新型盤式制動器襯片的研制及性能研究

王勝鑫 王煜鵬 張新聞

（1. 桐廬宇鑫汽配有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江科技學院，浙江 杭州 310000）

0 引言

國外汽車制造業起步早發展快，人們普遍對汽車的環保和安全性能要求比較高，很早就注重到了制動器襯片對環境的影響，在國內還是使用石棉當作摩擦材料時，國外早已使用其它半金屬或者少金屬以及無石棉有機型材料代替。現在國外用于制動器襯片的材料已經從半金屬/少金屬發展為有機增強材料，使用壽命可達5 萬km 以上，其耐高溫、高耐磨、低噪音、制動靈敏及舒適安全環保等整體性能都較高，價格也比較高[1]。

國內汽車制造業起步晚，發展卻很迅猛，這對制動器襯片的生產和性能提出了更苛刻的要求，除了具有良好的摩擦性、耐磨損性能和機械強度之外，更提出了高耐熱性、低噪音、低粉塵、良好的剎車舒適性和環保安全的要求[3]。與此同時，國內大部分制動器襯片制造企業存在技術水平低、規模小、產能低等問題，還不能滿足國內汽車業發展的需求[2]。仍然有部分廠家還在生產使用石

棉做摩擦材料的產品，壽命普遍只有2 萬~3 萬km，也有大部分實力較強企業研產的制動器襯片的剎車性能和耐磨損性能均較高，能夠滿足行業需求，使用壽命也可達5 萬km，但存在制動器襯片材質硬，容易出現傷及對偶零部件和產生噪音等問題，相比進口產品缺乏競爭力。因此，為滿足市場需求，提高核心競爭力，本文基于傳統制動器襯片提出了一種新型高性能鈦基盤式制動器襯片設計，致力于解決國內制動器襯片的摩擦系數較低、制動效果不理想、使用壽命低、制動溫度300~350 ℃以上存在熱衰退等問題。

1 制動器襯片結構組成

制動器襯片結構如圖1，由底板和摩擦襯塊兩部分組成。汽車制動原理是通過摩擦襯塊夾緊剎車盤使車輪停止轉動，制動過程中動能轉換為熱能，因此要求摩擦襯塊要有足夠的抵抗高溫和抵抗腐蝕的能力。可從材料和生產制造方面，來達到制動器襯片高性能的設計目的[4]。

2 高性能設計方案

傳統的摩擦材料以石棉為主，但石棉對環境污染嚴重，對人體健康也有潛在的威脅，因此探索出了新型的摩擦材料，如玻璃纖維、金屬纖維、耐熱性增強纖維等。同時，為了能將新型摩擦材料的優點最大化，對原料預處理工藝和壓制成型工藝進一步調整優化，以期望達到制動器襯片高性能的設計目的。

圖1 制動器襯片的結構圖

表1 新型摩擦材料配方表

2.1 新型摩擦材料方案

鈦基材料作為新型的摩擦材料，對環境友好，具有優良的力學和物理性能，化學性能穩定、硬度低，耐腐蝕性、耐磨性、耐熱性好，具有隧道效應的結構可為其帶來高模量和高強度[5]。將鈦基材料作為摩擦材料的主料，結合其他輔助增強材料，以保證產品強度、摩擦性能及磨損性能等。

通過正交試驗和響應面分析[6]，確定了最優的新型摩擦材料配方如表1 所示，以確保研制的制動器襯片具有低熱導率、高耐熱性、高耐磨性、高穩定性、高紅外反射率以及優異的滑動性等優越的物理性能和化學特性。

其中，鈦基材料是鈦酸鉀晶體(30%~50%)與鈦酸鈉(40%~60%)混合，應用高溫合成，其作用是提高本產品的柔韌性、耐高溫性和穩定性；減摩材料是成型的小顆粒石墨，其作用是調節本產品的摩擦系數；配方中去掉還原鐵粉，減少鋼纖維用量，防止生銹，解決硬度大、易傷對偶等問題；使用多孔性、顆粒性材料作為填料，使產品具有較小的密度、較大的孔隙度，減少制動過程中的噪音；減少了樹脂類材料的用量，添加了無機粘結劑，減輕熱衰退的影響，穩定了產品的高溫摩擦系數。

2.2 制備工藝優化方案

新型摩擦材料的成型與制備從其本質的物理和化學特性出發[7]，采取合適的制備工藝和方法，以期生產出穩定性強、成本低廉、高溫摩擦性能優異的制動器襯片。

圖2 制動器襯片生產工藝流程圖

如圖2 所示，在原料預處理工藝方面，設計了定時混合定時分解設備，分別對纖維材料和其它小分子增強材料進行分解，使得原材料分布更均勻，生產出的制動器襯片各項性能更穩定。在壓制成型工藝方面，采用二步成型法，先預成型制成冷坯，后再熱壓成型，該方法可使粉料在模腔中分布均勻，流動性較好；接著采用冷壓成型機統一冷坯形狀；最后使用熱壓模進行加熱，結合程控熱壓成型機，保證制造出來的新型盤式制動器襯片的摩擦性能更穩定[8]。

采用鈦基新型摩擦材料和新型制備工藝的制動器襯片，其實物外觀如圖3所示。

圖3 制動器襯片實物圖

3 制動器襯片產品性能驗證

將按照上述配方和工藝研制的制動器襯片實物進行臺架試驗，可得試驗數據如表2。

結合表3 中的相關國家標準[9]，進一步分析試驗數據可得：

(1)摩擦系數：0~350 ℃摩擦系數達到0.37~0.47，產品摩擦系數高，制動力矩大，剎車效果好，汽車高速行駛時遇到緊急情況時剎車靈敏，制動平穩有效，確保了車輛高速行駛中的安全。

(2)磨損率：在0~350 ℃范圍內，平均磨損率為0.18，相比國內其他同類產品，可以提高使用壽命一倍以上，達到國際先進水平，但價格卻不到進口產品的二分之一。因其耐磨性好，磨損小，制動粉塵少，更符合國家提倡的環保低碳理念。

表2 制動器襯片性能檢驗記錄

(3)耐高溫：鈦基制動器襯片的耐高溫性能尤其好，可達680~700 ℃，國內同類產品在300~350 ℃時就有明顯熱衰退現象，鈦基制動器襯片在350 ℃時摩擦系數平穩不衰退，且稍有增大，能夠滿足多種汽車類型的連續制動溫度高的要求，確保了長途高速行駛緊急剎車、下坡連續滯剎的高溫要求。

(4)舒適性：鈦基制動器襯片硬度適中，不傷對偶零件，制動平穩有效，制動噪音小，舒適性好。

4 結論

隨著國內外汽車工業的迅猛發展，高性能鈦基制動器襯片的研制推廣，一方面為汽車的安全發展提供了很大的幫助，另一方面新型制動器襯片可減輕汽車的質量，保障駕乘人員的安全，且滿足人們對于燃油經濟性和環保的要求。研究結果表明，該高性能鈦基制動器襯片的設計方案安全可行。

表3 摩擦性能國家標準