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重型军用越野汽车刹车片研制

信息来源: 发表于:2014-6-12 11:40:00

郝新平1 延海新2

1.总装备部驻中国重型汽车集团公司军事代表室 2.信义集团信义载重汽车配件有限公司)

一.前言

现代汽车制动器的发展起源于原始的机械控制装置,最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力,那时的汽车重量比较小,载货量也按国家规定载重,速度比较低,机械制动已经能够满足汽车制动的需要,但随着汽车自身重量的增加,助力装置对机械制动器来说越来越显得非常重要,从而开始出现了真空助力装置。传统的制动控制系统只做一样事情,即均匀分配油液压力,当制动踏板踏下时,主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路,并通过一个比例阀使前后平衡。交通管制部门统计的数据显示,在载重货车发生交通事故的原因分析中,排在第一位的是违章驾驶,其次便是车辆的机械故障,而很多驾驶违章的情况同时伴随着车辆故障。在各种车辆故障统计中,制动失灵占据了相当高的比例。制动失灵不能完全只问责于驾驶员不规范操作和危险的道路条件,有没有别的改善途径呢。通常衡量车辆制动的能力有三个指标:一是制动效能,也就是短距离内刹车的能力,俗称最短刹车距离;二是制动稳定性,也就是车辆在制动过程中车身方向控制的能力,也就是侧滑距离的长短;三是热衰退性,俗称制动恒定性,也就是长时间制动及高温状态下制动力矩的保持能力。汽车液压制动系统可以分为行车制动、辅助制动、伺服制动等,主要制动部件包括制动踏板机构、真空助力器、制动主缸、制动软管、比例阀、制动器和制动警示灯等。制动系统主要由制动器,液压传动机构等组成。车轮制动器只要有旋转部分和固定部分组成制动鼓以内圆面为工作面,固定在车轮轮毂上,随车轮一起转动。支撑销(两个)固定在不动的制动底板上,支撑在两个弧形制动蹄下端。制动蹄的外圆面上又装有一般是非金属的摩擦衬片。制动底板上还有液压制动轮缸,用油管与装在车架上的液压制动主缸相联通。制动主缸活塞由驾驶员通过制动踏板来操纵。在制动系统,真空助力器、制动主缸和刹车制动器是最为重要的部分。载重货车制动系统分为液压制动系统和气压制动系统。一,液压制动系统不工作时,制动鼓的内圆面与制动蹄摩擦衬片的外圆面之间保持有一定的间隙,允许车轮和制动鼓相对自由旋转。汽车需要减速时,驾驶员踩下制动踏板,通过推杆和制动主缸活塞使制动主缸内的油液在一定压力下流入轮缸,油液推动两个制动轮缸活塞,使两制动蹄绕支撑销转动,上端向两边分开而以其摩擦衬片压紧在制动鼓的内圆上。这样不旋转的制动蹄就对旋转的制动鼓作用一个摩擦力矩其方向与车轮旋转方向相反。制动鼓将该力矩传到车轮后,由于车轮与路面间的附着作用,车轮对路面作用着一个向前的切向力,路面对车轮作用一个向后的反作用力,即制动力。制动力由车轮经车桥和悬架传给车架及车身,迫使汽车产生一定的减速度。制动力越大,则汽车减速度越大。当松开制动踏板时,复位弹簧即将制动蹄拉回复位。摩擦力矩和制动力消失,制动终止。二,气压制动系统在使用过程中,由于机件磨损或损坏,制动效能会下降,下降超过限度,将危及行车安全。气压制动系统常见故障有:制动不灵,制动跑偏、制动拖滞、制动不稳和制动失效等。 优质的汽车零部件是汽车安全行驶的基础,作为一个对社会有责任心的信义品牌,是担负着中国载重货车制动系统的定点专业制造商。提醒驾乘人士一定要使用高质量的正规产品,防患于未然,假冒伪劣的汽车配件直接影响到车辆的运行和安全性能,特别是在当前经济高速发展的时代,交通运输业更是处在领先发展的行业,高等级公路通及全国各地,汽车数量的快速增长,汽车速度也越来越快,载货量都超出原车型设计重量,而制动系统的性能优劣,关系到汽车制动是否有效、可靠,制动系统故被称为“安全件”或“保安件”,是汽车最重要的零件之一。

