城市公交车用气压盘式制动衬块的开发应用

陈克文，段亚萍

(国家非金属矿制品质量监督检验中心，陕西咸阳 712021)

城市公交车用气压盘式制动衬块的开发应用

陈克文，段亚萍

(国家非金属矿制品质量监督检验中心，陕西咸阳 712021)

城市公交车用气压盘式制动器(ADB)是汽车制动器发展的趋势。ADB对盘式制动衬块有很高的技术要求。采取了一系列技术措施，解决了高温摩擦性能稳定性和物理性能等问题，探索了盘式制动衬块的测试项目和方法。

公交车；气压盘式制动器；制动衬块

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

相对气压鼓式制动器而言，气压盘式制动器(ADB)具有热交换快、制动可靠性高、舒适性好、平顺性好、有效降低制动噪声、制动衬片使用时间长、制动器结构紧凑、质量轻等优点，应用越来越广泛。1996年欧洲的商用车就开始批量装配ADB，至2000年，ADB(前后制动均为盘式)已经成为欧美国家城市公交车的标准配置。我国从1997年开始在大客车和载重车上推广ADB及ABS防抱死系统。 2004年7月1日交通部强制在7～12 m高Ⅱ型客车上“必须” 配备ADB。随着GB7258-2012《机动车运行安全技术条件》和GB24407-2012《专用校车安全技术条件》的出台，ADB得以迅速推行。北京公交电车公司、上海公交、杭州公交、武汉公交、长沙公交、深圳公交、广州公交等公司都在使用为大客车匹配的ADB，使用ADB的城市公交车还在逐年增加。另外，ADB的使用对匹配ABS、ASR、EBS等电子控制装置具有较大的意义。

1 气压盘式制动器对制动衬块的技术要求

随着我国城镇化建设的发展，城市越来越多，也越来越大，城市公交车不仅数量在大幅增加，而且路线越来越长，使用环境越来越恶劣，使用要求越来越高。由于存在较多的频繁制动、负荷加大、速度加快，同时又要求整车的轻量化、低排放，对城市公交车用ADB提出了很高的要求，在不同的温度和不同的速度下要有稳定的制动力矩、很小的制动噪声及很好的使用可靠性。

对ADB使用的制动衬块而言，需要满足以下技术要求[1]：

(1)高而稳定的摩擦因数，一般不低于0.42(确保ADB获得较大的制动力矩)；

(2)剪切强度大，在常温不小于5.0 MPa，在(300±10) ℃时不小于3.0 MPa(确保在高温及恶劣环境下紧急制动时衬块不脱落)；

(3)热膨胀量小，在(400±10) ℃时不大于1.0%(防止高温状态下因制动衬块膨胀而产生拖磨)；

(4)压缩应变小，在常温不大于1.0%，在(400±10) ℃时不大于2.0%(制动器推杆行程不因制动衬块的压缩应变而产生大的变化，保持制动力矩稳定)；

(5)较大的气孔率，不小于11%(是有效降低制动噪声的重要保证)；

(6)磨损率低，定速试验100～350 ℃总磨损率小于1.00×10-7cm3/(N·m)(提高ADB的工作效率)；

(7)对对偶无明显损伤(提高ADB的使用质量)；

(8)不含禁用材料成分，制动时不发出尖锐噪声和恶臭(国内外环保法规的要求)。

2 气压盘式制动衬块的研制原则

由于ADB使用要求较高，气压盘式制动衬块在使用时要经过严酷的考验，特别是要有更好的耐高温特性，这与液压盘式制动衬块有较大的差异。因此，在研制、开发气压盘式制动衬块产品时，应从产品性能要求入手，在制定生产工艺路线、原材料选择、工艺参数的确定、产品测试项目等方面要大胆创新，有全新的思路和突破，才能从根本上解决关键技术难题，科学决策，少走弯路，以达到预期的目标。

气压盘式制动衬块的研制原则是[2]：

(1) 准确掌握ADB对气压盘式制动衬块的技术要求；

(2) 结合国内外先进的制造技术，制定合理的工艺路线；

(3) 提高对使用的有机材料的质量要求，树脂的热分解温度要高，分散性要好；

(4) 根据产品配方的特性，选择合适的加工设备，特别是混料机和液压机、模具；

(5) 压制温度高、压力大，热处理温度高、时间长；

(6) 参照GB/T 26738-2011/ISO 15484:2008 《道路车辆 制动衬片摩擦材料 产品确认和质量保证》进行研发和生产；

(7) 按照GB/T 29063-2012/ISO 26865:2009 《道路车辆 制动衬片摩擦材料 气制动商用车性能试验方法》进行台架试验和分析。

3 试验方案

高水平地研究、开发气压盘式制动衬块产品是一项系统、复杂的工作，为了科学、有效地推进项目的实施，将研发团队分成了策划组、市场组、化验组、试验组、设备组、检测组，各司其职，分工合作，共同完成项目任务。6个组的职责分别是：

