磁場(chǎng)技術(shù)在車(chē)輛制動(dòng)器上的應(yīng)用原理分析

摘要：本文針對(duì)車(chē)輛制動(dòng)器失效原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)裝置接觸狀態(tài)不好，制動(dòng)載荷分布不均，造成制動(dòng)效果不良而且剎車(chē)裝置耐磨性差、使用壽命短的特點(diǎn)，根據(jù)磁場(chǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，提出將磁場(chǎng)摩擦技術(shù)應(yīng)用于制動(dòng)器產(chǎn)品，可以增加制動(dòng)載荷、改善載荷分布狀況以及延長(zhǎng)制動(dòng)器使用壽命。

關(guān)鍵詞：車(chē)輛制動(dòng)器；磁場(chǎng)技術(shù)

在某高速路一個(gè)月時(shí)間的交通進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共有50起重大交通事故，對(duì)其原因進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)幾乎車(chē)輛制動(dòng)裝置均存在不同程度的問(wèn)題，其中60%的制動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行良好保養(yǎng)，40%的摩擦片磨損嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，汽車(chē)制動(dòng)器問(wèn)題是發(fā)生交通事故的重要原因之一，同時(shí)也是目前車(chē)輛產(chǎn)業(yè)的瓶頸，如何提高制動(dòng)裝置的可靠性以及壽命是車(chē)輛業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)之一。特別隨著社會(huì)的高速發(fā)展、人民對(duì)高速度、高品質(zhì)生活的追求，車(chē)輛的數(shù)量會(huì)急劇增加，車(chē)輛的速度還要進(jìn)一步提高，車(chē)輛的制動(dòng)技術(shù)如果得不到質(zhì)的飛躍，將會(huì)限制車(chē)輛產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。基于此，本文提出一種提高車(chē)輛制動(dòng)技術(shù)壽命的理論。

我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的原理是采用機(jī)械類(lèi)動(dòng)力使制動(dòng)器與動(dòng)力裝置產(chǎn)生摩擦阻力，為此消除動(dòng)力源傳遞的動(dòng)力，同時(shí)車(chē)輛與地面之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，降低行車(chē)速度，最終實(shí)現(xiàn)剎車(chē)過(guò)程。目前制動(dòng)系統(tǒng)中的剎車(chē)裝置主要集中在消除動(dòng)力源傳遞的動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)行駛過(guò)程中車(chē)輛的制動(dòng)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是快速消除動(dòng)力源產(chǎn)生的動(dòng)力，缺點(diǎn)車(chē)輛對(duì)于地面的動(dòng)量過(guò)大，具體體現(xiàn)在制動(dòng)裝置接觸狀態(tài)不好，制動(dòng)載荷分布不均，造成制動(dòng)效果不良而且剎車(chē)裝置耐磨性差、使用壽命短，如何改善制動(dòng)器接觸現(xiàn)狀是現(xiàn)代制動(dòng)技術(shù)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。

磁場(chǎng)工況下不同材料摩擦副的摩擦磨損機(jī)理是近代摩擦學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，其中對(duì)于鐵磁性材料摩擦副，如中碳鋼摩擦副在直流磁場(chǎng)、交流磁場(chǎng)等條件下，能夠增加摩擦減小磨損已成為一個(gè)不可爭(zhēng)議的事實(shí)。考慮將磁場(chǎng)增加摩減小磨損技術(shù)應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛剎車(chē)裝置，根據(jù)理論論證可以能夠縮短剎車(chē)時(shí)間、距離，同時(shí)延長(zhǎng)剎車(chē)裝置的使用壽命，對(duì)于減少交通事故、降低交通事故率和耐磨技術(shù)的發(fā)展有重要意義，本文提出將磁場(chǎng)增摩減磨技術(shù)應(yīng)用于車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)。

