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制动器摩擦材料分析

第1 4卷 第 4期 20 0 1年 1 0月

中 国 公 路 学 报      Ci J r l  i wy  Tas r h a  n oHg a ad n o n o a f  u h n r pt

Vo.  No 4 l1  4  . 

O t 20 c.  1 0

文t编号 :0 17 7 (01 0- 140 10 -3 2 20 )40 1-4

摩擦离合器与制动器的摩擦材料分析
王忠伟 ,          刘长生
( 中南林学院 土木工程学院. 湖南 株洲
4 20 ) 10 6

摘 要: 从摩擦学的角度出发, 对摩攘离合器与制动器的摩擦材抖的性能、 特点以及失效的原因进 行了分析, 最后又时摩捧系数德度这一概念进行了 描述。 关键词: 摩擦离合器与制动器; 摩擦材料; 摩攘系数德度
中图分类号 : 1 - 1 U4 55 文献坛识l A a,

A a s o te c o maei o te c o cuc a d a e n l i n  fi in  tr l  h fi i lth  b k y s  h r t a f  r t n  n r
WA G og e LU ag hn                  N Z n- i I C n- eg h w, h s
(col  il  i en ,  t l t Fr t n esy Zuhu  06 Ci ) Shoo Cv Eg er g Cn aSuh  e r i rt,  zo 420. n f i n n i er o o s y口 v i h 1 ha

A s at Bs o te  o g , e f m ne ad  r t ii o t fco m t is  bt c: e n  tbl yt pr r ac n ca c rts  h rt n  ea i r a d  h r o h e o i s  h a esc f  ii a rl n e  te  t n t ad  k , w la te sn i c vt n  s d d te  e. te h fco c c n baea e s  rao o n t ai ae  i i h pprA h r i l h  r i u s  l  h e f  i o r t e n  a a u t  ed te  e, e  cp o s b i o fco cefi t  rsne n o h pprt cnet  t it f t n  fc n ipeet f  a h o f  ly  r i o ie s  a i d K y rs fco c t ad  k ;ii m t i ; i y fco cefi t e w d: t n  c n baefco a r l tbi o rt n  fc n o r i l h  r i u rt n  e a s l f  i o ie a t i
摩擦离合器与制动器,      是各类工程机械中的重 要部件。 它们的性能好坏, 直接关系着工程机械的性
能是否能够充分稳定 地发挥。

t 离合器与制动器的基本结构
工程机械大都是在野外或露天作业,      受其功能 的要求, 这类机械的动力部分、 工作部分和行驶部分 采用的离合器和制动器均为摩擦式。从这些离合器 与制动器的基本结构来看, 主要分为盘式、 圆锥式、 带 式和块( 式 四种, 蹄) 分别如图 1中的() ( ) a ,  , b
() ( ) c ,d 所示 。

础件, 而将与摩擦材料接合的元件称为配对件, 摩擦 材料与配对件组成一个滑动章擦副。 由于摩擦离合器与制动器工作时要产生大量的      魔擦热, 因此, 这组摩擦副中至少有一个元件( 一般 是配对件) 应由金属材料制成, 以确保康擦区产生的 热量迅速散出。 为了增大摩缭系数, 另一个元件一般 采用复合材料。 根据离合器与制动器结构的要求, 这 种复合材料可以是刚性的( 1a,b, ), 图 ()()( )也可 d
以是柔性的( 1 图( . ) c

2 对摩擦材料的要求
从工程机械的使用条件和功能要求来看,      摩擦

材 应 有 下 能,」 料 具 以 功 仁3 一:
(a 8 式离合器 山 A*式离合器 ( 带式制动器 (块( 式制动a ) ) 时   ) 蹄) d x
1配对件 21                          一 - 1擦材料

图 t 摩擦离合器与制动器的荃本结构             

从图 1可以看 出,      摩擦 离合器与制动器的基本

结构由两部分组成, 将安装摩擦材料的部分称为基

()      1高而稳定的摩擦系数; ()      2 高的导热性; ()      3高的耐磨性; ()      4具有较大的比热容和密度; ()      5较高的工作温度, 有足够的强度; ()      6较低的热胀系数; ()      7不易燃烧;

