对车辆制动盘的分析设计.docx
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对车辆制动盘的分析设计
JIANGSUUNIVERSITY
课程设计说明书
《对车辆制动盘的分析设计》
学院名称:
专业班级:
姓名、学号
指导教师:
二O一二年六月
目录
摘要3
1汽车刹车盘国内外研究现状与目标3
1.1国外研究现状4
1.2国内研究现状6
2制动盘组织分析与性能要求8
3制动盘的结构及技术要求8
3.1力学性能及组织分析8
3.2制动盘温升对摩擦系数的影响11
3.3制动压力和制动速度对摩擦系数的影响11
4制动盘原料的成分及制备13
4.1强制加入法13
4.1.1粉末冶金法(PM)13
4.1.2铸造法13
4.1.3喷射沉积法14
4.1.4熔渗法14
4.2原位反应合成法15
4.2.1白蔓延高温合成法(SHS)15
4.2.2原位热压放热反应合成法(HPES)15
4.2.3放热弥散技术(XD)16
4.2.4反应自发浸渗技术(RSI)16
4.2.5接触反应法16
4.2.6熔体直接反应法17
5存在问题17
5.1气孔17
5.2缩松17
5.3砂眼缺陷18
6结论与展望18
参考文献:
18
摘要
采用半固态搅拌熔炼-液态模锻工艺制备了与轿车前制动器相匹配的SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘,对该制动盘进行了材料拉伸性能和微观结构分析,并在SCHENCK制动试验台上进行了制动性能和制动磨损试验。
结果表明,复合材料的拉伸性能优于传统制动盘材料HT250铸铁;在各种制动工况条件下,复合材料制动盘对制动衬片的摩擦系数均在大众公司企业标准规定的范围之内,且较稳定;此外,复合材料制动盘质轻、耐磨,制动噪音小、温升低,运转平稳;因此,可望以其替代传统的铸铁制动盘,提高制动器的安全可靠性和服役寿命,减轻轿车悬挂系统的重量,降低油耗。
关键词:
SiCP/Al复合材料;制动盘;台架试验;摩擦系数
Abstract:
TheSiCP/Alcompositebrakediscdesignedforthefrontbrakeofcarswaspreparedbysemi-solidstirringmeltingandliquidforging.Thetensilepropertiesandmicrostructuresofthediscmaterialswereexamined,andthetribological2wearperformancesofthediscweretestedontheSCHENCKbraketestingsystemmadeinGermany.Theresultsshowthatthetensilepropertiesofthecompositesaresuperiortothoseoftheconventionaldiscmaterial,greycastiron;andthatunderdifferentbrakingconditions,thefrictioncoefficientsofthecompositediscagainsttheconventionalbrakepadarewithintherangespecifiedbythestandardofVOLKSWAGENcompanyandwithsmallfluctuations.Itisalsofoundthatthebrakediscmadeofthecompositehassuchadvantagesaslightweight,highwearresistance,lowbrakingnoiseandlowbrakingtemperaturerises,smoothoperating,etc.Hence,itishopefultosubstitutethecompositediscforthetraditionalcastirondisctoincreasereliabilityandtoprolongthesurvicelifeofthecarbrake,tolightentheweightofthehangingsystem,andthus,todecreasegasexpenditureofcars.
