大型卡车制动鼓摩擦磨损性能研究.docx

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大型卡车制动鼓摩擦磨损性能研究

大型卡车制动鼓摩擦磨损性能研究

摘要

本文针对铸铁材料在汽车制动鼓应用中常出现的磨损失效情况，设定了不同的摩擦磨损参数，研究了HT250、RuT35、RuT75、QT500四种铸铁材料的摩擦磨损性能，并结合这四种材料的组织结构和力学性能，探讨了其摩擦磨损机理与材料微观组织和性能的关系。

QT500和RuT35有相似的组织结构，均为珠光体、铁素体和球状石墨。

QT500的综合力学性能最好，其屈服强度为430MPa，抗拉强度为570MPa，延伸率为13.0%，断面收缩率为8.5%，冲击功为5.1J，表面硬度平均值为208HB；QT500与RuT35的综合力学性能都较好；HT250的综合力学性能相对较差。

通过进行摩擦磨损实验发现，在不同的摩擦磨损条件下，QT500与RuT35的磨损失重最小，耐磨性较好；HT250磨损失重最大，耐磨性较差。

在摩擦时间不变，增大摩擦载荷的情况下，RuT35的摩擦系数稳定，制动稳定性最好，制动性比较好；HT250和QT500的制动性都不稳定，HT250随载荷增大制动性提高，QT500随载荷增大制动性下降。

对它们的磨损形貌进行观察，结果表明，四种铸铁材料磨损形貌主要是磨料磨损和粘着磨损，且HT250磨损较严重，QT500和RuT35磨损较轻。

总之，在综合考虑耐磨性和制动性以及制动稳定性的情况下，RuT35是制动鼓材料最好的选择。

关键词：

制动鼓，磨损，耐磨性，摩擦系数

ResearchofFrictionandWearPerformanceofLargeTruck’sBrakeDrum

ABSTRACT

Inthisresearch,differentfrictionsweresettledtostudythewearresistanceofHT250,RuT35,RuT75andQT500accordingtothewearfailuresituationinautomobilebrakedrum.Andtherelationshipbetweenwearmechanism,microstructureandmechanicalpropertieswerediscussed.

QT500andRuT35aresimilarinstructure.Theyallhavesphericalgraphite,ferriteandpearlite.QT500hasthebestmechanicalproperty,itsyieldstrengthis430Mpa,itstensilestrengthis570Mpa,itselongationrateis13.0%,itsshrinkageis8.5%,itsimpactenergyis5.1Janditsaveragehardnessis208.5HB.ThereisnoobviousdifferencebetweenRuT35andQT500inmechanicalproperty.ThemechanicalpropertyofHT250istheworstofall.

Itcanbeseenfromthefrictionandwearexperimentthat,underdifferentfrictionandwearconditions,bothofRuT35andQT500havethebestwearresistancepropertywhileHT250hastheworstwearresistanceproperty.Withtheincreaseoflord,thebraketorqueandfrictioncoefficientofRuT35staysunchangeable,showingwellbrakeability.Withtheincreaseoflord,thebrakeabilityofHT250wasgettingbetter,whileQT500showingtheopposite.SEMwasusedtoanalyzethewearmorphology,theresultsshowthat:

theabrasivewearandadhesionweararepresentedmainly.HT250hasabadsurfacequalitywhileQT500andRuT35haveabadsurfacequality.

Generallyspeaking,RuT35isthebestmaterialtomadebrakedrum,intheconsiderationofwereresistanceandbraketorque.

KEYWORDS:

