刹车应用了什么零件？

刹车应用了什么零件？

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...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。 112粉末冶金刹车材料 粉末冶金刹车材料以金属粉末为基体,添加适量的润滑组元和摩擦组分,采用粉末冶金工艺制造而成[13-15]。粉末冶金刹车材料采用高温烧结,促进了刹车材料组元的冶金结合,使刹车材料的使用温度得到大大提高,解决了树脂基刹车材料的高温摩擦因数低和磨损不稳定的问题,使刹车装置的设计和使用获得了较大的延伸。粉末冶金刹车材料已广泛应用在航 空、船舶、高速列车、重载卡车、坦克以及其他高速高载荷运动部件的制动器中,并获得了较大的市场份额。但是粉末冶金刹车材料价格高,制造工艺复杂,制动噪声大和对对偶材料磨损大等缺点又制约了它不能在汽车尤其是轿车制动器上获得广泛应用。对于粉末冶金刹车材料的研究工作,除了基本性能的研究外,主要集中在针对其缺点方面的研究和改进工作。 113碳/碳复合刹车材料 碳/碳复合刹车材料是以碳纤维(或碳布)为基体采用反复致密化和碳化工艺获得的高性能刹车材料[16-18]。碳/碳复合刹车材料最早是在20世纪70年代研制的,主要应用于飞机刹车片。在高温条件下由于其质量轻、能载高、耐高温能量强、使用寿命长等特点,一经出现,便迅速得到推广应用。以飞机刹车为例:在波音747飞机上采用碳/碳复合刹车材料后,相对于金属刹车而言,质量下降81615kg;而热库是金属刹车的3～5倍,在2000℃下材料强度不发生任何变化,3000℃以下模量反而增加,因此可在2200℃下安全工作;同时,在该条件下工作时未见发生黏结和变形情况。碳/碳复合刹车材料在不同速度、比压和能载条件下摩擦因数变化小,磨损较稳定,在波音7572200型飞机的使用中寿命可达3000起落,是金属刹车材料的3倍以上。 作为新型刹车材料,碳/碳复合刹车材料自一出现,其研究就集中在降低产品成本的问题上。由于其单次刹车成本高,而使其发明时认为能全部占领高能制动市场的预计,依然未能实现,目前其他高性能刹车材料在高能制动领域依然占有主导地位。 114陶瓷基刹车材料 陶瓷基刹车材料是指添加相当数量具有陶瓷性能氧化物并总体体现一定陶瓷性能的刹车材料。粉末冶金刹车材料也常称为金属陶瓷材料,但通常所说的陶瓷基刹车材料主要是指非金属基陶瓷刹车材料。陶瓷基刹车材料结合了粉末冶金刹车材料的高温烧结和碳/碳复合刹车材料的低密度和耐高温性能,同时克服了碳/碳复合刹车材料高温氧化的缺点。 目前,对于陶瓷基复合刹车材料的研究重点是采用借助部分粉末冶金工艺,获得具有低密度、耐高温、抗氧化、长寿命等优越综合性能的刹车材料,典型的有碳/碳/碳化硅陶瓷刹车材料,逐渐在高速列车、重载汽车、坦克等极端条件下获得应用。 2刹车材料研制过程中存在的问题及解决办法 211大力推广绿色环保汽车刹车材料 石棉刹车材料从研制开始至今,经历了近百年的历史,由于其良好的使用性能和低廉的成本、成熟的制造工艺等原因,尽管从1972年国际肿瘤医学会确认石棉及高温挥发物属于致癌物,但由于替代石棉的增强纤维存在混合和分散性差,易断裂、结团和价格高等原因,许多国家仍在使用石棉刹车材料。在我国,虽然有明确的法规要求放弃石棉刹车材料,但很大一部分制动器生产厂仍在选用石棉刹车材料,尤其是在低端的二级零配件市场,石棉刹车材料制品的销售量依然占据着很高的比重。随着科技的进步和人类对于生产环境要求的不断提高,在立法的基础上,应加大绿色环保刹车材料使用的宣传,并在适当的时候,强制性地执行相关法规,大力研制和推广新型绿色环保无石棉刹车材料,并全面替代石棉刹车材料。 212加大低成本碳/碳复合刹车材料的研制 如前所述,碳/碳复合刹车材料存在技术难度大、工艺复杂、制造周期长、制造成本高(价格在5000～10000元/kg)等问题,制约了其广泛使用的前景,开展低成本碳/碳复合刹车材料的研究势在必行。