Keywords:
SiCP/Alcomposite;brakediscs;dynamometertests;frictioncoefficients
1汽车刹车盘国内外研究现状与目标
制动盘在汽车的制动系统中发挥着至关重要的作用,性能优良的制动盘是汽车安全行驶的前提条件之一。
虽然经过多年的应用与发展,但是从早期的石棉制动盘到目前广泛使用的铸铁制动盘,在环保、质量等方面都存在一些缺陷,并不能完全满足市场需求。
汽车产业的迅猛发展,汽车产量的大幅度增加,降低能源消耗、加强环境保护对汽车用材料轻量化的要求,迫使人们不停的开展对汽车制动盘的研究。
1.1国外研究现状
制动盘在汽车的制动系统中发挥着至关重要的作用,性能优良的制动盘是汽车安全行驶的前提条件之一。
虽然经过多年的应用与发展,但是从早期的石棉制动盘到目前广泛使用的铸铁制动盘,在环保、质量等方面都存在一些缺陷,并不能完全满足市场需求。
汽车产业的迅猛发展,汽车产量的大幅度增加,降低能源消耗、加强环境保护对汽车用材料轻量化的要求,迫使人们不停的开展对汽车制动盘的研究。
国外早期的制动盘是用石棉纤维填充酚醛树脂制造而成的,其中石棉由硅酸盐矿物质得,含有一定数量的结晶水。
由于强制制动时制动盘表面瞬间温度可达到500到600摄氏度,所含的结晶水快速遗失,往往造成制动盘制动性能发生热衰退,同时制动盘自身磨损,再加上石棉在加工、使用中其粉尘具有致癌作用,因此石棉制动盘渐渐被禁用。
从20世纪60年代开始,美、欧、日等国家大面积推广使用的第二代刹车盘是半金属石墨复合材料制造的一。
其主要成分是钢纤维、石墨、金属粉及其辅料,用改性酚醛树腊粘结成型。
半金属刹车盘比石棉刹车盘耐磨性提高25%以上,摩擦系数高、导热性好加工易成型。
同时,这种刹车盘也出现钢纤维在潮湿环境中易生锈、刹车时噪音大等缺点。
后来,由于铸铁具有一定的强度和良好的耐磨性,材料和制造成本都较低,长期以来一直是汽车刹车盘使用的材料。
为了提高铸铁的强度和耐热性,避免使用过程中的“热裂”,在铸铁中加入Ni、Cu、Mo、Cr等合金元素。
世界各国所采用刹车盘铸铁材料各有不同。
英、美等国主要用高碳低合金铸铁(C>7.36%,Si<1.5%,含Mo、Cu或Ni等元素);前苏联则采用Cr、Ni、Mo的合金铸铁,其碳含量为3.2%~3.5%,硅含量为1.9%~2.5%。
蠕墨铸铁具有良好的热疲劳抗力,因此国外在80年代中后期对其在制动器上的应用开始了研究。
G.Cueva等人在摩擦试验机上研究了蠕墨铸铁、灰铸铁HT250、高碳灰铸铁、含Ti灰铸铁四种材质刹车盘的耐磨性,刹车盘以500rpm的速度旋转,施加0.72和4MPa的循环压力,测试前后分别称量刹车盘的重量。
研究结果表明,蠕墨铸铁更耐高温、更耐磨。
为了提高铸铁的热传导特性,也有关于高导热铸铁的研究。
汽车在高速行驶、频繁刹车的情况下,刹车盘产生的温度能达到500~600℃,极容易对刹车盘和轮毂产生伤害。
近十多年来,用金属基复合材料制造汽车刹车盘的报道很多。
在材料方面,1986年开始用真空搅拌混合专利技术生产可重熔的颗粒增强铝基复合材料铸锭,铸锭重熔后,采用砂型、金属型、熔模、消失模、压铸、挤压铸造等工艺生产形状复杂、表面光洁、尺寸精确的高质量铸件。
比如,用10%~20%A12O3。
颗粒增强的A12024复合材料刹车盘,与铸铁刹车盘相比,重量减轻40%~60%,散热迅速且噪音小。
研究表明,含25%SiC的铝基复合材料,其模量、强度、导热性都明显优于HT200,而重量减轻50%~60%。
SiC颗粒能明显提高基体的耐磨性能,Dural公司对A356与20%SiC增强的该合金复合材料以及铸铁的耐磨性进行对比研究,结果表明,复合材料的耐磨性明显优于基体合金,也优于铸铁。
