解与研究。最后通过有知道老师的指导和与同学间的研究讨论，对刹车片做出自己的性能优化设计。将通过性能比较和工艺成本相结合的对比分析，提出最优的制备刹车盘的合金及工艺参数。关键词：刹车盘；刹车片；制动材料；摩擦磨损；性能改进目录摘要 I1、前言 11.1研究背景 11.2研究意义 12、刹车盘和刹车片的摩擦磨损概述 12.1刹车盘和刹车片的概念 12.1.1刹车盘的概念 22.1.2刹车片的概念 22.2盘式刹车系统制动原理 32.2.1鼓式制动器 32.2.2盘式制动器 42.3刹车系统材料 42.3.1刹车盘材料 42.3.2刹车片材料 53、刹车片的种类以及改进性能实验 53.1半金属刹车片 53.1.1半金属刹车片的特点 63.1.2半金属刹车片配方设计 63.1.3实验结果与讨论 63.2无石棉、低金属刹车片 73.2.1无石棉、低金属刹车片的特点 73.2.2半金属刹车片改进设计 73.2.3实验结果与讨论 83.3陶瓷刹车片 83.3.1陶瓷刹车片的特性 93.3.2陶瓷刹车片的改进制备 93.3.3实验结果与讨论 104、改善制动副摩擦性能的途径 114.1改进刹车盘/片的材质 114.1.1复合型刹车片 114.1.2合成刹车片 114.1.3高磨合成刹车片 114.2表面处理 124.2.1堆焊 124.2.2热喷涂 124.2.3高能束表面改性 124.2.4仿生非光滑处理 12结论 13参考文献 141、前言1.1研究背景刹车盘是汽车制动系统的重要组成部分，制动性能的好坏直接关系到车辆能否安全、高速行驶。随着汽车产量增加、行驶速度逐渐加快，我国已经成为世界上交通安全问题最严重的国家之一。汽车工业作为我国的支柱产业之一，正处于高速发展起。近两年，汽车产量每年增长接近40%。另外，据南方网2016年2月2日报道，预计中国的汽车产量到2020年将超过日本居全球第二位，这种增长速度非常惊人。随着汽车产量的快速增加，刹车盘的需求量也随之增加，国内汽车行业每年对刹车盘的需求量达数千万件。同时，刹车盘属易消耗件，磨损之后就必须随时更换，因此刹车盘的市场需求量巨大。轻量化、高速化已成为车辆发展的必然趋势。采用轻质材料制造车辆的零部件，不仅能够节约能源、降低使用成本，而且为车辆实现高速化创造了有利条件。初生硅和Mg2Si颗粒增强铝基复合材料具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的耐磨性能以及良好的导热性能等一系列优点，用来替代铸铁制备车辆的刹车盘，能够取得显著的减重效果，因此得到了广泛关注和研究。1.2研究意义制动副的摩擦磨损特性直接影响制动器的制动性能及使用寿命，已成为制动器结构设计、使用维护、材质研制与最佳选配等方面的基础理论依据。因此，通过对制动副摩擦磨损特性的分析，研制出能够较好地满足摩擦性能稳定、磨损率低、无噪音、无振动、使用寿命长等要求的新型刹车片已经成为企业和科研人员的迫切追求。2、刹车盘和刹车片的摩擦磨损概述良好的制动系统对于汽车的驾驶安全非常重要，如果不能保证汽车的制动系统运转正常，危险将时时威胁着你。在制动系统中，刹车片是最需要时常更换的部件。2.1刹车盘和刹车片的概念2.1.1刹车盘的概念刹车盘就是一个圆的盘子，车子行进时它也是转动的。制动卡钳就是用来两片夹住刹车盘而产生制动力的。它相对旋转的刹车盘是固定的。踩刹车时就是它夹住刹车盘起到减速或者停车的作用。图2.1刹车盘的结构鼓刹是密封的，形状像鼓状，在国内也有很多叫刹车锅。行车时它是转动的。