1 磁場(chǎng)摩擦研究現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)文明的進(jìn)步，電器裝置的廣泛應(yīng)用，幾乎所有的物體存在于磁場(chǎng)條件下，因此磁場(chǎng)摩擦行為及機(jī)理研究成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，在很多環(huán)境及不同摩擦副條件取得了廣泛的研究成果：Kumagai[1]采用純鎳材料對(duì)45鋼材料，其中45鋼的硬度為263HV做成環(huán)零件，純鎳做成銷(xiāo)零件，硬度為138HV。采用銷(xiāo)環(huán)試驗(yàn)方案。在直流磁場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，環(huán)和銷(xiāo)磨損量?jī)H稍有減小，當(dāng)直流磁場(chǎng)強(qiáng)度至磁場(chǎng)增加至一臨界值，也就是H=56Am時(shí)，環(huán)和銷(xiāo)磨損量降至一低值，而且其磨損量相當(dāng)于無(wú)磁時(shí)磨損量的20%，在大于H=56Am磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)一步增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，這時(shí)環(huán)和銷(xiāo)磨損量緩慢地下降。純鎳材料對(duì)45鋼材料試驗(yàn)說(shuō)明導(dǎo)致磨損明顯降低的直流磁場(chǎng)強(qiáng)度必須達(dá)到一臨界值。而在臨界值之上進(jìn)一步加大直流磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，則對(duì)磨損的影響不顯著。Hiratsuka和Sasada研究了NiNi摩擦副在空氣中的磨損試驗(yàn)結(jié)果，并研究結(jié)果與在磁場(chǎng)對(duì)該摩擦副的影響概括。[4]與加磁場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相比較，未加磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是嚴(yán)重磨損階段持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間， 而變化趨勢(shì)不變；而加磁場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果是嚴(yán)重磨損階段很短，便轉(zhuǎn)化為輕微磨損，而且變化趨勢(shì)減弱，當(dāng)距離到達(dá)一定時(shí)，磨損量保持不變，因而有磁場(chǎng)時(shí)摩擦副的總磨損量較無(wú)磁場(chǎng)時(shí)大大下降，可以說(shuō)明磁場(chǎng)可以減小磨損，有延長(zhǎng)材料壽命的作用。圖中曲線(xiàn)所示的磨損量為銷(xiāo)和盤(pán)磨損量之和。

H.Zaidi等人對(duì)中碳鋼制成steel/steel摩擦副，并對(duì)該摩擦副采用直流電源和交流電源施加磁場(chǎng)，研究中碳鋼摩擦副摩擦系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)摩擦副摩擦系數(shù)從無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的0.16增加有磁場(chǎng)時(shí)的0.26。從摩擦副試樣摩擦表面分析研，在有磁場(chǎng)的參與時(shí)，摩擦副試樣磨損表面變得更加光滑細(xì)膩；說(shuō)明電流和磁場(chǎng)的共同作用，提高了摩擦副試樣表面的顯微硬度，使試樣表面的氧化加速，從而引起試樣次表層結(jié)構(gòu)的變化，避免了次表層材料裂紋的產(chǎn)生。

董祥林、簡(jiǎn)小剛等研究了中碳鋼環(huán)塊摩擦副在永磁體磁場(chǎng)條件下的摩擦磨損行為，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)條件下，中碳鋼摩擦副的試樣總磨損量明顯降低，摩擦系數(shù)明顯減小。其主要原因是在于永磁體磁場(chǎng)改變了在中碳鋼試樣摩擦磨損過(guò)程中各種磨損類(lèi)型的比重，使氧化磨損的比重增加，改善材料摩擦性能，對(duì)中碳鋼摩擦副起到減磨作用。

目前磁場(chǎng)技術(shù)在汽車(chē)制動(dòng)裝置應(yīng)用還不成熟，主要原因在于我國(guó)對(duì)磁場(chǎng)增摩減磨技術(shù)的研究比較少、一些機(jī)理還在探索之中；同時(shí)對(duì)磁場(chǎng)技術(shù)還處在發(fā)展之中。

2 磁場(chǎng)在車(chē)輛制動(dòng)技術(shù)應(yīng)用的原理分析

下面先對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)輛制動(dòng)裝置零部件工作原理及材料進(jìn)行分析。