碳/碳复合刹车材料的成本主要体现在气相沉积过程和高温石墨化过程。文献[21]开展了快速气相沉积技术———定向流动法化学气相沉积技术的研究,大大缩短了沉积时间。文献[22]研究了催化石墨化的研究工作,采用B4C作为催化剂,使石墨化温度降低、时间缩短,获得了降低成本的良好效果。中南大学采用多项研究成果,使碳/碳飞机刹车副的制造周期由原来的8个月缩短为3个月,成本得到有效的控制。 同时,借用粉末冶金技术,改变碳/碳坯体的制造工艺,使刹车材料的成本也得到大大降低,从而在除飞机以外的制动器上使用高性能碳/碳复合刹车材料成为可能。213建立粉末冶金刹车材料数据库 粉末冶金刹车材料在当前的使用条件要求下,既具有较碳/碳复合刹车材料低得多的价格优势,又能满足高能制动的要求,是刹车材料中得到最广泛应用的材料种类之一。但是,长期以来,粉末冶金刹车材料的研制均采用“抓中药”、“炒菜”和“试行错误”的方法,不仅导致了资源、时间、人力和物力上的大量浪费。同时,由于研制基础和思维的差异,在粉末冶金刹车材料百花齐放的大好局面下,存在鱼龙混杂、质量参差不齐的混乱状态,制约了粉末冶金刹车材料的全面推广。 作者认为出现这种状态的主要原因是:缺乏粉末冶金刹车材料研制所必需的基础数据库,从而使设计人员无可依据的数据基础,研制人员进行着重复的研究工作。基础数据库的建立,涉及到多方面、多领域和多层面合作,需要大量的调查和基础研究工作。因此,需要国家在宏观实施上进行有效调控和经济投入,相关学会和工业协会协调,粉末冶金刹车材料研制和生产单位大力支持,以便在较短时间内建立必要的基础数据库,并定期更新。该数据库的建立,不仅对粉末冶金刹车材料的研制和开发有指导作用,同时,也可辐射和推广到整个摩擦材料领域,其社会效益及对国民经济的推动作用是不可估量的。 214加强新型材料体系的开发 由于刹车材料的实际应用背景非常强,而且使用条件的差异也较大,因此,我国大多数研制和生产单位开展的研究工作大多以实用为目的,即针对某一需求而进行研究。而对于基础工作,由于投入大、短期效益差的原因,我国在基础研究方面均比较欠缺。主要体现在我国刹车材料的研制和生产主要跟踪国际技术,在某些材料研制和使用方面甚至落后于国际水平达数十年。而在新材料的开发方面,近些年虽有较大进展,但创新体系依然不强,研究水平不高。国内刹车材料生产量大,但高性能刹车材料依然需要进口,这种尴尬局面仍未得到有效的解决。目前国家通过自然科学基金等方式对刹车材料及其摩擦学特性的基础研究和创新体系研究方面提供了较大的支持,说明国家对创新刹车材料研制工作的重视。 215全面拓展传统刹车材料新的应用 多学科交叉已成为现代科学发展的趋势之一。传统刹车材料研究通常是为了满足机械设计要求,材料研究处于比较被动的地位。但是,现代机械的高速发展,材料的发展已无法满足制动需求。因此,有必要通过机械学科和材料学科的交叉、换位,在不降低机械性能水平的前提下,在机械设计中充分考虑现有材料性能的发掘和拓展。传统的高速列车制动技术认为,随着刹车速度的提高,树脂基刹车材料在耐温性方面已无法满足要求,需要开展新材料的研制工作。 但是,在新型高速牵引机车的设计中,研发人员摒弃了传统的轴装刹车系统,改用轮装刹车,不仅使刹车空间获得大大提高。同时,由于刹车系统的改进,在高速制动条件下,刹车系统温度从闸瓦/轴装闸片的400℃下降为轮装闸片的250℃。因此,树脂基刹车材料又重获使用,降低了刹车材料的研制成本和使用成本。 3结束语 “有运动,就存在刹车的可能”、“没有刹车,就没有高速”已成为共识,现代制动用刹车材料的研制也正从无序的混乱中走向有序的科学指导。我国的刹车材料已具有相当的研制和生产水平,基本能满足现代制动要求。从发展的角度来看,创新研究是主旋律,基础研究是根本,节能环保是方向,低成本和高效制动是目标。