收稿日期: 0- -3 2 01 2 0 0 作者简介 工忠伟l 6 . 湖南邵阳人. 玲6- 男 ) 中南林学院剧教授, 工学博士研究生

第 4期

王忠伟, 摩擦 离合器与制动器的摩擦材料分析 等:

1 5 1

()      8 良好的耐油、 水和热腐蚀能力; ()      9 在较高的负荷作用下, 不论冷态或热态时均 具有 良好的抗粘着性 , 不会与配对件发生粘结和涂
抹现象;

料组成的粉末冶金摩擦材料高得多。由于摩擦离合 器与制动器的磨损主要为疲劳磨损( 见第 4节)而 , 抵抗疲劳磨损最有效的方法是在其摩擦表面制作一 层有较高压应力的冷作硬化层。 研究表明, 铜墓粉末 冶金摩擦材料的硬度在磨合后有进一步提高, 因此 , 可以认为这种摩擦材料是在磨合期“ 上了冷作硬 补” 化这一工序wo侧试表明, 通过磨合, 这种材料的硬
度可以由初始的 6 H 0  V-上升至 10  . 0 HV, e ,

(0 良好的阻尼性,      1) 保证在工作频率范围内不
出现共 振 ;

(1 良好的制造工艺 ,      1) 成本较低 。

3 摩擦材料分析
恶劣的工作条件以及笨重的作业对象,      要求工 程机械的离合器与制动器能传递很大的力矩, 并具 有 良好的制动力矩 , 因此 , 所采用的摩擦材料必须具 有足够的摩擦系数。 目前, 用于工程机械离合器与制 动器 的摩擦材料。 可分 为非金 属材料 与金属材料两
大类 。 非金属材料主要为石棉基的, 金属材料主要为 粉末冶金材料。

摩擦学的研究表明。      摩擦冷作层的耐磨性是否 提高 , 还取决于冷作硬化层与其基体材料间的结合 强度。 若结合强度不高, 冷作硬化层在摩擦的过程中
就会产生脱层破坏 , 加剧摩擦表面的磨损强度。 由于

铜基粉末冶金摩擦材料的塑性依然比较大, 因此, 冷
作硬化层与基体材料 的结合强度很高。 这样 , 摩擦材

31 石棉基靡擦材料 .
石棉基摩擦材料,      一般采用编织或模压法制成。 由于石棉在不添加其他材料时所制成的摩擦材料不 但强度低, 而且与配对件工作时, 摩擦系数会发生变 化, 耐磨性也很低。因此, 目前的石棉基摩擦材料添
加了几种至十几种其他成分 , 这样 可确保稳定的摩

料的耐磨性也就得以提高[。 ] ’ 总之,      以金属为基体的摩擦材料的优点是, 当它 与一种最佳的配对材料匹配时, 摩擦系数能在一段 很大的速度和温度范围内基本保持不变。 对于负荷极高的离合器与制动器,      所采用的摩
擦材料宜为金属陶瓷。 它也是一种粉末冶金材料, 一

般是在铜基中添加了碳化钨、 碳化硅、 碳化硼、 碳化 铁、 氮化硅、 氧化铝和氧化镁等陶瓷成分。金属陶瓷
的优点在于耐磨性 高且有突 出的耐热性 。 工作温度
可 达 1  C以上 。 0 0  0

擦系数( 至少是停止工作一些时间后又能恢复) 和良 好的耐磨性等。 由于天然石棉基的性能很不稳定,      要生产出性 能稳定的石棉基摩擦材料往往是很 困难 的, 另外, 使 用过程中因磨损所产生的石棉尘灰, 吸人人体后会 严重影响人体健康 , 因此 , 当前正致力于用其他材料
取代之。

粉末冶金材料 的缺点是强度低 、      韧性差, 需要与 钢背件结合在一起使用。 为 了对不同摩擦材料进行 比较 .      这里将工程机

32 粉末冶金康擦材料 . 为了提高工程机械离合器与制动器摩擦材料的     
耐磨性, 特别是摩擦热很大时的耐磨性, 现在, 粉末 冶金材料已越来越受到重视。这主要是因为其主要

