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摘要：本文针对车辆制动器失效原理进行分析，发现制动装置接触状态不好，制动载荷分布不均，造成制动效果不良而且刹车装置耐磨性差、使用寿命短的特点，根据磁场技术的特点，提出将磁场摩擦技术应用于制动器产品，可以增加制动载荷、改善载荷分布状况以及延长制动器使用寿命。
关键词：车辆制动器；磁场技术
在某高速路一个月时间的交通进行统计，共有50起重大交通事故，对其原因进行调查分析，发现几乎车辆制动装置均存在不同程度的问题，其中60%的制动系统没有进行良好保养，40%的摩擦片磨损严重。由此可见，汽车制动器问题是发生交通事故的重要原因之一，同时也是目前车辆产业的瓶颈，如何提高制动装置的可靠性以及寿命是车辆业内的热点之一。特别随着社会的高速发展、人民对高速度、高品质生活的追求，车辆的数量会急剧增加，车辆的速度还要进一步提高，车辆的制动技术如果得不到质的飞跃，将会限制车辆产业的进一步发展。基于此，本文提出一种提高车辆制动技术寿命的理论。
我国汽车产业的原理是采用机械类动力使制动器与动力装置产生摩擦阻力，为此消除动力源传递的动力，同时车辆与地面之间产生滑动摩擦力，降低行车速度，最终实现刹车过程。目前制动系统中的刹车装置主要集中在消除动力源传递的动力，从而实现行驶过程中车辆的制动，该方法的优点是快速消除动力源产生的动力，缺点车辆对于地面的动量过大，具体体现在制动装置接触状态不好，制动载荷分布不均，造成制动效果不良而且刹车装置耐磨性差、使用寿命短，如何改善制动器接触现状是现代制动技术面临的严峻问题。
磁场工况下不同材料摩擦副的摩擦磨损机理是近代摩擦学研究的重要内容之一，其中对于铁磁性材料摩擦副，如中碳钢摩擦副在直流磁场、交流磁场等条件下，能够增加摩擦减小磨损已成为一个不可争议的事实。考虑将磁场增加摩减小磨损技术应用于机动车辆刹车装置，根据理论论证可以能够缩短刹车时间、距离，同时延长刹车装置的使用寿命，对于减少交通事故、降低交通事故率和耐磨技术的发展有重要意义，本文提出将磁场增摩减磨技术应用于车辆制动系统。
1 磁场摩擦研究现状
随着社会的发展，人类文明的进步，电器装置的广泛应用，几乎所有的物体存在于磁场条件下，因此磁场摩擦行为及机理研究成为国内外研究热点，在很多环境及不同摩擦副条件取得了广泛的研究成果：Kumagai[1]采用纯镍材料对45钢材料，其中45钢的硬度为263HV做成环零件，纯镍做成销零件，硬度为138HV。采用销环试验方案。在直流磁场强度较低时，发现随着磁场强度的增加，环和销磨损量仅稍有减小，当直流磁场强度至磁场增加至一临界值，也就是H=56Am时，环和销磨损量降至一低值，而且其磨损量相当于无磁时磨损量的20%，在大于H=56Am磁场强度时，进一步增加磁场强度，这时环和销磨损量缓慢地下降。纯镍材料对45钢材料试验说明导致磨损明显降低的直流磁场强度必须达到一临界值。而在临界值之上进一步加大直流磁场强度时，则对磨损的影响不显著。Hiratsuka和Sasada研究了NiNi摩擦副在空气中的磨损试验结果，并研究结果与在磁场对该摩擦副的影响概括。[4]与加磁场试验结果相比较，未加磁场的实验结果是严重磨损阶段持续较长时间， 而变化趋势不变；而加磁场的试验结果是严重磨损阶段很短，便转化为轻微磨损，而且变化趋势减弱，当距离到达一定时，磨损量保持不变，因而有磁场时摩擦副的总磨损量较无磁场时大大下降，可以说明磁场可以减小磨损，有延长材料寿命的作用。图中曲线所示的磨损量为销和盘磨损量之和。
H.Zaidi等人对中碳钢制成steel/steel摩擦副，并对该摩擦副采用直流电源和交流电源施加磁场，研究中碳钢摩擦副摩擦系数的变化，发现摩擦副摩擦系数从无磁场时的0.16增加有磁场时的0.26。从摩擦副试样摩擦表面分析研，在有磁场的参与时，摩擦副试样磨损表面变得更加光滑细腻；说明电流和磁场的共同作用，提高了摩擦副试样表面的显微硬度，使试样表面的氧化加速，从而引起试样次表层结构的变化，避免了次表层材料裂纹的产生。