2.1 剎車(chē)原理

目前，機(jī)動(dòng)車(chē)輛的制動(dòng)裝置一般采用剎車(chē)部件和車(chē)輪之間的摩擦力來(lái)抑制轉(zhuǎn)速，使車(chē)整體在地面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦達(dá)到到停車(chē)的目的。制動(dòng)裝置的剎車(chē)部件主要有漲剎和抱剎兩種；其中漲剎主要由剎車(chē)片和剎車(chē)輪轂兩部分組成，剎車(chē)輪轂材質(zhì)為合金，形狀為圓形內(nèi)空的圓盤(pán)，輪的圓心與車(chē)輪主軸相連，其動(dòng)力由汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)提供；輪轂內(nèi)部有兩塊材質(zhì)為合金為基體的呈半月形的剎車(chē)片對(duì)接構(gòu)成。同時(shí)每塊月形剎車(chē)片的兩個(gè)尖點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)相接，對(duì)應(yīng)接點(diǎn)的一端為圓柱型中心軸，另一端為橢圓形浮動(dòng)軸，當(dāng)踩踏剎車(chē)裝置時(shí)，浮動(dòng)橢圓型軸隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，使半月型合金剎車(chē)片分別向兩邊分開(kāi)，剎車(chē)片外側(cè)是輪轂，這樣與輪轂相接觸產(chǎn)生摩擦，由摩擦力矩來(lái)抑制車(chē)速。抱剎剎車(chē)的工作原理基本與漲剎剎車(chē)裝置的工作基本相同，但結(jié)構(gòu)上有差異，主要差異在于合金剎車(chē)片在外側(cè)，而主軸輪轂在內(nèi)，剎車(chē)是時(shí)工作原理一致。目前，這種工作原理的剎車(chē)裝置使用最多，在剎車(chē)時(shí)，產(chǎn)生大量的熱及摩擦力，該裝置剎車(chē)片容易磨損，剎車(chē)效果不是很理想。

2.2 剎車(chē)材料

目前國(guó)內(nèi)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)剎車(chē)裝置的材料主要有石棉片、半金屬片兩種，其中半金屬材料在應(yīng)用中有很多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，大約占80%左右。

〖STFZ〗3 磁場(chǎng)應(yīng)用于剎車(chē)裝置的原理

董祥林、簡(jiǎn)小剛，畢運(yùn)紅[2]等認(rèn)為外加磁場(chǎng)促進(jìn)了表面氧化物的形成。而且在摩擦過(guò)程中，其磨屑細(xì)小、圓滑有利于防止摩擦副雙方的直接接觸，有利于改善摩擦磨損性能；同時(shí)磁場(chǎng)的存在使摩擦副材料氧化物的種類(lèi)發(fā)生了變化，在磁場(chǎng)的作用下，摩擦表面上Fe2O3的含量明顯增加；在磁場(chǎng)作用下，碳鋼的表面硬度明顯提高，這種硬度變化明顯改善摩擦副材料的摩擦磨損性能； 由此可見(jiàn)，磁場(chǎng)的存在可以提高金屬的氧化保護(hù)膜及硬度，明顯改善金屬鐵磁性材料的摩擦磨損性能；由金屬摩擦副材料之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦和磨粒磨損的混合磨損，可以減小磨損量，延長(zhǎng)其使用壽命。

4 結(jié)論

對(duì)于現(xiàn)代車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)剎車(chē)裝置的材料而言，如果使其置于磁場(chǎng)條件下，由于磁場(chǎng)吸力的作用，可以增加車(chē)輛剎車(chē)時(shí)的制動(dòng)動(dòng)力；同時(shí)改變摩擦機(jī)理使滑動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦和磨粒磨損的混合磨損，由于磨粒磨損的存在，可以改變摩擦副材料間的接觸狀況，同時(shí)使未加磁場(chǎng)時(shí)的有剎車(chē)裝置一級(jí)制動(dòng)轉(zhuǎn)變有磁場(chǎng)時(shí)為剎車(chē)裝置和車(chē)與地面接觸的二級(jí)制動(dòng)，會(huì)改善制動(dòng)裝置的摩擦性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]董祥林，陳金榮，簡(jiǎn)小剛.磁場(chǎng)對(duì)金屬摩擦磨損影響的研究及展望.材料科學(xué)與工程，2000，18（1）：116120.

[2]董祥林，簡(jiǎn)小剛，畢運(yùn)紅，陳金榮.磁場(chǎng)對(duì)中碳鋼滑動(dòng)摩擦磨損的影響.金屬學(xué)報(bào)，1999，35（6）：577580.

[3]A Majumdar，C Bhushan，F(xiàn)ractal Model of ElasticPlastic Contact between Rough Surfaces[J].ASME Journal of Tribology，1992，（113）：19811991.

[4]H.Sin，S.Saka，N.P Suh. Abrasive wear mechanisms and the grit size effect[J].Wear，1979，55：163190.

作者簡(jiǎn)介：徐永智（1974），男，漢族，河南孟津人，工學(xué)碩士，三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院教師，副教授，主要研究方向?yàn)榇艌?chǎng)工況摩擦學(xué)研究。