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奥迪轿车盘式制动器制动块国产化研究
作者:吉林大学 韩英淳 桑涛 辛华
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摘要:本文研究并解决了奥迪轿车盘式制动器的制动块国产化中的两项关键技术。首先结合地区资源优势,开发成功性能优于国外摩阻材料的碳纤维无石棉复合摩阻材料,另外开发了制动块背板的精冲工艺。本研究成果为实现奥迪轿车盘式制动器制动块的国产化打好了基础。
关键词:盘式制动器 制动块 碳纤维复合摩阻材料 背板 精冲

1 前言

盘式制动器是汽车制动系中的重要执行部件,目前已广泛应用于轿车中。该类制动器的摩擦副中的制动元件是由摩擦块(刹车片)与金属背板所组成的制动块,而摩擦块则由摩阻材料制成。半个多世纪以来,汽车制动器的摩阻材料一直沿用石棉基摩阻材料。由于石棉摩阻材料的使用寿命低,易出现“热衰退”现象[1],特别是石棉粉尘污染环境,危害人类健康。因此,近20 年来世界各国都对石棉摩阻材料的生产与使用加以限制,并开始研制与使用新一代复合纤维增强摩阻材料来制作汽车制动器的摩擦块。鉴于此种发展趋势,我们结合吉林省较丰富的碳纤维资源优势,针对奥迪轿车盘式制动器的制动块的国产化中的关键技术进行了研究开发。

2 碳纤维复合材料汽车制动器摩擦块的研制

所研制的碳纤维复合材料摩阻材料系由增强纤维、粘接剂和摩擦性能调节剂(填料)组成的多元体系。采用正交优化设计方法,确定材料组分的最佳优化配方,使摩阻材料具有良好的综合性能,之后经过混料、热压成形、热处理等工序,压制成盘式制动器的摩擦块。

2.1 材料配方的确定

2.1.1 材料的选择

(1)增强纤维的选择

由于碳纤维具有优异的综合性能:重量轻,比强度、比模量较高(分别是金属的5 倍和7 倍),导热性能好,耐磨性好,耐高温性能好(在小于400℃时性能很稳定)[2]。因此,选定吉林省资源丰富的碳纤维作为所研制的摩阻材料的增强纤维。

(2)粘结剂的选择

粘结剂的作用是将多个组分结合成一个整体,来传递载荷并使载荷均衡。通常都使用酚醛树脂作粘接剂,因为酚醛树脂在耐热性、成型加工性和经济性等方面都具有一定的优点。但是未经改性的酚醛树脂硬度较高、脆性大,其极限耐热温度约为250℃,超过300℃时分解相当严重,使抗拉强度及抗冲击性能降低,从而使产品易形成制动噪声及打滑现象。同时由于其弹性模量较高,使产品与摩擦对偶贴合性不好,容易产生严重的局部过热,造成热裂现象。因此,在实际应用中均采用改性的酚醛树脂。根据我们多年研究石棉和半金属摩阻材料的经验,选用丁腈橡胶改性的酚醛树脂(FH-908)作粘结剂。该粘结剂具有耐高温、耐疲劳性能好,耐湿热老化,耐大气老化,耐介质性好等优点。

(3)摩擦性能调节剂

加入各种摩擦性能调节剂(填料)的作用是用以解决在各种情况下摩阻材料的摩擦系数稳定且耐磨,能改善热衰退性等。选择填料应遵循如下原则:填料的硬度不应大于偶对面的硬度;熔点应低于偶对材料的融合温度。实际采用的填料成分如下:

1) 金属粉末:它主要用以改善导热性,减少磨损并保持高温摩擦系数的稳定。我们选择的金属粉末有铜粉(粒度30~80 目),HT200 铸铁粉(粒度40~60 目)。
2) 固体润滑剂:它能提高摩擦系数的稳定性,减少噪声等。本研究中采用石墨和碳黑作固体润滑剂。
3) 摩擦剂:固体润滑剂虽能减少材料磨损,使摩阻材料工作稳定,但却降低了摩擦系数。故为了提高摩擦系数还需加入摩擦剂。本研究中采用Al2O3、SiO2 及铬矿粉作为摩擦剂[3]。

2.1.2 摩阻材料配方的确定

在研制过程中,摩阻材料配方的确定分两步进行:第一步提出初步配方;第二步进行优化设计。最后确定合理配方。

(1)初步配方

通过查阅国内外有关资料,并结合我们研制半金属制动衬片的经验[3],提出碳纤维复合摩阻材料的原始配方。采用L9(34)正交表,即四因素三水平正交表进行筛选、考核。经过两轮的调整、测试,作为研究的初步配方。初步配方如下(wt%):

碳纤维 16~25
粘接剂 11~17
摩擦剂(SiO2+Al2O3) 4~10
金属粉末(铸铁粉) 19~28
固体润滑剂(石墨+碳黑) 10~19
固定成分 10

(2)最后配方确定

为了能用较少的试验次数获得优化配方,并了解影响摩擦磨损性能的主次因素,我们采用L16(45)即五因素四水平的正交表进行筛选、分析。同时采用MM-200 摩擦磨损试验机进行磨损试验,分别按摩擦系数和体积磨损量来分析组分的优化水平及组分影响的主次顺序。还在D-MS 试验机上进行了热衰退试验,根据试验结果,按摩擦系数分析组分的优化水平和组分影响的主次顺序。亦按体积磨损量分析了组分的优化水平及各因素影响磨损率的主次顺序。

