氣壓盤式制動器摩擦片的選擇

（武漢元豐汽車零部件有限公司，湖北武漢 430205）

1.氣壓盤式制動器的應用范圍

商用車由于整車載荷重、制動力矩需求高，目前大多采用氣壓制動器。盤式制動器相比原有的鼓式制動器具有制動安全性高、抗熱/水衰退性能好、便于維修、重量輕等特點，所以GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》[1]中又增大了盤式制動器的應用范圍（GB 7258-2017[1]中7.2.6條款：汽車（三輪汽車除外）、摩托車（邊三輪摩托車除外）、掛車（總質量不大于 750kg的掛車除外）的所有車輪應裝備制動器。其中，所有專用校車和危險貨物運輸貨車的前輪和車長大于9m的其他客車的前輪，以及危險貨物運輸半掛車、三軸的欄板式和倉柵式半掛車的所有車輪，應裝備盤式制動器），加速推動了氣壓盤式制動器的發展。

2.氣壓盤式制動器的結構

目前國內外市場上氣壓盤式制動器主要采用浮動式制動鉗，如圖1所示。

圖1 氣壓盤式制動器結構示意圖

制動時，儲氣罐的壓縮空氣通過“氣室”作用于“杠桿”，將輸入力放大，然后推動“推桿”“內摩擦片”作用于“制動盤”，內摩擦片與制動盤的反作用力使“卡鉗”滑動，帶動外摩擦片與制動盤夾緊，產生制動力矩。

3.氣壓盤式制動器摩擦片的選擇

摩擦片對制動器性能影響的因素諸多，下面將按照QC/T239-2015《商用車輛行車制動器技術要求及臺架試驗方法》[2]、GB/T 31970-2015《汽車用氣壓制動卡鉗總成性能要求及臺架試驗方法》[3]標準中規定的制動性能要求及試驗方法進行描述：

3.1 制動力矩

氣壓盤式制動器提供制動力矩的公式為Nb=C＊×i×η×Fz×Rm，其中i是杠桿比，η是機械效率，Rm制動半徑，這些參數是由制動器本身結構決定的，Fz是氣室輸入力，C＊是制動效能因數，對于盤式制動器來說，相當于2倍的摩擦系數，所以摩擦系數是影響制動力矩的最直接因素，摩擦系數越大制動力矩越高。但是摩擦系數高也容易產生制動噪音和摩擦片壽命不足等問題，所以大多數商用車的摩擦系數在0.35～0.45。

另外一個重要因素是摩擦片的壓縮特性，當壓縮應變過大時，將會增大氣室的行程，而一般氣室推桿的輸出行程超過50mm后其輸出力會有所下降，將會降低制動器的制動力矩。

3.2 效能試驗

第一次效能試驗，標準要求在規定制動管路壓力下的平均制動力矩值不應低于設計下限值的80%，這是模擬整車初始下線未經過磨合時的制動效果，與摩擦片表面的平面度有關，還有一個重要的因素是“涂層”。

目前國內/外各制動器廠為保證整車順利下線，大多在摩擦片表面增加了涂層，厚度大多在0.1mm～0.5mm之間，形狀有“斑馬紋”和“全涂層”2類。涂層在解決初始下線問題的同時也帶來了一些新的問題，比如某些配方的涂層出現“駐車制動解除后摩擦片涂層與制動盤粘連問題”“涂層導致的制動異響問題”，所以需要選擇合適的摩擦片涂層。

第二次效能試驗是經過磨合后檢測的制動力矩，此階段試驗是模擬車輛磨合之后且未經過高溫衰退制動效能，主要取決于摩擦系數的大小以及在各速度/壓力下的穩定性。

第一次衰退恢復試驗（以M3車型為例）是以50km/h的初速度、施加相當于3.0m/s2的平均制動減速度的制動管路壓力進行制動、制動周期60s、制動20次，相當于模擬公交車頻繁踩剎車進站的工況。該試驗過程摩擦片溫度會逐漸升高，大多會達到300℃～400℃，這個溫度區間可能會使部分配方摩擦片樹脂分解，摩擦系數改變、磨損增加。

