水润滑条件下制动材料摩擦学性能研究进展_谢炜.pdf
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1、2011 年 9 月第 36 卷 第 9 期润滑与密封LUBRICATION ENGINEERINGSep.2011Vol.36 No.9DOI:10.3969/j.issn.0254 0150.2011.09.028*基金项目:国家自然科学基金项目(51075074)收稿日期:2011 03 07作者简介:谢炜(1989),女,硕士研究生,主要研究方向为表面加工及改性 E-mail:水润滑条件下制动材料摩擦学性能研究进展*谢炜林有希高诚辉何福善(福州大学机械工程及自动化学院福建福州 350108檿檿檿檿檿檿)摘要:汽车刹车片摩擦因数在雨天或湿润的环境里衰退到非常低的水平是一个很严重的问题,直
2、接威胁到交通安全。但目前国内外关于摩擦材料的试验规范并没有涉及到水润滑条件,相关的研究应越来越受到人们的重视。介绍摩擦材料在水润滑条件下的摩擦性能及相关研究的现状,对比干、湿 2 种条件下的摩擦机制,表明水作为一种冷却介质和润滑介质,对摩擦材料性能产生了复杂的影响。提出水润滑条件下摩擦材料的研究方向。关键词:制动材料;水润滑;摩擦磨损;摩擦机制中图分类号:TH117文献标识码:A文章编号:0254 0150(2011)檿檿檿檿檿檿9 120 4Research Progress on Tribological Properties of BrakeMaterialsunder Water Lu
3、bricationXie WeiLin YouxiGao ChenghuiHe Fushan(School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou Fujian 350108,China)Abstract:The reduction in the friction coefficient to unacceptable levels for frictional brake pad applications in a rainyand humidly environment is considered
4、as a serious problem as it influences the safety of the vehicle However,at present,domestic and international norms of the test on the friction material are not related to water lubrication conditions,relevantresearch should be more and more attention Friction properties of friction materials under
5、water lubrication and relevantstudies were introduced The friction mechanism under dry and wet conditions was compared,it is shown that water has ancomplex effect on the properties of friction materials,as a kind of cooling medium and lubricant The research directions offriction materials under wate
