汽車制動系統(tǒng)熱衰退現(xiàn)象的機(jī)理分析與改進(jìn)措施

摘要：為了探討汽車制動系統(tǒng)中的熱衰退現(xiàn)象及其改進(jìn)措施，分析了摩擦材料、液壓系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)件在高溫條件下的性能變化。結(jié)果表明，碳陶瓷制動盤在20次制動后溫度控制為420 ℃，摩擦因數(shù)下降8%，制動距離增長12%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)灰鑄鐵制動盤，其溫度在相同條件下達(dá)到630 ℃，摩擦因數(shù)下降28%，制動距離增長35%。材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整及制造工藝改進(jìn)可顯著提高制動系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和安全性，為制動性能提升提供了有效路徑。

關(guān)鍵詞：汽車制動系統(tǒng)；熱衰退；摩擦材料

中圖分類號：U463.5" " " 收稿日期：2025-02-25" " " DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.012

Mechanism Analysis and Improvement Measures of Thermal

Decline in Automtive Braking System

Wu Quancheng

School of Intelligent manufacturing，Nanchong vocational and technical college，Nanchong 637131，China

Abstract：In order to explore the phenomenon of thermal degradation in automotive braking systems and its improvement measures， the performance changes of friction materials， hydraulic systems， and structural components under high temperature conditions were analyzed. The results showed that after 20 braking cycles， the temperature of the carbon ceramic brake disc was controlled at 420 ℃， the friction coefficient decreased by 8%， and the braking distance increased by 12%， which was significantly better than the traditional gray cast iron brake disc. Its temperature reached 630 ℃ under the same conditions， the friction coefficient decreased by 28%， and the braking distance increased by 35%. Material optimization， structural adjustment， and manufacturing process improvement can significantly enhance the thermal stability and safety of the braking system， providing an effective path for improving braking performance.

Key words：Automotive braking system;Thermal decline;Friction material

1 前言

汽車制動系統(tǒng)在長期或高強(qiáng)度使用過程中，摩擦生熱引發(fā)的熱衰退現(xiàn)象成為影響制動性能的主要因素。高溫環(huán)境下，制動器的摩擦材料、液壓系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)件均會發(fā)生復(fù)雜的物理與化學(xué)變化，導(dǎo)致制動效能顯著下降。該現(xiàn)象不僅影響制動響應(yīng)的穩(wěn)定性，還會引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患。基于此，深入分析制動系統(tǒng)熱衰退的機(jī)理，并提出有效的改進(jìn)措施，對于提升汽車制動安全性和可靠性具有重要的實(shí)踐意義。

2 熱衰退現(xiàn)象的基本特征

汽車制動系統(tǒng)在長時間或高強(qiáng)度使用過程中會因摩擦生熱，導(dǎo)致制動器溫度迅速升高，進(jìn)而引發(fā)制動力下降、制動響應(yīng)遲滯及踏板力反饋異常等熱衰退現(xiàn)象。其基本特征主要表現(xiàn)為制動效率下降、制動距離明顯延長，尤其在高溫環(huán)境下或連續(xù)下坡工況中更為顯著[1]。此外，摩擦材料在高溫作用下發(fā)生物理與化學(xué)變化，如摩擦因數(shù)降低、材料熱膨脹不均勻、揮發(fā)性物質(zhì)釋放等，進(jìn)一步削弱制動性能。同時，高溫狀態(tài)下制動液產(chǎn)生的氣泡會導(dǎo)致制動踏板軟化甚至失效，影響車輛操控穩(wěn)定性。熱衰退現(xiàn)象的持續(xù)累積還可能引發(fā)制動盤碟熱裂紋、襯片剝落等結(jié)構(gòu)性損傷，加劇安全隱患。

3 汽車制動系統(tǒng)熱衰退機(jī)理分析

2.1 制動系統(tǒng)熱衰退故障描述

汽車制動系統(tǒng)的熱衰退故障是制動器在高溫環(huán)境下性能下降的綜合表現(xiàn)，主要源于摩擦材料特性變化、液壓傳輸異常以及結(jié)構(gòu)件熱損傷。該現(xiàn)象通常在長時間或高強(qiáng)度制動條件下發(fā)生，如山區(qū)連續(xù)下坡、高速緊急制動或負(fù)載較重的車輛頻繁啟停等工況。當(dāng)系統(tǒng)溫度持續(xù)升高時，各種故障特征逐步顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響制動效能和行車安全。

a.制動性能衰減：摩擦副溫度升高導(dǎo)致摩擦材料摩擦因數(shù)降低，制動力矩傳遞效率下降，進(jìn)而影響車輛減速能力。隨著溫度升高，摩擦副表面出現(xiàn)熱滑移，制動效果進(jìn)一步削弱，導(dǎo)致制動距離顯著延長。

