張春燕,何春霞,喬印虎,陳杰平,徐 壯

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2. 安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

改性酚醛樹脂基復(fù)合材料制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

張春燕1,2,何春霞1*,喬印虎2,陳杰平2,徐 壯2

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2. 安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

目的:為改善汽車制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)汽車行駛的安全性和停車的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)和分析改性酚醛樹脂基復(fù)合材料制動(dòng)系統(tǒng)。方法: 以中高級(jí)轎車的制動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象主要從結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)驗(yàn)制得的改性酚醛樹脂基復(fù)合摩擦材料作為制動(dòng)塊的材料，應(yīng)用有限元軟件ALGOR對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果分析其制動(dòng)過(guò)程、材料性能及其他特性。結(jié)果: 硼化物改性酚醛樹脂材料制動(dòng)塊的摩擦系數(shù)變化范圍是0.45～0.48，而純酚醛樹脂制動(dòng)塊摩擦系數(shù)的變化范圍為0.28～0.48。結(jié)論: 說(shuō)明硼化物改性縮小了酚醛樹脂摩擦系數(shù)的變化范圍，從而改善了制動(dòng)系統(tǒng)性能。

制動(dòng)系統(tǒng)；摩擦磨損；數(shù)值模擬；改性酚醛樹脂

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)汽車的可靠性、舒適性和安全性提出了越來(lái)越高的要求，汽車制動(dòng)系統(tǒng)是關(guān)鍵。因此，能夠分析、設(shè)計(jì)出具有穩(wěn)定、可靠、舒適、環(huán)保的制動(dòng)器是改善汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)[1-3]，而各種新材料的應(yīng)用使其成為可能和必然。酚醛樹脂(PF)作為汽車摩擦材料在國(guó)內(nèi)外已被廣泛地研究。但是，酚醛樹脂的脆性高，且耐熱性差，致使剎車片的使用壽命較短及制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能較差[4]。

改性酚醛樹脂基復(fù)合摩擦材料作為新型材料[5-7]，用于汽車摩擦制動(dòng)塊，具有耐磨性好、噪音小、污染小、制動(dòng)效果好、并能延長(zhǎng)剎車盤使用壽命等特點(diǎn)，本研究嘗試從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新型改性酚醛樹脂基復(fù)合摩擦材料配置及應(yīng)用兩個(gè)角度著手提高汽車制動(dòng)性能，并應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 汽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 浮鉗盤式汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建模

針對(duì)浮鉗盤式制動(dòng)器，采用的材料為HT250，結(jié)構(gòu)為禮帽形，且盤為實(shí)心盤。制動(dòng)鉗一般由可鍛鑄鐵(HKT370-12)鍛造而成，少數(shù)用輕質(zhì)合金壓鑄而成。制動(dòng)塊是由摩擦材料和底板兩部分通過(guò)壓嵌或鉚接在一起形成一個(gè)整體。取摩擦片厚度為9 mm，制動(dòng)底板為5 mm。其模型如圖1所示。

圖1 制動(dòng)器主要零部件及裝配模型

Fig.1 Main parts and assembly model of brake

(a)前制動(dòng)盤 (b)后制動(dòng)盤 (c)制動(dòng)鉗 (d)制動(dòng)襯塊 (e)前制動(dòng)器

(a) Front brake disc (b) Rear brake disc (c) Brake caliper (d) Brake pad (e) Front brake