二.国内刹车片行业现状

随着中国汽车工业的飞速发展和刹车片出口量的不断增长,带动了中国汽车零配件的快速发展,汽车刹车片行业也迎来了一个千载难逢的机遇;但是发展快,问题也多,在认可发展成绩的同时,我们也清楚地看到,零部件产业还面临着产业结构不合理等问题的制约,特别是汽车的安全件—刹车片。 刹车片虽小,但作为与汽车安全性能密切相关的零部件,其发挥的作用至关重要,因此刹车片行业能否实现良性发展更值得关注。在汽车的制动系统中,刹车片可能是最关键的部件,所有制动效果的好坏都是通过刹车片体现出来的,从而达到减速制动的作用。 关于刹车片的质量问题一直都存在,以前大多是一些假冒伪劣及“三无”产品搅乱刹车片行业的秩序,但是现在一些挂牌企业也不严格把守质量关,让这些低质的产品流入市场,对正规企业和消费者造成一定程度的伤害。另外国家对刹车片的生产没有严格的规范,自从1999年整顿之后,刹车片行业整体呈健康良性发展。但由于标准水平滞后,准入门槛低,许可证管理不够严格,部分企业以假冒伪劣、价格战方式谋生存的现象仍然存在。要想规范行业秩序,提高行业门槛,必须从许可证管理、国家强制性标准等方面入手。大部分企业还是依靠D-MS定速试验机来进行配方的研究和开发,而D-MS定速试验机作为过程控制手段,确有其优势,既经济简便又快速直观,但这只能是对定型的配方而言,做为配方的研究手段,其根本不能反映实际的装车情况,更不能作为达到标准的标准。刹车片生产企业的资质有待加严;门槛定得高,不符合要求的企业无法拿到生产资格,将自动被淘汰。

目前全国近500家刹车片生产企业,80%以上的企业规模都很小,其中包括20多家中外合资企业和外商独资企业。统计数据显示,2011年我国摩擦材料行业年产摩擦材料制品42.6万吨,总产值85.3亿元,出口创汇31.8亿元,其中汽车用摩擦材料占总量的80%左右。刹车片企业主要集中在山东、湖北、河北等地区,刹车片工厂的数量比世界其它国家和地区的总和还要多,低水平重复建设和价格战比较严重,恶性循环影响了整个行业的发展。这些小企业的产品质量不高,只能以价格“抢市场”。且标准的落后,让国内厂家都能生产出“合格”产品,正规厂家面临压力很大。同时由于工艺流程容易掌握,刹车片已经成为各种汽车配件中假冒伪劣现象最为突出的产品之一。据了解,现在我国有30%的刹车片属假冒伪劣产品。这意味着我们在跑的汽车当中,有1/3的概率存在刹车片事故隐患。随着市场的竞争,小企业逐渐被淘汰,这是一种必然的趋势,这样有利于净化市场,以避免刹车片企业的无序竞争。市场优势要靠技术优势来支撑,技术进步的灵魂在于创新。对于我国刹车片企业而言,要靠自主创新,创造自主品牌,才能跻身世界一流行列,全面满足主机配套和售后市场的不同需求。针对摩擦材料,目前国际上常规的有半金属、低金属、陶瓷、有机材料四大类。但是目前我国石棉刹车片在某些领域还占据着相当大的比例,尤其是在重型车刹车片市场。因此说,我国刹车片产品的发展方向是成熟半金属配方,完善少金属配方,开发NAO配方。无噪音、无落灰及不腐蚀轮毂、使用寿命长、制动舒适并环保、淘汰石棉产品才是我们紧随世界刹车片生产的发展潮流。

在国外市场,无石棉、少金属的环保型摩擦材料(又称NAO型摩擦材料)上几年已经开始向市场推广;欧美一些国家已经就限制摩擦材料中有害重金属组分及铜的含量进行立法。在可以预见的将来,摩擦材料中石棉与重金属组分的含量将会成为摩擦材料出口欧美的一项贸易限制。因此,作为国内刹车片企业,在科技研发的同时,更需要注重环保,减少摩擦材料中有害重金属组分及石棉的使用,提升国产摩擦材料的国际市场竞争力。我国汽车刹车片行业面临着环保化和高性能化两大转型,环保型高性能刹车片除要满足高温衰退小、磨损率低、摩擦系数稳定等要求外,还应具有振动小、噪声低、落灰少等环保人性化的性能特点,这些都为摩擦材料配方技术、原材料处理技术、混料制备技术、热压成型技术、热处理技术及后续处理技术等提出了更高的要求。刹车片最重要的性能指标就是摩擦系数,但在我国的国家标准中并没有对刹车片使用的原料进行明确的限定,仅是要求成品刹车片安全性能必须达到一定指标。这一标准空白,就给一些企业有了可乘之机,在原材料上做手脚。更有部分企业使用价格低廉的材料,或者加入大型正规企业的下脚料。大型企业都采用全自动热压加工,拥有成熟生产技术,而那些小企业很可能缺乏相应技术,生产仅停留在作坊阶段,如此一来,谁来保证刹车片的“高质量”?大量的低质“三无”刹车片将充斥市场中。正因如此,有人将这些刹车片称为“杀人”刹车片。