械常用摩擦材料的数据列于表 1 . 表1    康擦离合器与制动器康擦材料技术数据
率攘材料
石棉编织带 硬度 雄攘系数     

许用砚度 c 工作压力 /
短期
2 0 6

( 配对件为铸铁 〕 长期
04 .  5

/   P M .
7- 7 0

15 2

成分仍为金属, 导热性好且强度高, 所以这种摩擦材 料比石棉基摩擦材料能承受更大的负荷。 工程机械上采用的粉末冶金摩擦材料主要为铁      基和铜基的。其中, 应用最多的是铁基与石墨组成 的。 材料中添加石墨和铅, 可以提高它与配对件的磨 合性和抗粘着能力。这类材料的摩擦特性随着石墨 含量的增加而改善, 但耐磨性却在下降, 摩擦学特性
主要表现在形成摩擦化学反应层。 铜基粉末冶金摩擦材料中含有锡、 铅、      锌、 铁等 金属成分以及二氧化硅、 二硫化钥、 石墨、 金属硫化 物等非金属成分。 这类材料的耐磨性, 比铁基石墨材

石相基核压幼品
柔性 增    半柔性
0 35 . 

04 . 

15 7 20 0 25 2 30 0
40 0

30 5
4 0 0

7 7 - 0 7 7 - 0

刚性 粉末治金材料
金属 肉 瓷

力    口

03 .  5 03 .  0
0.  3 2

50 0 60 0
80 0

7 7 - 0 3 -30 5 5
7 -1 5 5 0

摩擦离合器与制动器的摩擦学性能,      不仅取决 于摩擦材料本身 , 与配对件的材料有关。 还 常用的配

对材料为细化珠光体晶粒的灰铸铁, 硬度为 10 4- 30  S 0 H 。其优点在于: B
()      1 与大多数摩擦材料配对时 , 不易因为粘着作

16 1









学 报

20 0 1年

用而与摩擦材料发生枯结; ()      2 与许多种摩擦材料之间有着一个 比较稳定
的摩擦系数 , 不受工作条件的影响;

反应和摩擦氧化的基本原因。如果这些反应能在摩 擦材料的表面形成一层保护膜, 则是有利的。 不过含 有石棉纤维的反应物也 能起润滑作用 , 最终导致摩

()      3导热性好, 容易加工; ()      4含碳量高。 抗热损伤能力比钢材强; ()      5抗磨粒磨损能力较强 , 强度受温度的影响比 钢材小 。 虽然铸铁的弹性和塑性变形能力低,      但由此可 以防止摩擦表面上的磨屑粘结成团, 有助于减轻磨

擦系数不应有的下降( 这称为“ 衰退” 现象〕这却是 , 不利的。 如果配对件表面比摩擦材料硬且粗糙 , 则会 发生磨粒磨损。如果摩擦表面上产生的磨屑不能迅 速地排走或者另外有硬度很高的外界环境 中的砂粒 ( 成分为 5 %-6 %SO , 0 - 0 i,硬度 HV 00 - 1  -1 5 5 2 ; 2 4 %-4 %A , ,硬度 HV 10 F z , 0 , 0 5 I , O 20 ; 0,F ,4硬 e e 度 H 90 落在摩擦表面之间, V 0) 则也会发生磨粒磨
损。

屑对摩擦表面的再次磨损。 另外, 铸铁配对件还容易
使摩擦表面上的磨屑成为金属粉末 。这些在高温下

与氧反应后形成的氧化铁粉末与铸铁材料中很细的 石墨薄片所形成的棍合物, 会起到研磨剂和润滑剂

摩擦材料与配对件之间有一定的粘着现象是需      要的, 它可以获得较高的摩擦系数, 但过大则会加剧

的作用, 可进一步降低因离合器打滑时将摩擦材料 撕裂的可能性。 当然,      在离合器转速很高时, 摩擦盘将产生很大 的离心力。这时灰铸铁的强度很可能不足, 因此, 高 转速的离合器必须采用钢或至少采用合金铸铁制造 的配对件。 需要注意的是, 如果摩擦材料是硬度相当 高的金属陶瓷, 配对件的铸铁或钢必须有足够的硬
度(0 -3 0  S , 2 0 -0 H ) B

粘着磨损, 严重时, 会由于粘着作用将配对件铸铁材 料转移到摩擦材料 中去, 这一现象的后果是发生严 重的粘着磨损, 最终将摩擦材料成片撕裂。

5 离合器与制动器的摩擦系数稳度
从摩擦学上讲,      由于组成摩擦离合器与制动器 的摩擦副的材料既不可能是完全刚体. 也不可能是 绝对光滑的表面, 因此 , 摩擦副的摩擦系数必然与它 们承受的法向荷载有关。 这样. 在从小到大不同的法

