摘要：本文研究并解決了奧迪轎車盤式制動器的制動塊國產化中的兩項關鍵技術。首先結合地區資源優勢，開發成功性能優于國外摩阻材料的碳纖維無石棉復合摩阻材料，另外開發了制動塊背板的精沖工藝。本研究成果為實現奧迪轎車盤式制動器制動塊的國產化打好了基礎。 關鍵詞：盤式制動器 制動塊 碳纖維復合摩阻材料 背板 精沖 1 前言 盤式制動器是汽車制動系中的重要執行部件，目前已廣泛應用于轎車中。該類制動器的摩擦副中的制動元件是由摩擦塊（剎車片）與金屬背板所組成的制動塊，而摩擦塊則由摩阻材料制成。半個多世紀以來，汽車制動器的摩阻材料一直沿用石棉基摩阻材料。由于石棉摩阻材料的使用壽命低，易出現“熱衰退”現象[1]，特別是石棉粉塵污染環境，危害人類健康。因此，近20 年來世界各國都對石棉摩阻材料的生產與使用加以限制，并開始研制與使用新一代復合纖維增強摩阻材料來制作汽車制動器的摩擦塊。鑒于此種發展趨勢，我們結合吉林省較豐富的碳纖維資源優勢，針對奧迪轎車盤式制動器的制動塊的國產化中的關鍵技術進行了研究開發。 2 碳纖維復合材料汽車制動器摩擦塊的研制 所研制的碳纖維復合材料摩阻材料系由增強纖維、粘接劑和摩擦性能調節劑（填料）組成的多元體系。采用正交優化設計方法，確定材料組分的最佳優化配方，使摩阻材料具有良好的綜合性能，之后經過混料、熱壓成形、熱處理等工序，壓制成盤式制動器的摩擦塊。 2.1 材料配方的確定 2.1.1 材料的選擇 （1）增強纖維的選擇 由于碳纖維具有優異的綜合性能：重量輕，比強度、比模量較高（分別是金屬的5 倍和7 倍），導熱性能好，耐磨性好，耐高溫性能好（在小于400℃時性能很穩定）[2]。因此，選定吉林省資源豐富的碳纖維作為所研制的摩阻材料的增強纖維。 （2）粘結劑的選擇 粘結劑的作用是將多個組分結合成一個整體，來傳遞載荷并使載荷均衡。通常都使用酚醛樹脂作粘接劑，因為酚醛樹脂在耐熱性、成型加工性和經濟性等方面都具有一定的優點。但是未經改性的酚醛樹脂硬度較高、脆性大，其極限耐熱溫度約為250℃，超過300℃時分解相當嚴重，使抗拉強度及抗沖擊性能降低，從而使產品易形成制動噪聲及打滑現象。同時由于其彈性模量較高，使產品與摩擦對偶貼合性不好，容易產生嚴重的局部過熱，造成熱裂現象。因此，在實際應用中均采用改性的酚醛樹脂。根據我們多年研究石棉和半金屬摩阻材料的經驗，選用丁腈橡膠改性的酚醛樹脂（FH-908）作粘結劑。該粘結劑具有耐高溫、耐疲勞性能好，耐濕熱老化，耐大氣老化，耐介質性好等優點。 （3）摩擦性能調節劑 加入各種摩擦性能調節劑（填料）的作用是用以解決在各種情況下摩阻材料的摩擦系數穩定且耐磨，能改善熱衰退性等。選擇填料應遵循如下原則：填料的硬度不應大于偶對面的硬度；熔點應低于偶對材料的融合溫度。實際采用的填料成分如下： 1） 金屬粉末：它主要用以改善導熱性，減少磨損并保持高溫摩擦系數的穩定。我們選擇的金屬粉末有銅粉（粒度30～80 目），HT200 鑄鐵粉（粒度40～60 目）。 2） 固體潤滑劑：它能提高摩擦系數的穩定性，減少噪聲等。本研究中采用石墨和碳黑作固體潤滑劑。 3） 摩擦劑：固體潤滑劑雖能減少材料磨損，使摩阻材料工作穩定，但卻降低了摩擦系數。故為了提高摩擦系數還需加入摩擦劑。本研究中采用Al2O3、SiO2 及鉻礦粉作為摩擦劑[3]。 2.1.2 摩阻材料配方的確定 在研制過程中，摩阻材料配方的確定分兩步進行：第一步提出初步配方；第二步進行優化設計。最后確定合理配方。 （1）初步配方 通過查閱國內外有關資料，并結合我們研制半金屬制動襯片的經驗[3]，提出碳纖維復合摩阻材料的原始配方。采用L9（34）正交表，即四因素三水平正交表進行篩選、考核。經過兩輪的調整、測試，作為研究的初步配方。初步配方如下（wt%）： 碳纖維 16～25 粘接劑 11～17 摩擦劑（SiO2+Al2O3） 4～10 金屬粉末（鑄鐵粉） 19～28 固體潤滑劑（石墨+碳黑） 10～19 固定成分 10 （2）最后配方確定 為了能用較少的試驗次數獲得優化配方，并了解影響摩擦磨損性能的主次因素，我們采用L16（45）即五因素四水平的正交表進行篩選、分析。同時采用MM-200 摩擦磨損試驗機進行磨損試驗，分別按摩擦系數和體積磨損量來分析組分的優化水平及組分影響的主次順序。