董祥林、简小刚等研究了中碳钢环块摩擦副在永磁体磁场条件下的摩擦磨损行为，研究结果发现在永磁体产生的磁场条件下，中碳钢摩擦副的试样总磨损量明显降低，摩擦系数明显减小。其主要原因是在于永磁体磁场改变了在中碳钢试样摩擦磨损过程中各种磨损类型的比重，使氧化磨损的比重增加，改善材料摩擦性能，对中碳钢摩擦副起到减磨作用。
目前磁场技术在汽车制动装置应用还不成熟，主要原因在于我国对磁场增摩减磨技术的研究比较少、一些机理还在探索之中；同时对磁场技术还处在发展之中。
2 磁场在车辆制动技术应用的原理分析
下面先对国内机动车辆制动装置零部件工作原理及材料进行分析。
2.1 刹车原理
目前，机动车辆的制动装置一般采用刹车部件和车轮之间的摩擦力来抑制转速，使车整体在地面产生滑动摩擦达到到停车的目的。制动装置的刹车部件主要有涨刹和抱刹两种；其中涨刹主要由刹车片和刹车轮毂两部分组成，刹车轮毂材质为合金，形状为圆形内空的圆盘，轮的圆心与车轮主轴相连，其动力由汽车发动机提供；轮毂内部有两块材质为合金为基体的呈半月形的刹车片对接构成。同时每块月形刹车片的两个尖点分别对应相接，对应接点的一端为圆柱型中心轴，另一端为椭圆形浮动轴，当踩踏刹车装置时，浮动椭圆型轴随之转动，使半月型合金刹车片分别向两边分开，刹车片外侧是轮毂，这样与轮毂相接触产生摩擦，由摩擦力矩来抑制车速。抱刹刹车的工作原理基本与涨刹刹车装置的工作基本相同，但结构上有差异，主要差异在于合金刹车片在外侧，而主轴轮毂在内，刹车是时工作原理一致。目前，这种工作原理的刹车装置使用最多，在刹车时，产生大量的热及摩擦力，该装置刹车片容易磨损，刹车效果不是很理想。
2.2 刹车材料
目前国内车辆制动系统刹车装置的材料主要有石棉片、半金属片两种，其中半金属材料在应用中有很多优点，应用广泛，大约占80%左右。
〖STFZ〗3 磁场应用于刹车装置的原理
董祥林、简小刚，毕运红[2]等认为外加磁场促进了表面氧化物的形成。而且在摩擦过程中，其磨屑细小、圆滑有利于防止摩擦副双方的直接接触，有利于改善摩擦磨损性能；同时磁场的存在使摩擦副材料氧化物的种类发生了变化，在磁场的作用下，摩擦表面上Fe2O3的含量明显增加；在磁场作用下，碳钢的表面硬度明显提高，这种硬度变化明显改善摩擦副材料的摩擦磨损性能； 由此可见，磁场的存在可以提高金属的氧化保护膜及硬度，明显改善金属铁磁性材料的摩擦磨损性能；由金属摩擦副材料之间的滑动摩擦变为滑动摩擦和磨粒磨损的混合磨损，可以减小磨损量，延长其使用寿命。
4 结论
对于现代车辆制动系统刹车装置的材料而言，如果使其置于磁场条件下，由于磁场吸力的作用，可以增加车辆刹车时的制动动力；同时改变摩擦机理使滑动摩擦变为滑动摩擦和磨粒磨损的混合磨损，由于磨粒磨损的存在，可以改变摩擦副材料间的接触状况，同时使未加磁场时的有刹车装置一级制动转变有磁场时为刹车装置和车与地面接触的二级制动，会改善制动装置的摩擦性能。
参考文献：
[1]董祥林，陈金荣，简小刚.磁场对金属摩擦磨损影响的研究及展望.材料科学与工程，2000，18（1）：116120.
[2]董祥林，简小刚，毕运红，陈金荣.磁场对中碳钢滑动摩擦磨损的影响.金属学报，1999，35（6）：577580.
[3]A Majumdar，C Bhushan，Fractal Model of ElasticPlastic Contact between Rough Surfaces[J].ASME Journal of Tribology，1992，（113）：19811991.
[4]H.Sin，S.Saka，N.P Suh. Abrasive wear mechanisms and the grit size effect[J].Wear，1979，55：163190.