4 离合器与制动器摩擦材料的磨损
机械失效的统计表明,      一台机器从开始出现故 障到最后的报废,0 s %的原因都是由于磨损所造成

的C. s 显然, l 工程机械的摩擦离合器与制动器的 磨损
与报废的原因, 也属于此列。 工程机械摩擦离合器与制动器损坏的主要原因      是摩擦材料的磨损。 从摩擦学上讲, 机械磨损可以分 为磨粒磨损、 粘着磨损、 疲劳磨损和腐蚀磨损四种类 型。 那么, 摩擦离合器与制动器的磨损主要是属于哪
一类呢?

向载荷作用下, 摩擦副的接触表面就会产生弹性变 形、 弹塑性变形和塑性变形, 其摩擦系数也会从小到 大发生变化 。 摩擦学的研究表明,      保证离合器与制动器摩擦 副使用寿命最长的条件是, 使摩擦材料处于弹性和 弹塑性的接触范围内。 因此, 现代设计的离合器与制 动器, 均将章擦表面的法向载荷控制在一定的范围
内, 以确保摩擦 系数稳定在一定的范围内。

分析表明,      摩擦离合器与制动器磨损的主要原 因是它们的摩擦材料在工作中产生裂纹并且随着这 些裂纹的扩展所造成的。 从摩擦学上分析, 摩擦材料

由于摩擦离合器与制动器的摩擦系数有一定的      范围, 因此, 它们传递或制动的力矩也不会是恒定 的。 为了了解它们稳定传递或制动的力矩范围, 这里

引进摩擦系数稳度的概念, 摩擦系数稳度为

a 二M,价几 ?                , . 阳 ,
式中: 而 肠 为摩擦副可传递的平均‘ 有效) 摩擦力矩;

上出现的这些裂纹是属于疲劳磨损[ 摩擦学将离 U 合器与制动器摩擦材料的裂纹分为三类:
()      1垂直于滑动方向的裂纹 , 这是由于摩擦力引 起材料表面层 内的拉应力作用的结果 ;

M , r, 为摩擦副可传递的最大摩擦力矩。
对于摩擦离合器与制动器来说,      摩擦系数稳度 是一个十分重要的指标。随着离合器与制动器的频 繁使用 , 摩擦表面温度的逐步增高, 会导致摩擦系数 下降。 当摩擦系数减小到一定程度时, 摩擦副将可能

()      2平行与滑动方向的裂纹, 这是由于摩擦材料
本身的热弹性和热塑性不稳定的结果 ;

()      3距表面一定距离处的裂纹, 这是由于摩擦表
面受粗大磨粒作用 而造成应力增大的结果。

失效, 即出现“ 衰退” 现象, 从而导致事故的发生。摩 擦系数稳度反映了摩擦离合器与制动器的安全系
数。 了解这样一些数据 , 无论对设计者和使用者都是

高的摩擦温度( 60  是摩擦材料产生氧化      >  C) 0

第4 期
必要 的

王忠伟, 摩擦离合器与制动器的摩擦材料分析 等:

17 1

一灰铸铁( 或钢) 摩擦副, “=07-08 ; . -. 粉末冶金 5 5

6 结



材料一灰铸铁( 或钢) 摩擦副, .  .  之 氏一。4-05' 5 1。 ' -
所 以出现这种情况 , 由于金属一金属摩擦副在工 是 作时 , 会产生强烈的摩擦 自振 , 最终导致摩擦系数稳

综上所述 由于几种摩擦材料的性能不同,      , 制造 成本也不一样 。 因此 、 在选择摩擦材料时, 应根据各

类工程机械不同部位的离合器与制动器的性能要求
而定 。

度值的下降。 ()      6为了解决摩擦 自振问题 应该将采用粉末冶 金材料 的离合器部件 , 选用阻尼性能好 的材料来制 造 另外, 还应将这种离合器的操纵拉杆、 螺栓等零 件的安全系数提高一倍。再一种解决方案就是采用 湿式结构, 即湿式离合器。
参考文献 : 〔 K- 哈比希, 立. 德] H? 严 材料的磨损与硬度[ ] M  .
北京: 机械工业出版社,9720 9. 18. -28 9 「 ”? 克拉盖尔斯基, B? 俄〕 B, B? 阿里辛, 汪一碑. 摩 攘、 磨损 与润滑手册 【 . 京: M〕北 机械工业 出版社.
1 8 . 1 3 3 95 3 - 3. 2
r es 户 2 . J 刁