鼓刹里边固定有两个弧形或者是半圆的刹车蹄。踩刹车时两个刹车蹄就在制动轮缸的作用下外张，撑起刹车蹄摩擦着刹车鼓的内壁来起到减速或者停车的作用。2.1.2刹车片的概念刹车片也叫刹车皮。在汽车的刹车系统中，刹车片是最关键的安全零件，所有刹车效果的好坏都是刹车片起决定性作用，所以说好的刹车片是人和汽车的保护神。图2.2刹车片刹车片一般由钢板、粘接隔热层和摩擦块构成，其中隔热层是由不传热的材料组成，目的是隔热。摩擦块由摩擦材料、粘合剂组成，刹车时被挤压在刹车盘或刹车鼓上产生磨擦，从而达到车辆减速刹车的目的。由于摩擦作用，摩擦块会逐渐被磨损，一般来讲成本越低的刹车片磨损得越快。摩擦材料使用完后要及时更换刹车片，否则钢板与刹车盘就会直接接触，最终会丧失刹车效果并损坏刹车盘。2.2盘式刹车系统制动原理汽车的摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，可分为鼓式制动器，盘式制动器和带式制动器。带式制动器只用作中央制动器，在这里可不做考虑。鼓式制动器和盘式制动器的结构形式有多种。2.2.1鼓式制动器鼓式制动器的摩擦元件是一对有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄。制动时，利用制动鼓的内圆柱面与制动蹄摩擦片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩。图2.3鼓式制动系统构造分解图鼓式制动器有内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种，其中内张型是目前应用最广泛的类型，它是以制动鼓的内圆柱面为工作表面的。鼓式制动器的制动效能和散热性都要差许多，鼓式制动器的制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控，因此不及盘式制动器应用广泛。2.2.2盘式制动器盘式制动器的工作原理是将刹车盘同轮毅装配在一起，通过与刹车片进行干摩擦，产生巨大的摩擦力，将高速行驶车辆的动能转化为热能。制动系统基本工作原理如图2.4所示。图2.4盘式制动系统构造分解图汽车在公路上正常行驶时，当驾驶员踩下刹车的踏板时，踏板带动制动主缸的推杆，推杆推动活塞，使得活塞挤压制动液，制动液被压缩对制动轮缸产生力的作用，使得制动轮缸带动摩擦衬片挤压刹车盘，产生摩擦阻力来阻碍车轮的旋转，同时在车轮和地面的附着力作用下，使得车轮受到阻止其运动的外力，车轮受到刹车盘/片的摩擦阻力和路面的制动力的双重作用，最终使得汽车减速甚至停车。2.3刹车系统材料2.3.1刹车盘材料目前，常用的刹车盘材料主要有铸铁和金属基复合材料两大类。（1）铸铁铸铁具有良好的强度和耐磨性能，材料的价格和制造的成本都相对比较低，所以长期以来一直是最常使用的汽车刹车盘材料。为了提高铸铁的耐热性能和强度，可在铸铁中加入了一些合金元素如:镍、铜、铬等。目前的绝大多数汽车的刹车盘仍然采用铸铁材料。其主要缺点是密度大、导热性差，这既不利于减轻车体的重量，又具有很高的、大描度的工作表面温度，使其易形成热点，并且产生热裂。（2）铅基复合材料陶瓷増强的错基复合材料具有良好的耐磨性能，并且重量轻、强度高、导热性好，使其成为最具潜力的新一代刹车盘材料。侣基复合材料作为新兴的刹车盘材料，其研究还处于起步阶段，大部分还处于实验研究阶段，而且多数局限于宏观的摩擦学性能的研究，对于车辆实际制动工况下的摩擦磨损化理和规律的研究还很少，并且其价格也相对比较昂贵，距离其真正广泛应用到实际的制动系统上还有很大距离。