第三次效能試驗是經過第一次衰退恢復試驗之后檢測的制動力矩，此階段試驗時產品已經過一定的高溫，有的配方摩擦片的性能會更加穩定，使得第三次效能試驗中制動力矩更大、速度穩定性更高，但也有高溫之后性能不變或者變差的情況，主要與配方及第一次衰退試驗的溫度有關。

第二次衰退試驗是使制動盤以相當于30km/h（N1和M2類車輛為40km/h。）的恒定轉速轉動，然后按制動12s、解除制動18s為一個試驗周期進行循環制動試驗，制動控制方式為恒定輸出方式，其輸出制動力矩相當于0.7m/s2的制動減速度，共制動60次。該種試驗相當于模擬山區行駛的車輛在下陡坡連續踩剎車的工況。

該階段試驗會使摩擦片產生很高的溫度（最高溫度會在400℃～700℃不等），除摩擦片面積大小、試驗轉動慣量對最高溫度有明顯的影響外，不同廠家摩擦片配方會產生很大的差別，究其原因應是摩擦片的導熱性能存在差異。

第四次效能試驗是經過第二次衰退試驗后進行的制動力矩檢測，前期試驗產生的溫度越高，第四次效能試驗的制動力矩較第二/三次效能試驗的制動力矩變化越大，速度穩定性也會越差。

性能試驗之后，通常會檢測摩擦片和制動盤的磨損量，用來初步判斷摩擦片的壽命，不同配方磨損量有一定的差異，如圖2所示不同配方的磨損量。

圖2 不同配方磨損量

3.3 磨損試驗

3.2中提到的磨損量是多種工況綜合試驗后的磨損結果，有一定的參考意義，同時QC/T239-2015標準[2]也規定了專門的磨損試驗標準，具體試驗條件如表1。

表1 QC/T239-2015標準[2]規定的磨損試驗條件

試驗要求初始溫度100℃/200℃/300℃/400℃、初速度50km/h、3m/s2制動減速度，每個溫度下各制動200次。試驗結果發現：不同配方摩擦片磨損量有明顯差異（圖3所示），但是大多數配方摩擦片溫度達到300℃以上時，磨損量會明顯增加。

圖3 QC/T239-2015標準[2]磨損試驗檢測結果

所以經常在山區運行的車輛摩擦片壽命會大大減少。

3.4 可靠性試驗

按照GB/T 31970-2015標準[3]規定：制動器需要經過10萬次以上扭轉疲勞試驗，以及39萬次溫度耐久性試驗，摩擦片需要保證整個試驗過程無脫落、掉塊等問題。對應摩擦片的性能指標是剪切強度和抗壓強度。

3.5 制動間隙

制動間隙是由制動器廠根據標準要求（0.6mm～1.2mm）設計自調機構配合尺寸而來，與摩擦片有關的因素有兩點。

（1）熱膨脹率，舉例說明：若正常狀態下制動間隙在0.7mm左右，當摩擦片在400℃的熱膨脹率達到1%，對于22.5（新片單片摩擦材料厚度20mm，內外片合計40mm）摩擦片，膨脹量將會達到0.4mm，這意味著制動間隙將會從0.7mm減小到0.3mm，這大大增加拖磨的風險。

（2）耐浸（水、鹽水、潤滑油、制動液等）性能，當摩擦片涉水后也會發生體積的變化，這也直接影響的制動間隙。

3.6 制動噪音

隨著新能源車輛的大范圍應用，人們對舒適性的要求越來越高，制動噪音的問題就顯現的更加明顯。噪音問題不單與摩擦片有關，與制動盤、制動器結構都有一定的關系，但是更換摩擦片成本低、操作方便，且大部分噪音可以通過摩擦片的調整適量降低或者消除。

摩擦片與噪音相關的因素主要有金屬含量、鋼纖維品質、涂層以及摩擦片倒角等。

4.結語

制動器作為整車安全件，使用性能穩定至關重要，摩擦片的正確選取直接關系到制動器性能的發揮，所以產品開發人員在設計過程中必須謹慎選擇，并通過一系列試驗驗證來保證產品質量。