研究“表明颗粒增强铝基复合材料刹车盘的主要优点是可使重量比铸铁件减少50%~60%,比如5.4kg铸铁刹车盘改用复合材料后,重量仅为2.5kg,减小了惯性力,增加了制动的加速度,以致减少刹车距离。
影响刹车盘质量的一个重要因素是导热性,铝基复合材料的导热性是铸铁的5~7倍,因此产生的热量很容易散失,提高了刹车盘的性能。
颗粒增强铝基复合材料刹车盘已经处在试验阶段,并安装在赛车上。
1996年日本研制了SiC颗粒增强A1合金刹车盘。
1.2国内研究现状
国内学者和生产厂家对汽车刹车盘研究较多的有无石棉半金属刹车盘和铸铁刹车盘两种,有关铝基复合材料刹车盘的报道很少见到。
无石棉半金属刹车盘的制作工艺有热压法和冷压法两种。
1994年报道了华中爽等人用热压法制作刹车盘。
原料为酚醛树腊、丁苯橡胶、钢纤维、摩擦性能好的调节剂及其它填料。
压制的模具温度为180~190℃。
1997报道了有关无石棉半金属刹车盘的研究情况。
半金属刹车盘由粘合剂、钢纤维和填料三大部分热压而成。
2002年报道,吉林大学韩英淳等人研制了碳纤维复合材料汽车用无石棉刹车盘。
原料为碳纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂(HT200铸铁粉、固体润滑剂、摩擦剂)等。
原料按比例配好后进行混料、热压成形、热处理、据图纸磨削加工。
1998年徐仁泉等人研究了冷压刹车盘的摩擦磨损性能。
原料为钢纤维、聚酰胺酯等。
其制各工艺包括原料混合-冷压-预磨-热处理-磨平-表面焦化处理等几个步骤。
用自制冷压刹车片在桑塔纳轿车上进行了行车试验。
结果表明:
行车50000km时磨损厚度为5mm,制动性能和表面状况良好。
2002年报道了郝华伟等人关于盘式刹车片冷压配方及工艺的研究。
材料为石棉纤维、有机粘结剂、钢棉、填充剂。
混好的物科用单片模在24.5~34.3MPa下压制,静压lmin出模。
结果表明,冲击强度3.2dJ/cm2,硬度30HBS。
有关铸铁刹车盘的研究比较多。
从1986年开始,李云堂等人研究了铁基粉末冶金刹车盘。
实验工艺为69%还原铁粉、11%石墨粉、1%SiO:
粉以及少量铜粉、二硫化钼粉、铅粉在混料机中混合1.5~2小时,另加入粘结剂、润滑剂、硬脂酸锌在500吨液压机上压成毛坯,经1050~1080℃、2.5小时烧结,再据图纸机加工。
技术要求为:
动摩擦系数≥0.28,抗压强度≥150MPa,抗拉强度≥50MPa,表面硬度35~65HBS,金相组织为珠光体+铁素体+渗碳体、游离石墨。
1994年山东九阳集团公司为美国福特公司制造了灰铸铁刹车盘,材质HT250,采用砂型铸造,热芯盒,覆膜砂,铸件性能达到抗拉强度280~310MPa,硬度190~210HBS。
据2000年报道,西安交通大学陈跃、沈百令等人研究了铸铁刹车盘/毂材料摩擦磨损特性。
结果表明:
蠕墨铸铁的摩擦系数高于球铁,在高速、高接触压力条件下,与灰铁相当;其磨损率接近球铁,约为灰铁磨损率的二分之一。
同时,蠕铁对配副方半金属摩擦材料造成的磨损,与灰铁相当,约为球铁的55%,故蠕铁与半金属材料配副的综合耐磨性能最好。
从摩擦系数的稳定性和摩擦系数达到最大值所需的时间上来看,蠕铁的性能亦优于球铁和灰铁。
刹车盘铸件属薄壁小件,技术要求高,国内生产刹车盘的企业,大多采用手工模板造型、树脂覆膜砂热芯盒、粘土砂湿型、冲天炉熔炼铁液,合金成分变化大,给生产过程管理和铸件的质量控制带来一定的难度,影响企业的经济效益。
通常,汽车刹车盘的技术要求为:
1)铸件外轮廓全部加工,精加工后不得有任何缩松、气孔、沙眼等铸造缺陷。
2)力学性能:
Ra≥250MPa,HBSl80~240。