最后综合分析上述试验结果,得出摩擦磨损性能良好的碳纤维复合摩阻材料的较佳配方范围是(wt%):

摩擦剂(Z1) 6~8
碳纤维(Z2) 16~19
粘结剂(Z3) 13~15
金属粉末(Z4) 22~25
固体润油剂(Z5) 10~13

为了降低成本并扩大应用范围,在上述试验的基础上,选用较便宜的预氧碳纤维(长度为8mm)进行试验研究。在多轮试验的基础上,确定了实际生产中的经济型配方。其成分范围是:Z1:8%~10%;Z2:

19%~22%;Z3:15%~17%;Z4:22%~25%;Z5:13%~16%。

2.2 碳纤维复合材料摩擦块的摩擦磨损性能

2.2.1 摩擦系数较高

由于碳纤维比强度、比模量高,并且具有自润滑性能。在所设计的碳纤维含量为19%~22%时,摩阻材料具有较高的摩擦系数,同时体积磨损率也较低。

2.2.2 抗热衰退性能好

碳纤维复合摩阻材料,在高温摩擦作用下,其抗犁切阻力增大,表现出在高温时摩擦系数较大,热分解层薄,能使摩擦磨损性能在很高温度时保持稳定,抗热衰退性能好。

所研制的碳纤维复合材料摩擦块,经国家汽车质量监督检验中心检验,其技术性能指标符合国家标准GB5763-1986,其使用寿命是石棉摩阻材料的2~3 倍[3]。

3 摩擦块背板精冲工艺

奥迪轿车盘式制动器摩擦块背板的产品图如图1 所示。按照英国卢卡斯·格林(Lucas.Girling)公司的技术条件与大众公司供货标准(TL-VW-110)的要求,对背板的特征与技术要求见表1。


图1 奥迪轿车盘式制动器摩擦块背板产品图

表1 背板零件的特征与技术要求

鉴于背板的制件精度要求较高,且用量大,故采用精冲工艺生产具有较显著的经济效益。

3.1 精冲工艺设计及计算

根据背板的产品图样与技术要求,采用国产钢35(GBT699-1999)材料,钢板厚度为t=5±0.2mm。该材料的主要力学性能为:抗拉强度σb= 530MPa,供货时退火状态硬度为197HB。

冲裁力按下式计算

W =1.2 Lτ t (1)

式中:W--冲裁力,kN;
L--冲裁件内外轮廓周长,mm;
τ--板料的剪切强度,MPa;
t--板料厚度,mm。

将相关值代入式(1)经计算得 W=1250kN

压边力按下式计算

P2=KL1*2h*σb

式中 P2 --压边力,kN;
K--系数,取K=1.6;
h--V 形齿的高度,取h=0.8mm;
σb --板料的抗拉强度, σb =530MPa。

经过计算得到强力齿圈的压边力及反压力: P2 =200kN

综合上述两项知冲裁力总吨位约为150t。

按文献[4]确定冲裁的搭边值,其中工件间的搭边值b=8mm,外搭边值a=6mm。

冲裁工艺安排如下:采用GB3275-1991 的热轧钢板,剪床下料后进行酸洗处理,在Y26-630 国产液压精冲压边机上采用复合模进行精冲。

3.2 精冲模的设计与制造要点

为获得表面平整且外轮廓面平齐的背板冲压件,采用如图2 所示的固定凸模式复合模。

本模具选用JD003-82 系列精冲模架,以提高模具质量和缩短加工周期[5]。

因冲裁板料较厚且为中等硬度钢板,模具的主要工作零件选用Cr12MoV 钢制造,同时淬火硬度为60~64HRC。

冲裁工艺间隙取Z=1.0t%,即可收到较好断面质量。如图3 所示,采用单面V 形齿圈结构[4],齿形内角α = 40o。


图2 背板精冲复合模


图3 V形压边齿圈

4 结论

奥迪轿车盘式制动器制动块是一种科技含量较高,使用寿命较长的关键零部件。根据德国大众汽车公司的供货标准TL-VW-110:其摩擦块为无石棉摩阻材料;背板为中硬钢精冲件。目前国产奥迪轿车盘式制动器的制动块一直采用英国卢卡斯·格林公司的进口件配套。本研究针对这一背景并在充分利用吉林省碳纤维资源丰富的条件下,自主研究开开碳纤维复合材料无石棉摩擦块与背板的精冲工艺,解决了该产品国产化中的两项关键技术问题,为实现奥迪轿车盘式制动器制动块的国产化奠定了基础。

参考文献
1 韩英淳. 碳纤维复合材料汽车用无石棉制动衬片的研制. 汽车工程. 2002,24-1,46~50
2 李尹熙,骆秀云.汽车塑料应用手册.北京:机械工业出版社,1989
3 吉林工业大学.碳纤维复合材料汽车用无石棉制动片的研制工作及技术报告.长春:1998.10
4 宫崎达考.FB 金型マニェアル,プレス技? ,18-9,1980
5 涂光祺.精冲技术. 北京:机械工业出版社,1990(end)
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