作者简介：徐永智（1974），男，漢族，河南孟津人，工学硕士，三门峡职业技术学院机电学院教师，副教授，主要研究方向为磁场工况摩擦学研究。
关键词：车辆制动器；磁场技术
在某高速路一个月时间的交通进行统计，共有50起重大交通事故，对其原因进行调查分析，发现几乎车辆制动装置均存在不同程度的问题，其中60%的制动系统没有进行良好保养，40%的摩擦片磨损严重。由此可见，汽车制动器问题是发生交通事故的重要原因之一，同时也是目前车辆产业的瓶颈，如何提高制动装置的可靠性以及寿命是车辆业内的热点之一。特别随着社会的高速发展、人民对高速度、高品质生活的追求，车辆的数量会急剧增加，车辆的速度还要进一步提高，车辆的制动技术如果得不到质的飞跃，将会限制车辆产业的进一步发展。基于此，本文提出一种提高车辆制动技术寿命的理论。
我国汽车产业的原理是采用机械类动力使制动器与动力装置产生摩擦阻力，为此消除动力源传递的动力，同时车辆与地面之间产生滑动摩擦力，降低行车速度，最终实现刹车过程。目前制动系统中的刹车装置主要集中在消除动力源传递的动力，从而实现行驶过程中车辆的制动，该方法的优点是快速消除动力源产生的动力，缺点车辆对于地面的动量过大，具体体现在制动装置接触状态不好，制动载荷分布不均，造成制动效果不良而且刹车装置耐磨性差、使用寿命短，如何改善制动器接触现状是现代制动技术面临的严峻问题。
磁场工况下不同材料摩擦副的摩擦磨损机理是近代摩擦学研究的重要内容之一，其中对于铁磁性材料摩擦副，如中碳钢摩擦副在直流磁场、交流磁场等条件下，能够增加摩擦减小磨损已成为一个不可争议的事实。考虑将磁场增加摩减小磨损技术应用于机动车辆刹车装置，根据理论论证可以能够缩短刹车时间、距离，同时延长刹车装置的使用寿命，对于减少交通事故、降低交通事故率和耐磨技术的发展有重要意义，本文提出将磁场增摩减磨技术应用于车辆制动系统。
1 磁场摩擦研究现状
随着社会的发展，人类文明的进步，电器装置的广泛应用，几乎所有的物体存在于磁场条件下，因此磁场摩擦行为及机理研究成为国内外研究热点，在很多环境及不同摩擦副条件取得了广泛的研究成果：Kumagai[1]采用纯镍材料对45钢材料，其中45钢的硬度为263HV做成环零件，纯镍做成销零件，硬度为138HV。采用销环试验方案。在直流磁场强度较低时，发现随着磁场强度的增加，环和销磨损量仅稍有减小，当直流磁场强度至磁场增加至一临界值，也就是H=56Am时，环和销磨损量降至一低值，而且其磨损量相当于无磁时磨损量的20%，在大于H=56Am磁场强度时，进一步增加磁场强度，这时环和销磨损量缓慢地下降。纯镍材料对45钢材料试验说明导致磨损明显降低的直流磁场强度必须达到一临界值。而在临界值之上进一步加大直流磁场强度时，则对磨损的影响不显著。Hiratsuka和Sasada研究了NiNi摩擦副在空气中的磨损试验结果，并研究结果与在磁场对该摩擦副的影响概括。[4]与加磁场试验结果相比较，未加磁场的实验结果是严重磨损阶段持续较长时间， 而变化趋势不变；而加磁场的试验结果是严重磨损阶段很短，便转化为轻微磨损，而且变化趋势减弱，当距离到达一定时，磨损量保持不变，因而有磁场时摩擦副的总磨损量较无磁场时大大下降，可以说明磁场可以减小磨损，有延长材料寿命的作用。图中曲线所示的磨损量为销和盘磨损量之和。
H.Zaidi等人对中碳钢制成steel/steel摩擦副，并对该摩擦副采用直流电源和交流电源施加磁场，研究中碳钢摩擦副摩擦系数的变化，发现摩擦副摩擦系数从无磁场时的0.16增加有磁场时的0.26。从摩擦副试样摩擦表面分析研，在有磁场的参与时，摩擦副试样磨损表面变得更加光滑细腻；说明电流和磁场的共同作用，提高了摩擦副试样表面的显微硬度，使试样表面的氧化加速，从而引起试样次表层结构的变化，避免了次表层材料裂纹的产生。