而刹车盘铸件常见的缺陷有:
铸件中出现气孔、缩松、沙眼等:
金相组织中A型石墨超标;石墨组织粗大,力学性能不达标,加工后粗糙度差;布氏硬度过高导致加工困难或硬度不均匀。
相比之下,有关铝基复合材料汽车刹车盘的研究文献很少看到。
仅仅在1998年报道上海交通大学王文龙等人的试验表明,在刹车工况摩擦试验条件下,基体为ZLl01、LD2的SiC增强铝基复合材料比铸铁材料摩擦表面温度低,摩擦系数稳定。
复合材料的磨损量随着SiC含量的增高而明显减少,基体种类对磨损量的影响相对较小。
台架试验结果表明,在高速频繁制动条件下,相对于铸铁刹车盘,复合材料刹车盘具有较大的制动力矩和较高的刹车稳定性,能明显提高制动性。
从国内外汽车刹车盘的研究与使用现状及发展趋势来看,铝基复合材料汽车刹车盘是今后的主要发展方向,同时,国内的研究与国外的研究相比,差距较大。
很有必要开展这项研究工作。
2制动盘组织分析与性能要求
制动盘及其材料不仅要求高的安全可靠性,即足够的强度和刚度、好的耐磨性能和耐热疲劳性能,还要求一定的摩擦制动性能,即摩擦系数高而稳定,受速
度和环境变化的影响小,保证列车在任何条件下以一定的减速度并在规定的制动
距离内停车。
此外,特别是随着高速列车的发展,减轻列车重量,尤其是减少列
车的簧下熏量(如制动盘的重量),改善列车的运行品质,降低运营成本,已经成为高速列车的重要技术问题之一。
3制动盘的结构及技术要求
铝基复合材料的密度约为钢铁老材料的40%,可显著地降低制动盘的重量。
由于SiCp/Al复合材料具有高的比强度、比刚度、良好的耐磨性、散热特性和热稳定性能,适用于制作铁道车量制动盘,而且具有较大的速度适用范围。
与钢铁材料制动盘相比,SiC颗粒增强铝基复会材料制动盘可降低50%以上重量,还具有磨损量小和低的制动噪音等一系列优点。
国外发达国家如日本、法国、德国、英国、美国均在研发制铝合金基复合材料制动盘(又称陶瓷铝合金、铝合金制动盘等),部分国家如日本、德国、美国等已开发出了铝基复合材料制动盘,并装车运用。
3.1力学性能及组织分析
从热处理后的SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘本体取样,并将其加工成标准拉伸试样。
试样直径为5mm,标距段长度为25mm。
材料的室温拉伸性能测试在MTS880电子万能试验机上进行,拉伸应变速率为6×10-4s-1。
同时,在HB3000型布氏硬度计上测定了复合材料的硬度。
测试结果如表1所示。
表1 SiCP/Al复合材料及铸铁HT250的力学性能
Table1 MechanicalpropertiesoftheSiCP/AlcompositeandHT250
Materials
Tensilestrength/MPa
BrinellHardness
W40SiCP20vol%/Al
320
152
HT250
250
170~241
从表1可以看出,复合材料的抗拉强度比铸铁HT250的抗拉强度提高了约28%,完全可以满足制动盘的强度要求。
由于本研究中采用的非真空熔炼条件下的复合材料制备工艺解决了搅拌铸造法的几个关键问题。
例如,采用特殊颗粒预处理工艺解决了SiC颗粒与铝合金熔液浸润性差的问题;在基体铝合金处于半固态温度时,通过合理的强制搅拌工艺使SiC颗粒在基体合金中达到了基本均匀的分布状态;选择高硅铝合金作为基体组分并采用低热胀系数陶瓷套管热电偶全过程监控铝液温度,使SiC颗粒与基体铝合金的界面处无脆性反应物生成;采用高纯Ar气保护液面、对合金熔液进行两次精炼,并采用液态模锻工艺成形,有效地避免了气孔、夹杂等铸造缺陷的发生。
图1、图2分别为W40SiCP20vol%Al复合材料的微观结构和SiC颗粒分布状况的光学显微照片。
