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 233100)

改性酚醛樹脂基復(fù)合材料制動系統(tǒng)設(shè)計及分析

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 233100)

目的:為改善汽車制動系統(tǒng)對汽車行駛的安全性和停車的穩(wěn)定性,設(shè)計和分析改性酚醛樹脂基復(fù)合材料制動系統(tǒng)。方法: 以中高級轎車的制動系統(tǒng)為對象主要從結(jié)構(gòu)和材料兩個方面進(jìn)行設(shè)計，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塊的材料，應(yīng)用有限元軟件ALGOR對其進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果分析其制動過程、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塊的摩擦系數(shù)變化范圍是0.45～0.48，而純酚醛樹脂制動塊摩擦系數(shù)的變化范圍為0.28～0.48。結(jié)論: 說明硼化物改性縮小了酚醛樹脂摩擦系數(shù)的變化范圍，從而改善了制動系統(tǒng)性能。

制動系統(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，人們對汽車的可靠性、舒適性和安全性提出了越來越高的要求，汽車制動系統(tǒng)是關(guān)鍵。因此，能夠分析、設(shè)計出具有穩(wěn)定、可靠、舒適、環(huán)保的制動器是改善汽車設(shè)計的一個很重要的環(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系統(tǒng)的制動性能較差[4]。

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

1 汽車制動系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 浮鉗盤式汽車制動系統(tǒng)設(shè)計及建模

針對浮鉗盤式制動器，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。制動塊是由摩擦材料和底板兩部分通過壓嵌或鉚接在一起形成一個整體。取摩擦片厚度為9 mm，制動底板為5 mm。其模型如圖1所示。

圖1 制動器主要零部件及裝配模型

Fig.1 Main parts and assembly model of brake

(a)前制動盤 (b)后制動盤 (c)制動鉗 (d)制動襯塊 (e)前制動器

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

1.2 浮鉗盤式汽車制動器制動力分配曲線分析

前、后輪制動器制動力的分配對汽車制動時方向的穩(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)計制動系時必須要解決的問題；根據(jù)前面參數(shù)和制動力分配系數(shù)，使用MATLAB編制程序?qū)С銎囍苿恿Ψ峙淝€如圖2所示[8-10]。當(dāng)I線與β線相交時，前、后輪同時抱死；當(dāng)I線在β線下方時，前輪先抱死；當(dāng)I線在β線上方時，后輪先抱死。由前面可求得；Ff1=FB1=φZ1=0.7×12360=8652N；Ff2=FB2=φZ2=0.7×7080=4956N。由分配曲線可知，I線(滿載)與β線相交時，F(xiàn)f1、Ff2的值與理論求得基本相同。通過該圖可知相關(guān)參數(shù)和制動力分配合理。其MATLAB制動力分配程序?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('該中級車制動力分配曲線');

汽車上坡路上停駐時的受力簡圖如圖3所示，經(jīng)計算，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 中級車前、后輪制動力分配曲線

圖3 車輛停駐在上坡路時的受力簡圖

2 制動系統(tǒng)剎車襯片數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 制動塊材料選擇

首先對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熱重分析儀等測定其性能，如表2所示，為提高測量準(zhǔn)確度，表中數(shù)據(jù)是連測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)計制動塊的計算機(jī)模型。

表1 基體對材料摩擦性能的影響[11]

表2 設(shè)計制動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，建立了制動塊以及與其產(chǎn)生接觸摩擦運(yùn)行的轉(zhuǎn)盤兩個有限元模型，如圖4所示。制動塊的材料選用硼改性酚醛樹脂基復(fù)合摩擦材料，制動轉(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，接觸時間為3600 s，動摩擦系數(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塊和轉(zhuǎn)盤在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的綜合性能。

圖4 制動塊及轉(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 制動塊在不同溫度作用下的應(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果

圖8 制動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

文章以中級轎車制動系統(tǒng)為研究對象對其進(jìn)行設(shè)計和分析，主要工作及結(jié)論如下：

(1)依據(jù)制動系統(tǒng)各項(xiàng)要求設(shè)計并建立了浮鉗盤式汽車制動系統(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)際制動力分配曲線；

(2)通過對制動塊和制動盤數(shù)值模擬分析，制動塊的材料對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塊的摩擦系數(shù)變化范圍是0.45～0.48，而純酚醛樹脂制動塊摩擦系數(shù)的變化范圍為0.28～0.48，說明硼化物改性縮小了酚醛樹脂摩擦系數(shù)的變化范圍，使其制備的制動塊摩擦性能更穩(wěn)定；

(3) 最后對制動性能進(jìn)行分析也都滿足要求，基本達(dá)到了設(shè)計預(yù)期目標(biāo)。

[1]唐平．轎車制動系統(tǒng)的設(shè)計與優(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實(shí)驗(yàn)臺研制[J]．安徽科技學(xué)院學(xué)報，2008，22(6)：28-31．

[3]陳杰平，李進(jìn)，喬印虎．圓環(huán)形薄板大撓度變形有限元分析比較研究[J]．安徽科技學(xué)院學(xué)報，2016，50(2)：32-38．

[4]LI Wen-bin, HUANG Jian-feng, FEI Jie, et al. Novel approach to studying the influence of surface structure on tribological properties of Carbon fabric reinforced phenolic composites[J]. Tribology International, 2015, 81(1): 209-214.

[5]TIROVIC M, SARWAR G A. Design synthesis of non-symmetrically loaded high-performance disc brakes:Part 2:Finite element modelling[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical EngineersJournal of Rail and Rapid Transit, 2004, 218(2): 89-104.

[6]黃俊欽，林有希．耐高溫改性酚醛樹脂基復(fù)合摩擦材料研究進(jìn)展[J]．工程塑料應(yīng)用，2014，42(1)：116-120．

[7]劉濤，曾黎明．摩擦材料用改性酚醛樹脂的研究進(jìn)展[J]．塑料科技，2008，36(12)：84-88．

[8]王愛國，秦?zé)樔A．基于多體模型的EPS和ABS協(xié)調(diào)控制研究[J]．安徽科技學(xué)院學(xué)報，2016，30(2)：39-46．

[9]吳良義，羅蘭，溫曉蒙．熱固性樹脂基體復(fù)合材料的應(yīng)用及其工業(yè)進(jìn)展[J]．熱固性樹脂，2008，23(z1)：22-31．

[10]楊叔子，楊克沖．機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：80-117．

[11]葛波，何春霞，劉軍恒，等．碳粉粒度對腰果殼油改性PF基摩擦材料性能的影響[J]．工程塑料應(yīng)用，2015，43(5)：7-12．

[12]劉軍恒，何春霞，劉靜，等．硼改性酚醛樹脂與丁腈橡膠比例對摩擦材料性能的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(18)：84-89．

(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