制動器制動溫度對制動性能的影響

摘 要：摩擦材料的特性決定了制動器的制動性能對溫度的敏感程度，這是制動性能穩(wěn)定性的主要影響因素之一。不同摩擦材料熱衰退性能有較大差異，本文對采用粉末冶金摩擦材料的制動器和采用陶瓷摩擦材料的制動器進行了試驗研究，對比分析了其性能差異。

關(guān)鍵詞：汽車；制動；穩(wěn)定性；熱衰退

中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A

1概述

制動性能是車輛最為重要的主動安全性能，其穩(wěn)定性與行車安全密切相關(guān)。摩擦材料對溫度的敏感性是制動穩(wěn)定性的主要影響因素之一。在制動過程中，整車的運動動能通過摩擦材料與制動器間的摩擦轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，其中，約90%轉(zhuǎn)化為熱能，表現(xiàn)為制動器溫度的升高。隨著溫度的上升，摩擦材料的表面膜、機體表層發(fā)生復雜的物理和化學變化，從而導致摩擦系數(shù)發(fā)生明顯變化。

摩擦材料的摩擦系數(shù)在較低的溫度區(qū)間隨著溫度的升高而增加；但在溫度持續(xù)升高時，摩擦材料發(fā)生熱衰退，摩擦系數(shù)隨著溫度的升高而降低；而當溫度降低到低溫區(qū)間后，摩擦系數(shù)又會逐漸恢復。摩擦材料的這一特性使制動器的制動性能不同溫度下發(fā)生明顯變化。

不同的摩擦材料對溫度的敏感特性不同。目前，汽車制動器所使用的摩擦材料主要有無石棉有機摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、金屬陶瓷摩擦材料、新型混雜纖維摩擦材料、新型陶瓷摩擦材料等。其中，粉末冶金摩擦材料和金屬陶瓷摩擦材料應(yīng)用較為廣泛。

粉末冶金摩擦材料是以金屬及其合金為基體，添加摩擦組元和潤滑組元，用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)形成的復合材料，具有較好的高溫強度、耐熱性、熱穩(wěn)定性和經(jīng)濟性；金屬陶瓷摩擦材料是由金屬基體、潤滑組元和陶瓷組分組成的復合材料，也是采用粉末冶金工藝制備而成，其具有較高的熱容量、良好的熱導性、耐高溫、耐磨、摩擦系數(shù)高、壽命長等特點，在高溫下仍能保持優(yōu)良的性能。

本文選取了4種不同類型的汽車制動器，并通過制動器臺架試驗，對制動器制動性能隨溫度的變化規(guī)律開展研究。

2試驗設(shè)備及方法

2.1試驗設(shè)備

制動器慣性試驗臺能夠利用制動器臺架試驗再現(xiàn)實車制動過程，并模擬實車制動的冷卻條件，廣泛應(yīng)用于制動器總成性能測試。試驗臺由計算機、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主軸及主軸驅(qū)動系統(tǒng)、慣量系統(tǒng)等構(gòu)成。計算機控制試驗臺的啟停并記錄試驗數(shù)據(jù)；液壓系統(tǒng)為受試件提供制動壓力；控制系統(tǒng)接收計算機控制指令并實施主軸驅(qū)動和制動控制；主軸由直流電機驅(qū)動，用于獲得制動初速度；慣量系統(tǒng)由不同慣量的等比飛輪構(gòu)成，可以模擬不同類型車輛的行駛慣量。

2.2安裝方法

按照文獻4規(guī)定，為被測樣品的制動蹄片、制動襯片安裝測溫熱電偶，并將被測樣品安裝在制動器慣性試驗臺上。

2.3試驗方法

以65km/h的速度，3.5m/S2的減速度進行200次磨合制動（初始制動溫度不超過120℃），然后進行第一次衰退試驗：

初次制動初溫：78～80℃；

制動初速度：最高設(shè)計車速不超過140km/h時，為80km/h；最高設(shè)計車速超過140km/h時，為100km/h；

制動壓力：第1次制動減速度為4.41km/h，后續(xù)制動與第一次制動的壓力相同；

制動次數(shù)：10次；

制動周期：45s；

冷卻條件：關(guān)閉送風系統(tǒng)

完成上述試驗后，以65km/h的速度，3.5m/S2的減速度進行20次磨合，然后按照第一次衰退試驗的試驗條件重復試驗，記為第二次衰退試驗。

3試驗結(jié)果分析

記錄試驗過程中初始制動溫度、終止制動溫度、平均制動力矩、制動壓力、制動減速度等試驗參數(shù)，并計算單位管路壓力下的平均制動力矩（下文記為單位平均制動力矩）。衰退試驗中，制動力矩下降和升高的程度，用衰退率來表示，按式1和式2計算：

