汽車制動摩擦系數影響因素淺談

徐申敏　韓友國　吳洪濤

摘 要：制動摩擦系數大小是衡量汽車制動性的重要參數，影響制動摩擦系數的根源為制動片的材料屬性。由于汽車正常行駛中，每次制動初速度、制動液壓均有變化，導致每次制動摩擦系數有差異。本論文結合制動摩擦原理，著重從溫度、材料屬性、制動壓力、制動初速度四個方面，淺要分析了這些因素對制動摩擦系數的影響。

關鍵詞：摩擦系數；制動性

汽車制動過程實際就是摩擦片與制動盤接觸的過程，通過制動片與制動盤的直接接觸摩擦產生熱能，從而轉換汽車制動中需要消耗的動能。而制動過程中最重要一點，那就是制動摩擦系數的大小，其中摩擦系數過高過低都會影響制動性能。GB 5763-2008中規定盤式制動器摩擦系數隨溫度上升到350℃，摩擦系統溫度在0.25～0.70之間。目前市面上常用摩擦系數按照SAE J866-2012中的EF代碼，即正常摩擦系數：0.25

1 摩擦系數的定義

GB 5763中對摩擦系數的定義為：摩擦力與加在試片上的法向力的比值。其數學表達式為如下公式（1）：

u=

式（1）中：u為摩擦系數，f為摩擦力（總摩擦距離的后半部分穩定的摩擦力的平均值），F為加在試片上的法向力。

目前常見的盤式制動器的平均摩擦系數定義[1]

ua=

式（2）中：Ma為平均摩擦力矩；AP為制動片的摩擦面積；p為平均制動壓強；p0為克服制動片回位彈簧作用力消除制動間隙而需施加的制動壓強；Dm為有效摩擦直徑。Ma和p均為制動過程中達到設定值的95%時開始記錄到制動終了時的時間段內的平均值。

2 制動摩擦系統影響因素

制動系統作為汽車中最重要的系統之一，制動系統的好壞直接影響到整車安全方面，而影響制動系統一個重要因素就是制動摩擦系數的大小及其穩定性，本文從溫度、摩擦材料屬性、制動壓力、制動初速度來描述摩擦系數的影響因素。

2.1 溫度

摩擦系數的穩定性直接影響制動器工作的穩定性，摩擦系數隨著溫度而變化的特性，主要反映在制動器的熱衰退上。當制動初速度增大、壓力增大、制動頻繁導致摩擦副溫度升高時，摩擦系數降低，稱為“熱衰退[2]”制動器鉗體和摩擦片的熱變形，以及摩擦片內部的成分的化學變化都會導致熱衰退，以下為某車型連續十次制動（100km-0）制動距離對比，第十次與第一次相差11%，見表1。

溫度對摩擦系數的影響主要表現在以下三個方面：

（1）氧化膜，在高溫下材料中的金屬、有機物等容易氧化形成氧化膜，氧化膜強度低，在制動摩擦力的作用下易開裂或破裂。在制動摩擦過程中，隨著溫度的不斷上升，氧化膜厚度增大，膜的強度降低，容易脫落且呈鱗片狀。

（2）潤滑膜，高溫超過制動片材質中低熔點金屬的熔點，使金屬融化，融化的液體金屬被展平而產生潤滑作用，使摩擦系數下降，“熱衰退”的主要原因之一。

改善方法：

①提高有機物的耐熱性

②減少低熔點金屬的組分

③增加導熱性強的金屬含量

④采取結構上改善摩擦面的散熱條件

（3）氣墊膜，高溫下，摩擦材料表面的有機組分如酚醛樹脂的熱分解而產生大量的氣體（CO、CO2、CH4），形成氣墊膜使摩擦系數下降。

改善方法：

①摩擦片中部開槽、邊界倒角，開槽倒角有利于磨損物的排出和氣體排出。

②摩擦片做燒蝕處理。

由于摩擦材料的特性決定了摩擦系數對溫度的敏感程度，以下為某車型做AK-MASTER效能試驗時，高溫效能的一段數據，從數據中可以直觀的看出，隨著溫度的上升，摩擦系數越來越低，達到一定值后趨于穩定，見圖1。

2.2 材料屬性

（1）制動片的材料屬性

摩擦材料的組成成分主要包括以下四類：

粘合劑5%～25%；增強劑20%～50%；摩擦調節劑30%～60%；工藝性調節劑0.5%～1%。

根據制動摩擦材料的發展歷程，摩擦材料主要可以分為四大類：

①石棉摩擦材料：早期的材料，石棉具有熔點高、摩擦系數高、硬度適中等優點。缺點為：熱傳導性差，容易發生熱衰退，石棉污染大，具有致癌物質，目前已經明令禁止使用。

②半金屬摩擦材料[3]：一種金屬纖維代替石棉的新型摩擦材料，摩擦系數高。主要不足為，材料中的金屬成本容易生銹，增加摩擦片磨損，影響制動摩擦系數的穩定性，而且由于其導熱性好，當溫度高時，容易導致粘結劑樹脂的分解。