Brakedrum,Wear,Wearingresistance,Frictioncoefficient

第一章绪论

§1.1制动鼓的简介

§1.1.1制动鼓的应用

鼓式制动是早期设计的制动系统，其刹车鼓的设计1902年就已经使用在马车上了，直到1920年左右才开始在汽车工业广泛应用[1]。

目前，国内绝大多数卡车都采用鼓式制动器。

按制动鼓在各种车型中的应用可分为以下3种：

（1）中型、重型货车和客车多采用HT200或HT250或合金铸铁制造制动鼓[2]（图1-1a）；

（2）一些轻型货车和轿车多采用组合式制动鼓（图1-1b）；（3）一些高档轿车上采用了铝合金制动鼓（图1-1c）。

图1-1制动鼓

（a）HT250制动鼓（b）组合式制动鼓（c）铝合金制动鼓

鼓式制动器造价便宜，符合传统设计。

但制动鼓的制动稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控。

不过对于重型卡车来说，由于车速一般不是很高，制动鼓的耐用程度比较高，因此许多重型车至今仍使用四轮鼓式的设计[3-4]。

制动鼓是汽车刹车系统中的一个重要零件，其性能的好坏直接影响到汽车的制动性能甚至安全性。

四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%-80%[5]，前轮制动力要比后轮大，后轮起辅助制动作用，因此轿车生产厂家为了节省成本，就采用前盘后鼓的制动方式[6]。

相对于盘式制动器来说，鼓式制动器的制动效能和散热性都要差一些[7]，鼓式制动器的散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。

但是制动鼓相对制动盘来讲，由于制动鼓具有结构紧凑，性能可靠，制动功率大等优点。

所以制动鼓在大型卡车中的应用相对广泛。

§1.1.2制动鼓的工作原理

现在鼓式制动器的主流是内张式，它的制动块（刹车蹄）位于制动轮内侧，在刹车的时候，刹车分泵推动制动块使其向外撑开，挤压摩擦制动轮的内侧，产生摩擦力矩，达到刹车的目的。

松开刹车踏板，回位弹簧把摩擦衬片拉回力矩销[8-9]，如图1-2制动鼓结构及工作原理示意图[10]。

图1-2制动鼓结构及工作原理示意图

刹车鼓的具有自动刹紧作用，能提供较大摩擦力矩，制动鼓内侧工作面积大，相比盘式刹车相同条件下磨损较小[11]。

但是也有一些不足，如在较恶劣的服役条件下制动鼓制动时间长，摩擦产生热量聚集，出现左右车轮刹车力不均匀甚至制动失效等。

§1.1.3制动鼓的服役条件

根据制动的工作原理，制动鼓的服役条件十分恶劣，要受到刹车片强大的压力及相互间巨大的静或动摩擦力的综合作用，特别在山区复杂环境中运行时，由于制动力矩大且制动频繁，制动鼓的负荷更大[12]，常造成其过载失效。

而我国是一个多山的国家，山区面积占全国面积的2/3，山区公路在中国公路网中也占有相当大的比例；且大都是根据自然地理条件修筑，很多修筑在崇山峻岭之中[13]，连续坡道短则几公里，长则几十公里。

近几年来山区道路交通条件发生了巨大变化，道路交通基础设施得到了较大的改善，但随着山区公路通车里程和机动车数量的逐年增长，道路交通事故也在逐年上升，群死群伤的重、特大交通事故时有发生。