（1）

（2）

式中：Fa、Fa’為衰退率；MB為第一次制動時的平均制動力矩，Nm/MPa；MBmin為第二次與最后一次制動間的最小單位平均制動力矩，Nm/MPa；MBmax為第二次與最后一次制動間的最大單位平均制動力矩，Nm/MPa。

3.1樣品1，鼓式制動器，采用粉末冶金摩擦材料

兩次衰退試驗中，隨著溫度的升高，制動減速度與單位平均制動力矩均呈下降趨勢。低于100℃時，制動器具有最佳制動性能，而10次連續(xù)制動后，溫度上升至近250℃，制動效能的衰退率也高達近40% 。

進行曲線擬和，可得單位平均制動力矩與溫度的關(guān)系，曲線見圖1。

MB1=f（T1）=222.646-0.421T1 （3）

MB2=f（T2）=228.419-0.411T2 （4）

式中：MB1為第一次衰退試驗的單位平均制動力矩，Nm/MPa；T1為第一次衰退試驗的制動器溫度，℃；MB2為第二次衰退試驗的單位平均制動力矩，Nm/MPa；T2為第二次衰退試驗的制動器溫度，℃；下文符號含義同上。

3.2樣品2，鼓式制動器，采用金屬陶瓷摩擦材料：

第一次衰退試驗中，隨著溫度的升高，制動減速度與單位平均制動力矩均呈上升趨勢，在近300℃的高溫下，制動器獲得最佳制動性能；而在第二次衰退試驗中，最佳制動效能對應(yīng)的溫度區(qū)間為170℃～230℃，溫度繼續(xù)升高時，制動減速度和單位平均制動力矩雖然有所降低，但其穩(wěn)定性較好。可見，采用了金屬陶瓷摩擦材料的制動器在較高的溫度下仍能獲得較高制動效能。

進行曲線擬和，可得單位平均制動力矩與溫度的關(guān)系，曲線見圖2。

MB1=f（T1）=96.461+0.121T1 （5）

MB2=f（T2）=46.534+0.978T2-0.03T2

2（6）

3.3樣品3，盤式制動器，采用金屬陶瓷摩擦材料

兩次衰退試驗中，隨著溫度的升高，制動減速度和單位平均制動力矩有所降低，但在200℃～400℃的溫度下，制動器能夠獲得較為穩(wěn)定的制動效能。

進行曲線擬和，可得單位平均制動力矩與溫度的關(guān)系，曲線見圖3。

MB1=f（T1）=260.024-1.073T1+0.004T2

1-4.151×10-6T3 1 （7）

MB2=f（T2）=251.363-0.621T2+0.002T2

2-2.886×10-6T3

2 （8）

3.4樣品4，盤式制動器，采用粉末冶金摩擦材料200℃時，制動器能夠獲得最佳制動性能，但在第二次衰退試驗中，由于持續(xù)制動，溫度急劇升高至近500℃，制動效能也有較為明顯的衰退，可見其制動效能的穩(wěn)定性較差。

進行曲線擬和，可得單位平均制動力矩與溫度的關(guān)系，曲線見圖4。

MB1=f（T1）= 59.001+0.904T1-0.02T2

1 （9）

MB2=f（T2）= 139.762-0.090T2 （10）

4總結(jié)

綜合本文上述分析，可得以下結(jié)論：

制動器制動性能的熱穩(wěn)定性與摩擦材料密切相關(guān)；采用金屬陶瓷摩擦材料的制動器較采用粉末冶金摩擦材料制動器具有更好的熱穩(wěn)定性；

在200℃～400℃的高溫區(qū)間，采用陶瓷摩擦材料的制動器仍具有較高的制動效能或是穩(wěn)定的制動性能，而采用粉末冶金摩擦材料的制動器則會出現(xiàn)明顯的熱衰退現(xiàn)象；我國汽車行業(yè)推薦標準QC/T 564-2008規(guī)定進行制動器制動效能測試時，參考試驗的制動初溫均為（80±2）℃，但新型制動材料往往在較高的溫度區(qū)間上具有更為穩(wěn)定的性能，因此，對應(yīng)用了新型摩擦材料的制動器，上述制動初始溫度的規(guī)定有待商榷。

隨著新型摩擦材料研究的出現(xiàn)，相關(guān)標準的部分條款已不再廣泛使用，只有不斷細化、更新標準技術(shù)內(nèi)容，開展標準研討才能充分發(fā)揮其指導作用，推動制動技術(shù)向前發(fā)展。

參考文獻

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