6、r lubrication were suggestedKeywords:brake material;water lubrication;friction and wear;friction mechanism高速发展的汽车工业已成为我国经济发展中的一个最具潜力和活力的支柱产业,同时,随着汽车拥有量激增,交通安全问题也更显突出。据公安部门统计,汽车交通事故,有 1/3 以上是由汽车制动方面的原因造成的,汽车制动器通过制动材料与金属偶件的摩擦将动能转化为热能实现制动,是整个制动系统中最不稳定的环节,劣质制动材料是造成刹车失灵的重要原因1。汽车制动材料在雨雪天气等特殊工况下的有效性更一直是驾驶员
7、所担心的问题。摩擦材料的摩擦磨损性能会随着制动环境的改变而变化,研究不同环境下材料的摩擦磨损性能有利于全面地认识材料的性能。比如研究刹车片在水润滑情况下摩擦磨损性能可以了解摩擦材料在雨雪天气下制动的安全性。从小样试验到台架试验再到道路使用试验,越来越多的试验方法用于检验制动材料的性能。另一方面,还制定了一系列的试验规范,如美国SAEJ661 规定的 CHASE 试验规范及在其测试结果基础上制定的 SAEJ866A(汽车制动衬垫和刹车块摩擦因数分级标志方法)。尽管刹车片在要不同的环境下工作,但是这些规范中的性能测试都是在干燥环境下进行的,并不包含雨雪环境下的性能测试。因此,探讨摩擦材料在水润滑条
8、件下的摩擦性能是非常有必要的。本文作者综述了摩擦材料在水润滑条件下摩擦磨损性能的研究现状。1水润滑条件下工况参数对摩擦材料性能的影响1.1水泡时间水泡时间的增加会增大材料的吸水量,导致材料摩擦性能的改变。水润滑下,填充了 Al2O3、ZnO 及CdO 等的 PTFE 复合材料的磨损率会比未填充的大得多,这是因为填料容易吸水,导致填料与基体脱黏,使材料表面的机械强度降低,从而使磨损率大幅增大2。目前,常用的摩阻材料主要可分为树脂基摩擦材料、金属基摩擦材料、陶基摩擦材料、C/C 复合材料。其中,树脂基摩擦材料因树脂的固有特性,对摩擦环境较为敏感,水介质对其摩擦性能有明显影响。刘亚君等3 对碳纤维/
9、芳纶浆粕酚醛树脂基摩阻材料在水泡条件下的摩擦磨损性能进行了研究。实验测试了水泡前后摩擦材料的冲击强度、热膨胀系数、摩擦因数和磨损率。实验数据显示,试样的冲击强度随水泡时间的延长而增大。分析其原因,可能是因为材料中基体与增强材料界面上的化学键断裂与再生的动平衡,不仅阻止了水分子的破坏作用,而且还由于水等低分子物的存在,起到了松弛局部应力的作用,改善了材料的冲击强度。此外,材料的线性热膨胀系数也随水泡时间的增加而增大,水泡时间增长到一定程度之后,系数增长减缓。摩擦材料的摩擦因数会随着水泡时间的增加而增大,并在水泡一定时间后趋于稳定。水分子的渗入,减弱了酚醛树脂分子间的作用力,使增强纤维更易拔出并生
10、成硬质点,在摩擦界面不易生成稳定的摩擦层,导致摩擦因数增大。实验表明,该材料的磨损率和摩擦因数与水泡时间的关系是相似的。水渗入材料孔隙并通过静压作用破坏摩擦材料的转移膜,加速磨损4。1.2制动压力制动压力是影响制动材料表现性能的重要工况因素之一,一般关于压力与材料性能的实验都是在干燥的环境下进行的。干摩擦状态下,试样的摩擦因数随着载荷的增加而变化。碳/碳复合材料是一种高性能且绿色环保的新型刹车材料。葛毅成等5 研究了润滑状态对 C/C 复合材料摩擦磨损特性的影响。从实验可以看出,干态摩擦时,试样的摩擦因数随着载荷增加而降低;水润滑时,摩擦因数随着载荷的增加而先增加后降低。不管在何种状态下,磨损
11、率均随着压力增加而增加,并且干态摩擦时的磨损率在任何压力下都要比在水润滑条件下的磨损率小。在水润滑条件下,低载荷时,虽然试样摩擦表面不完整,但试样摩擦表面与对偶真实接触面积也低,故而对试样的犁削磨损程度低,虽然存在明显的纤维拔出、基体炭剥落等现象,都能被水带走,降低对摩擦表面的影响,所以其摩擦因数低,体积磨损也低。而增加载荷,试样与对偶的接触面积相应增加,增加了犁削磨损和磨粒磨损,试样的摩擦因数以及磨损率也有所上升。但随着载荷进一步增加,越来越多的磨屑中软的基体炭在摩擦表面被碾压成膜而未被水带走,减少试样与对偶的直接接触面积,因此,摩擦因数逐渐降低。但也因载荷高,摩擦表面所受磨粒磨损、犁削磨损