我国对刹车片行业一直实行生产许可证管理制度,标准化工作滞后已经对国内刹车片行业的技术进步和产品升级造成很大影响,产能集中度低已成为影响该行业发展的不利因素。目前有相当数量的企业设备简陋,研发能力低,质量意识淡薄,在低端市场依靠打“价格战”赚取微薄利润。行业管理秩序不规范问题一直存在,不法厂家数量也不少。民不举,官不究,这种心态给不法厂家提供了生存空间,即使有些不合格厂家被揪出来,当地质检部门予以查处,也只是不痛不痒地“处理”一下,无法从根本上解决问题。只要从行业标准入门槛方面提高,制定国家强制性标准,规范行业管理,才能从根本上解决问题;国家强制性标准将对全行业起到约束作用,对于行业的可持续发展尤为重要。中国摩擦密封材料协会会长王耀认为经过市场的大浪淘沙,我国刹车片企业数量减少到50个左右是一种比较理想的状态。早在七十年代,石棉材料就被认为是高致癌物质,从那时起摩擦材料界的老前辈们开始研究和开发寻找石棉材料的替代品。通过三十多年的开发研究,无石棉摩擦材料在盘式刹车片中进展比较快,全部采用了无石棉,达到欧美等国家无石棉标准与国际接轨。但是在中、重型车中由于受车型的价格与环境条件的限制离轿车的使用标准还存在一定的差距。近几年国内摩擦材料厂家的迅速增加,使国内刹车片行业达到基本饱和状态,规模大的刹车片制造商就瞄准了国际市场,相应的也要求放弃石棉材料,向国际标准靠拢。我国在GB12676--99?汽车制动系统结构和性能试验方法?中明确规定,从2003年10月开始主机配套刹车片中不能再含有石棉成分,这就迫使主机配套与出口产品寻找替代石棉的材料。

随着国外订单及国家强制主机配套刹车片无石棉化要求,从本世纪初研制出了无石棉半金属石油钻机刹车片和载重车用刹车片;随着客户多拉快跑、制动系统制动灵敏、耐高温、使用寿命长、刹车无噪音、少伤对偶件(轮毂)的需要。我们从材料的选配上下工夫,对国内外众多纤维材料进行性能、价格上的筛选调配,对它们进行混杂,加入自行调制的高耐磨增韧橡胶、改性酚醛树脂。通过六个月的试验,最终研制成功新一代无石棉、无噪音、少金属、制动灵敏、耐高温的载重车用刹车片。产品性能符合中国重型汽车集团公司企业标准---斯达—斯太尔载货汽车制动器衬片技术条件QZZ—11163--1996JT。符合GB12676--99?汽车制动系统结构和性能试验方法?中规定的性能指标,同时也达到主机配套与出口产品无石棉化,符合国家环保规定。

三.材料的选择

载重车刹车片在配方设计中除考虑的摩擦系数、磨耗、行驶公里数外,还要考虑配方的噪音与加工的工艺性。前面我们已经对几种纤维材料进行对比分析,根据纤维的特性与价格,按配方不同比例用梨耙混料方式进行低速混合,在混合时加料顺序与混合时间参照纤维的长度、易结团现象,与传统的石棉产品混料工艺有所不同。载重车刹车片配方的重点是对加入无机纤维充分发挥增强骨架作用,减少刹车片加工及使用中的裂纹、龟裂现象;加入橡胶与改性树脂的粉末,是为了提高刹车片韧性,改性酚醛树脂的介入提高了整个刹车过程的热稳定性。以往用钢纤维替代石棉纤维的摩擦材料称为半金属摩擦材料。这种半金属摩擦材料在高温下与石棉有机摩擦材料相比,更具有良好的摩擦性能和耐温性。既然半金属摩擦材料这么优越,为何本课题还要提倡用少金属摩擦材料呢?因为①钢纤维具有较高的硬度(MHV200~270),它会使对偶件有大的磨损和颤动。为此可使用硬度为(MHV70~120)的低碳钢纤维。②钢纤维的另一个缺点是容易锈,这不仅会降低钢纤维本身的强度,同时还会损伤对偶件,制动时产生噪音。为解决这个问题,我们通过试验在配方中加入少量钢纤维和其它金属物,并加入防锈剂或锌粉,控制它们的生锈。