在山区公路发生的交通事故中，交通事故的绝对次数虽然较少，但其事故死亡率却比平原公路和城市道路高[14]。

根据2002年全国各类地形道路交通事故的统计结果[15]，平原地区的道路交通事故占了绝大多数，这与其在路网中所占比例较高是一致的。

引发道路交通事故的因素是多方面的，车辆制动系统摩擦磨损性能降低也是其中一个主要的原因。

在此条件下，对制动鼓的使用寿命和摩擦磨损性能提出了新的要求，因而对大型卡车制动鼓选用铸铁材料提出了较高的要求。

§1.2制动鼓用材及其特点

随着汽车向高速重载方向发展，普通灰铁材质制动鼓的耐磨性能逐渐不能满足要求。

对汽车制动器摩擦材料的摩擦磨损性能的研究表明[16]：

汽车提速后，使得汽车制动器摩擦副的滑动速度和比压增加，因此在制动过程中使得汽车制动鼓的温度上升，导致汽车制动鼓磨损加剧，摩擦系数下降，影响汽车的制动性能和安全。

诚然，增加汽车制动鼓的硬度可提高其耐磨性，但过高的硬度会降低制动鼓的摩擦系数，为了兼顾二者，对制动鼓的材料成分、组织及性能应进行正确设计和选定[17]。

铸铁制动鼓用材一般为普通HT250。

灰铸铁的金相组织主要由片状石墨[18]、金属基体和共晶组织[19]组成。

灰铸铁导热性能好、弹性模量低。

但是灰铁强度低、应力集中系数大、摩擦系数大，因而耐磨性差。

在摩擦磨损过程中，易发生磨损失效[20]。

一般来说,制动盘用灰铁250（UTSmin=250MPa）制造，这种铸铁中有明显的珠光体基体（>95%的珠光体）[21]。

球墨铸铁是铁水经过球化剂处理，石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁[22]。

球墨铸铁强度高，韧性好，应力集中系数小，但是弹性模量高，导热性能差，抗蠕变能力差，因此虽然抗热疲劳能力强，但容易变形。

球墨铸铁对原铁水化学成分的要求是：

高C、低Si、低Mn、低P、低S。

球墨铸铁按基体组织可以分为三种。

铁素体球墨铸铁：

塑性好，韧性高；珠光体球墨铸铁：

强度好，硬度高；贝氏体球墨铸铁：

强度好，硬度高，抗冲击性能好[23,24]。

为了提高重型车的刹车鼓使用的可靠性，要求铸件材质达到或超过HT250的标准，本体硬度（刹车蹄片工作面）在180HB以上[25]，因此多采用蠕铁材质。

蠕墨铸铁是高C低S的铁水经过蠕化处理，石墨大部分为蠕虫状的铸铁[26]。

蠕墨铸铁的力学性能介于灰口铸铁和球墨铸铁之间，耐磨性能好。

蠕墨铸铁强度比灰铁高，应力集中系数比灰铁小，抗裂纹能力比灰铁好。

蠕墨铸铁的铸造性能、导热性能比球铁好，弹性模数比球铁小，变形能力比球铁小，所以在受热循环工作时，蠕墨铸铁可以优于灰铸铁和球铁。

据有关资料介绍：

当制动鼓的硬度满足190~210HB，金相组织为95%以上的珠光体时，其摩擦磨损综合性能较理想[27]。

当制动鼓力学性能不能很好的满足时，制动鼓会出现不同形式的失效，降低汽车的制动效果。

§1.3制动鼓的失效形式

在汽车的制动系统中，刹车鼓和刹车盘是其主要的部件，大型汽车的车轮制动器一般都为鼓式制动器。

盘式制动器较多应用在轿车和轻型车上。

在汽车的使用过程中，发生过刹车鼓铸件工作面产生龟裂纹、刹车鼓断裂、摩擦磨损失效等现象[28]，严重地威胁着人们的安全。

汽车制动鼓是最常见的制动装置，结构紧凑及制动功率大，是汽车安全行驶的重要保证。

随着汽车技术的发展，汽车不断向高速重载等方向发展。

在此条件下的频繁制动，使制动鼓逐渐满足不了使用要求，出现了典型的失效。

主要表现为[29-30]：

（1）制动鼓硬度偏低，不耐磨；

（2）制动鼓硬度过高，制动后制动带出现硬质白亮点；（3）制动带凹凸不平，制动异响；（4）制动带产生热疲劳网状裂纹，易导致制动鼓断裂；（5）铸件强度不足、铸造缺陷、激水冷却，破裂；（6）产品结构尺寸不合理、铸造缺陷、铸件应力及安装使用不当，会造成掉底；（7）磨损过程中由粘着磨损及接触疲劳磨损共同作用并冷热交替频繁转换，易导致制动面磨损失效。

