陳克文，段亞萍

(國家非金屬礦制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，陜西咸陽 712021)

城市公交車用氣壓盤式制動(dòng)襯塊的開發(fā)應(yīng)用

陳克文，段亞萍

(國家非金屬礦制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，陜西咸陽 712021)

城市公交車用氣壓盤式制動(dòng)器(ADB)是汽車制動(dòng)器發(fā)展的趨勢(shì)。ADB對(duì)盤式制動(dòng)襯塊有很高的技術(shù)要求。采取了一系列技術(shù)措施，解決了高溫摩擦性能穩(wěn)定性和物理性能等問題，探索了盤式制動(dòng)襯塊的測(cè)試項(xiàng)目和方法。

公交車；氣壓盤式制動(dòng)器；制動(dòng)襯塊

Abstract:Using air disc brake (ADB) in the city bus is a development trend of automobile brake. ADB has a high technology requirement to the disc pads. A series of technology measures for the project were taken. The results show that the problems of the stability of friction performance in the high temperature and physical performance were solved. The test projects and methods of the disc pads were explored.

Keywords:City bus; Air disc brake; Disc pads

0 前言

相對(duì)氣壓鼓式制動(dòng)器而言，氣壓盤式制動(dòng)器(ADB)具有熱交換快、制動(dòng)可靠性高、舒適性好、平順性好、有效降低制動(dòng)噪聲、制動(dòng)襯片使用時(shí)間長(zhǎng)、制動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。1996年歐洲的商用車就開始批量裝配ADB，至2000年，ADB(前后制動(dòng)均為盤式)已經(jīng)成為歐美國家城市公交車的標(biāo)準(zhǔn)配置。我國從1997年開始在大客車和載重車上推廣ADB及ABS防抱死系統(tǒng)。 2004年7月1日交通部強(qiáng)制在7～12 m高Ⅱ型客車上“必須” 配備ADB。隨著GB7258-2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》和GB24407-2012《專用校車安全技術(shù)條件》的出臺(tái)，ADB得以迅速推行。北京公交電車公司、上海公交、杭州公交、武漢公交、長(zhǎng)沙公交、深圳公交、廣州公交等公司都在使用為大客車匹配的ADB，使用ADB的城市公交車還在逐年增加。另外，ADB的使用對(duì)匹配ABS、ASR、EBS等電子控制裝置具有較大的意義。

1 氣壓盤式制動(dòng)器對(duì)制動(dòng)襯塊的技術(shù)要求

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，城市越來越多，也越來越大，城市公交車不僅數(shù)量在大幅增加，而且路線越來越長(zhǎng)，使用環(huán)境越來越惡劣，使用要求越來越高。由于存在較多的頻繁制動(dòng)、負(fù)荷加大、速度加快，同時(shí)又要求整車的輕量化、低排放，對(duì)城市公交車用ADB提出了很高的要求，在不同的溫度和不同的速度下要有穩(wěn)定的制動(dòng)力矩、很小的制動(dòng)噪聲及很好的使用可靠性。

對(duì)ADB使用的制動(dòng)襯塊而言，需要滿足以下技術(shù)要求[1]：

(1)高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，一般不低于0.42(確保ADB獲得較大的制動(dòng)力矩)；

(2)剪切強(qiáng)度大，在常溫不小于5.0 MPa，在(300±10) ℃時(shí)不小于3.0 MPa(確保在高溫及惡劣環(huán)境下緊急制動(dòng)時(shí)襯塊不脫落)；

(3)熱膨脹量小，在(400±10) ℃時(shí)不大于1.0%(防止高溫狀態(tài)下因制動(dòng)襯塊膨脹而產(chǎn)生拖磨)；

(4)壓縮應(yīng)變小，在常溫不大于1.0%，在(400±10) ℃時(shí)不大于2.0%(制動(dòng)器推桿行程不因制動(dòng)襯塊的壓縮應(yīng)變而產(chǎn)生大的變化，保持制動(dòng)力矩穩(wěn)定)；

(5)較大的氣孔率，不小于11%(是有效降低制動(dòng)噪聲的重要保證)；

(6)磨損率低，定速試驗(yàn)100～350 ℃總磨損率小于1.00×10-7cm3/(N·m)(提高ADB的工作效率)；

(7)對(duì)對(duì)偶無明顯損傷(提高ADB的使用質(zhì)量)；

(8)不含禁用材料成分，制動(dòng)時(shí)不發(fā)出尖銳噪聲和惡臭(國內(nèi)外環(huán)保法規(guī)的要求)。

2 氣壓盤式制動(dòng)襯塊的研制原則

由于ADB使用要求較高，氣壓盤式制動(dòng)襯塊在使用時(shí)要經(jīng)過嚴(yán)酷的考驗(yàn)，特別是要有更好的耐高溫特性，這與液壓盤式制動(dòng)襯塊有較大的差異。因此，在研制、開發(fā)氣壓盤式制動(dòng)襯塊產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)從產(chǎn)品性能要求入手，在制定生產(chǎn)工藝路線、原材料選擇、工藝參數(shù)的確定、產(chǎn)品測(cè)試項(xiàng)目等方面要大膽創(chuàng)新，有全新的思路和突破，才能從根本上解決關(guān)鍵技術(shù)難題，科學(xué)決策，少走彎路，以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