b.制動踏板反饋異常：制動液在高溫作用下發(fā)生氣化，氣泡的形成降低了液壓系統(tǒng)的傳輸效率，導(dǎo)致制動踏板變軟、行程增加，甚至出現(xiàn)剎車失靈。同時，熱膨脹影響踏板剛性，駕駛員的制動力控制精度下降，增加了車輛操控風(fēng)險[2]。

c.制動器結(jié)構(gòu)損傷：長期熱負(fù)荷作用下，制動盤因溫度梯度不均而產(chǎn)生熱裂紋，部分區(qū)域甚至?xí)l(fā)生局部塑性變形，導(dǎo)致制動襯片與制動盤接觸不均勻。此外，摩擦材料的熱分解或剝落會降低摩擦穩(wěn)定性，使制動效果進(jìn)一步惡化。

d.高溫導(dǎo)致的材料劣化：摩擦材料在高溫作用下發(fā)生熱降解，高分子黏合劑分解導(dǎo)致表面形成氣膜或炭化層，摩擦因數(shù)下降。制動盤金屬材料可能因氧化作用形成氧化層，改變摩擦界面特性，影響制動性能的穩(wěn)定性和耐久性。

e.安全性降低：熱衰退現(xiàn)象在極端情況下導(dǎo)致制動力完全喪失，尤其是在高速行駛或長距離下坡過程中，剎車失靈風(fēng)險顯著增加。制動性能的下降使車輛制動距離超出安全范圍，加劇了交通事故的發(fā)生概率，對駕駛安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。制動系統(tǒng)熱衰退故障不僅影響車輛的制動響應(yīng)和穩(wěn)定性，還會對制動部件造成不可逆的損傷，甚至引發(fā)嚴(yán)重安全事故。

3.2 故障原因分析

制動系統(tǒng)熱衰退的根本原因在于摩擦生熱超過散熱能力，導(dǎo)致溫度持續(xù)升高并引發(fā)一系列材料和結(jié)構(gòu)變化。摩擦材料的熱穩(wěn)定性不足，使摩擦因數(shù)下降，削弱制動力輸出。制動盤和襯片受高溫影響產(chǎn)生熱膨脹不均勻，局部應(yīng)力集中誘發(fā)熱裂紋或表面硬化，導(dǎo)致制動接觸狀態(tài)惡化。高溫作用下，制動液氣化形成氣泡，削弱液壓系統(tǒng)的壓力傳遞效率，踏板回饋異常，影響駕駛員控制精度[3]。長時間重載或頻繁制動工況加劇熱積累，使摩擦界面材料分解，部分黏結(jié)劑失效，摩擦面潤滑性增強(qiáng)，進(jìn)一步加劇熱衰退現(xiàn)象。散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，制動通風(fēng)散熱不足，使系統(tǒng)無法及時降溫，導(dǎo)致熱衰退加劇，最終影響車輛的安全性和制動穩(wěn)定性。

3.3 熱衰退關(guān)鍵影響因素

制動系統(tǒng)熱衰退受多種因素影響，其中摩擦材料性能是關(guān)鍵變量。高溫下摩擦因數(shù)的變化決定了制動力的穩(wěn)定性，如部分有機(jī)摩擦材料在300 ℃時摩擦因數(shù)下降超過30%，導(dǎo)致制動效能急劇衰減。制動盤與襯片的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響熱量傳遞速率，鑄鐵制動盤導(dǎo)熱系數(shù)約為52 W/（m·K），遠(yuǎn)低于碳陶瓷材料的110 W/（m·K），散熱能力的差異使兩者在高負(fù)荷制動工況下的耐熱穩(wěn)定性存在顯著差異。

液壓系統(tǒng)的耐高溫能力同樣影響熱衰退程度，制動液在超過180 ℃時易發(fā)生氣化，降低液壓傳輸效率，導(dǎo)致踏板回饋異常[4]。散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化程度決定了熱量的累積速率，如通風(fēng)盤結(jié)構(gòu)能提升約25%的散熱能力，而密封式制動系統(tǒng)散熱效率較低，易造成熱積聚。

此外，工況條件對熱衰退的影響顯著，重載車輛在10%坡度下持續(xù)制動10 min后，制動盤溫度可升高至600 ℃，遠(yuǎn)超安全溫度范圍，極易誘發(fā)熱衰退及剎車失靈風(fēng)險。