2.3.2刹车片材料刹车片材料按材质分，可分为石棉摩擦材料、无石棉摩擦材料两大类。（1）石棉摩擦材料石棉材料是一种天然的矿物纤维，它具有很高的机械强度和耐热性能，还具有良好的散热性，及很好的浸溃性和柔软性，由于其价格低廉，因此很快取代了棉布等刹车片材料而成为摩擦材料中的主要基材料。（2）无石棉摩擦材料半金属摩擦材料；主要应用于轿车和重型汽车的刹车片。其通常含有30%-50%左右的铁质金属物。半金属摩擦材料最早取代了石棉材料而成为一种新型无石棉摩擦材料。NAO摩擦材料；是一种非石棉一非钢纤维型摩擦材料，但在盘式刹车片中也含有少量的钢纤维。粉末冶金摩擦材料：主要用于较高温度下的制动与传动，如:飞机、载重汽车。其又称烧结摩擦材料，是将Fe,Cu粉状物料经混合、压型，并且在高温下烧结而成。碳纤维摩擦材料:主要用于飞机、高档轿车的制动系统。是一种碳纤维为增强材料的摩擦材料。碳纤维摩擦材料由碳纤维、石墨、碳的化合物组成。其组分中的有机粘结剂也需要经过碳化处理，所以碳纤维摩擦材料也被称为碳一碳摩擦材料或碳基摩擦材料。3、刹车片的种类以及改进性能实验在此总结了几款不同类型的刹车片以供参考。3.1半金属刹车片3.1.1半金属刹车片的特点半金属片的摩擦性能优良，耐高温持久，布氏硬度适中，使用寿命延长。但是它需要更高的制动压力来完成同样的制动效果，特别是在低温环境中金属含量高对刹车盘磨损大，同时会产生更大的噪音。同时制动热量被传递到制动钳及其组件上，会加快制动钳、活塞密封圈和回位弹簧老化，如果处理不当，热量达到一定温度水平，将会导致制动萎缩和刹车液沸腾。3.1.2半金属刹车片配方设计选择粘合剂、钢纤维、石墨和铜粉做为试验因素,运用正交设计方法组织试验.试验是在DM-S定速式摩擦试验机上进行,试验方法按国标GB5763-86规定.经过试验研究后,确定了一个较优的材料配方:粘合剂15%～20%(重量%,下同),钢纤维20%～28%,金属粉20%～30%,填料30%～45%。图3.1铸态试样的微观组织改进型半金属刹车片平均粒径约60μm，颗粒在边部、中部和芯部分布基本均匀。边部明显观察到Mg2Si颗粒，蓝紫色的小颗粒，平均粒径15μm，在边部试样照片上均匀分布。3.1.3实验结果与讨论表3.1XD-MSM定速试验机试验结果莱武氏相强化铁基合金提高了高温摩擦系数,对减小磨损有利。但硬度高,基体韧性差,易引起震动和产生噪音,不利于人性化设计。表3.2试样力学性能提高稳度的主要组分是基体中柔韧的纳米级丁腈橡胶、石墨、硫黄、二硫化钼等减摩剂。纳米丁腈橡胶使基体柔韧性提高,不易使合金粉粒脱落。另外,Laves相的底面滑移晶面系统,高硬度还可滑动,有很好的抗粘着和润滑能力,也提高了稳度。3.2无石棉、低金属刹车片3.2.1无石棉、低金属刹车片的特点图3.2半金属刹车片改进型无石棉、低金属刹车片不同于传统型半金属刹车片，它由一种有机配方与小量的用于导热并提供更好的制动性的铜或钢混合制成，彻底解决了噪音和使用寿命问题，同时具有制动力矩平稳、硬度适中、磨损率低、对偶相容性好、无石棉粉尘污染、使用寿命长等特点。3.2.2半金属刹车片改进设计为了解决半金属配方存在的缺陷和问题，我们在充分论证的基础上，在增强材料上选择以钢纤维、KQ复合纤维、芳纶纤维、纤维素纤维混杂为主，使纤维能取长补短，既能保证产品强度，又能确保产品的摩擦、磨损性能。