氣壓盤式制動(dòng)襯塊的研制原則是[2]：

(1) 準(zhǔn)確掌握ADB對(duì)氣壓盤式制動(dòng)襯塊的技術(shù)要求；

(2) 結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)的制造技術(shù)，制定合理的工藝路線；

(3) 提高對(duì)使用的有機(jī)材料的質(zhì)量要求，樹脂的熱分解溫度要高，分散性要好；

(4) 根據(jù)產(chǎn)品配方的特性，選擇合適的加工設(shè)備，特別是混料機(jī)和液壓機(jī)、模具；

(5) 壓制溫度高、壓力大，熱處理溫度高、時(shí)間長(zhǎng)；

(6) 參照GB/T 26738-2011/ISO 15484:2008 《道路車輛 制動(dòng)襯片摩擦材料 產(chǎn)品確認(rèn)和質(zhì)量保證》進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)；

(7) 按照GB/T 29063-2012/ISO 26865:2009 《道路車輛 制動(dòng)襯片摩擦材料 氣制動(dòng)商用車性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和分析。

3 試驗(yàn)方案

高水平地研究、開發(fā)氣壓盤式制動(dòng)襯塊產(chǎn)品是一項(xiàng)系統(tǒng)、復(fù)雜的工作，為了科學(xué)、有效地推進(jìn)項(xiàng)目的實(shí)施，將研發(fā)團(tuán)隊(duì)分成了策劃組、市場(chǎng)組、化驗(yàn)組、試驗(yàn)組、設(shè)備組、檢測(cè)組，各司其職，分工合作，共同完成項(xiàng)目任務(wù)。6個(gè)組的職責(zé)分別是：

策劃組：制定項(xiàng)目方案、組織內(nèi)部溝通、負(fù)責(zé)技術(shù)文件編寫和管理、成本核算；

市場(chǎng)組：掌握、分析市場(chǎng)需求，與用戶技術(shù)交流；

化驗(yàn)組：原材料的調(diào)研、收集和檢驗(yàn)分析，原材料采購；

試驗(yàn)組：工藝設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)、制定工藝參數(shù)、實(shí)施具體的試驗(yàn)任務(wù)；

設(shè)備組：設(shè)備、模具的調(diào)研和購置、安裝、調(diào)試，負(fù)責(zé)生產(chǎn)線建設(shè)；

檢測(cè)組：試制產(chǎn)品和同類產(chǎn)品的性能檢測(cè)、分析。

3.1 工藝路線

混料(犁耙式混料機(jī))→壓制(一次成型)→熱處理(烘箱)→磨削開槽→表面燒蝕→靜電噴涂→印標(biāo)→包裝。

3.2 原材料的選擇

3.2.1 樹脂的選擇

摩擦材料用酚醛樹脂品種很多，但大部分酚醛樹脂脆性大、耐高溫能力較差。經(jīng)過反復(fù)篩選、試驗(yàn)、比較，選擇一種無機(jī)改性酚醛樹脂作為黏接劑，其主要指標(biāo)為：游離酚含量0.32%；水分含量0.26%；流動(dòng)度23.5 mm；固化速度57 s，650 ℃熱分解殘余量48%；細(xì)度(325目)100%；其中圖1為該樹脂的差熱曲線分析圖。

3.2.2 纖維的選擇

以金屬纖維(銅纖維、鋼纖維)為主，無機(jī)礦物纖維的渣球(230目)含量小于2.0%，另加少量的碳纖維和芳綸纖維。

3.2.3 填料的選擇

以增摩材料為主，控制合適的細(xì)度，品質(zhì)穩(wěn)定。

3.3 配方確定

作者經(jīng)過研究，決定將樹脂含量、金屬含量、壓制壓力和熱處理溫度作為關(guān)鍵工位因素，分別取3個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)的配方試驗(yàn)和工藝試驗(yàn)，確定了以下原材料配方：