策划组：制定项目方案、组织内部沟通、负责技术文件编写和管理、成本核算；

市场组：掌握、分析市场需求，与用户技术交流；

化验组：原材料的调研、收集和检验分析，原材料采购；

试验组：工艺设计、配方设计、制定工艺参数、实施具体的试验任务；

设备组：设备、模具的调研和购置、安装、调试，负责生产线建设；

检测组：试制产品和同类产品的性能检测、分析。

3.1 工艺路线

混料(犁耙式混料机)→压制(一次成型)→热处理(烘箱)→磨削开槽→表面烧蚀→静电喷涂→印标→包装。

3.2 原材料的选择

3.2.1 树脂的选择

摩擦材料用酚醛树脂品种很多，但大部分酚醛树脂脆性大、耐高温能力较差。经过反复筛选、试验、比较，选择一种无机改性酚醛树脂作为黏接剂，其主要指标为：游离酚含量0.32%；水分含量0.26%；流动度23.5 mm；固化速度57 s，650 ℃热分解残余量48%；细度(325目)100%；其中图1为该树脂的差热曲线分析图。

3.2.2 纤维的选择

以金属纤维(铜纤维、钢纤维)为主，无机矿物纤维的渣球(230目)含量小于2.0%，另加少量的碳纤维和芳纶纤维。

3.2.3 填料的选择

以增摩材料为主，控制合适的细度，品质稳定。

3.3 配方确定

作者经过研究，决定将树脂含量、金属含量、压制压力和热处理温度作为关键工位因素，分别取3个控制参数进行正交试验。经过反复的配方试验和工艺试验，确定了以下原材料配方：

改性酚醛树脂5.5%～6.5%；

无机黏结剂 4.0%～6.0%；

铜纤维8.0%～9.0%；

钢纤维 16.0%～18.0%；

无机矿物纤维 18.5%～20.0%；

碳纤维 3.0%～4.0%；

芳纶纤维 1.0%～2.0%；

增摩材料 27.0.0%～30.0%；

无机润滑剂 2.0%～3.0%；

摩擦改良剂 10.0%～12.0%。

3.4 工艺参数的确定

(1)混料(犁耙式混料机)。主机转速200 r/mim，铰刀(3个)转速2 400 r/mim，混料时间25 mim/锅，混料最高温度40 ℃。

(2)压制(一次成型)。4 MN液压机，单位压力(40±1) MPa，温度180～190 ℃，4片/模。

(3)热处理。分段升温，最高温度220 ℃，6 h。

(4)平面磨削。分粗磨和精磨，平面度小于0.10 mm。

(5)表面烧蚀。550～570 ℃烧蚀25～30 s。

3.5 工艺适应性和质量分析

干法生产，流水线作业，生产效率高，操作简单，劳动强度低，污染小，产品质量稳定，质量合格率高。

4 产品测试项目及结果分析

根据气压盘式制动衬块产品的使用特性确定测试项目。在GB 5763-2008标准中，没有明确指出气压盘式制动衬块的分类，一般可归为4类。该产品的测试项目多于4类制动器衬片，参考了GB/T 26738-2011/ISO 15484:2008 《道路车辆 制动衬片摩擦材料 产品确认和质量保证》中5.4.4 商用车盘式制动块试验计划规定的测试项目，结合我国国情，确定该产品的测试项目、方法和要求。

4.1 产品测试结果

表1 小样定速摩擦试验

表2 小样变速变压摩擦试验

表3 物理性能试验

图2 X-衍射图谱：显示样品不含石棉

步骤制动力矩①/(kN·m)试制样品试验结果最小值最大值产品规范和确认生产中试结果最小值最大值批量监测批量生产结果平均值最大值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;盘式300℃;鼓式225℃1908532100km/h;盘式300℃;鼓式225℃1902539第二次衰退Δfade——————4760km/h;盘式500℃;鼓式350℃1782849100km/h;盘式500℃;鼓式350℃173175360km/h;100℃178496260km/h;100℃190126560km/h;100℃17832