12、等加重,试样体积磨损量增加。El-Tayeb 等6 7 也研究了水喷雾对刹车片材料的摩擦磨损性能影响。实验采用自制纤维增强树脂基摩擦材料与商业刹车片等 6 种不同的制动材料以增加实验的可靠性。实验数据显示,在干摩擦条件下,所用的摩擦试样的摩擦因数随着压力的增大趋于稳定,磨损率随着压力的增大整体呈下降趋势;在湿润环境下,各种材料的摩擦因数与压力大小呈现不同的关系,磨损率在低速时都随着压力增长,这与磨屑流失及摩擦膜的形成被抑制有关。实验推断,高速低压时,材料摩擦性能主要受流体动力学的控制;低速高压时,水介质主要通过抑制摩擦膜的形成,冷却摩擦界面来影响摩擦性能。关于其他种类复合材料如减摩材料在水润滑
13、下摩擦行为的研究报道也不少。其中,贾均红等8 研究了炭纤维增强聚醚醚酮复合材料在水润滑下的摩擦学行为。干摩擦条件下复合材料的摩擦因数和磨损率随压力的增加不断减小;水润滑下复合材料的摩擦因数随负荷的变化不大,磨损率随负荷的增加而增大。1.3滑行速度通过以往的实验研究可知,随着汽车速度的增加,刹车片与其对偶界面的温度也会呈线性增加,在这种情况,刹车片很容易失效,发生刹车失灵的现象。汽车刹车片的功能要求刹车片即使在高速、湿润的情况下也能有稳定、优良的摩擦性能,所以,水润滑条件下速度对材料摩擦性能的影响,也有必要纳入材料性能评价规范之内。韩晓明等9 通过湿摩擦模拟雨雪天气环境试验,研究了水分对铜基摩擦
14、材料摩擦磨损性能的影响。实验中,随着摩擦速度的增加,铜基摩擦材料的干摩擦因数先减小后趋于增大,呈微 U 形;湿摩擦因数呈先减小后增大的 S 形趋势。摩擦速度低时,材料的干摩擦因数高于湿摩擦因数;摩擦速度提高,干摩擦因数低于湿摩擦因数;干摩擦材料磨损率高于湿摩擦。可见,在低速时温度较低,水主要是在界面间起到隔离和润滑作用,而在高速时温度较高,水分对表面的冷却作用显著减轻,复合材料基体因摩擦热所导致的塑性变形和黏着磨损增加。Blau 等10 对速度对商业卡车盘式制动摩擦材料的性能影响作了实验性研究,得出结论,水润滑下的材料摩擦因数与其滑动速度的平方成反比,干摩擦条件下的材料摩擦因数几乎随速度的增加
15、呈线性减小。1212011 年第 9 期谢炜等:水润滑条件下制动材料摩擦学性能研究进展干摩擦条件下的摩擦因数主要取决于摩擦材料的成分;而流体动力学是水润滑条件下影响摩擦因数的主要因素。2水润滑条件下的摩擦机制2.1摩擦膜在刹车片的表面通常能观察到一层 0.5 5 m厚的摩擦膜10。摩擦膜是在摩擦界面产生的高温磨损试验产物的紧密混合物,它以薄黏着层的形式存在,并且性质上是多相的11。摩擦膜作为基体材料的保护层在摩擦过程中有着重要的作用12。有的学者认为摩擦膜在制动过程在有助于稳定摩擦学行为,El-Tayeb 等7 发现在干连续制动条件下,材料的摩擦磨损性能主要由摩擦膜的形成、增长和接触斑块的分解
16、决定,但是对于其确切功能还是存在争议。在以往的实验中发现,摩擦面间的水会抑制摩擦膜的形成。由于水的冲洗和磨屑的流失,刹车片总是以一个新的界面和其对偶接触。这个过程会抑制摩擦膜的产生,导致更频繁的固固接触。越来越多的证据也表明水润滑会影响摩擦制动稳定性。Eriksson 等13 研究了相对湿度对摩擦及制动噪声的影响,他们也发现摩擦膜在干燥的环境下比湿环境下更易产生。结果还表明:20%80%范围内的空气湿度对摩擦因数的影响是有限的。表面光滑的刹车片对湿度的变化更迟钝。相对湿度与制动噪声的产生联系非常少。空气湿度越大,越容易聚集磨屑。Blau14 在不同的湿度水平下对 3 种摩擦材料进行滑行测试以获
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