改性酚醛樹脂5.5%～6.5%；

無機(jī)黏結(jié)劑 4.0%～6.0%；

銅纖維8.0%～9.0%；

鋼纖維 16.0%～18.0%；

無機(jī)礦物纖維 18.5%～20.0%；

碳纖維 3.0%～4.0%；

芳綸纖維 1.0%～2.0%；

增摩材料 27.0.0%～30.0%；

無機(jī)潤(rùn)滑劑 2.0%～3.0%；

摩擦改良劑 10.0%～12.0%。

3.4 工藝參數(shù)的確定

(1)混料(犁耙式混料機(jī))。主機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/mim，鉸刀(3個(gè))轉(zhuǎn)速2 400 r/mim，混料時(shí)間25 mim/鍋，混料最高溫度40 ℃。

(2)壓制(一次成型)。4 MN液壓機(jī)，單位壓力(40±1) MPa，溫度180～190 ℃，4片/模。

(3)熱處理。分段升溫，最高溫度220 ℃，6 h。

(4)平面磨削。分粗磨和精磨，平面度小于0.10 mm。

(5)表面燒蝕。550～570 ℃燒蝕25～30 s。

3.5 工藝適應(yīng)性和質(zhì)量分析

干法生產(chǎn)，流水線作業(yè)，生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低，污染小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，質(zhì)量合格率高。

4 產(chǎn)品測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果分析

根據(jù)氣壓盤式制動(dòng)襯塊產(chǎn)品的使用特性確定測(cè)試項(xiàng)目。在GB 5763-2008標(biāo)準(zhǔn)中，沒有明確指出氣壓盤式制動(dòng)襯塊的分類，一般可歸為4類。該產(chǎn)品的測(cè)試項(xiàng)目多于4類制動(dòng)器襯片，參考了GB/T 26738-2011/ISO 15484:2008 《道路車輛 制動(dòng)襯片摩擦材料 產(chǎn)品確認(rèn)和質(zhì)量保證》中5.4.4 商用車盤式制動(dòng)塊試驗(yàn)計(jì)劃規(guī)定的測(cè)試項(xiàng)目，結(jié)合我國國情，確定該產(chǎn)品的測(cè)試項(xiàng)目、方法和要求。

4.1 產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

表1 小樣定速摩擦試驗(yàn)

表2 小樣變速變壓摩擦試驗(yàn)

表3 物理性能試驗(yàn)

圖2 X-衍射圖譜：顯示樣品不含石棉

步驟制動(dòng)力矩①/(kN·m)試制樣品試驗(yàn)結(jié)果最小值最大值產(chǎn)品規(guī)范和確認(rèn)生產(chǎn)中試結(jié)果最小值最大值批量監(jiān)測(cè)批量生產(chǎn)結(jié)果平均值最大值960km/h;100℃;磨合后1926511100km/h;100℃;磨合后1929617第一次衰退Δfade——————2160km/h;100℃;第一次衰退后1933523100km/h;100℃;第一次衰退后192903060km/h;盤式300℃;鼓式225℃1908532100km/h;盤式300℃;鼓式225℃1902539第二次衰退Δfade——————4760km/h;盤式500℃;鼓式350℃1782849100km/h;盤式500℃;鼓式350℃173175360km/h;100℃178496260km/h;100℃190126560km/h;100℃17832

備注：①在不同壓力下的性能步驟中，報(bào)告輸入壓力為0.6 MPa的制動(dòng)力矩

表6 試驗(yàn)結(jié)束檢查

4.2 結(jié)果分析

通過對(duì)樣品6個(gè)大項(xiàng)的性能檢測(cè)，結(jié)果基本滿意，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。與GB 5763-2008標(biāo)準(zhǔn)中4類剎車片比較，性能要求普遍提高了一倍以上，檢測(cè)項(xiàng)目也增加了，因此，需要制定ADB專用的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 29063-2012/ISO26865:2009《道路車輛 制動(dòng)襯片摩擦材料 氣制動(dòng)商用車性能試驗(yàn)方法》主要檢測(cè)40、60、80、100、120 km/h速度下的壓力相關(guān)，100、300、500、650 ℃在不同速度下的制動(dòng)效能，比QC/T 239-1997(2005) 《貨車、客車制動(dòng)器性能要求》試驗(yàn)項(xiàng)目更多、要求更高，試驗(yàn)程序更接近城市公交車的使用狀況，可考慮作為指定的臺(tái)架試驗(yàn)方法。

