汽車鼓式制動器的材料對制動力的影響研究*

廖騰輝 ， 陸元三 ， 唐小桃 ， 劉登發(fā) ， 劉隆節(jié)

（1.湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽風(fēng)順車橋有限公司，湖南 衡陽 421001）

鼓式制動器是一種傳統(tǒng)的汽車制動裝置，它是利用制動器上的制動蹄片脹形擴(kuò)張時安裝在制動蹄表面的制動摩擦片對制動鼓的擠壓，在制動蹄摩擦片與制動鼓的表面產(chǎn)生切向摩擦力，使與制動鼓相連的車輪減速并最終停止的裝置。鼓式制動器制動蹄片必須有向外擴(kuò)張或向內(nèi)收縮之功能，也就是說鼓式制動器的制動蹄必須有促動裝置。鼓式制動器的促動裝置包括液力促動、氣力促動和凸輪促動裝置[1]。

1 鼓式制動器的結(jié)構(gòu)及工作原理

液力促動的外脹式鼓式制動器也稱為液壓輪缸式制動器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓輪缸式制動器的基本結(jié)構(gòu)

制動蹄分總成2通過螺栓安裝在底板分總成1之上，在制動蹄分總成2的正上方安裝有制動分泵總成6，制動分泵總成6通過螺栓固定在底板分總成1上[2]。

制動分泵總成6的左下方安裝有上回位彈簧3、撥板4、撥板銷10、調(diào)整套總成5和撥板回位簧14，起拉緊、調(diào)整和固定的作用；增力臂7通過螺栓固定安裝在制動蹄分總成2中間的左下方，在增力臂7的旁邊設(shè)有增力臂銷8和增力臂銷卡片9，起增加力臂和固定的作用。

支撐板復(fù)位簧15固定安裝在制動蹄分總成2中間的下方，在支撐板復(fù)位簧15的上部設(shè)有下拉緊簧16和支撐板17，支撐板17通過螺栓固定，在支撐板17的旁邊還設(shè)有支撐板固定簧18，起固定、拉緊的作用。

支撐板固定簧18的下方安裝有拉臂19、拉臂銷20和拉臂銷卡21，拉臂19通過拉臂銷20和拉臂銷卡21與制動蹄分總成2相連接，在拉臂19的背面還設(shè)有過熱保護(hù)片23，起過熱保護(hù)的作用。在下拉緊簧16的下方還安裝有制動蹄片磨損極限報警片22，當(dāng)制動蹄片磨損到極限位置時起報警的作用[3]。

工作過程：當(dāng)汽車開始制動時，司機(jī)腳踩剎車踏板，踏板上的力通過一杠桿機(jī)構(gòu)傳送至剎車總泵一側(cè)的活塞上，活塞上的力又使得剎車總泵將其內(nèi)部的液壓油通過液壓管路分別送至汽車左、右制動器總成制動分泵的進(jìn)油口內(nèi)，制動分泵總成6內(nèi)的液壓油依靠其內(nèi)部的壓力將一側(cè)或兩側(cè)的活塞往外推出，推動左右兩側(cè)的制動蹄分總成2分別往外擴(kuò)張，從而實現(xiàn)汽車的制動。

2 汽車制動器總成中各主要零件的材料選擇

2.1 制動器底板的材料選擇及結(jié)構(gòu)要求

在制動器底板分總成1的外側(cè)面安裝有制動分泵、制動蹄分總成等元件。工作中，制動底板不僅需要承受對制動蹄分總成和制動分泵、回位彈簧、銷釘?shù)鹊闹巫饔?，還要承擔(dān)汽車運(yùn)行中的振動和制動過程中的扭矩作用，因此要求制動底板具有足夠的強(qiáng)度和剛度[4]。又因制動過程中制動蹄與制動鼓之間摩擦產(chǎn)生的熱量需要及時散發(fā)，且制動中產(chǎn)生的磨損物也要排出，因此制動底板上需要設(shè)置散熱孔和排屑孔。實踐證明，制動底板選用Q235或Q195的鋼板為佳（厚度通常為2 mm～3 mm），鋼板厚度應(yīng)與汽車的制動力相適應(yīng)，選擇以上種類的板材既能滿足技術(shù)要求，工藝性又好，便于沖壓成型加工，批量生產(chǎn)效率高，且制造成本低。

2.2 制動器制動分泵的材料選擇及制造要求

制動分泵總成6是制動器上一個重要的部件，它主要由泵體、活塞、密封圈等元件組成。泵體通常采用QT450-10或550-7的球墨鑄鐵材料鑄造而成，選用球墨鑄鐵材料鑄造的泵體內(nèi)腔與安裝在內(nèi)腔的活塞之間的耐磨損性能好，泵體密封性能好，且球墨鑄鐵的耐高溫和耐低溫性能好，加工方便，加工變形小，制造成本低。此外，泵體制作完成后還需進(jìn)行耐高溫和低溫耐壓密封性試驗[5]。