1.2 浮鉗盤式汽車制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線分析

前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力的分配對(duì)汽車制動(dòng)時(shí)方向的穩(wěn)定性以及附著條件利用程度有著很大影響；所以它是設(shè)計(jì)制動(dòng)系時(shí)必須要解決的問(wèn)題；根據(jù)前面參數(shù)和制動(dòng)力分配系數(shù)，使用MATLAB編制程序?qū)С銎囍苿?dòng)力分配曲線如圖2所示[8-10]。當(dāng)I線與β線相交時(shí)，前、后輪同時(shí)抱死；當(dāng)I線在β線下方時(shí)，前輪先抱死；當(dāng)I線在β線上方時(shí)，后輪先抱死。由前面可求得；Ff1=FB1=φZ(yǔ)1=0.7×12360=8652N；Ff2=FB2=φZ(yǔ)2=0.7×7080=4956N。由分配曲線可知，I線(滿載)與β線相交時(shí)，F(xiàn)f1、Ff2的值與理論求得基本相同。通過(guò)該圖可知相關(guān)參數(shù)和制動(dòng)力分配合理。其MATLAB制動(dòng)力分配程序?yàn)椋?/p>

F=0 ∶0.2 ∶20;hg=0.66;hg1=0.72;

G=19.1;G1=15.2;

L2=1.42;L21=1.48;L=2.85;

gg=(1/2)*(((G/hg)*sqrt(L2^2+4*hg*L*F/G))-(G*L2/hg+2*F));

gg1=(1/2)*(((G1/hg1)*sqrt(L21^2+4*hg1*L*F/G1))-(G1*L21/hg1+2*F));

c=0.66;

y=((1-c)/c)*F;

plot(F,gg,F,gg1,F,y);

xlabel('Ff1/KN');

ylabel('Ff2/KN');

title('該中級(jí)車制動(dòng)力分配曲線');

汽車上坡路上停駐時(shí)的受力簡(jiǎn)圖如圖3所示，經(jīng)計(jì)算，α=24.30 °,α’=18.03 °，一般要求汽車的最大停駐坡度不小于16%～20%(9.1°～11.3°)，滿足要求。

圖2 中級(jí)車前、后輪制動(dòng)力分配曲線

圖3 車輛停駐在上坡路時(shí)的受力簡(jiǎn)圖

2 制動(dòng)系統(tǒng)剎車襯片數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 制動(dòng)塊材料選擇

首先對(duì)比分析了硼改性酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂改性酚醛樹脂、腰果殼油改性酚醛樹脂、高分子改性酚醛樹脂和丁腈橡膠改性酚醛樹脂五種基體對(duì)摩擦材料性能影響如表1所示。結(jié)果表明：硼改性酚醛樹脂基摩擦材料的摩擦系數(shù)最大、磨損量最小，分別為0.166和1.23 mg。然后應(yīng)用硼改性酚醛樹脂基復(fù)合材料制備試樣并通過(guò)熱重分析儀等測(cè)定其性能，如表2所示，為提高測(cè)量準(zhǔn)確度，表中數(shù)據(jù)是連測(cè)3次取平均值而得。最后應(yīng)用改硼改性酚醛樹脂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)制動(dòng)塊的計(jì)算機(jī)模型。

表1 基體對(duì)材料摩擦性能的影響[11]

表2 設(shè)計(jì)制動(dòng)塊用硼改性酚醛樹脂基復(fù)合摩擦材料性能參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)原理及方法

為使數(shù)值模擬更接近實(shí)際情況，建立了制動(dòng)塊以及與其產(chǎn)生接觸摩擦運(yùn)行的轉(zhuǎn)盤兩個(gè)有限元模型，如圖4所示。制動(dòng)塊的材料選用硼改性酚醛樹脂基復(fù)合摩擦材料，制動(dòng)轉(zhuǎn)盤選用HT250，并輸入不同的溫度和載荷進(jìn)行模擬分析，其溫度載荷曲線如圖5所示。

其中紫色的曲線表示載荷，藍(lán)色的曲線表示溫度，設(shè)置為面接觸，轉(zhuǎn)速為5.45 m/s，接觸時(shí)間為3600 s，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.166等進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置并仿真分析其制動(dòng)塊和轉(zhuǎn)盤在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的綜合性能。