董祥林、简小刚等研究了中碳钢环块摩擦副在永磁体磁场条件下的摩擦磨损行为，研究结果发现在永磁体产生的磁场条件下，中碳钢摩擦副的试样总磨损量明显降低，摩擦系数明显减小。其主要原因是在于永磁体磁场改变了在中碳钢试样摩擦磨损过程中各种磨损类型的比重，使氧化磨损的比重增加，改善材料摩擦性能，对中碳钢摩擦副起到减磨作用。
目前磁场技术在汽车制动装置应用还不成熟，主要原因在于我国对磁场增摩减磨技术的研究比较少、一些机理还在探索之中；同时对磁场技术还处在发展之中。
2 磁场在车辆制动技术应用的原理分析
下面先对国内机动车辆制动装置零部件工作原理及材料进行分析。
2.1 刹车原理
目前，机动车辆的制动装置一般采用刹车部件和车轮之间的摩擦力来抑制转速，使车整体在地面产生滑动摩擦达到到停车的目的。制动装置的刹车部件主要有涨刹和抱刹两种；其中涨刹主要由刹车片和刹车轮毂两部分组成，刹车轮毂材质为合金，形状为圆形内空的圆盘，轮的圆心与车轮主轴相连，其动力由汽车发动机提供；轮毂内部有两块材质为合金为基体的呈半月形的刹车片对接构成。同时每块月形刹车片的两个尖点分别对应相接，对应接点的一端为圆柱型中心轴，另一端为椭圆形浮动轴，当踩踏刹车装置时，浮动椭圆型轴随之转动，使半月型合金刹车片分别向两边分开，刹车片外侧是轮毂，这样与轮毂相接触产生摩擦，由摩擦力矩来抑制车速。抱刹刹车的工作原理基本与涨刹刹车装置的工作基本相同，但结构上有差异，主要差异在于合金刹车片在外侧，而主轴轮毂在内，刹车是时工作原理一致。目前，这种工作原理的刹车装置使用最多，在刹车时，产生大量的热及摩擦力，该装置刹车片容易磨损，刹车效果不是很理想。
2.2 刹车材料
目前国内车辆制动系统刹车装置的材料主要有石棉片、半金属片两种，其中半金属材料在应用中有很多优点，应用广泛，大约占80%左右。
〖STFZ〗3 磁场应用于刹车装置的原理
董祥林、简小刚，毕运红[2]等认为外加磁场促进了表面氧化物的形成。而且在摩擦过程中，其磨屑细小、圆滑有利于防止摩擦副双方的直接接触，有利于改善摩擦磨损性能；同时磁场的存在使摩擦副材料氧化物的种类发生了变化，在磁场的作用下，摩擦表面上Fe2O3的含量明显增加；在磁场作用下，碳钢的表面硬度明显提高，这种硬度变化明显改善摩擦副材料的摩擦磨损性能； 由此可见，磁场的存在可以提高金属的氧化保护膜及硬度，明显改善金属铁磁性材料的摩擦磨损性能；由金属摩擦副材料之间的滑动摩擦变为滑动摩擦和磨粒磨损的混合磨损，可以减小磨损量，延长其使用寿命。
4 结论
对于现代车辆制动系统刹车装置的材料而言，如果使其置于磁场条件下，由于磁场吸力的作用，可以增加车辆刹车时的制动动力；同时改变摩擦机理使滑动摩擦变为滑动摩擦和磨粒磨损的混合磨损，由于磨粒磨损的存在，可以改变摩擦副材料间的接触状况，同时使未加磁场时的有刹车装置一级制动转变有磁场时为刹车装置和车与地面接触的二级制动，会改善制动装置的摩擦性能。
参考文献：
[1]董祥林，陈金荣，简小刚.磁场对金属摩擦磨损影响的研究及展望.材料科学与工程，2000，18（1）：116120.
[2]董祥林，简小刚，毕运红，陈金荣.磁场对中碳钢滑动摩擦磨损的影响.金属学报，1999，35（6）：577580.
[3]A Majumdar，C Bhushan，Fractal Model of ElasticPlastic Contact between Rough Surfaces[J].ASME Journal of Tribology，1992，（113）：19811991.
[4]H.Sin，S.Saka，N.P Suh. Abrasive wear mechanisms and the grit size effect[J].Wear，1979，55：163190.
作者简介：徐永智（1974），男，漢族，河南孟津人，工学硕士，三门峡职业技术学院机电学院教师，副教授，主要研究方向为磁场工况摩擦学研究。