2.3 制動器制動蹄及摩擦片的材料選擇及技術(shù)要求

制動蹄分總成2是由左、右兩個制動蹄和安裝在制動蹄表面的摩擦片組成，制動蹄的材料選用Q235或Q345A的鋼板沖壓焊接而成，這兩種材料的綜合力學(xué)性能良好，低溫性能也好，塑性、冷沖壓加工效果良好。汽車制動蹄由腹板和背板沖壓焊接而成，腹板和背板通常用相同厚度的鋼板沖壓而成，轎車的制動蹄沖壓鋼板的厚度通常為3 mm～5 mm。制動蹄腹板和背板均呈圓弧形，二者內(nèi)圓弧面相吻合，有的制動蹄腹板與背板采用塞焊焊接，有的則采用對焊焊接。在焊接中要注意控制焊接電流，并按規(guī)定的順序進(jìn)行焊接，保證每個焊點的熔深及焊接強(qiáng)度，不能有裂紋、咬邊、未熔合等缺陷，焊接完后要對已焊接好的制動蹄進(jìn)行校正和去應(yīng)力回火。

制動蹄上的摩擦片材料選擇一是要有足夠的耐磨性，足夠的彈性和韌性，摩擦系數(shù)要足夠大；二是要有較好的粘結(jié)性能?，F(xiàn)在國內(nèi)制動器摩擦片已經(jīng)廣泛使用無石棉樹脂型摩擦材料、金屬纖維增強(qiáng)摩擦材料、半金屬纖維增強(qiáng)摩擦材料和混雜纖維增強(qiáng)摩擦材料等，其中以半金屬纖維增強(qiáng)摩擦材料最為普遍。制動摩擦片中鋼纖維的主要作用是在摩擦材料中作為增強(qiáng)劑，對制動片的強(qiáng)度、摩擦性能和耐磨損性能起著重要作用，摩擦材料中增強(qiáng)纖維的選擇，通常要結(jié)合車輛的使用條件及經(jīng)濟(jì)性兩方面來考慮[6]。樹脂、酚醛樹脂及其改性樹脂在其中可以起到粘結(jié)劑的作用，粘結(jié)力取決于樹脂對這些材料的浸潤性能以及與它們形成的化學(xué)鍵的牢固性。

制動器摩擦片與制動蹄的連接方式有兩種：一種是采用鉚釘牢固連接，這種連接結(jié)構(gòu)適用于大貨車或工程機(jī)械制動器，摩擦片更換方便，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，摩擦片使用壽命短，使用成本較高；另一種是采用粘結(jié)連接，即將摩擦片與制動蹄用粘結(jié)劑粘結(jié)，這種連接結(jié)構(gòu)適合用于制動力較大的轎車或SUV車型上，這種結(jié)構(gòu)的制動器摩擦片磨損厚度大，使用壽命長，生產(chǎn)工藝簡單，制作成本低，但摩擦片更換不便。

然而鼓式制動器中制動蹄上的摩擦片與制動鼓內(nèi)表面接觸面積大，所以其初始制動力大，制動效能高，制動時具有自鎖性。此外，鼓式制動器還具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、制造成本低、既能做行車制動也能做駐車制動等優(yōu)點，因此，它在貨車、乘用車及工程機(jī)械方面得到了廣泛持久的應(yīng)用。

2.4 制動鼓的材料選擇及生產(chǎn)工藝

汽車制動器的制動力不僅取決于制動蹄上的摩擦片的材料選擇，也與摩擦片接觸的制動鼓的材料有很大的關(guān)系[7]。在汽車制動系統(tǒng)中，對制動鼓的技術(shù)要求是要有足夠的機(jī)械性能，良好的散熱性能以及熱疲勞特性，良好的耐磨性及抗咬合能力，組織均勻及良好的吸震性。當(dāng)前汽車上的制動鼓大都選擇HT250灰鑄鐵材料鑄造而成，因為灰鑄鐵材料具有很好的耐磨損性能以及很高的硬度、強(qiáng)度和韌性，在鑄造中必須加入少量的合金元素如銅、錳、鎳等，以改善鑄鐵組織，增加鑄件的韌性和彈性。然而汽車制動鼓在日常的使用過程中還存在一些缺陷和問題。一是可能由于制動鼓結(jié)構(gòu)上的損壞，造成制動失效，引起安全事故。常見的制動鼓失效模式主要有：制動鼓底部圓角過渡處開裂、剎車面龜裂、掉底、磨損過大和非正常磨損。掉底主要是因為材料不合格或鑄造工藝不合理，材料抗拉強(qiáng)度過低，而開裂和龜裂則是熱沖擊作用引起的。汽車制動時，巨大的制動熱負(fù)荷會造成制動鼓溫度迅速升高，產(chǎn)生很大的溫度梯度，造成材料內(nèi)部的熱應(yīng)力過大，而當(dāng)制動鼓工作存在冷熱交替現(xiàn)象時，其材料組織隨之發(fā)生變化，瞬時突發(fā)制動蹄制動時向外的擴(kuò)張力，迫使制動鼓發(fā)生開裂。二是車輛制動時，制動鼓內(nèi)表面與制動蹄上的摩擦片摩擦產(chǎn)生大量的熱量容易造成制動鼓和摩擦片溫度過高，導(dǎo)致摩擦片的摩擦系數(shù)下降，制動力下降；同時，由于制動鼓無法及時散熱，熱量迅速傳遞給橡膠輪胎，增加了輪胎爆裂的可能性。