4 汽車制動系統(tǒng)熱衰退改進(jìn)措施

4.1 材料選擇優(yōu)化

材料的選擇對制動系統(tǒng)的熱衰退性能至關(guān)重要，通過優(yōu)化摩擦材料和制動盤材料[5]，可以有效提升其耐高溫性能和導(dǎo)熱能力。不同材料在導(dǎo)熱性、熱容以及高溫穩(wěn)定性上存在顯著差異，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

灰鑄鐵制動盤成本低、工藝成熟，但高溫易發(fā)生熱裂紋與熱疲勞，主要用于經(jīng)濟(jì)型轎車。碳陶瓷制動盤具備出色的高溫穩(wěn)定性和耐久性，可有效降低熱衰退風(fēng)險，廣泛應(yīng)用于高性能跑車、賽車和軍用車輛。芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高溫環(huán)境下摩擦因數(shù)下降不到10%，穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)材料，適用于高端乘用車和長下坡制動工況。金屬基復(fù)合材料導(dǎo)熱性好，耐磨性強(qiáng)，摩擦性能穩(wěn)定，多用于商用車、重載車輛和工程機(jī)械。高性能碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)極低，在極端高溫下仍能保持形狀穩(wěn)定，減少熱裂紋形成，提高制動盤耐久性，常見于航空制動系統(tǒng)和高端賽車。陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料硬度高，熱膨脹率低，在600 ℃高溫下摩擦因數(shù)波動小于5%，適用于極端環(huán)境和高溫制動工況。

采用碳陶瓷制動盤和金屬基摩擦材料的制動系統(tǒng)，可使制動溫度降低約150 ℃，制動力衰減減少40%，大幅提升高負(fù)荷工況下的制動安全性和使用壽命。

4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整

制動系統(tǒng)的熱衰退現(xiàn)象受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響顯著，優(yōu)化制動盤結(jié)構(gòu)、散熱通道設(shè)計及摩擦界面接觸形式，可有效提升散熱效率，降低高溫工況下的性能衰減。通風(fēng)盤的散熱能力相比實(shí)心盤提升25%以上，其內(nèi)部葉片角度優(yōu)化至30 °時，可進(jìn)一步提升氣流引導(dǎo)效率，使制動盤溫度降低約80 ℃，減少熱衰退幅度超過35%。制動盤直徑與厚度的優(yōu)化同樣關(guān)鍵，直徑從280 mm增加至320 mm，單位面積的散熱能力提升約20%，厚度由22 mm增加至28 mm后，熱容提高15%，有效降低短時間內(nèi)溫度驟升帶來的性能衰減風(fēng)險。

制動鉗活塞直徑由38 mm擴(kuò)大至44 mm，可增強(qiáng)液壓力輸出，減少高溫工況下的踏板行程增長幅度，同時優(yōu)化導(dǎo)熱材料的分布，使溫度均衡性提高30%。采用梯度多孔結(jié)構(gòu)的摩擦襯片，可降低熱膨脹不均勻的影響，抑制熱裂紋擴(kuò)展，其微孔孔隙率控制在15%時，摩擦因數(shù)波動降低40%，確保高溫環(huán)境下制動性能穩(wěn)定。散熱槽的優(yōu)化在改善熱流通道的同時，可將高溫區(qū)域的溫度梯度降低45%，減少因局部過熱導(dǎo)致的材料降解和摩擦面碳化，進(jìn)一步增強(qiáng)耐熱穩(wěn)定性，在上述的優(yōu)化措施下，可以通過具體的結(jié)構(gòu)調(diào)整來顯著提升制動系統(tǒng)的熱衰退性能，具體詳見圖1。

4.3 制造工藝改進(jìn)

提升制動系統(tǒng)的耐熱性能需要優(yōu)化制造工藝，以減少高溫環(huán)境下的性能衰減。碳陶瓷制動盤采用高溫?zé)Y(jié)工藝，通過2 500 ℃高溫碳化處理提升材料致密度，其熱導(dǎo)率可達(dá)110 W/（m·K），使高溫環(huán)境下的熱分布更加均勻，減少熱應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂風(fēng)險。制動襯片的制造工藝優(yōu)化需采用等靜壓成形技術(shù)，使內(nèi)部孔隙率控制在10%以下，從而提升高溫穩(wěn)定性，使摩擦因數(shù)在600 ℃高溫下保持波動不超過5%。金屬基復(fù)合材料摩擦層采用真空燒結(jié)工藝，在1 200 ℃環(huán)境下保持2 h，使銅基顆粒均勻分布，提高熱傳導(dǎo)效率至85 W/（m·K），使摩擦熱更快擴(kuò)散，減少局部過熱現(xiàn)象。