通过试验最后确定以下纤维材料,并进行混合组成骨架材料,特对选用的这几种纤维分析如下。⑴玻璃纤维作为石棉的替代材料早已用于摩擦材料中,其耐热性稳定、抗碱性能、摩擦性能及其工艺性都很不错。但是很多厂家没有对玻璃纤维的表面成分进行处理,导致生产出的摩擦材料硬度高,在使用过程中容易产生制动噪音,损伤对偶件的质量等问题。我们根据玻璃纤维的这些特性,首先对玻璃纤维的表面成分进行处理,在配方调整中加入低模量的改性树脂、橡胶。考虑纤维的比表面积、松散体积非常重要,同时要求在混料过程中掌握混料时间与搅拌设备的转速,通过大量试验我们看到加入玻璃纤维与其他填料混合时间一致时,生产出的产品对其表面磨损后,表面有玻璃纤维结团现象,冲击强度减弱。根据这些在混料时产生的缺陷,我们把玻璃纤维与其它材料投入混料罐顺序分开,调整混合时间后,避免了玻璃纤维结团现象,提高了冲击强度。⑵陶瓷纤维用于摩擦材料的问题,在早期有过不同的看法,主要是这种纤维成本比较高,在混合时容易断裂,其纤维长度分散性大,但随着混料工艺的改进及在摩擦材料中某些技术参数的优势,陶瓷纤维的本身优点引起设计者的重视。良好的抗热衰退性,使其在各种温度下具有较强的热稳定性;作为一种较好的增强物填充材料,陶瓷纤维还存在噪音问题,但是通过控制其纤维长度和用量可以减轻这些缺点。在配方中加入15%左右陶瓷纤维,使高温下的热衰退性减少,提高使用寿命。在选择陶瓷纤维时,最好是选用经过硅烷或者橡胶对其表面处理过的纤维,这样不但可以降低树脂的用量,获得良好的粘接效果,还会减少磨损。陶瓷纤维中渣球含量过高,会产生摩擦系数偏高、磨损增大、产生噪音的负面效果。陶瓷纤维具有特点:优良的吸音性、化学稳定性、优良热稳定性、低热容量、纤维长、抗拉强度大、渣球少、耐温程度在1000--1650℃等。⑶博尔绿色硅酸盐纤维是一种适用于载重车鼓式片及工业机械设备制动的摩擦材料,我们通过对这种材料与其它纤维材料化学成分对比试验分析,SiO2 和AI2O3是提高摩擦系数的关键成分,博尔绿色硅酸盐纤维的化学成分决定纤维的软化点,由于配方中其它材料在制动时产生的粘滞性,作为耐温1000℃以上的纤维物质与其它材料混合后能取长补短,保证了产品强度,又提高了耐温性。⑷通过对丁腈橡胶与其它橡胶性能、价格上的比较,确定在丁腈橡胶中加下列配方材料进行塑炼,在塑炼过程中加入气相白炭黑为补强剂,加入氧化镁能提高橡胶耐老化性能,由于氧化镁易与酚醛树脂发生盐化反应,故能提高摩擦材料的耐温性。制得的丁腈橡胶硫化时间、耐温程度与改性树脂的固化时间、耐温程度基本一致。从酚醛树脂缩聚反应机理考虑,在酚醛树脂反应过程中加入改性单体,采用共缩聚的方法进行改性.使树脂耐热性能突出,热分解温度显著提高.对制得的这种改性树脂在氮气中做各个温度段的热失重分解温度,其良好的热稳定性,特别适用于摩擦材料的基本要求.最后把塑炼好的丁腈橡胶与改性后的酚醛树脂按一定比例再进行混炼,让丁腈橡胶和酚醛树脂相互溶入,把制得的块状数脂粉碎到负200目后备用。

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