()      1对于采用带式制动器的卷扬机( 如汽车吊用 的)只能选择柔性的石棉编织带; , 对于圆锥式离合 器, 由于其摩擦片为圆锥状, 应选用刚性的石棉基模
压 制品。

()      2对于中型以下的工程机械( 如普通 st 以内 的汽车吊、 功率为 8 k 以内的推土机、 0  W 挖掘机、 装 载机等) 的盘式离合器, 宜采用刚性石棉基摩擦片。 (〕      3 对于重型工程机械或离合器空间受限制的

中型工程机械的盘式离合器, 宜采用粉末冶金材料 摩擦片, 而这类机械行驶部分的制动器, 则以刚性石
棉基材料为宜 。

葛中民, 侯度铿, 温诗铸. 耐磨损设计〔 . M]北京 机械
工业 出版社,9 12 1 4. 19. -26 4
几 J

()      4对于重型土石方工程机械的盘式制动器. 以 金属陶瓷为最佳方案 。
r I



刘长生 汽车库擦学[ . M]合肥 安徽科学技术出版杜,
1 9 .  - 1 9 98 18 0 . 0
飞 」

()      5从摩擦系数稳度来看, 石棉基摩擦材料一灰 铸铁摩擦副, 其摩擦系数稳度为“-09金属陶瓷 u .; " y 
L .L

』匕

沮诗铸 摩擦学原理[ . M]北京: 清华大学出版社,
1 9 . - 8 . 90 7 8 2

( 上接第 12页) 0 1-所对应的z =1  为研究范围。 06 , 18 4

dvl m n[]IE  ra.  :2-25 ee p et . Junl18 26 3. o J T o 98
E 1 I E  cn a C uc C m ie 6 -3A mm r 2 T T h i l  ni o m t e  3. u ay e c o l  t A s

4 结



rprgi le f t npr tn  at  s et eot  ens  r soti ipcas s n u i o a d r  ao m s m e o pooe nw vl m n[]IE  r l18; f ps e d e p et .T Jun ,  r d  e o J o a 98
3- 4 . 9 1

烟羽模型法适用于不同开发类型、      规模和强度
的开发项 目, 并且适用近期和远期交通影响分析, 其

[〕 S U A D Y  . fc  at l iad  - 3 O MY S  e T a iipcaa s n ip E t rf m c n y s  m

分析结果较精确, 能够弥补 目前方法的不足。 尤其对 于背景交通量变化 比较大的地区, 使用烟羽模型法 非常适宜, 方法计算简单, 容易编制成软件。但模型 中的极限影响 C 的标定需要根据具体面目确定, 、 使

at  i S t D pr et o Tas r tn J. c f s  te  at ns  r p t i [] e n  e a e m f  n o ao
I E  u n l  9 ,9 4 T J ra,  4  - 4. o 1 9 3

[] B r nA cma A sc ts T asot i I pc 4 at - sh n  oi e.  npr t n  at o s a r ao m S d s  Pooe D vl m n; lat G i t i f rpsd  e p etA pcn' u e ue o r  e o p i s  d

L . DlsT xsSp m e.906 0 M]I aa. a.  e br19.  . n l e c  et -1
[] 黄攀义, 5 黄 翔、 妥克非, 文通影 响分析中确定文通影

模型在应用上产生一定误差, 模型建立及运算时间 较长, 尚需进一步研究。
参考文献:

响范围方法的研究仁 ]中国城市交通规划学术委员 A. 会论文集〔 ]北京: C. 地震出版社.9922 1, 19. -28 1 [] 苗东升. 6 系统科学原理【 M」北京: 中国人民大学出版
社 .9 0 3 5 3 0 1 9 .  - 5 . 4

[  SO E V K E K F  r s rtn  ld 1 T V R  .O P E .  p ti ad  ]  G J a o ao n a Tn n


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