木陶瓷制动衬片的制备及试验研究

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汽车制动衬片作为决定制动器制动性能的关键零部件,液压制动系统将制动衬片与制动盘或制动鼓压紧在一起,通过摩擦副之间的摩擦阻力做功,将行驶中车辆的动能转化为摩擦副摩擦产生的热能与外界环境进行热交换实现车辆的制动过程。汽车制动衬片需要具备优良的摩擦磨损性能来提供足够的摩擦阻力,良好的散热特性及耐高温特性以确保摩擦材料不会热解及缓解制动盘“热衰退”现象以提高制动器制动效能的稳定性。同时作为汽车的消耗性零部件,需要经常进行替换,因此其经济性及材料本身环境友好性也具有重要的现实意义。目前应用于实际车辆上的制动衬片主要分为以下三种,金属/半金属型制动衬片、无石棉有机物型制动衬片(NAO片)、及陶瓷基复合材料制动衬片。金属型制动衬片产生噪音较大同时容易对制动盘造成损伤,陶瓷基复合材料制动衬片摩擦磨损性能优异且产生噪音较低,但受制于成本问题,只应用在少数高端车型上。同时制动衬片磨损产生的粉尘颗粒物扩散到空气中,带来了新的环境问题。由于木陶瓷是一种多孔材料具备良好的散热特性及耐热性,且摩擦磨损性能良好,具备作为汽车制动衬片摩擦材料的基本条件,本文基于绿色环保的设计理念,将木质材料作为汽车盘式制动器制动衬片的原始材料,制备出木陶瓷制动衬片,并对其进行试验研究。文章分析了目前国内外汽车制动衬片的发展状况,对比了不同种类制动衬片的性能优劣。通过探究国内外木陶瓷的研究近况,说明将木质材料和酚醛树脂结合制备木陶瓷制动衬片的可行性;其次,运用Solidworks软件建立汽车盘式制动器的三维模型,以热力学及能量守恒方程为理论基础,模拟了盘式制动器的制动过程,借助ABAQUS仿真软件对以木陶瓷材料作为制动衬片摩擦材料的盘式制动器进行摩擦表面热弹性耦合过程的仿真分析,得到摩擦表面的温度场及应力场的分布情况及变化规律,基于Archard磨损方程建立了木陶瓷制动衬片磨损深度的数值模拟模型,利用UMESHMOTION子程序及ABAQUS软件的ALE网格自适应技术实现了对木陶瓷制动衬片磨损深度的数值模拟;最后在理论分析和仿真模拟的指导下,设计了两种升温策略,并选择不同浓度的酚醛树脂制备出不同类型的木陶瓷制动衬片,设计了制动衬片摩擦性能检测试验并依照国家标准对木陶瓷制动衬片进行性能检测。结果表明,木陶瓷制动衬片的干摩擦系数、抗压强度、抗弯强度等相关指标达到了国家对于汽车制动衬片的技术要求,对木陶瓷制动衬片磨损后的表面形貌进行了分析,以木陶瓷材料作为汽车制动摩擦材料,制动过程中制动盘温度峰值为267.45℃,相较于传统金属型制动衬片制动盘温度峰值低15.61℃,应力分布更均匀,有利于减少制动盘热裂纹的产生。木陶瓷制动衬片高速紧急制动过程结束摩擦表面温度最高可达238.77℃,远低于木陶瓷材料热分解温度,能有效缓解盘式制动器“热衰退”现象。以木陶瓷作为制动衬片摩擦材料,单次高速紧急制动磨损深度最大不超过2.51μm,具备良好的耐磨性。
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