汽車盤式制動(dòng)器MPU現(xiàn)象研究

王增輝，黃俍

(南方天合底盤系統(tǒng)有限公司，重慶 402760)

0 引言

MPU現(xiàn)象是目前乘用車制動(dòng)器行業(yè)特別突出的市場(chǎng)投訴。該現(xiàn)象可以描述為：金屬粒子與其他元素粒子共同聚集成團(tuán)或塊，嵌入到制動(dòng)片表面，在一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，導(dǎo)致摩擦副表面因制動(dòng)而出現(xiàn)劃痕或溝槽，雖然MPU不會(huì)導(dǎo)致任何安全問題，但影響用戶視覺感知體驗(yàn)、并且有一定概率引發(fā)制動(dòng)噪聲或是制動(dòng)抖動(dòng)(特別在前制動(dòng)器)，所以得到了汽車主機(jī)廠、制動(dòng)器企業(yè)和摩擦材料企業(yè)的高度重視。本文作者首先結(jié)合MPU的研究現(xiàn)狀，綜述了MPU的產(chǎn)生機(jī)制，對(duì)開發(fā)過程中的兩起MPU案例進(jìn)行了研究，識(shí)別出關(guān)鍵影響因子并提出相應(yīng)對(duì)策。

1 MPU機(jī)制分析

1.1 MPU的形態(tài)

汽車制動(dòng)塊中的MPU(金屬聚集物)的形態(tài)可被描述為嵌入在摩擦材料中的金屬團(tuán)，其在摩擦面上具有平坦和光亮的片狀外觀，具有類似 “針形”、“V形”或“板形”的幾何形狀(圖1)。在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，即使采用同樣的制動(dòng)器、同樣的試驗(yàn)程序進(jìn)行多輪試驗(yàn)，MPU呈現(xiàn)的外觀類型具有隨機(jī)性，極少數(shù)情況下，一片制動(dòng)塊上會(huì)同時(shí)出現(xiàn)2～3種外觀形狀。

圖1 制動(dòng)塊MPU外觀類型

1.2 MPU的來源

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的MPU聚集物取樣進(jìn)行XRF能譜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)聚集物是一塊結(jié)構(gòu)精致的鐵塊，分析表明聚集物中鐵元素占絕對(duì)主要地位，同時(shí)存在鋁、鈦、銅、錫4種金屬元素，明確鐵元素的來源是產(chǎn)生MPU的重要基礎(chǔ)條件。

之前研究中，人們發(fā)現(xiàn)MPU只會(huì)出現(xiàn)在低金屬制動(dòng)塊和MAO制動(dòng)塊上，而鋼纖維含量遠(yuǎn)高于前者的半金屬制動(dòng)塊從未被報(bào)道過MPU案例[1]。 KNUKUMIZU等[2]使用不含鐵成分的NAO摩擦材料進(jìn)行試驗(yàn)，仍然再現(xiàn)了MPU現(xiàn)象。經(jīng)過檢測(cè)，MPU顆粒的硬度在HV400～515之間[3]，都比原灰鑄鐵制動(dòng)盤的材料更硬。SANITATE和SCHMITT等[1]發(fā)現(xiàn)，在市場(chǎng)投訴的制動(dòng)盤劃痕面上有非常薄的游離金屬顆粒，呈堆積狀鱗片形態(tài)。團(tuán)隊(duì)通過制動(dòng)模擬臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，在測(cè)試的制動(dòng)盤上發(fā)現(xiàn)了非常類似于從被投訴剎車盤的制動(dòng)表面上所發(fā)現(xiàn)的金屬鱗片，并且該金屬鱗片非常容易在制動(dòng)過程中，被制動(dòng)塊從制動(dòng)盤上磨掉進(jìn)入制動(dòng)盤與制動(dòng)塊的摩擦界面中。以上幾個(gè)典型的研究報(bào)道從不同的維度證明，MPU聚集物中的鐵元素不是來自于摩擦材料自身，而是來自于制動(dòng)盤。