采用激光表面強(qiáng)化技術(shù)對制動盤進(jìn)行處理，熔覆碳化鎢涂層后，其表面硬度可提升至1 300 HV，使耐熱疲勞壽命提高40%。摩擦材料的樹脂基體優(yōu)化采用高分子耐熱樹脂，其熱分解溫度從280 ℃提高至450 ℃，降低高溫環(huán)境下的揮發(fā)性氣體析出，減少氣膜形成，穩(wěn)定摩擦性能。通風(fēng)盤采用高精度CNC加工，使葉片角度誤差控制在0.1°以內(nèi)，提升空氣流通效率，使熱交換率提高30%，大幅減少高負(fù)荷制動工況下的熱積累。液壓系統(tǒng)的制造工藝改進(jìn)采用真空脫氣工藝，在制動液中氣體含量降低至0.05%以下，有效抑制高溫工況下的氣泡生成，使液壓傳輸穩(wěn)定性提升20%，為了進(jìn)一步闡述上述制造工藝改進(jìn)對制動系統(tǒng)性能的提升效果，圖2展示了各項工藝優(yōu)化措施的具體實(shí)施過程。

4.4 改進(jìn)方案驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證制動系統(tǒng)熱衰退改進(jìn)措施的有效性，設(shè)計了一系列試驗(yàn)，重點(diǎn)評估材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整及制造工藝改進(jìn)對高溫環(huán)境下制動性能的影響。試驗(yàn)采用連續(xù)下坡制動工況，選取傳統(tǒng)鑄鐵制動盤與碳陶瓷制動盤分別進(jìn)行對比，測試環(huán)境為坡度10%且總長8 km的下坡路段，車輛載荷設(shè)定為3 t，制動壓力控制在10 MPa，制動間隔為10 s。通過測量制動盤表面溫度、摩擦因數(shù)變化以及制動距離，量化不同制動方案的熱衰退表現(xiàn)。表2展示了兩種制動盤在不同工況下的熱衰退數(shù)據(jù)。

表2數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)鑄鐵制動盤在連續(xù)制動過程中溫度上升迅速，在20次制動后達(dá)到630 ℃，導(dǎo)致摩擦因數(shù)下降28%，制動距離增加35%，明顯表現(xiàn)出熱衰退現(xiàn)象。而碳陶瓷制動盤溫度控制效果顯著，20次制動后溫度僅為420 ℃，摩擦系數(shù)下降幅度控制在8%，制動距離僅增長12%，證明高導(dǎo)熱低熱膨脹的碳陶瓷材料可有效抑制熱衰退，提高制動穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整與制造工藝優(yōu)化的效果，試驗(yàn)選取通風(fēng)盤與實(shí)心盤進(jìn)行對比測試，并評估激光強(qiáng)化處理對制動盤耐熱穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)條件為10%坡度下10 min持續(xù)制動，測量制動盤溫度、裂紋產(chǎn)生情況及襯片磨損量，具體詳見表3。

表3數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)實(shí)心盤在10 min持續(xù)制動后溫度達(dá)到580 ℃，裂紋數(shù)量為6條，襯片磨損0.85 mm，摩擦因數(shù)下降24%，熱衰退現(xiàn)象嚴(yán)重。而采用優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)的制動盤，溫度下降至440 ℃，裂紋數(shù)量減少至2條，襯片磨損減少41%，摩擦因數(shù)下降幅度縮小至10%。激光強(qiáng)化處理的通風(fēng)盤表現(xiàn)更優(yōu)，溫度降至390 ℃，未發(fā)現(xiàn)裂紋，摩擦因數(shù)下降僅5%，襯片磨損減少至0.38 mm，進(jìn)一步驗(yàn)證了制造工藝優(yōu)化的有效性。通過上述試驗(yàn)，證實(shí)了材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整和制造工藝改進(jìn)對抑制熱衰退、提升制動穩(wěn)定性的積極作用，為制動系統(tǒng)的高性能設(shè)計提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語

制動系統(tǒng)的熱衰退現(xiàn)象嚴(yán)重影響了汽車的制動效能與行車安全。通過優(yōu)化材料選擇、調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)及改進(jìn)制造工藝，能夠有效抑制高溫工況下的熱衰退，提升制動性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性。未來的研究可進(jìn)一步探索新型高溫材料的開發(fā)與應(yīng)用，以及通過智能控制技術(shù)對制動系統(tǒng)溫度進(jìn)行動態(tài)管理，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更安全的制動系統(tǒng)設(shè)計。

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作者簡介：

吳泉成，男，1985年生，講師，研究方向?yàn)槠嚲S修、新能源汽車技術(shù)。