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现代制动用刹车材料的应用研究和展望(图)

信息来源:foioo.com  时间:2010-05-25  浏览次数:131

  在现代摩擦学的研究中,摩擦材料是指积极利用其摩擦特性,以提高摩擦磨损性能为目的,用于摩擦离合器与摩擦制动器的摩擦部分,实现动力的传递、阻断,运动物体的减速、停止等行为所用的材料。在描述术语中,通常将使用在制动器中的摩擦材料称为刹车材料,如汽车刹车材料、火车刹车材料及航空刹车材料等。
  制动器是使运动中的机构或机器迅速减速、停止并保持停止状态的装置;有时也用于调节或限制机构或机器的运动速度。通常而言,应用于制动的刹车材料,其主要功能是通过摩擦,将动能转变为热能并将热量吸收或散发掉,从而逐步降低刹车材料所在部件和被它贴合部件(刹车材料所在部件和被它贴合部件构成摩擦副,全部摩擦副构成刹车副总体)之间的相对运动速度,直至停止运动,达到制动目的,其工作过程在力学上可简化为图1所示模型。
  图1刹车材料工作模型
  制动过程可以简单描述为通过对刹车材料部件施加压力p使之与对偶材料部件贴合从而使主动件转速降至0。在此过程中,假定Tf和Tr均为常数,为了达到制动目的,制动力矩Tf除了应能克服主动件的惯性阻力矩Tr以外,还应提供一减速力矩ΔT以克服主动件的惯性力矩,ΔT=Tf-Tr。制动初期,由于制动器的接合力矩不足以克服主动件的阻力矩,因而在这段时间内主动件仍保持原速,当Tf=Tr时,主动件开始减速,并经过时间(t2-t1),速度逐渐降低为0。制动器所产生的摩擦力矩应等于或大于制动力矩,其大小取决于刹车副材料的摩擦因数、制动压力、几何形状与尺寸等。
  要使刹车副完成上述制动过程,理想的刹车材料应具有以下性能:足够而稳定的摩擦因数;高的导热性与耐热性;高的耐磨性;良好的耐油、湿和腐蚀能力;足够的强度;在和被贴合的部件进行摩擦接触时产生很少或不产生噪声;在工作中不发生黏结或咬合;原材料来源充裕,价格性能比高,具有良好的工艺性能等。
  要完全满足上述各点要求是困难的,但应依据工况条件,基本满足所需的摩擦因数及其在摩擦制动过程中允许的变化范围和刹车副预定寿命。
  1刹车材料的分类及发展
  刹车材料的分类方法主要有两种,一种是以使用机构来划分,如汽车刹车材料、火车刹车材料和航空刹车材料等,该分类法简单且易理解,但存在材料的交叉;一种是根据材料材质类型来划分,这种分类方法较为科学。现代制动用刹车材料主要包括以下3大类:树脂基刹车材料(石棉刹车材料、无石棉刹车材料、纸基刹车材料)、粉末冶金刹车材料、碳/碳复合刹车材料和陶瓷基刹车材料。
  111树脂基刹车材料
  树脂基刹车材料是指采用树脂为黏结剂的刹车材料,根据其主体摩擦组元的种类不同,又包括石棉刹车材料、无石棉刹车材料、纸基刹车材料和碳基刹车材料等。石棉刹车材料是采用石棉纤维添加适量填料,以树脂为黏结剂,采用热压工艺制成的刹车材料。无石棉刹车材料是采用其他纤维如金属纤维、植物纤维和合成纤维等替代石棉材料制成的刹车材料。
  而纸基刹车材料是以纸浆为基体,添加适量的填料,以树脂为黏结剂,采用造纸和热压工艺制造而成。从上述定义可以看出,不同树脂基刹车材料除基体组成不一致外,制造工艺基本相同,因此也决定其使用条件和性能具有相似性。
  20世纪20—80年代,石棉在刹车材料领域占据主导地位。由于石棉是致癌物质,被禁止在刹车材料中使用而导致了无石棉刹车材料的出现[8]。同时,石棉在400℃左右将失去结晶水,在550℃时全部失去结晶水,失去了增强效果,从而刹车材料的制动性能不稳定,出现明显的衰退现象,无法满足现代机械尤其是汽车的高速制动需求,也催生了无石棉刹车材料。无石棉刹车材料是在20世纪70年代由美国本迪克斯公司研制发展起来的,无石棉刹车材料除了绿色环保外,且在制动耐温性、稳定性方面获得较大的提高。在替代石棉纤维的过程中发展了半金属刹车材料(采用金属纤维替代石棉纤维,金属含量超过50%)、玻璃纤维增强刹车材料和芳纶纤维增强刹车材料等多种无石棉刹车材料,但到目前为止,尚缺乏一种比石棉综合性价比高的增强纤维,因此,对于无石棉刹车材料的研制仍是刹车材料的研究热点之一。
  纸基刹车材料主要是因为借用了造纸工艺而得名。纸基刹车材料主要应用在重型机械的制动器中,在摩托车等运动机械中也逐步获得应用。但纸基摩擦材料的主要应用还是在高性能自动变速离合器中,优点是在低摩擦制动要求条件下的成本较低,同时,纸基刹车材料还具有基体柔软,不伤对偶的特点。应用在制动器中的纸基刹车材料分量约只占纸基摩擦材料总产量的10%左右。纸基刹车材料的研究主要集中在黏结剂的选择和摩擦组元、强化纤维的研究等方面。

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