汽車風冷盤式制動器摩擦學特性試驗研究

(煙臺汽車工程職業學院，山東 煙臺 265500)

引言

風冷盤式制動器是一種效能較高的制動裝置，具有通風肋槽結構，可在運輸車輛的行駛過程中有效地增強空氣對流換熱作用[1]，傳熱性能優良。風冷盤式制動器的摩擦學性能對于汽車制動的穩定性有著關鍵的影響，是制動器熱力學研究的最主要依據之一。目前，在摩擦學界和車輛領域內被廣泛認可的制動試驗方法主要有三種：小樣試驗法、臺架試驗法以及道路試驗法等。工程上對于盤式制動器摩擦學特性的測試目的主要為獲取基于特定制動壓力和制動盤轉速條件下的制動距離和摩擦系數，具有代表性的有：李玉龍等[2]通過對銅基摩擦片的摩擦特性進行實驗，探討了不同制動速度以及制動壓力下摩擦系數；李保元等[3]通過CFT-Ⅰ材料表面綜合測試儀分析了制動壓力和制動速度對摩擦系數的影響；王曉陽等[4]通過摩擦磨損性能試驗機研究了Cu-Fe基粉末冶金閘片的摩擦系數。

空氣與風冷盤表面的對流換熱作用對盤體溫度場有著重要的影響，而溫度場又是影響摩擦學性能最重要的因素之一。目前，制動器摩擦學特性的試驗多數未考慮空氣流動因素，而且衡量制動性能的參數較為單一。為此，本研究采用NVH試驗機進行摩擦性能試驗，根據制動盤轉速匹配風速，準確地模擬出汽車行駛過程中的風動效果和慣性狀態，完成相關物理參數的測試和評價，研究車輛行駛速度、制動壓力和盤體表面溫度對摩擦性能的影響規律。

1 液壓風冷盤式制動器工作原理

1.1 盤式制動類型

目前，汽車上應用最多的制動器主要有兩種：盤式制動器和鼓式制動器。相比于盤式制動器，鼓式制動器出現更早，具有工作壽命長、造價低等優點，但是散熱能力不足，安裝與維護相對復雜，涉水后的制動可靠性低，因此逐漸被盤式制動器取代。盤式制動器一般采用液壓控制，其核心部件為制動盤和制動閘片。根據結構特點，制動盤又可以分為實心盤和風冷盤(又稱為通風盤)兩種。相比實心盤，風冷盤具有復雜的通風導槽，有效散熱面積更大，而且隨著結構優化，逐漸衍生出打孔式風冷盤和劃線式風冷盤。風冷盤的造價比實心盤高，因此在經濟型轎車中采用前軸風冷盤、后軸實心盤的制動器組合方案。

本研究的制動盤和剎車片材質分別為HT250和半金屬型復合材料(黑金屬小于50%)，材料屬性如表1所示。其中，制動盤材料的密度為7220 kg/m3，平均泊松比為0.25；剎車片材料的密度為1550 kg/m3，平均泊松比為 0.16。

1.2 制動器工作原理

根據閘片的尺寸可知，摩擦副的接觸面積僅占風冷盤端面的30%左右，可有效限制制動壓力產生的彎矩效應[5]。在液壓控制過程中，若所需的制動力矩較大，可綜合應用多組輪缸[6]。根據制動閘片的運動方式不同，可將鉗盤式制動器可分為固定式和浮動式兩種。

浮動鉗盤制動器的結構原理如圖1所示，相比于固定式結構，其在風冷盤的內側設置了輪缸[6]，整體的軸向尺寸更小，驅動閘片運動所需的油路無需跨越盤體，而且數量更少，冷卻效果佳，因此被更廣泛的應用。液壓風冷盤式制動器在工作過程中，液壓系統內的油液在油缸內給予活塞一定的壓力載荷，進而實現閘片沿著銷釘軸向方向的運動。

1.制動盤 2.制動鉗體 3.摩擦襯塊 4.活塞 5.進油口 6.銷釘 7.車體圖1 滑動鉗盤式制動器結構原理圖

1.3 制動器摩擦特性理論分析

由摩擦學理論可知，制動閘片和風冷盤表面之間的真實接觸面積決定了生熱量。摩擦副表面的微凸體受到一定的擠壓或者剪切作用后，將引起真實接觸面積的改變，整個過程受溫度影響較大，從而導致了摩擦系數的改變。然而，微凸體接觸斑點的生成率并非隨著壓力的增大而一直增大，當制動壓力處于某個范圍以上時，微凸體的有效屈服壓力將顯著減小。

表1 制動器材料屬性

總的來說，制動力是摩擦副表面微凸體的嚙合、黏著和犁溝效應的綜合作用結果。隨著瞬態摩擦力的改變，制動盤表面將動態地出現彈性、塑性和中間性(彈塑性)3種形式。由摩擦副球形微凸體理論可知，盤體表面出現彈塑性狀態改變的基本條件為：