圖4 制動(dòng)塊及轉(zhuǎn)盤有限元模型

圖5 模擬環(huán)境中的溫度和載荷分布曲線

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6 制動(dòng)塊及轉(zhuǎn)盤在不同載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果

圖7 制動(dòng)塊在不同溫度作用下的應(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果

圖8 制動(dòng)塊在不同溫度和載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果

分析結(jié)果如圖6～8所示，通過(guò)分析得出硼化物改性酚醛樹脂比純酚醛樹脂初始分解溫度提高了130 ℃，劇烈分解溫度提高了260 ℃；在100 ℃到350 ℃間摩擦系數(shù)最小為0.45，最大為0.48，而純酚醛樹脂摩擦系數(shù)的變化范圍是0.28～0.48，說(shuō)明硼化物改性縮小了酚醛樹脂基材料摩擦系數(shù)的變化范圍，使制動(dòng)塊的摩擦穩(wěn)定性得到改善，與劉軍恒等[12]實(shí)驗(yàn)結(jié)果硼改性酚醛樹脂摩擦性能最佳基本相同。

3 結(jié)論

文章以中級(jí)轎車制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，主要工作及結(jié)論如下：

(1)依據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)要求設(shè)計(jì)并建立了浮鉗盤式汽車制動(dòng)系統(tǒng)及主要零部件的三維模型，應(yīng)用MATLAB編程繪制出該車輛的實(shí)際制動(dòng)力分配曲線；

(2)通過(guò)對(duì)制動(dòng)塊和制動(dòng)盤數(shù)值模擬分析，制動(dòng)塊的材料對(duì)其摩擦性能有顯著影響，其中硼化物改性酚醛樹脂基材料制動(dòng)塊的摩擦系數(shù)變化范圍是0.45～0.48，而純酚醛樹脂制動(dòng)塊摩擦系數(shù)的變化范圍為0.28～0.48，說(shuō)明硼化物改性縮小了酚醛樹脂摩擦系數(shù)的變化范圍，使其制備的制動(dòng)塊摩擦性能更穩(wěn)定；

(3) 最后對(duì)制動(dòng)性能進(jìn)行分析也都滿足要求，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

[1]唐平．轎車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D]．成都：西華大學(xué)，2012．

[2]喬印虎，陳杰平，易勇．基于AD7202采集卡的磁流變振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制[J]．安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22(6)：28-31．

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(責(zé)任編輯：李孟良)

Design and Analysis of Braking System with Composites Based on Modified Phenolic Resin

ZHANG Chun-yan1, 2, HE Chun-xia1*, QIAO Yin-hu2, CHEN Jie-ping2, XU Zhuang2

(1. College of Engineering, Nanjing Agriculture University, Nanjing 210031, China;2. College of Mechanical Engineering, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China)

Objective: To improve the safety of automobile braking system and the stability of parking, the braking system of high-class cars was mainly designed from two aspects of structure and materials. Methods: Specifically, it means the modified phenolic resin-based composite was used as the material of the braking block and simulated by ALGOR to analyze the braking process, material properties and other characteristics. Results: The results showed that the friction coefficient of the braking block of boron modified phenolic resin material is 0.45 ～ 0.48, while the friction coefficient of pure phenolic resin braking block is 0.28 ～ 0.48. Conclusion: This indicates that the boride modification reduces the friction coefficient of phenolic resin and improves the braking system performance.

Braking system; Friction and wear; Simulation; Modified phenolic resin

2016-09-12

安徽省優(yōu)秀青年基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2013SQRL062ZD)；安徽科技學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科(AKZDXK2015C03)；安徽科技學(xué)院自然科學(xué)基金一般項(xiàng)目(ZRC2016492)。

張春燕(1983-)，女，陜西省靖邊縣人，碩士，講師，主要從事復(fù)合材料及性能研究。*通訊作者：何春霞，教授，E-mail: Chunxiahe@njau.edu.cn。

U465.6

A

1673-8772(2016)06-0083-05