盤式制動器熱磨損機理研究

楊磊+崔庭瓊+范健文

摘 要：制動器摩擦磨損性能直接影響車輛行駛的安全性、舒適性和耐久性。盤式制動器熱磨損是制動失效的主要問題，也是學術界研究的熱點和難點。研究摩擦熱產生的機理，討論熱磨損的影響因素，提出解決盤式制動器熱磨損的解決方法，對提高制動效能和制動安全性有著重要意義。從熱磨損產生的機理以及降低熱磨損的新方法來對盤式制動器熱磨損的近期研究進行綜述，并總結現有研究存在的問題并對進一步的研究作出展望。

關鍵詞：盤式制動器；磨損；制動效能；制動安全

引言

隨著車輛行駛速度的不斷加快，車輛安全性已成為研究的熱點。盤式制動器普遍應用于轎車、重型車、地鐵等多種車型中，其性能的好壞直接影響車輛的安全性。制動時，摩擦副相對運動產生移動熱源，對制動盤表面造成周期性熱沖擊并形成熱斑[1]。在熱應力、摩擦力和初始壓力的多力場循環作用下，制動盤表面極易產生疲勞裂紋[2]，直接導致制動性能下降，甚至制動失效。

制動器磨損會導致一系列問題的出現，直接影響制動器的使用壽命和行車安全性。因此，研究磨損機理，對探索新型制動盤表面的耐磨與抗疲勞途徑，提高耐磨性抑制磨損和使用壽命，改善盤式制動器的性能，減少維修和更換成本，具有重大的應用和經濟意義。

1 熱磨損機理研究

1.1 磨損的形成

接觸界面在滑動、滾動或沖擊運動中的表面損傷或脫落這種現象稱為磨損現象。從微觀學角度來看，接觸界面是表面粗糙、凹凸不平的，在接觸過程中凸起相互咬合，如圖1所示。在相互作用力下，凸起部分在相互運動過程中由于摩擦生熱使該部分的溫度升高，如果熱量不及時擴散，會直接被材料吸收，吸收的熱量達到一定值之后，使得材料中耐熱性較差部分發生熱分解，引起材料的熱衰退，更易發生磨損。

制動過程中，摩擦片和對偶鋼片在接觸過程中，摩擦片表面的摩擦材料不斷損傷的過程稱為磨損，許多研究[3-4]表明，在制動時摩擦界面的磨損形式有熱磨損、切削磨損、磨粒磨損、疲勞磨損以及黏著磨損，且各種形式的磨損并不是孤立存在的，一種磨損的發生經常會引起另一種磨損。

制動時，制動器摩擦片上的摩擦材料在法向壓力作用下使摩擦盤停止轉動，將動能轉化成熱能。摩擦材料與對偶鋼片之間的摩擦力來源于接觸表面微凸體之間的相互咬合，從微觀上分析則來源于分子間的相互作用力，當摩擦界面之間的距離較大的時候，這種力比較弱，當界面之間距離較小的時候，分子之間產生粘著，甚至粘結，即一個材料表面的分子轉移到另一個界面，轉移的過程伴隨著磨損的產生。磨損主要發生在摩擦層和下層的基層上，研究摩擦層形成機理有利于研究磨損的機理。

1.2 熱磨損機理

行駛的汽車在制動過程中，將動能轉化為摩擦產生的熱能，使材料內部溫度升高，當達到臨界溫度時，材料將發生分解、氧化、顆?；?，還會伴隨熱應力的變化，摩擦制動系統簡圖如2所示：

熱磨損是由交替變化的溫度所導致摩擦材料和摩擦界面發生的一系列物理和化學變化，因此，將整個磨損過程分為低溫磨損（≤150℃），中溫磨損（150℃～250℃），高溫磨損（≥250℃）來探討各個溫度范圍下的摩擦磨損機理。

低溫條件下，摩擦系數逐漸增大，摩擦界面接觸時，較高的凸起首先接觸，此時的真實接觸面積并不是整個摩擦副表面，只是很小很小的一部分，因此接觸時該凸起部分壓力較高，在較高壓力的作用下凸起產生塑性變形并發生粘著現象，一旦兩表面發生相對運動，滑動使粘著點產生剪切破壞從表面上剝落下來，形成磨屑，產生粘著磨損；同時，滑動過程中也可能產生較多的磨粒，另外，在反復制動的過程中，粘附在硬表面上的轉移材料發生脫落時，也有可能連帶硬材料一并脫落形成碎片，相對滑動時，這些磨粒和碎片會對材料表面產生微觀的切削作用，產生磨粒磨損，從而在磨損表面可以看到有孔洞和劃痕存在，因此在低溫下以粘著磨損和磨粒磨損為主。中溫條件下，材料的摩擦性能呈現下降趨勢，摩擦表面在反復滑動過程中，產生一層表面膜，同時，被空氣氧化形成氧化膜。但氧化膜的強度較低，在摩擦力的作用下因為硬質磨粒的存在而有大量的劃痕。中溫下的磨粒磨損、氧化磨損占主導地位。高溫階段，摩擦系數下降，摩擦表面在高溫下反復多次承受剪切力作用后，應力點上樹脂與增強劑之間的粘結受到破壞，引起疲勞磨損，隨著進一步破壞，粘結失效，加劇材料的磨損，甚至使材料被破壞。因此，高溫下，氧化磨損和疲勞磨損占主導地位。

2 減少熱磨損的新技術

2.1 提高材料的耐磨性

為了控制摩擦、減少磨損，延長材料的使用壽命，本文對摩擦磨損機理進行研究。并提出通過在摩擦副之間添加潤滑劑，選擇合理的摩擦材料，根據工況和使用要求，合理地選擇摩擦副來提高摩擦副的耐磨性。還可以通過對材料表面進行強化，表面處理技術，提高材料的耐磨性。

2.2 新型材料的使用

研制出新型的制動摩擦材料，將礦物纖維、陶瓷纖維、纖維素纖維和鋼纖維混雜來增強摩擦材料的性能，研制出含有少量金屬的摩擦材料，且該種材料具有足夠的機械性能和較好的摩擦磨損性能，研究證明當陶瓷纖維含量為10%，總纖維含量在32%時，綜合性能最好。

3 結束語

本文對制動器在低溫、中溫、高溫三種情況下的摩擦機理進行了分析，通過在摩擦副之間添加潤滑劑、對材料表面進行機加工強化處理、表面熱處理、擴散處理及表面的涂覆處理、使用礦物纖維、陶瓷纖維、纖維素纖維和鋼纖維混雜增強等新型材料來提高摩擦材料的耐磨性，從而提高制動器的使用壽命。

參考文獻

[1]楊志勇，韓建民，李衛京，等.制動盤制動過程的熱-機耦合仿真[J].機械工程學報，2010，46（2）：88-92.

[2]ZAFROSZKI P，LAM K B，BAHKALI E A，et al.Nonlinear transient behavior of a sliding system with frictionally excited thermoelastic instability[J].ASME，J.Tribology，2001，123：699-708.

[3]趙小樓，程光明，王鐵山.汽車摩擦材料的研究現狀與發展趨勢[J].潤滑與密封，2003（8）：173-176.

[4]蘇堤，羅成，潘運娟.樹脂基汽車復合摩擦材料的磨損機理[J].粉末冶金材料科學與工程，2007，8（4）：221-224.