《盘式制动器摩擦学性能测试与智能预测技术》：
第1章 盘式制动器概述
1.1 盘式制动器发展历程
在汽车、列车等各种交通运输车辆以及电梯、输送机等各类机械装置中，无一例外都要为其配备制动器来实现速度调节和减速、停车等制动功能。制动器俗称刹车或闸，它依靠制动摩擦副之间的摩擦作用实现减速、限速和停车等制动功能，因此一般也称为摩擦制动器或机械制动器。为了使行进中的车辆或运行中的设备减速或停止，制动装置需要消耗吸收巨大的能量，因此制动过程实质上是一个能量转换的过程，它通过制动器摩擦副之间的机械摩擦作用，将车辆行驶或设备运转时产生的动能转换成热能消耗掉，从而使其减速或停止。
摩擦制动器根据摩擦副结构形式不同，主要可分为鼓式和盘式两大类。鼓式制动器是最早设计的摩擦制动装置，早在1902年就已使用在马车上，1920年左右开始在汽车工业上应用，并且在此后相当长的一段时间内都在汽车制动器领域占据着统治地位。20世纪初，盘式制动器问世，并于30年代后期开始应用于列车、坦克及飞机的制动装置上。随着制造技术的进步和人们对制动装置认识的提高，盘式制动器的优点开始逐渐被汽车设计师认识\[1\]。在国外，液压盘式制动器首先得到广泛应用，但由于结构特点的限制，其使用范围仅局限于轿车及轻型载货汽车。20世纪80年代，气压盘式制动器的研制工作取得了实质性进展，其制动效率高、性能优良且智能化复合能力强，发展前景较为可观，市场需求不断提高。自此，盘式制动器开始风靡欧、美、日等发达国家，其技术逐渐走向成熟，规格、型号也越来越丰富，并且开始广泛应用于多级别的轿车、客车以及各类中、重型车辆的制动系统。
盘式制动器在我国车辆系统上的应用相对较晚，20世纪80年代后期开始在部分轿车上使用，1997年左右开始在大客车和载重车上推广使用，但大多是引进国外的成品或散件，成本较高，因此最初只应用于高端产品。到21世纪初期，我国开始对气压盘式制动器进行研究，但所取得的成效并不高。2004年国家政策要求7~12m E型客车必须配备盘式制动器，国产盘式制动器由此得到了快速发展。同时，带盘式制动器也开始应用在部分高档客车上。随着对盘式制动器研发工作的不断深入，国内多家汽车公司已完成盘式制动器在重型汽车方面的试验及技术储备工作。近几年，我国汽车产销数量不断提高，且制动器行业的下游产业不断振兴，国产盘式制动器得到了很好的发展，其应用范围也越来越广泛。目前，国产中、高级汽车已开始普遍配备盘式制动器作为制动装置。
1.2 盘式制动器结构原理
1.2.1 汽车盘式制动器
汽车盘式制动器主要由固定在轮毂上的制动盘、制动钳和摩擦块等部件组成，有液压驱动和气压驱动两种形式。按照其摩擦副中固定元件的结构不同，液压驱动盘式制动器又可分为全盘式制动器和钳盘式制动器两大类。在全盘式制动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圈形盘，制动时各盘摩擦表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。由于此类制动器的制动盘散热条件较差，所以其实际应用远没有钳盘式制动器广泛\[2\]。钳盘式制动器的固定摩擦元件是制动块，它安装在与车轴相连接但不能绕车轴轴线旋转的制动钳中。在此类盘式制动器中，制动块与制动盘的接触面积很小，在盘上所占的中心角一般仅为30°~50°。按制动钳的结构形式，钳盘式制动器又可分为定钳盘式制动器和浮钳盘式制动器两大类，其结构示意图如图1.1所示。