1.3 MPU產(chǎn)生環(huán)境

收集了過去十年投產(chǎn)項(xiàng)目MPU抱怨數(shù)據(jù)，如圖2和圖3所示。發(fā)現(xiàn)按行駛里程統(tǒng)計(jì)，MPU的產(chǎn)生沒有明確的規(guī)律，既可能在沒有任何特別外界狀態(tài)行駛下，僅幾公里的行駛和很少的制動(dòng)之后就出現(xiàn)，例如新車下線，也存在行駛數(shù)萬公里出現(xiàn)制動(dòng)噪聲抱怨的車輛上發(fā)現(xiàn)MPU現(xiàn)象。德國(guó)TMD公司報(bào)道了類似的情況，他們分類統(tǒng)計(jì)了在非MPU專項(xiàng)測(cè)試的50多個(gè)車輛檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的MPU情況，這些車輛采用了多種不同的有機(jī)摩擦材料和灰鑄鐵制動(dòng)盤。

圖2 MPU案例對(duì)應(yīng)的行駛里程

圖3 月度索賠的MPU情況

雖然MPU的產(chǎn)生與車輛的駕駛條件和使用的材料之間沒有明顯的規(guī)律。然而，有兩個(gè)趨勢(shì)被注意到：同一車型，有更多和更大的金屬聚集物抱怨出現(xiàn)在雨季或潮濕環(huán)境；更大程度暴露在外界環(huán)境中的外側(cè)制動(dòng)面和外側(cè)制動(dòng)塊，相較于被防塵罩保護(hù)的內(nèi)側(cè)，外側(cè)更容易出現(xiàn)劃痕和金屬聚集物。這兩個(gè)趨勢(shì)曾經(jīng)被認(rèn)為主要是由于制動(dòng)盤表面銹蝕所導(dǎo)致，但隨著進(jìn)一步研究，SANITATE、DURANDO 等[1,3]提出潮濕或潮濕的環(huán)境是直接加速M(fèi)PU產(chǎn)生的因素，而PASSARELLI等[4]通過試驗(yàn)證明水和鹽對(duì)低金屬摩擦材料的MPU產(chǎn)生有直接影響，NAO材料對(duì)其不敏感，NAO材料在高溫干燥的環(huán)境下(比如制動(dòng)拖拽)容易產(chǎn)生MPU，但當(dāng)采用制動(dòng)面開槽(豪華車、高性能車經(jīng)常采用)的設(shè)計(jì)方案時(shí)(圖4),MPU現(xiàn)象得到了極大的抑制，基本消失。

圖4 開槽制動(dòng)盤MPU測(cè)試

1.4 MPU產(chǎn)生機(jī)制

MPU通常分為濕式和干式兩種模式，濕式是制動(dòng)塊通常在濕潤(rùn)或潮濕條件下發(fā)生的MPU問題，干式是制動(dòng)塊通常在干燥條件下產(chǎn)生的MPU。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，MPU產(chǎn)生的機(jī)制如下：

(1)汽車行駛中，輕踩剎車，制動(dòng)盤與制動(dòng)塊以非常低的壓力持續(xù)摩擦(拖拽行駛模式或噪聲測(cè)試)。

(2)制動(dòng)塊和制動(dòng)盤金屬部件之間快速升溫，在300 ℃以下，鐵的遷移率隨著溫度上升而下降；當(dāng)超過300 ℃，隨著溫度的逐步上升，鐵的遷移率隨之加快，導(dǎo)致制動(dòng)盤上產(chǎn)生熱槽。

(3)熱槽和制動(dòng)盤自身之間的熱膨脹不同，有利于鐵屑從制動(dòng)盤中分離。

(4)此時(shí)，潤(rùn)滑降低，制動(dòng)塊的銅和制動(dòng)盤的鐵之間可能出現(xiàn)微型焊接。

(5)在制動(dòng)塊另一面，金屬部件的高溫可能燒蝕有機(jī)成分，產(chǎn)生收集鐵屑的微孔。

(6)制動(dòng)過程中，這些結(jié)塊通過塑性應(yīng)變被硬化，并且充當(dāng)一個(gè)類似的機(jī)加刀具作用在制動(dòng)塊上。

(7)隨之劃傷制動(dòng)盤，產(chǎn)生MPU，導(dǎo)致噪聲。

(8)鐵轉(zhuǎn)移量被證明與制動(dòng)塊的材料硬度無關(guān)。

(9)金屬剝離物是結(jié)構(gòu)精細(xì)的鐵塊，具有氧化鐵層作為制動(dòng)塊表面的界面，金屬剝離物的一部分與制動(dòng)塊中的銅密切接觸。