就制动鼓摩擦磨损失效方面作为研究目标，对制动鼓摩擦磨损机理进行分析。

§1.4制动鼓摩擦磨损失效机理

§1.4.1摩擦磨损的定义和分类

两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面问产生切向的运动阻力称为摩擦力[31]。

这种现象称为摩擦。

按摩擦副的运动状态可以分为静摩擦和动摩擦。

按摩擦副的运动形式可以分为滑动摩擦和滚动摩擦等。

磨损是两个物体相互接触并且有相对运动的表面都会发生磨损。

目前多以破损的特点把磨损分为四类：

（1）磨粒磨损；

（2）粘着磨损；（3）疲劳磨损；（4）腐蚀磨损。

在这些磨损形式中，磨料磨损最为普遍，约占磨损事例的50%左右。

粘着磨损为次，约占15%左右。

腐蚀磨损为8%左右。

§1.4.2磨粒磨损

当硬颗粒，如岩石、沙粒硬金属碎片，在压力作用下滑过或滚过材料表面，就产生了磨粒磨损。

（1）凿削式磨粒磨损：

从材料表面凿削出颗粒状的金属，被磨表面形成犁沟；

（2）高应力碾碎式磨粒磨损：

磨粒与材料表面的接触应力大于磨粒的压力强度使金属材料表面被拉伤，韧性材料产生变形或疲劳，脆性材料则产生碎裂或剥落；（3）低应力擦伤式的磨粒磨损：

磨粒与材料表面的作用力小于磨粒的压力强度使材料表面发生微小的划痕[32]。

§1.4.3粘着磨损

粘着磨损理论[33]指出：

两个相对滑动的表面在摩擦力的作用下表层发生塑性变形，表面的污染膜、氧化膜破裂，新鲜金属表面裸露，由于分子力的作用使两个表面焊合起来。

粘着磨损分为以下几类：

（1）涂抹：

剪切发生在靠近粘着接合点的较软金属的浅层内，软金属涂抹在硬金属表面，形成轻微磨损；

（2）擦伤：

剪切发生在软金属的亚表层内；（3）粘焊：

粘焊又称为胶合，它是一种固相+焊合，以塑性变形为主要起因，分子吸引造成的冷焊叫第一类胶合，以表面温升为主要原因而引起的热焊称为第二类胶合，粘焊中程度较重的称为撕脱，粘焊中程度较轻的称为却痕。

§1.4.4疲劳磨损

在纯滚动或滚动与复合摩擦工况下，表面因受到交变应力的反复作用造成的磨损称为疲劳磨损[34]。

§1.4.5磨蚀磨损

在摩擦过程中金属与周围介质发生化学或电化学反应，由于摩擦和反应的综合作用使材料发生尺寸和重量损失的现象称为腐蚀磨损[35]。

随着周围介质的改变，以及它们作用方式的不同，腐蚀磨损可以分为氧化磨损、微动磨损和气蚀。

§1.5国内外制动鼓研究现状

制动鼓材料的成分、组织及其性能对摩擦副性能有很大的影响，因此对制动鼓材料的研究是不可忽略的一个主要方面，但是与摩擦材料相比，制动鼓材料种类十分单一且相对发展较慢。

一、目前，使用和正在研究的制动鼓材料主要有铸铁和金属基复合材料两大类：

铸铁具有一定的强度和良好的耐磨性，材料和制造成本都较低，因此长期以来一直是汽车制动盘使用的材料。

常用的有HT150和HT200。

为了提高铸铁的强度、耐磨性和耐热性。

在铸铁中加入一些合金元如：

Ni，Cu，Mo，Cr等；

二、美国的汽车行业已经开始使用次一级的这种铸铁，铸铁中加入钛（>200ppm）[36]，以减少摩擦系数且增加耐磨性；

三、英、美等国主要用高碳低合金铸铁[37]；

四、前苏联则采用Cr、Ni、Mo的合金铸铁[38]；

五、我国某些材料工作者研制了铸铁和低合金铸铁，其耐磨性比原来提高了50%-100%[39]；

六、蠕墨铸铁具有良好的热疲劳抗力，因此国内外在80年代中后期对其在制动器上的应用开始了研究，预计可能应用于汽车制动鼓；

七、铝基复合材料作为新一代制动鼓材料较铸铁具有明显的优势，但其价格较高，且有关研究尚处于起始阶段，绝大部分的研究都处在试验阶段且目前仍需进行大量的研究，铝基复合材料虽然发展很快，但产量仍较低，其价格较高!

距在汽车上的广泛应用还有相当的距离!