還在D-MS 試驗機上進行了熱衰退試驗，根據試驗結果，按摩擦系數分析組分的優化水平和組分影響的主次順序。亦按體積磨損量分析了組分的優化水平及各因素影響磨損率的主次順序。 最后綜合分析上述試驗結果，得出摩擦磨損性能良好的碳纖維復合摩阻材料的較佳配方范圍是（wt%）： 摩擦劑（Z1） 6～8 碳纖維（Z2） 16～19 粘結劑（Z3） 13～15 金屬粉末（Z4） 22～25 固體潤油劑（Z5） 10～13 為了降低成本并擴大應用范圍，在上述試驗的基礎上，選用較便宜的預氧碳纖維（長度為8mm）進行試驗研究。在多輪試驗的基礎上，確定了實際生產中的經濟型配方。其成分范圍是：Z1：8%～10%；Z2： 19%～22%；Z3：15%～17%；Z4：22%～25%；Z5：13%～16%。 2.2 碳纖維復合材料摩擦塊的摩擦磨損性能 2.2.1 摩擦系數較高 由于碳纖維比強度、比模量高，并且具有自潤滑性能。在所設計的碳纖維含量為19%～22%時，摩阻材料具有較高的摩擦系數，同時體積磨損率也較低。 2.2.2 抗熱衰退性能好 碳纖維復合摩阻材料，在高溫摩擦作用下，其抗犁切阻力增大，表現出在高溫時摩擦系數較大，熱分解層薄，能使摩擦磨損性能在很高溫度時保持穩定，抗熱衰退性能好。 所研制的碳纖維復合材料摩擦塊，經國家汽車質量監督檢驗中心檢驗，其技術性能指標符合國家標準GB5763－1986，其使用壽命是石棉摩阻材料的2～3 倍[3]。 3 摩擦塊背板精沖工藝 奧迪轎車盤式制動器摩擦塊背板的產品圖如圖1 所示。按照英國盧卡斯·格林（Lucas.Girling）公司的技術條件與大眾公司供貨標準（TL-VW-110）的要求，對背板的特征與技術要求見表1。 [align=center] 圖1 奧迪轎車盤式制動器摩擦塊背板產品圖[/align] [align=center] 表1 背板零件的特征與技術要求 [/align] 鑒于背板的制件精度要求較高，且用量大，故采用精沖工藝生產具有較顯著的經濟效益。 3.1 精沖工藝設計及計算 根據背板的產品圖樣與技術要求，采用國產鋼35（GBT699－1999）材料，鋼板厚度為t=5±0.2mm。該材料的主要力學性能為：抗拉強度σb= 530MPa，供貨時退火狀態硬度為197HB。 沖裁力按下式計算 W =1.2 Lτ t （1） 式中：W——沖裁力，kN； L——沖裁件內外輪廓周長，mm； τ——板料的剪切強度，MPa； t——板料厚度，mm。 將相關值代入式（1）經計算得 W=1250kN 壓邊力按下式計算 P2=KL1＊2h＊σb 式中 P2 ——壓邊力，kN； K——系數，取K=1.6； h——V 形齒的高度，取h=0.8mm； σb ——板料的抗拉強度， σb =530MPa。 經過計算得到強力齒圈的壓邊力及反壓力： P2 =200kN 綜合上述兩項知沖裁力總噸位約為150t。 按文獻[4]確定沖裁的搭邊值，其中工件間的搭邊值b=8mm，外搭邊值a=6mm。 沖裁工藝安排如下：采用GB3275－1991 的熱軋鋼板，剪床下料后進行酸洗處理，在Y26-630 國產液壓精沖壓邊機上采用復合模進行精沖。 3.2 精沖模的設計與制造要點 為獲得表面平整且外輪廓面平齊的背板沖壓件，采用如圖2 所示的固定凸模式復合模。 本模具選用JD003－82 系列精沖模架，以提高模具質量和縮短加工周期[5]。 因沖裁板料較厚且為中等硬度鋼板，模具的主要工作零件選用Cr12MoV 鋼制造，同時淬火硬度為60～64HRC。 沖裁工藝間隙取Z=1.0t%，即可收到較好斷面質量。如圖3 所示，采用單面V 形齒圈結構[4]，齒形內角α = 40o。 [align=center] 圖2 背板精沖復合模[/align] [align=center] 圖3 V形壓邊齒圈[/align] 4 結論 奧迪轎車盤式制動器制動塊是一種科技含量較高，使用壽命較長的關鍵零部件。根據德國大眾汽車公司的供貨標準TL-VW-110：其摩擦塊為無石棉摩阻材料；背板為中硬鋼精沖件。目前國產奧迪轎車盤式制動器的制動塊一直采用英國盧卡斯·格林公司的進口件配套。本研究針對這一背景并在充分利用吉林省碳纖維資源豐富的條件下，自主研究開開碳纖維復合材料無石棉摩擦塊與背板的精沖工藝，解決了該產品國產化中的兩項關鍵技術問題，為實現奧迪轎車盤式制動器制動塊的國產化奠定了基礎。