从图中可以看出,复合材料中的α相枝晶破碎、间距较小,共晶硅为球状颗粒且其尺寸细小、分布均匀;SiC颗粒也基本处于均匀分布状态。
图1 W40SiCP20vol%/Al复合材料的微观结构图2 SiC颗粒在基体铝合金中的分布
Fig.1 MicrostructureofW40SiCP20vol%/AlcompositeFig.2 DistributionofSiCPinAl2alloymatrix
表2 复合材料摩擦副及铸铁摩擦副的制动磨损性能测试结果
Table2 Wearresistanceforbrakesconsistingofthecompositediscvsbrakesconsistingofcastirondisc
Braking
Compositebrake
Castironbrake
Temperature/℃
Brakedisc
Brakepad
Brakedisc
Brakepad
Thicknesschanges/
(1/1000mm)
50
0.00
-29
0.00
-18
100
0.00
-57.5
0.00
-90
200
+0.01
-95
-0.01
-52
300
+0.02
-146
0.00
-98
400
+0.04
-224
0.00
-168
Massbsses/g
50
-0.30
0.00
100
Totalmass
-0.40
Totalmass
-0.50
200
Bsses
-0.80
Bsses
-0.60
300
100g
-2.00
3.80g
-0.80
400
-3.30
-2.40
从表2中可以看出,复合材料制动盘的质量磨损(1.00g)仅为铸铁制动盘(3.80g)的1/4,且复合材料制动盘在磨损过程中厚度有增加的趋势。
复合材料制动盘较高的磨损抗力是由材料中与基体界面结合良好的高硬度SiC颗粒造成的。
同时,由于这些高硬度SiC颗粒形状为不规则的多面体,对制动衬片材料具有很强的刮削作用,因而引起制动衬片材料向制动盘摩擦面转移,致使复合材料制动盘的厚度有所增加。
磨损后的制动盘表面经扫描电子显微镜观察(见图3)发现,复合材料表面有一层均匀且连续的转移膜,该转移膜与复合材料结合紧密,对制动盘的磨损起到了减缓作用。
而HT250铸铁的表面虽然也出现了制动衬片材料的转移,但未形成连续的转移膜。
这层转移膜的出现也许是复合材料摩擦副中制动衬片的磨损高于铸铁摩擦副的原因。
此外,在制动试验过程中,与铸铁制动盘相比,复合材料制动盘制动噪音小且运转平稳,因而可望以其替代传统的铸铁制动盘,提高制动器的安全可靠性和服役寿命,减轻轿车悬挂系统的重量,降低油耗。
图3 复合材料制动盘的磨面形貌
Fig.3 Wornmorphologyofcompositebrakedisc
3.2制动盘温升对摩擦系数的影响
在轿车高速运行或较长坡路的制动情况下,铸铁制动盘因制动摩擦发热而使其表面温度高达700℃,这一温度远远高于一般铝合金的熔点。
然而,大量试验数据表明,SiC颗粒增强铝基复合材料的导热系数约为HT250铸铁的四倍,比热约为HT250铸铁的2倍,因而在制动过程中复合材料制动盘的表面温升低于铸铁制动盘。
在台架试验过程中,进行了制动初速度v=80km/h、制动压力P=6MPa,制动周期t=60s、连续制动次数n=20的制动盘表面温升和摩擦系数测定试验。
结果发现,复合材料制动盘在第7或8次制动后,表面温度不再升高,基本稳定在430℃左右。
而且,由于制动温升低,制动衬片材料中有机物的性能变化较小,从而使摩擦系数稳定在0.37~0.43之间。
当然,为了具有必要的热容量,制动盘的实际结构尺寸可以适当加大。
3.3制动压力和制动速度对摩擦系数的影响
