城市公交車用氣壓盤式制動襯塊的開發應用

陳克文，段亞萍

(國家非金屬礦制品質量監督檢驗中心，陜西咸陽 712021)

城市公交車用氣壓盤式制動襯塊的開發應用

陳克文，段亞萍

(國家非金屬礦制品質量監督檢驗中心，陜西咸陽 712021)

城市公交車用氣壓盤式制動器(ADB)是汽車制動器發展的趨勢。ADB對盤式制動襯塊有很高的技術要求。采取了一系列技術措施，解決了高溫摩擦性能穩定性和物理性能等問題，探索了盤式制動襯塊的測試項目和方法。

公交車；氣壓盤式制動器；制動襯塊

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

相對氣壓鼓式制動器而言，氣壓盤式制動器(ADB)具有熱交換快、制動可靠性高、舒適性好、平順性好、有效降低制動噪聲、制動襯片使用時間長、制動器結構緊湊、質量輕等優點，應用越來越廣泛。1996年歐洲的商用車就開始批量裝配ADB，至2000年，ADB(前后制動均為盤式)已經成為歐美國家城市公交車的標準配置。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。 2004年7月1日交通部強制在7～12 m高Ⅱ型客車上“必須” 配備ADB。隨著GB7258-2012《機動車運行安全技術條件》和GB24407-2012《專用校車安全技術條件》的出臺，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 氣壓盤式制動器對制動襯塊的技術要求

隨著我國城鎮化建設的發展，城市越來越多，也越來越大，城市公交車不僅數量在大幅增加，而且路線越來越長，使用環境越來越惡劣，使用要求越來越高。由于存在較多的頻繁制動、負荷加大、速度加快，同時又要求整車的輕量化、低排放，對城市公交車用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定的制動力矩、很小的制動噪聲及很好的使用可靠性。

對ADB使用的制動襯塊而言，需要滿足以下技術要求[1]：

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

(2)剪切強度大，在常溫不小于5.0 MPa，在(300±10) ℃時不小于3.0 MPa(確保在高溫及惡劣環境下緊急制動時襯塊不脫落)；

(3)熱膨脹量小，在(400±10) ℃時不大于1.0%(防止高溫狀態下因制動襯塊膨脹而產生拖磨)；

(4)壓縮應變小，在常溫不大于1.0%，在(400±10) ℃時不大于2.0%(制動器推桿行程不因制動襯塊的壓縮應變而產生大的變化，保持制動力矩穩定)；

(5)較大的氣孔率，不小于11%(是有效降低制動噪聲的重要保證)；

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

(7)對對偶無明顯損傷(提高ADB的使用質量)；

(8)不含禁用材料成分，制動時不發出尖銳噪聲和惡臭(國內外環保法規的要求)。

2 氣壓盤式制動襯塊的研制原則

由于ADB使用要求較高，氣壓盤式制動襯塊在使用時要經過嚴酷的考驗，特別是要有更好的耐高溫特性，這與液壓盤式制動襯塊有較大的差異。因此，在研制、開發氣壓盤式制動襯塊產品時，應從產品性能要求入手，在制定生產工藝路線、原材料選擇、工藝參數的確定、產品測試項目等方面要大膽創新，有全新的思路和突破，才能從根本上解決關鍵技術難題，科學決策，少走彎路，以達到預期的目標。

氣壓盤式制動襯塊的研制原則是[2]：

(1) 準確掌握ADB對氣壓盤式制動襯塊的技術要求；

(2) 結合國內外先進的制造技術，制定合理的工藝路線；

(3) 提高對使用的有機材料的質量要求，樹脂的熱分解溫度要高，分散性要好；

(4) 根據產品配方的特性，選擇合適的加工設備，特別是混料機和液壓機、模具；

(5) 壓制溫度高、壓力大，熱處理溫度高、時間長；

(6) 參照GB/T 26738-2011/ISO 15484:2008 《道路車輛 制動襯片摩擦材料 產品確認和質量保證》進行研發和生產；

(7) 按照GB/T 29063-2012/ISO 26865:2009 《道路車輛 制動襯片摩擦材料 氣制動商用車性能試驗方法》進行臺架試驗和分析。

3 試驗方案

高水平地研究、開發氣壓盤式制動襯塊產品是一項系統、復雜的工作，為了科學、有效地推進項目的實施，將研發團隊分成了策劃組、市場組、化驗組、試驗組、設備組、檢測組，各司其職，分工合作，共同完成項目任務。6個組的職責分別是：

策劃組：制定項目方案、組織內部溝通、負責技術文件編寫和管理、成本核算；

市場組：掌握、分析市場需求，與用戶技術交流；

化驗組：原材料的調研、收集和檢驗分析，原材料采購；

試驗組：工藝設計、配方設計、制定工藝參數、實施具體的試驗任務；

設備組：設備、模具的調研和購置、安裝、調試，負責生產線建設；

檢測組：試制產品和同類產品的性能檢測、分析。

3.1 工藝路線

混料(犁耙式混料機)→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→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。經過反復篩選、試驗、比較，選擇一種無機改性酚醛樹脂作為黏接劑，其主要指標為：游離酚含量0.32%；水分含量0.26%；流動度23.5 mm；固化速度57 s，650 ℃熱分解殘余量48%；細度(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，控制合適的細度，品質穩定。

3.3 配方確定

作者經過研究，決定將樹脂含量、金屬含量、壓制壓力和熱處理溫度作為關鍵工位因素，分別取3個控制參數進行正交試驗。經過反復的配方試驗和工藝試驗，確定了以下原材料配方：