因此我们这次对制动鼓的摩擦磨损性能的研究还是以铸铁为主[41]；

八、我国采用铬、铜低合金铸铁，通过合理选定成分和孕育工艺，成功地生产了耐磨性优良的汽车制动鼓，满足了汽车提速后对制动鼓耐磨性的要求。

通过分析汽车提速后制动鼓耐磨性下降的原因，采用铬铜低合金铸铁制造汽车制动鼓以提高其耐磨性，其主要化学成分w（%）为：

3.2~3.3C，1.9~2.1Si，0.8~1.0Mn，0.07~0.11P，0.06~0.10S，0.3~0.4Cr,0.4~0.6Cu。

金相分析表明，改进后的汽车制动鼓组织中珠光体＞95%，硬度为190~220HB，符合耐磨制动鼓的组织和性能要求[42]；

九、国内学者通过Ansys对材料的耐磨性进行分析和验证，讨论了石墨、硬度、基体组织等因素对材料耐磨性的影响。

结果表明：

球墨铸铁的耐磨性高于灰口铸铁，而球铁中石墨球圆整、分布均匀买模型会相对提高；

十、有国内有学者在自制的干摩擦磨损试验机上，研究了3种不同石墨形态铸铁与半金属摩擦材料配副的摩擦磨损性能。

结果表明：

蠕墨铸铁的摩擦系数高于球铁，约为灰铁的二分之一。

同时，蠕铁对半金属摩擦材料造成的磨损，与灰铁相当，约为球铁的55%，故蠕铁与半金属材料配副的综合耐磨性能最好[43]。

因此，球墨铸铁取代灰铸铁作为汽车刹车鼓材料具有广阔的应用背景。

§1.6制动鼓研究的目的和意义

本研究主要依托驻马店某铸造公司的制动鼓材料，比较灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁的摩擦磨损性能。

本研究内容与实际生产相接轨，在生产中有很强的指导意义。

通过学习和试验，使我对制动鼓的结构、工作原理以及其发展趋势有了初步的认知。

也使我掌握了三种不同的制动鼓材料灰铁、球铁、蠕铁的摩擦磨损性能的实验方法并增强学习中的分析比较能力。

近年来汽车工业飞速发展，汽车需求量也在逐年提高，2007年全球汽车产量已突破7310万辆，我国汽车产量排世界第三位，产量突破850万辆，且每年仍以近12%的速度增长[44]。