③混雜纖維摩擦材料[4]：采用2種或2種以上不同的纖維進行混雜增強，這樣不僅可以降低成本，還可以充分發揮每一種纖維的優點，彌補單一纖維的缺陷，使其性能更加完畢，更加優異。

④新型摩擦材料：近年來車輛向著高速化和輕型化發展，未來的摩擦材料主要方向：碳/碳復合摩擦材料和陶瓷摩擦材料。主要優點為摩擦因數穩定，使用壽命長，環保等優點。

（2）制動盤的材料屬性

研究表明[5]制動盤是灰鑄鐵的銅纖維增強復合材料在高溫下可以保持較高的摩擦系數，而鋁纖維的復合材料的摩擦系數則有所下降。主要原因有：銅纖維比鋁纖維有較好的導熱性，氧化銅可以改善復合材料的熱衰退，高溫下鋁纖維會軟化，融化。

長時間連續制動，摩擦表面會受到熱應力的反復作用，材料中的晶粒大小不均勻，熱膨脹系數不一樣，在長期作用下，制動盤表面由于鑄鐵中脆性相—石墨的尖端或邊緣易產生熱應力集中，而產生熱裂紋現象。

2.3 制動壓力

Bijwe[6]等通過研究了不同金屬填料的復合材料在不同速度與不同壓力下的摩擦學性能，隨著速度的增加摩擦系數會出現一個極大值后下降，極大值大小與材料中的金屬成分與含量有關，同時在高的液壓下極大值也會降低。

隨著制動壓力的增大，制動盤和制動片接觸表面產生的摩擦熱增大，壓力大導致熱量大，制動時間短熱量來不及散開，溫度升高導致摩擦系數降低。制動壓力進一步增大必然會引起摩擦片與制動盤表面塑性變形增加，表面粗糙度降低，從而降低摩擦系數。

制動過程中，從摩擦片中可以產生摩擦膜，摩擦膜主要是由摩擦過程中的膜屑形成，與制動片和制動盤的粘結強度很低，甚至浮在表面，在高壓反復剪切、擠壓力下容易破裂，高壓下一直處于形成、破壞、再形成的過程，從而降低摩擦系數。

以下為某車型做AK-MASTER效能試驗時，車速分別為40km/h、80km/h、120km/h、160km/h、200km/h下不同制動壓力，摩擦系數變化圖。從圖中可以看出在3Mpa之后，摩擦系數越來越低，見圖2。

2.4 制動初速度

制動的過程即動能與熱能轉化過程，制動的初速度增大，轉化的動能增加，導致產生的熱量增加，多數摩擦材料隨著速度增加摩擦系數都會呈現先增加后減少的趨勢，對于不同的材料臨界點不一樣。另外一方面，高速下溫度的升高，材料表面樹脂基體熱分解也是造成摩擦系數降低的一個原因。

以下為某車型做AK-MASTER效能試驗時，制動液壓分別為5Mpa、6Mpa、7Mpa、8Mpa時，不同車速下摩擦系數變化圖。從圖中可以看出隨著車速的不斷增加，摩擦系數越來越小，見圖3。

3 結論

縱上，除了摩擦材料的本身屬性以外，制動壓力、制動初速度對摩擦系數的影響基本都是通過改變溫度來實現，在通常制動中，摩擦材料的溫度范圍在65-300℃之間，目前國內的絕大數摩擦材料均能滿足在此范圍內保持摩擦系數穩定。但是遇到緊急制動或連續下坡工況，當摩擦材料溫度達到400℃以上時，熱衰退現象突出。提高摩擦材料摩擦系數穩定性可以從以下幾點來考慮：①利用新型摩擦材料，如：陶瓷纖維制動片等；②提高摩擦材料的散熱能力，如：制動片開槽，通風制動盤；③提高摩擦材料耐熱性，使高強度制動過程中摩擦溫度在合理范圍內。

參考文獻：

[1]王仁廣，李志遠，張彪，劉昭度.盤式制動器平均摩擦系數的試驗研究[J].實驗技術與管理，2010，1：27-1.

[2]陳漢汛，朱攀.制動器熱衰退機理的研究與分析[J].拖拉機與農用運輸車，2006，8：33-4.

[3]蘇堤等.國外汽車摩擦材料的發展現狀和趨勢[J].汽車研究與開發，2001.4：45-48.

[4]朱鐵宏，高誠輝.摩阻材料的發展歷程與展望[J].福州大學學報（自然科學版），2001，29（6）：52-55.

[5]Jang H，Ko K，Kim SJ.The effete of metal fibers on the friction performance of automotive brake friction materials[J].Wear，2004，256：406-414.

[6]Bijwe J，Kumar M，Optimization of steel wool contens in non-asbestos organic（NAO） friction composites for best combination of thermal con- ductivity and tribo-performance[J].Wear，2007，263：1243-1248.