針對鼓式制動器使用中的缺陷和問題，課題組進(jìn)行了深入的研究。首先，對制動鼓在使用中由于結(jié)構(gòu)問題產(chǎn)生的失效，可以在制動鼓的剎車面中間位置的外部設(shè)置環(huán)形加強(qiáng)筋或加強(qiáng)帶，或者在鑄鐵的制動鼓外面套裝環(huán)形的卡箍。這樣既能保證剎車面的制動摩擦系數(shù)和高耐磨性要求，又能滿足制動鼓的高韌性、高強(qiáng)度和抗沖擊性要求。而針對制動鼓在制動過程中因熱積聚影響出現(xiàn)的開裂和龜裂現(xiàn)象，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在制動鼓的外表面或端部增加軸向或十字形的用于散熱的加強(qiáng)筋，也可以在輪輻板上設(shè)置類似于風(fēng)扇葉片的裝置，用于連續(xù)制動過程中對制動鼓的散熱[8]。其次，可以從材料和工藝方面進(jìn)行改善。采用碳鋼和鑄鐵雙金屬復(fù)合鑄造工藝，將低碳鋼的高韌性、高強(qiáng)度與鑄鐵優(yōu)良的摩擦性能結(jié)合在一起，降低鑄鐵脆性對載重汽車制動鼓的影響，能夠同時滿足制動鼓對高韌性及高耐磨性的要求，提高了制動鼓的使用壽命，降低了制造成本，減少了鑄件龜裂、斑點和異常磨損等情況。也可采用鋼模覆膜砂復(fù)合造型工藝，大幅提高載重汽車制動鼓的尺寸精度，使制動鼓的同心度和壁厚均勻性得到改善，減小車輛震動及噪聲，延長制動鼓使用壽命。

除了以上幾個主要零件的材料選擇必須慎重，工藝必須優(yōu)化外，其余的一些零件如拉臂、彈簧、支撐銷、拉釘?shù)牟牧弦脖仨氄_選擇，拉臂須選用優(yōu)質(zhì)的中低碳鋼板制造，彈簧選用65Mn或40CrMnMo鋼制造，支撐銷和拉釘可以選用中碳鋼制造[9]。

3 總結(jié)及結(jié)論

本文從汽車鼓式制動器的制動原理，制動器的結(jié)構(gòu)和工作過程等方面詳細(xì)闡述了組成制動器的幾個主要零件的材料選擇和生產(chǎn)工藝對鼓式制動器制動力的影響。重點闡述了制動底板、制動蹄、制動摩擦片、制動鼓、制動分泵等關(guān)鍵零件的材料選擇和技術(shù)要求對制動器制動力的影響，為各主要組件的材料選擇提出了方向和目標(biāo)。

在科學(xué)準(zhǔn)確地選擇材料的基礎(chǔ)上，制定合理的生產(chǎn)工藝對制動力的提升也是十分重要的[10]。因為生產(chǎn)工藝要綜合考慮材料的成分、工作性能的要求、制造設(shè)備和制造成本等多種因素。制動底板的材料選好后，最佳方案是進(jìn)行冷沖壓加工，涂裝，去除應(yīng)力，然后再上流水線裝配。制動蹄、摩擦片、制動鼓及制動分泵等零件的生產(chǎn)均與其各自的材料成分、性能要求和使用條件密切相關(guān)，文中詳細(xì)闡述了它們各自的生產(chǎn)工藝過程和技術(shù)要求，為材料最佳性能的發(fā)揮提供了工藝保障。

影響制動器制動力的因素除了制動器的材料，制動器的結(jié)構(gòu)對制動力的影響也是很大的，當(dāng)前推行的自增力制動器總成主要利用制動器蹄片脹形時活動推桿的作用，可以將制動蹄摩擦片與制動鼓間的摩擦力提高到原來的2～5倍，這種新型制動器的制動效能更高。

在選擇制動蹄上的摩擦片時，摩擦片的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能大一些，但不可片面追求高摩擦系數(shù)的材料，還必須考慮摩擦片摩擦系數(shù)與制動鼓內(nèi)表面的合理匹配。摩擦片的材料受溫度和壓力的變化影響越小，對環(huán)境和人體的危害越小。

乘用車上建議選擇當(dāng)溫度低于250 ℃時摩擦系數(shù)在0.35～0.38之間的摩擦材料。