汽车工业已成为国民经济的支柱产业，汽车工业的发展为汽车零部件特别是铸造企业的发展提供了巨大的发展空间。

制动鼓作为汽车制动系中的主要磨损消耗件，市场需求量很大，每年需求量大约为6亿只。

因此，从汽车制动鼓产品的铸造生产工艺及铸件质量、需求量的分析情况中可以看到研究制动鼓产品，提高制动鼓产品的力学性能对今后的生产和研发有着巨大的意义。

随着路面质量和汽车技术的发展，汽车的行驶速度也越来越高，如何降低交通安全事故成为一个重要的任务。

虽然汽车安全技术在一定程度上提高了驾驶的安全性，但最基本和根本的问题仍是提高制动器性能。

因此需要以研究制动鼓的强度、硬度、摩擦磨损等综合性能，以提高制动鼓的性能和工作寿命为首要目的。

改善其耐热疲劳性不足，降低其在拉应力和热疲劳共同作用下内表层产生裂纹不断扩展而开裂失效的可能性[45]。

设计合理的制动鼓成分、良好的力学性能、导热性、耐热疲劳性、耐磨损性来提高制动鼓的必要条件,而对制动鼓的组织分析更是研究制动鼓，改善其耐磨性和抗热疲劳性的前提。

这就要求了我们要对汽车制动鼓材质的摩擦磨损机理进行仔细研究分析，找出内在联系，指导以后的研发和生产。

§1.7本研究的主要内容

本研究的主要内容是：

一、分析比较四种制动鼓材料HT250、RuT35、RuT75、QT500的摩擦磨损性能；

二、观察灰铁、球铁、蠕铁的金相组织，比较不同的基体组织对材料耐磨性的影响；

三、研究四种铸铁不同的力学性能对制动鼓耐摩擦磨损性能的影响。

第二章实验设备与方法

§2.1试验流程

试验流程如下图2-1所示

图2-1摩擦磨损试验流程图

§2.2实验设备及试验方法

§2.2.1摩擦磨损实验设备及方法

1、摩擦磨损实验机：

型号为MMS-1G高温高速销盘摩擦磨损实验机，最高线速度为100m/s，环境温度为室温至800℃，载荷范围为75~450N；

2、对磨盘：

材质为GCr15；半径为80mm，洛氏硬度在60HRC以上，如图2-2；

3、销试样：

试样尺寸为5.76×3.90×10.60mm，如图2-3。

图2-2GCr15对磨盘尺寸图

图2-3销试样尺寸图

4、摩擦磨损试验方法

通过对制动鼓实际工况的考察和模拟计算，设定试验参数，对四种材质的铸铁销式样分组后在试验机下做摩擦磨损实验。

试验取定线速为20m/s，改变加载载荷与加载时间，然后分两组：

第一组为20m/s-100N-600s、20m/s-100N-900s、20m/s-100N-1200s；第二组为20m/s-100N-600s、20m/s-150N-600s、20m/s-200N-600s。

具体试验过程如下：

（1）预磨：

磨损面更加贴合，实验数据更准确；

（2）清洗和称重：

用酒精溶液清洗试样表面油污，烘干，用万分之一天平测量磨损前重量；

（3）销试样装机实验，通过电脑记录摩擦磨损过程中摩擦力矩变化数据；

（4）清洗和称重：

用酒精溶液清洗摩擦磨损后试样表面污渍，烘干；用万分之一天平测量磨损后重量；

（5）用扫描电镜观察磨损后的组织形貌。

继续下组实验，并重复以上过程。

§2.2.2拉伸实验设备及试样尺寸

1、拉伸实验机：

型号为SHIMADZU（岛津）AG—I250KN精密万能电子拉伸实验机，加载速度为1.0mm/min。

2、试样：

拉伸试样加工尺寸详见图2-4。

图2-4拉伸试样尺寸图

3、拉伸试验方法

在SHIMADZU（岛津）AG-I250KN精密万能电子拉伸实验机上对四种铸铁的拉伸试棒加载，以5mm/min的加载速度将试样拉断，记录屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率的值，最后在扫描电镜下观察拉伸断口形貌。

§2.2.3冲击实验设备及试样尺寸

1、冲击实验机：

型号为JB-300B冲击实验机。

2、试样：

冲击试样加工尺寸样见图2-5。

图2-5冲击试样尺寸图

3、冲击试验方法

在JB-300B冲击试验机加冲击载荷将试样打断，记录冲击吸收功αk的值。

§2.2.4测硬度试验方法

在型号为HB-3000B型布氏硬度实验机上测量冲击后的不同实验材料的布氏硬度，加载3000Kg，加载时间30s，除去试验力，用JC-10型读数显微镜测量试样表面的压痕直d，以试验力除以压痕表面积的商来计算布氏硬度，记录数据。

§2.2.5显微组织

制备金相试样，依次在颗粒度为260、380、800、1200的水砂纸上进行磨制，抛光，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，用无水乙醇清洗，然后将试样烘干，在型号JMS-5610LV扫描电镜下观察金相组织。

第三章试验结果与分析

§3.1力学性能分析

§3.1.1四种铸铁材料拉伸试验结果与分析

从表3-1可以看出：

在四种材质中，RuT35屈服强度最高，达到460MPa，约为HT250的两倍。

QT500的抗拉强度最大，为570MPa，并且其延伸率和断面收缩率也最大。

由此可以得出，QT500的综合力学性能优于其他铸铁材料，RuT35和QT500强度最高。

表3-1四种铸铁材料的拉伸试验数据

材质

屈服强度

（MPa）

抗拉强度

（MPa）

延伸率

（％）

断面收缩率

（％）

HT250

240

273

3.0

1.5

RuT35

460

560

5.5

1.7

RuT75

335

410

4.0

0.5

QT500

430

570

13.0

8.5

§3.1.2冲击试验结果与分析

冲击韧性是对组织敏感的力学参量。

从表3-2中可以看出，QT500的冲击功最大，HT25、R