試樣的磨損率偏大，還不是很理想，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

5 氣壓盤式制動(dòng)襯塊的應(yīng)用前景

從技術(shù)層面上看，ADB用于城市公交車、高檔客車和貨車是毫無疑義的，在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)做到標(biāo)配也是完全可能的[3]。我國大型客車和公交車市場(chǎng)發(fā)展很快，引入ADB也不是很晚，但是ADB的應(yīng)用目前還不是非常普及，除了價(jià)格方面的原因外，ADB的設(shè)計(jì)還需要大膽創(chuàng)新，解決一些關(guān)鍵性的技術(shù)難題。例如，我國的城市公交車、客車和貨車超載、超速是一個(gè)十分普遍的現(xiàn)象，ADB的制動(dòng)摩擦面積比鼓式制動(dòng)器小一半以上，勢(shì)必更加大了ADB制動(dòng)襯塊的負(fù)荷，單純靠增加制動(dòng)襯塊的摩擦因數(shù)是很難解決制動(dòng)問題的；況且，摩擦因數(shù)超過0.45～0.50后，會(huì)不可避免地帶來磨損增加、制動(dòng)發(fā)啃、抖動(dòng)以及產(chǎn)生制動(dòng)噪聲等負(fù)面效應(yīng)，需要通過改進(jìn)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)來緩解或消除。為確保制動(dòng)安全，可以考慮加大氣室，現(xiàn)在最大的基本上是57.15 cm(22.5英寸)的，應(yīng)該可以突破；二是加大摩擦面積，提高制動(dòng)力矩。

緩速器的配置也是從根本上減輕制動(dòng)襯塊負(fù)荷的有效措施。實(shí)踐證明：不加緩速器的城市公交車極端條件下制動(dòng)時(shí)可能會(huì)達(dá)到700 ℃以上的瞬時(shí)高溫，摩擦表面嚴(yán)重碳化，同時(shí)極易出現(xiàn)掉片現(xiàn)象，十分危險(xiǎn)；而安裝了緩速器的城市公交車，制動(dòng)靈敏、平順，制動(dòng)襯塊可使用5×107m以上，ADB的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)也得到了充分發(fā)揮。

城市公交和大型客車的發(fā)展非常迅速，為緩解一、二線城市普遍存在的交通擁堵問題，很多城市開始重點(diǎn)發(fā)展公共交通，鼓勵(lì)民眾乘坐公共交通工具，盡量減少私家車的出行。公共交通的普及將刺激相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括推動(dòng)ADB和氣壓盤式制動(dòng)襯塊的技術(shù)進(jìn)步和高速發(fā)展。

在客車和貨車市場(chǎng)方面，前橋裝配ADB的技術(shù)已經(jīng)基本成熟，裝配比例越來越高，如蘇州金龍、宇通客車、丹東黃?？蛙?、一汽客底、東風(fēng)車橋、中國重汽、北汽福田、紅巖重卡等，氣壓盤式制動(dòng)襯塊迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，將成為汽車摩擦材料行業(yè)突出的增長(zhǎng)點(diǎn)。

6 結(jié)論

隨著城市公交車用ADB的普及，研究開發(fā)氣壓盤式制動(dòng)襯塊有特別重要的意義。通過使用高性能的原材料、研究科學(xué)的產(chǎn)品配方、采用新的生產(chǎn)工藝和裝備、針對(duì)產(chǎn)品的使用狀況進(jìn)行多項(xiàng)產(chǎn)品測(cè)試，包括采用國際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，研制出了性能優(yōu)異的氣壓盤式制動(dòng)襯塊，在重要的技術(shù)指標(biāo)上取得了關(guān)鍵性突破，高溫摩擦性能、速度穩(wěn)定性、壓力穩(wěn)定性都非常好，符合ADB對(duì)制動(dòng)襯塊的技術(shù)要求，綜合性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

與國外高端同類產(chǎn)品相比，盡管有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但是制動(dòng)力矩依然偏低[4]、磨損偏大，測(cè)試項(xiàng)目上還沒有做產(chǎn)品導(dǎo)熱性和危害性材料的研究和分析，這是今后要研究和改進(jìn)的方向。

【1】 張德林,張克剛.氣壓盤式制動(dòng)襯塊研發(fā)技術(shù)要求[J].摩擦密封材料，2008(3):93-100.

【2】 紀(jì)王芳.載重汽車行車制動(dòng)器制動(dòng)性能的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

【3】 朱典彬,羅方.氣壓盤式制動(dòng)器在我國客車上的應(yīng)用狀況及趨勢(shì)分析[C]//2009公共汽車安全技術(shù)論壇?？?零部件篇,2009:45-47.

【4】 勇波.氣壓盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算[J].機(jī)械工程師，2007(6):129-130.

DevelopmentandApplicationofAirDiscPadsUsinginCityBus

CHEN Kewen，DUAN Yaping

(China National Non-metallic Mineral Products Quality Supervision Inspection Test Center,Xianyang Shaanxi 712021,China)

2014-07-14

陳克文(1967—)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用、檢測(cè)技術(shù)、質(zhì)量管理等工作。E-mail：chenkewen2@126.com。