图3.3改进型试样的微观组织改进型半金属刹车片初晶硅呈菱角分明的多边形块状，条状较少，边部平均粒径约50μm，中部平均粒径约80μm，芯部平均粒径约65μm；颗粒在边部分布细密，中部和芯部分布略少于边部，分布基本均匀。边部、中部、芯部均明显观察到Mg2Si颗粒，黑色的小颗粒，平均粒径15μm，在边部、中部和芯部分布基本均匀，边部和芯部略多于中部。配方中去掉还原铁粉，减少钢纤维用量，防止生锈，并解决硬度大、易伤对偶等问题；在填料的选择上，使用一些多孔性、颗粒性材料，使产品具有较小的密度、较大的孔隙度，减少制动过程中的噪音；减少树脂的用量，添加一些无机粘结剂，减轻热衰退，稳定了高温摩擦系数。3.2.3实验结果与讨论表3.3刹车片性能试验数据新研制刹车片装车使用后,表面无龟裂、无裂纹、刹车灵敏、可靠,对制动鼓的损伤很轻,寿命可达6万km以上。最初的半金属制动衬片在每个正常的实验之前，经过3000轮旋转后被磨损，所以制动衬片和摩擦盘之间的接触面积可能达到了一个稳定值。在实际的汽车制动时，滑动速度要比这大的多。因此，为了减少高温摩擦对制动衬片性能的不良影响，有必要采取一些有效的行动来减少实际制动过程中阀瓣的摩擦温度。3.3陶瓷刹车片3.3.1陶瓷刹车片的特性陶瓷刹车片是目前刹车片行业的顶级产品，它由陶瓷纤维，不含铁的填料物质，胶粘剂，和少量的金属组成的。图3.4陶瓷刹车片与其它刹车片的性能相比较，具有四大优势：第一，具有优良的制动性能；(高速性能，车速达到160Km/h的制动摩擦系数大于0.45；高温性能，刹车温度达到600摄氏度时制动摩擦系数大于0.4；第二，使用寿命长：装车试验寿命在5～8万公里；第三，噪音低；第四，使用车型广：几乎所有车型(除赛车外)、所有路况。主要优点是无论在低温还是高温都能保持良好的制动效果，减少磨损，降低噪音，能够克服在制动摩擦表面上形成的界面膜，抗热衰退性能，获得需要的制动摩擦力。3.3.2陶瓷刹车片的改进制备按照质量分数,其中改性的铝、硅酸盐类无机陶瓷粘结剂为5%~10%,陶瓷、矿物和芳纶等纤维为20%~40%,石油焦炭/石墨10%~20%,有机摩擦粉和橡胶粉5%~10%,复合填料20%~30%,改性酚醛树脂3%~5%。图3.5试样的微观组织改进型陶瓷刹车片初晶硅呈菱角分明的多边形块状和条状较，平均粒径约60μm；颗粒在边部、中部和芯部分布基本均匀。边部、中部、芯部均未明显观察到Mg2Si颗粒。原材料经过均匀混合后,在160℃左右热压,再经热处理、后续加工制得样品,工艺流程如图。图3.6陶瓷刹车片的材料改进制备工艺流程图3.3.3实验结果与讨论图3.7两种材料衰退试验曲线陶瓷基刹车片表面有较多孔隙的存在,减少了材料本身承受外界载荷的有效面积,导致硬度测试时数值较小。和陶瓷基刹车片相比,树脂基刹车片中有机成分含量相对较多,特别是丁腈橡胶粉的加入。陶瓷基刹车片的摩擦系数表现出对制动次数的不敏感性,整个曲线无明显的“大起大落”,摩擦系数波动范围在0`08以内,材料耐热性能良好。陶瓷基刹车片摩擦表面较为光亮,而树脂基刹车片相对灰暗一些,表面附有薄薄的一层磨屑,试验结束后落灰较多。这说明陶瓷基刹车片的自清洁能力较强,制动过程中能不断更新工作表面,形成稳定的摩擦层,与刹车盘形成较好的贴合。4、改善制动副摩擦性能的途径根据刹车盘/片摩擦过程影响因素的分析，能够改善刹车盘/片摩擦性能、减少磨损的途径主要分为两大类，一是改进刹车盘/片的材质；二是对刹车盘/片进行表面处理。4.1改进刹车盘/片的材质通过使用新型的具有良好性能的材料来代替旧的材料，这样可以直接有效地提高材料的性能延长其使用寿命、降低成本。