图1.1 钳盘式制动器结构示意图
定钳式盘式制动器，顾名思义，就是其制动钳固定不动，制动盘与车轮相连并能在制动钳的开口槽中旋转。制动钳槽形部分两侧的孔内均装有与鼓式制动器相类似的活塞，当踩下制动踏板时，液压油推动活塞和摩擦块压向制动盘两侧表面。由于摩擦块夹紧制动盘产生摩擦力，形成与车轮旋转方向相反的摩擦力矩，迫使车辆减速或停车。从20世纪50年代初到60年代末，定钳式盘式制动器应用十分广泛，它主要有以下的优点：① 除活塞和摩擦块外无其他滑动件，易于保证制动钳的刚度；② 结构及制造工艺与鼓式制动器相差不大，容易实现从鼓式制动器到盘式制动器的改造；③ 能很好地适应多回路制动的要求。
浮钳式盘式制动器的制动钳可以相对于制动盘轴向移动，其一侧的摩擦块安置在钳体上，另一侧的摩擦块与液压油缸相连。在制动过程中，压力油作用在活塞底部与缸筒底部之间，作用在活塞底部的压力使内侧蹄块压靠在制动盘内侧表面，而作用于缸筒底部的反作用力使制动钳向汽车中心线方向滑动，从而使得外蹄块总成靠在制动盘的外表面上，经压力油的进一步作用，摩擦块夹紧制动盘，使其降低转速直至停转，从而使汽车减速或停车。由于具有结构简单、零件少、易于维修等突出优点，浮钳式盘式制动器已在多数轿车上得到广泛使用，并逐渐代替了定钳式盘式制动器。 1.2.2提升机盘式制动器
提升机上使用的制动器共有三大类型，即角移式制动器、平移式制动器和盘式制动器。我国20世纪五六十年代生产的卷筒直径3m以下的提升机采用角移式制动器，4m以上的提升机采用平移式制动器。角移式和平移式制动器均采用径向抱闸的结构形式，在实际应用中存在惯性大、动作慢、结构复杂、互换性差、维修调整不方便等缺点。自70年代以来，我国煤矿绝大多数提升机均开始使用盘式制动器。盘式制动器采用轴向抱闸的结构形式，以碟形弹簧作为制动力源，具有结构紧凑、反应速度快、闸的副数可按需要灵活增减等优点。
提升机盘式制动器按液压缸所在位置可分为前腔式盘式制动器和后腔式盘式制动器。由于前腔式盘式制动器存在前腔压力油容易泄漏导致闸瓦与制动盘之间的摩擦因数降低的缺点，目前提升机大多采用后腔式盘式制动器，如图1.2所示。
图1.2 后腔式盘式制动器结构示意图
1.筒体；2.碟形弹簧；3.弹簧座；4.挡圈；5.制动油缸；6.泄漏油口；7.活塞；8.连接螺栓；9.油缸盖；10.液压缸盖；
11.控制油口；12.制动器体；13.筒体衬板；14.压板；15.闸瓦；16.制动盘后腔式盘式制动器采用碟形弹簧前置式结构，将碟形弹簧置于活塞前端，松闸的压力油注入后腔，从而避免了闸瓦和制动盘的油污染；同时，活塞的移动直接拉动固定闸瓦的筒体，因而松闸过程中活塞与闸瓦的移动具有较好的一致性，克服了闸瓦浮贴于闸盘的缺点。其工作原理为：当制动高压油液从液压缸排出时，碟形弹簧的预压缩恢复张力通过活塞杆推动闸瓦，使其紧贴制动盘，此时制动器处于施闸状态；当制动高压油液充入液压缸时，活塞在压力油的作用下后移使碟形弹簧压缩，此时闸瓦脱离制动盘，制动器处于松闸状态。由此可见，提升机盘式制动器采用油缸充油进行松闸、油缸泄油进行施闸的工作方式，属于事故保安型制动器，这样一旦液压控制系统发生故障，制动器可以自行抱闸。在提升机上安装使用时，将若干个单独的盘式制动器用螺栓成对地固定在支架上，通过夹持提升机制动盘产生制动力矩，实现对提升机的制动，如图1.3所示。
图1.3提升机盘式制动器现场应用图
1.2.3盘式制动器优缺点
相比于鼓式制动器，盘式制动器之所以能迅猛发展且颇受欢迎，是因为其具有以下一系列优点：