改性酚醛樹脂5.5%～6.5%；

無機黏結劑 4.0%～6.0%；

銅纖維8.0%～9.0%；

鋼纖維 16.0%～18.0%；

無機礦物纖維 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%；

無機潤滑劑 2.0%～3.0%；

摩擦改良劑 10.0%～12.0%。

3.4 工藝參數的確定

(1)混料(犁耙式混料機)。主機轉速200 r/mim，鉸刀(3個)轉速2 400 r/mim，混料時間25 mim/鍋，混料最高溫度40 ℃。

(2)壓制(一次成型)。4 MN液壓機，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 工藝適應性和質量分析

干法生產，流水線作業，生產效率高，操作簡單，勞動強度低，污染小，產品質量穩定，質量合格率高。

4 產品測試項目及結果分析

根據氣壓盤式制動襯塊產品的使用特性確定測試項目。在GB 5763-2008標準中，沒有明確指出氣壓盤式制動襯塊的分類，一般可歸為4類。該產品的測試項目多于4類制動器襯片，參考了GB/T 26738-2011/ISO 15484:2008 《道路車輛 制動襯片摩擦材料 產品確認和質量保證》中5.4.4 商用車盤式制動塊試驗計劃規定的測試項目，結合我國國情，確定該產品的測試項目、方法和要求。

4.1 產品測試結果

表1 小樣定速摩擦試驗

表2 小樣變速變壓摩擦試驗

表3 物理性能試驗

圖2 X-衍射圖譜：顯示樣品不含石棉

步驟制動力矩①/(kN·m)試制樣品試驗結果最小值最大值產品規范和確認生產中試結果最小值最大值批量監測批量生產結果平均值最大值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，報告輸入壓力為0.6 MPa的制動力矩

表6 試驗結束檢查

4.2 結果分析

通過對樣品6個大項的性能檢測，結果基本滿意，達到了預期的設計效果。與GB 5763-2008標準中4類剎車片比較，性能要求普遍提高了一倍以上，檢測項目也增加了，因此，需要制定ADB專用的國家標準或行業標準。GB/T 29063-2012/ISO26865:2009《道路車輛 制動襯片摩擦材料 氣制動商用車性能試驗方法》主要檢測40、60、80、100、120 km/h速度下的壓力相關，100、300、500、650 ℃在不同速度下的制動效能，比QC/T 239-1997(2005) 《貨車、客車制動器性能要求》試驗項目更多、要求更高，試驗程序更接近城市公交車的使用狀況，可考慮作為指定的臺架試驗方法。

試樣的磨損率偏大，還不是很理想，需要進一步改進。

5 氣壓盤式制動襯塊的應用前景

從技術層面上看，ADB用于城市公交車、高檔客車和貨車是毫無疑義的，在不太長的時間內做到標配也是完全可能的[3]。我國大型客車和公交車市場發展很快，引入ADB也不是很晚，但是ADB的應用目前還不是非常普及，除了價格方面的原因外，ADB的設計還需要大膽創新，解決一些關鍵性的技術難題。例如，我國的城市公交車、客車和貨車超載、超速是一個十分普遍的現象，ADB的制動摩擦面積比鼓式制動器小一半以上，勢必更加大了ADB制動襯塊的負荷，單純靠增加制動襯塊的摩擦因數是很難解決制動問題的；況且，摩擦因數超過0.45～0.50后，會不可避免地帶來磨損增加、制動發啃、抖動以及產生制動噪聲等負面效應，需要通過改進制動器的結構來緩解或消除。為確保制動安全，可以考慮加大氣室，現在最大的基本上是57.15 cm(22.5英寸)的，應該可以突破；二是加大摩擦面積，提高制動力矩。

緩速器的配置也是從根本上減輕制動襯塊負荷的有效措施。實踐證明：不加緩速器的城市公交車極端條件下制動時可能會達到700 ℃以上的瞬時高溫，摩擦表面嚴重碳化，同時極易出現掉片現象，十分危險；而安裝了緩速器的城市公交車，制動靈敏、平順，制動襯塊可使用5×107m以上，ADB的結構優勢也得到了充分發揮。

城市公交和大型客車的發展非常迅速，為緩解一、二線城市普遍存在的交通擁堵問題，很多城市開始重點發展公共交通，鼓勵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產業的發展，包括推動ADB和氣壓盤式制動襯塊的技術進步和高速發展。

在客車和貨車市場方面，前橋裝配ADB的技術已經基本成熟，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、東風車橋、中國重汽、北汽福田、紅巖重卡等，氣壓盤式制動襯塊迎來了新的發展機遇，將成為汽車摩擦材料行業突出的增長點。

6 結論

隨著城市公交車用ADB的普及，研究開發氣壓盤式制動襯塊有特別重要的意義。通過使用高性能的原材料、研究科學的產品配方、采用新的生產工藝和裝備、針對產品的使用狀況進行多項產品測試，包括采用國際標準測試，研制出了性能優異的氣壓盤式制動襯塊，在重要的技術指標上取得了關鍵性突破，高溫摩擦性能、速度穩定性、壓力穩定性都非常好，符合ADB對制動襯塊的技術要求，綜合性能達到了國際先進水平，填補了國內空白。

與國外高端同類產品相比，盡管有較大的價格優勢，但是制動力矩依然偏低[4]、磨損偏大，測試項目上還沒有做產品導熱性和危害性材料的研究和分析，這是今后要研究和改進的方向。

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

【2】 紀王芳.載重汽車行車制動器制動性能的研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

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

【4】 勇波.氣壓盤式制動器制動力矩的計算[J].機械工程師，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，高級工程師，主要從事復合材料的設計和應用、檢測技術、質量管理等工作。E-mail：chenkewen2@126.com。