在原有刹车盘和刹车片的材质中加入某些元素，以改变其材料属性，可提高材料的耐磨性。4.1.1复合型刹车片C/C复合材料是近几年开发出来的新型制动材料，是一种C纤维增强、以C为基体的新型结构材料。C/C复合材料制动刹车片由于成本高，主要用于飞机制动器，但是随着近年来高速铁路的发展，国内外科技工作者开始研制开发用于汽车的C/C复合材料制动刹车片。4.1.2合成刹车片合成摩擦材料是将金属粉末、酚醛树脂和摩擦调节剂等经充分混炼后加热压制而成，它将材料与制品工序合二为一。所用摩擦调节剂，一般是采用腰果壳油制成的颗粒。这类刹车片与车轮踏面反复磨合后，使二者间的粘性降低；有机合成摩擦材料的使用温度一般不能超过250℃。当制动处温度达250℃时，其磨损率急剧增加。4.1.3高磨合成刹车片C/C2SiC复合材料开始应用于摩擦领域,成为最新一代高性能制动材料而引起研究者的广泛关注和重视。采用合成橡胶为黏合剂的高摩合成刹车片的制动性能优异其主要优点是无论在低温还是高温都保持良好的制动效果，减少磨损，降低噪音，延长刹车盘的使用寿命。树脂基刹车片中有机成分含量相对较多,特别是丁腈橡胶粉的加入，阻碍了裂纹的进一步扩大,从而减缓了材料的破坏程度,在宏观上表现出来就是材料冲击强度的提高。4.2表面处理除了改变物质的材料，表面处理技术作为一种改善材料摩擦磨损性能的有效方式，越来越受到人们的关注。常用的表面处理方式主要有:堆焊、热喷涂、高能束表面改性以及仿生非光滑处理等。4.2.1堆焊堆焊是利用火焰、电弧、等离子等热源将金属等材料熔化，靠自身重力在工件表面或边缘熔敷成一层耐磨、耐蚀、耐热涂层的焊接工艺。其优点:可以方便、有效地控制堆焊层的尺寸；可以合理选择焊层材料来改善和提高基体材料的表面性能。其缺点:堆焊所采用的热源注入量不易控制，能量不能集中，热影响区较大，尤其是多层堆焊时，容易产生畸变、开裂、剥落等缺陷。4.2.2热喷涂热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并以一定的速度喷射并沉积于工件表面，从而形成涂层的一种表面加工方法。其优点:工艺灵活，操作的程序较少；涂层厚度可以有效控制；加热温度较低，工件变形小。其缺点:热喷涂技术对于基材表面有严格的预处理要求，否则很难保证涂层与基体材料间的良好结合；涂层具有明显的方向性，要充分考虑如何选择摩擦方向以发挥热喷涂涂层的耐磨作用。4.2.3高能束表面改性高能束表面改性技术是指当高能束发生器发出功率密度达到1护W}C1112以上的能束，定向作用在金属表面，使其产生物理、化学或相结构的转变。高能束主要包括离子束、激光束和电子束。其优点:可以获得极高的加热和冷却速度，整个基体的温度可以不受影响，工件变形极小；其属于非接触式加热，没有机械应力作用。其缺点:价格较昂贵。4.2.4仿生非光滑处理研究仿生非光滑表面的耐磨性能，并进行创造性的仿生研究，设计一种新型仿生非光滑耐磨形态并应用到刹车盘或刹车片表面，以达到提高耐磨性能的效果。其理论意义不仅体现在提出了从仿生学的角度提高刹车盘/片耐磨性能，而且还可以揭示出仿生非光滑表面耐磨性能的机理，完善和扩展工程仿生学理论及其应用，探索新型仿生功能表面实际应用的理论，为机械运动部件仿生耐磨性提供基础数据。使用喷丸机将高硬度的钢丸加速至约80ｍ／ｓ，撞击试件表面使之变形，通过喷丸处理的方法加工出的非光滑表面凹坑尺寸的大小是由钢丸的颗粒度和流量、离屯、轮的转数和槽数、工件表面硬度和旋转速度来调节的。结论本文以汽车刹车盘和刹车片摩擦副为研究对象，探讨刹车片结整