（1） 摩擦因数对盘式制动器输出力矩的影响较小，而鼓式制动器尤其是增力式鼓式制动器对摩擦因数非常敏感；
（2） 盘式制动器的制动减速度与油管压力的关系是线性的，而鼓式制动器是非线性的；
（3） 盘式制动器的输出力矩平稳，而鼓式制动器的输出力矩曲线中间是马鞍形，起点和终点有翘曲的现象；
（4） 盘式制动器的制动盘通风冷却效果较好，所以热稳定性好，特别是带通风孔的制动盘散热性能尤佳，热稳定性更优，而鼓式制动器的热稳定性较差，它不仅抗衰退性差，恢复性能也不稳定；
（5） 水对鼓式制动器的影响较大，而对盘式制动器的影响极微，甚至可忽略不计；
（6） 车速变化对盘式制动器的影响较小，而对鼓式制动器的影响较大；
（7） 当制动鼓温度较高时，鼓的热变形较大，导致踏板行程增大，而盘式制动器的制动盘厚度变形较小，踏板行程变化不大。
由于上述因素对盘式制动器输出力矩的影响较小，装有盘式制动器的小轿车左右轮和前后轮的制动平衡性能较佳，从而保证了高速制动时的稳定性及可靠性。美国通用、福特及克莱斯勒三家汽车公司通过对汽车制动器进行制动试验，发现由盘式制动器制动的轿车比由鼓式制动器制动的轿车的制动距离缩短了5.4%，从而更加肯定了盘式制动器具有较好的制动性能。
然而，尽管盘式制动器具有很多突出的优点，但其也存在一些缺陷\[2，3\]：
（1） 由于摩擦面积小，单位压力较高，摩擦片工作温度相对较高，所以对摩擦材料的性能要求更为苛刻；
（2） 由于盘式制动器本身没有增力作用，所以需要为其配备制动助力装置；
（3） 盘式制动器对油缸密封性能要求较高，对制动液、橡胶圈及车轮轴承润滑剂的抗热性能要求也较高。
1.3制动摩擦材料组分与性能
摩擦制动器的关键部件之一就是制动摩擦材料，俗称刹车片、摩擦片或闸瓦等。制动摩擦材料最主要的功能是通过与配偶件之间的摩擦作用来吸收动能，从而使运行中的车辆减速或停止。
1.3.1制动片类型
摩擦材料在制动器上以制动片的形式存在，进行制动作用的制动片分为盘式制动片和鼓式制动片，通过车辆制动机构使其紧贴在制动盘（或鼓）上，实现实时减速或停车。盘式制动片大多以干法工艺生产，主要用于轿车，其特点是面积较小，能承受较高的制动负荷，在各类汽车制动摩擦材料中性能要求最高\[4\]，其结构形状如图1.4所示。
鼓式制动片按照制动片与制动蹄铁之间的连接方式，可分为铆接型和黏结型两种类型。铆接型制动片能承受较大的制动负荷，在减少和克服噪声上没有盘式制动片苛刻，其主要用于中重型载重汽车，在20世纪60年代以前用湿法工艺生产，70年代以后大多用干法工艺生产\[5\]。黏结型鼓式制动片的制动负荷比铆接型小，主要用于轿车和轻微型汽车，采用干法工艺或湿法工艺生产。常见鼓式制动片结构形状如图1.5所示。图1.4盘式制动片
图1.5鼓式制动片
1.3.2摩擦材料种类
摩擦材料的发展大致经历了三个时期：20世纪70年代中期以前为第一个时期，这时候的摩擦材料几乎全部采用石棉型材料，仅某些特殊用途才采用金属基或金属.陶瓷基摩擦材料；70年代中期至80年代中期为第二个时期，因为石棉被确认为是一种强致癌工业原料，所以必须寻找一类新型的高性能材料来代替它，如半金属摩擦材料、粉末冶金摩擦材料等都是这一时期的产品；80年代中期至90年代初为第三个时期，各国都在大力研制和使用无石棉型摩擦材料，我国则在90年代后期才开始无石棉型摩擦材料的研发。
按照材质的不同，摩擦材料可分为石棉摩擦材料和非石棉摩擦材料两大类。
……
展开