备注：①在不同压力下的性能步骤中，报告输入压力为0.6 MPa的制动力矩

表6 试验结束检查

4.2 结果分析

通过对样品6个大项的性能检测，结果基本满意，达到了预期的设计效果。与GB 5763-2008标准中4类刹车片比较，性能要求普遍提高了一倍以上，检测项目也增加了，因此，需要制定ADB专用的国家标准或行业标准。GB/T 29063-2012/ISO26865:2009《道路车辆 制动衬片摩擦材料 气制动商用车性能试验方法》主要检测40、60、80、100、120 km/h速度下的压力相关，100、300、500、650 ℃在不同速度下的制动效能，比QC/T 239-1997(2005) 《货车、客车制动器性能要求》试验项目更多、要求更高，试验程序更接近城市公交车的使用状况，可考虑作为指定的台架试验方法。

试样的磨损率偏大，还不是很理想，需要进一步改进。

5 气压盘式制动衬块的应用前景

从技术层面上看，ADB用于城市公交车、高档客车和货车是毫无疑义的，在不太长的时间内做到标配也是完全可能的[3]。我国大型客车和公交车市场发展很快，引入ADB也不是很晚，但是ADB的应用目前还不是非常普及，除了价格方面的原因外，ADB的设计还需要大胆创新，解决一些关键性的技术难题。例如，我国的城市公交车、客车和货车超载、超速是一个十分普遍的现象，ADB的制动摩擦面积比鼓式制动器小一半以上，势必更加大了ADB制动衬块的负荷，单纯靠增加制动衬块的摩擦因数是很难解决制动问题的；况且，摩擦因数超过0.45～0.50后，会不可避免地带来磨损增加、制动发啃、抖动以及产生制动噪声等负面效应，需要通过改进制动器的结构来缓解或消除。为确保制动安全，可以考虑加大气室，现在最大的基本上是57.15 cm(22.5英寸)的，应该可以突破；二是加大摩擦面积，提高制动力矩。

缓速器的配置也是从根本上减轻制动衬块负荷的有效措施。实践证明：不加缓速器的城市公交车极端条件下制动时可能会达到700 ℃以上的瞬时高温，摩擦表面严重碳化，同时极易出现掉片现象，十分危险；而安装了缓速器的城市公交车，制动灵敏、平顺，制动衬块可使用5×107m以上，ADB的结构优势也得到了充分发挥。

城市公交和大型客车的发展非常迅速，为缓解一、二线城市普遍存在的交通拥堵问题，很多城市开始重点发展公共交通，鼓励民众乘坐公共交通工具，尽量减少私家车的出行。公共交通的普及将刺激相关产业的发展，包括推动ADB和气压盘式制动衬块的技术进步和高速发展。

在客车和货车市场方面，前桥装配ADB的技术已经基本成熟，装配比例越来越高，如苏州金龙、宇通客车、丹东黄海客车、一汽客底、东风车桥、中国重汽、北汽福田、红岩重卡等，气压盘式制动衬块迎来了新的发展机遇，将成为汽车摩擦材料行业突出的增长点。

6 结论

随着城市公交车用ADB的普及，研究开发气压盘式制动衬块有特别重要的意义。通过使用高性能的原材料、研究科学的产品配方、采用新的生产工艺和装备、针对产品的使用状况进行多项产品测试，包括采用国际标准测试，研制出了性能优异的气压盘式制动衬块，在重要的技术指标上取得了关键性突破，高温摩擦性能、速度稳定性、压力稳定性都非常好，符合ADB对制动衬块的技术要求，综合性能达到了国际先进水平，填补了国内空白。

与国外高端同类产品相比，尽管有较大的价格优势，但是制动力矩依然偏低[4]、磨损偏大，测试项目上还没有做产品导热性和危害性材料的研究和分析，这是今后要研究和改进的方向。

【1】 张德林,张克刚.气压盘式制动衬块研发技术要求[J].摩擦密封材料，2008(3):93-100.

【2】 纪王芳.载重汽车行车制动器制动性能的研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

【3】 朱典彬,罗方.气压盘式制动器在我国客车上的应用状况及趋势分析[C]//2009公共汽车安全技术论坛专刊:零部件篇,2009:45-47.

【4】 勇波.气压盘式制动器制动力矩的计算[J].机械工程师，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

陈克文(1967—)，男，本科，高级工程师，主要从事复合材料的设计和应用、检测技术、质量管理等工作。E-mail：chenkewen2@126.com。