研究中,采用W40SiCP20vol%/Al复合材料制备的制动盘和无石棉半金属制动衬片组成摩擦副(以下简称复合材料摩擦副)进行制动性能试验,并与HT250铸铁制动盘和同种制动衬片组成的摩擦副(以下简称铸铁摩擦副)的制动性能试验结果进行比较。
图4(a)为制动初速度一定时(v=80km/h),不同摩擦副的摩擦系数与制动压力的关系曲线,图4(b)为制动压力一定时(P=6MPa),不同摩擦副的摩擦系数与制动速度的关系曲线。
从图4(a)中可以看出,在制动初速度一定的条件下,当制动压力较小(<6MPa)时,复合材料摩擦副的摩擦系数高于铸铁摩擦副,且随着制动压力的增大而有所降低,铸铁摩擦副的摩擦系数却随制动压力的增大而升高;当制动压力达到6~8MPa时,两者趋于一致;当制动压力进一步增大(>8MPa)时,复合材料摩擦副的摩擦系数反而低于铸铁摩擦副的摩擦系数。
复合材料摩擦副的摩擦系数随制动压力变化的这种趋势似应与复合材料中SiC颗粒的“镶嵌”作用有关。
当制动压力较小时,两种摩擦副均以粘着摩擦为其主要摩擦机制。
在此阶段,复合材料与制动衬片的接触面主要由面心立方的α-Al微凸体组成,其粘着系数远远高于铸铁摩擦副中体心立方的Fe微凸体;但随着制动压力的增大,复合材料接触面上的α-Al微凸体发生塑性变形,使得粘着系数更低的密排六方的SiC颗粒开始与制动衬片相接触,因而摩擦系数下降并逐渐达到与铸铁摩擦副相当的摩擦系数;当制动压力进一步增大时,复合材料中α-Al微凸体被粘着脱落,其接触面将主要由高硬度的SiC颗粒组成,但其数量毕竟有限,使得实际接触面积降低,因而复合材料的摩擦系数低于铸铁摩擦副的摩擦系数。
图4 摩擦系数与制动压力和制动速度的关系曲线
Fig.4 (a)Effectofbrakingpressureonthefrictioncoefficientsatconstantbrakinginitialvelocity,
(b)effectofbrakinginitialvelocityonthefrictioncoefficientsunderconstantbrakingpressure
从以上试验结果和分析中可以看出,在制动初速度一定时,对复合材料摩擦副施加相对较低的制动压力便可以得到较为理想的制动效果,从而可减轻制动系统的工作压力,延长制动系统的使用寿命。
同时,经计算可知,复合材料摩擦副的摩擦系数比较稳定,在试验范围内的稳定系数(摩擦系数均值与最大值之比)为0.975,而在相同压力范围内铸铁摩擦副摩擦系数的稳定系数为0.912。
图4(b)为制动压力一定时,摩擦系数与制动初速度的关系。
虽然复合材料摩擦副与铸铁摩擦副的摩擦系数均随制动初速度的提高有所下降,但复合材料摩擦副的下降趋势明显小于铸铁摩擦副,特别在高速制动情况下,复合材料摩擦副的摩擦系数远高于铸铁摩擦副。
例如,制动初速度为160km/h时,复合材料摩擦副摩擦系数为0.456,而铸铁摩擦副的摩擦系数仅为0.342。
在试验制动初速度范围内复合材料摩擦副摩擦系数的稳定系数为0.936,铸铁摩擦副的相应稳定系数则为0.828。
说明采用复合材料制动盘可以提高轿车制动系统的可靠性。
复合材料摩擦副与铸铁摩擦副的摩擦系数随制动初速度的提高而下降,主要是制动高温引起摩擦面生成润滑膜所致。
润滑膜主要是由于制动过程中产生的局部高温使制动衬片中的低熔点金属熔化或有机物热分解,从而在摩擦面上形成一层由液态物质组成的膜。
它对减少制动副材料的磨损有益,但却使其摩擦系数下降。
复合材料摩擦副由于基体铝合金良好的导热性,使其在制动过程中的温升远
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