(10)轉(zhuǎn)移到制動(dòng)塊上的鐵量在很大程度上取決于溫度，局部最高為300～400 ℃，轉(zhuǎn)移的鐵量增加與空隙體積的增加有關(guān)。

(11)用溫度波動(dòng)在測(cè)力計(jì)檢測(cè)基材期間觀察到制動(dòng)塊上鐵分布變化，該項(xiàng)檢測(cè)部分證明了金屬剝離物的形成模型，表明銅與鐵聚集有關(guān)。

2 MPU因素分析

MPU的形成是多方面因素(圖5)造成的，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，通過大量的臺(tái)架試驗(yàn)和整車路試，結(jié)合當(dāng)前整車廠的要求，以及制動(dòng)塊企業(yè)的研究成果，文中給出了建議的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，當(dāng)然不同產(chǎn)品的技術(shù)要求不同，僅供參考：

(1)環(huán)境規(guī)范：鹽水濃度(5%，每個(gè)循環(huán)澆4次鹽水)、溫度(室溫)。

(2)制動(dòng)塊規(guī)范：壓縮率(180～120 μm)、熱膨脹(<0.1)、密度(2.41～2.61 g/cm3)、孔隙率(13%±5%)、熱傳導(dǎo)(≤225 ℃)、燒蝕深度(0.01 mm)。

(3)制動(dòng)盤規(guī)范：化學(xué)成分(C-3.2～3.65%、Si-1.95～2.35%、Mn-0.6～0.9%)、磨削紋路、鐵素體含量(≤5%)、石墨含量(4～6級(jí))、硬度(197～235HB)、表面粗糙度(≤Ra1.6 μm)。

圖5 MPU魚骨圖

3 MPU改進(jìn)措施

3.1 環(huán)境條件

鹽水試驗(yàn)：指車輛在試驗(yàn)場(chǎng)行駛時(shí)，制動(dòng)減速后，通過3%～5%濃度的鹽水槽或鹽水坑，通過外觀考察車輛底盤件的耐腐蝕能力。

但是鹽水不僅腐蝕零部件，對(duì)制動(dòng)過程中的MPU也有貢獻(xiàn)，制動(dòng)后制動(dòng)盤和制動(dòng)塊溫度快速升高，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)、鹽水濃度越大，越容易誘發(fā)MPU，通過試驗(yàn)摸底，國(guó)家規(guī)定一般試驗(yàn)鹽水濃度不超過5%。

3.2 制動(dòng)盤

(1) 石墨(C)

對(duì)于制動(dòng)盤表面的潤(rùn)滑具有根本性的作用，因此，石墨越多，減少Fe成分脫落的機(jī)會(huì)，但是制動(dòng)盤硬度減弱，磨損加快，反之亦然。所以，在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，石墨含量多少對(duì)MPU發(fā)生概率有重要影響。圖6為不同C含量的金相組織；圖7為不同C含量制動(dòng)盤的MPU試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 不同C含量的金相組織

圖7 不同C含量制動(dòng)盤的MPU試驗(yàn)結(jié)果

(2)粗糙度

粗糙度：指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，是由加工方法和設(shè)備因素決定的，粗糙度越小，越光滑。

粗糙度的好壞直接影響MPU，越粗糙的制動(dòng)盤在制動(dòng)過程中，受力不均勻，局部受力過大，與制動(dòng)塊發(fā)生過度摩擦，溫度升高易誘發(fā)MPU。表1為粗糙度和MPU的關(guān)系。

表1 粗糙度和MPU的關(guān)系

3.3 制動(dòng)塊

(1)配方

配方：不同制動(dòng)塊供應(yīng)商，根據(jù)企業(yè)的技術(shù)參數(shù)，臺(tái)架和整車試驗(yàn)結(jié)果，固化的一種制動(dòng)塊原材料配比和工藝方案。

為了滿足不同的整車性能要求，制動(dòng)塊廠家會(huì)根據(jù)不同的整車參數(shù)和客戶偏好，提供不同配方，不同的配方側(cè)重點(diǎn)不同，性能指標(biāo)也不同，因此，要選擇合適配方。圖8為不同配方、同一制動(dòng)盤的MPU試驗(yàn)結(jié)果

(2)孔隙率

孔隙率：制動(dòng)塊材料中連通空隙體積和材料總體積之比。

孔隙率越大的制動(dòng)塊，含水量可能就大，在制動(dòng)過程中，由于高壓高溫，制動(dòng)盤的Fe3C與制動(dòng)塊中水分解后的氧氣和氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Fe和甲烷，部分Fe會(huì)轉(zhuǎn)移至制動(dòng)塊表面，進(jìn)而造成MPU。所以，制動(dòng)塊中水分的含量對(duì)MPU有貢獻(xiàn)，含水多(孔隙率大)的制動(dòng)塊發(fā)生MPU的概率大一些。圖9為同一制動(dòng)盤，不同孔隙率制動(dòng)塊的MPU試驗(yàn)結(jié)果。

圖8 不同配方、同一制動(dòng)盤的MPU試驗(yàn)結(jié)果

圖9 同一制動(dòng)盤，不同孔隙率制動(dòng)塊的MPU試驗(yàn)結(jié)果

(3)熱重分析

熱重分析，亦稱熱引力分析或熱重量分析(Thermo Gravimetric Analysis，TGA)：是一種隨著溫度(等加熱速率)的增加改變物質(zhì)物性及化性。

TGA溫度越低，有機(jī)物分解越快，在融化分解過程中形成溶液，將制動(dòng)盤與制動(dòng)塊相互磨損的粉末形成堆積顆粒，導(dǎo)致MPU的發(fā)生，如圖10所示。

圖10 TGA曲線表

(4)壓縮變形

壓縮變形：指材料受壓縮時(shí)，其壓縮負(fù)荷大小與材料變形的關(guān)系。

壓縮變形大，那么制動(dòng)的時(shí)候與制動(dòng)盤接觸面積大，單位面積承受的壓力就變小。如果壓縮變形小，說明制動(dòng)塊致密度高，材料更加緊實(shí)，在制動(dòng)過程中，不均勻的受壓導(dǎo)致局部受力大，制動(dòng)塊中的ZrO2(二氧化鋯) 高硬度的原材料容易使制動(dòng)盤的Fe 脫落，造成MPU問題。如圖11所示。

圖11 壓縮變形與MPU的關(guān)系

4 案例分析

4.1 干式MPU

某車型A在臺(tái)架試驗(yàn)和1 000 km路試出現(xiàn)金屬轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的MPU。經(jīng)更換不同供應(yīng)商、不同配方的制動(dòng)塊、改變制動(dòng)塊燒蝕程度、調(diào)整制動(dòng)盤的多種化學(xué)成分和表面粗糙度等措施，依然無法解決。通過多種摸索分析，變更了制動(dòng)盤的磨削砂輪(從石英石變?yōu)榻饎偸?，在濕磨削、保證砂輪轉(zhuǎn)速不變的方式下，調(diào)整了磨削紋路，從而徹底解決了該問題，分析結(jié)果見表2。

表2 制動(dòng)盤磨削方案和MPU結(jié)果

4.2 濕式MPU

某車型B在路試中，個(gè)別車輛制動(dòng)塊出現(xiàn)魚鱗狀亮斑的MPU問題。由于該車是改款車型，底盤及整車參數(shù)幾乎未作調(diào)整，且前期大量路試和臺(tái)架試驗(yàn)并未發(fā)現(xiàn)此問題，全面排查制動(dòng)塊和制動(dòng)盤的過程管控，未發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)。通過檢驗(yàn)路試場(chǎng)的汽車涉水鹽水池，發(fā)現(xiàn)鹽水濃度嚴(yán)重超標(biāo)(10%的濃度)導(dǎo)致。而且路試車輛在進(jìn)入鹽/泥水坑之前剛好有3次模擬ABS工況的重度制動(dòng)，制動(dòng)完成后不超過100 m，車輛進(jìn)入水坑。路試工況的制動(dòng)盤溫度為180 ℃，在如此工況下進(jìn)行急冷(特別是鹽水)，完全契合MPU產(chǎn)生的理論機(jī)制。表3為鹽水濃度和MPU結(jié)果。

表3 鹽水濃度和MPU結(jié)果

5 結(jié)束語

通過分析，了解了MPU的概念、分類、機(jī)制、原因、方向，金屬顆粒物的動(dòng)力特性，從它的發(fā)生、發(fā)展和過渡，到目前為止還沒有找到準(zhǔn)確的軌跡，未得到充分的解決。因此減少或杜絕MPU是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，沒有固定的方案和方法，需要不斷地優(yōu)化匹配、不斷地反復(fù)驗(yàn)證進(jìn)行規(guī)避和解決。