(1)

式中，a—— 摩擦副表面的真實斑點半徑，m

r—— 微凸半徑，m

σT—— 微凸平均剪切應力，Pa

kn—— 材料比例系數

此外，摩擦副表面的輪廓度對于彈塑性轉換條件和摩擦學特性也有著重要的影響。在恒溫條件下，GREENWOOD與WILLIAMSON得出塑性指數法表達式為：

(2)

式中，σ—— 摩擦副表面的輪廓標準差，m

E′ —— 平均彈性模量，Pa

H—— 顯微硬度，HB

μ1，E1，μ2，E2—— 分別為風冷盤、制動閘片的泊松比和彈性模量，Pa

根據研究結論可知，當φ<0.6，摩擦副在單位載荷內將保持彈性接觸；當φ>1，將保持塑性接觸。

2 摩擦學特性測試與分析

2.1 臺架試驗設計與安裝

風冷盤式制動器的安裝如圖2a所示，安裝前需要對制動盤的平面度和圓柱度進行測量，保證其滿足試驗要求[7-8]。風冷盤安裝于NVH試驗機的主軸，為降低徑向安裝誤差影響，將主軸與直接輸出軸采用萬向聯軸器連接，可確保轉動的同步性。根據研究目的增設傳感器，主要包括溫度傳感器、轉矩轉速傳感器和壓力傳感器等。對于溫度傳感器，選用高精度的微細鎧裝熱電偶，其干擾小、精度高、安裝方便，平均熱響應時間小于0.01 s。如圖2b所示，在摩擦半徑的中心位置鉆孔，將溫度傳感器嵌入孔內，導線從法蘭面引出并接入試驗機的數據采集模塊。此外，在NVH臺架試驗中，可通過機械飛輪和電氣控制的方式實現車輛慣性的模擬[9]。

圖2 制動器與傳感器安裝圖

試驗機對于制動器的控制以及相關參數的實時監測由3部分功能模塊共同實現：液壓控制模塊、空氣對流控制模塊、數據采集模塊。液壓控制模塊主要包括單向變量泵、單向閥、先導比例減壓閥、二位三通電磁換向閥、制動溢流閥、分泵等，可實現制動壓力的精準控制；空氣對流控制模塊主要包括風速電機、葉片、收縮器及整流管路等，可根據試驗要求調節空氣的溫度、濕度、壓力、流速等物理參數，匹配車輛實際行駛條件；數據采集模塊由PC機、PLC、變頻控制器、傳感器等組成，實時進行參數檢測和數據分析。

2.2 試驗周期設置

設定上位機控制程序，使風冷盤式制動器的單次制動周期為1 s，數據采集模塊的采樣周期為0.01 s，每種工況條件下的總循環制動次數為100次，檢測結果取平均值。為確保每次制動時的初始條件一致，相鄰兩個制動周期需一定的時間間隔。當第i次制動完成采樣后，即刻卸載制動壓力，試驗機室內的溫控器啟動，使制動器在短時間內恢復至初始溫度，然后執行第(i+1)次制動試驗。最終循環制動試驗完成后的摩擦副表面，如圖3所示，可以看出，風冷盤表面的摩擦軌道較為平滑、完整，未出現異常的摩擦軌跡，制動閘片表面顏色和質地均勻，表明制動試驗無異常干擾因素。

2.3 參數定義與設置

摩擦系數是衡量摩擦學特性的最直接物理參數，除本身材料屬性外，還受諸多載荷因素影響，為典型的非恒定量[10]。臺架試驗中測得的瞬態摩擦系數μ隨時間t的變化特性如圖4所示，其計算式為:

(3)

式中，F—— 制動器摩擦載荷，N

p—— 閘片正壓力，MPa

A—— 摩擦副有效接觸面積，m2

為了更全面地評定風冷盤式制動器摩擦學性能，引入摩擦穩定系數參數，其在數值上為制動周期內平均摩擦系數與最大摩擦系數的比值，即:

(4)

式中，α—— 摩擦穩定系數

μmax—— 最大摩擦系數

摩擦穩定系數主要反映特定工況條件下摩擦系數的波動[11]，是摩擦學界衡量材料摩擦性能的重要參數之一。一般情況下，若摩擦穩定系數持續保持在較高的數值且變動范圍較小時，表明摩擦副材料的可靠性良好。摩擦穩定系數雖然無法反映單次試驗周期內數值特別小的摩擦系數，但根據試驗條件可知，單周期內摩擦系數達到穩態數值所需要的時間非常短(如圖4所示)，在既定的采樣頻率下，采集到的數據點僅占總采集總數的2%左右，即當試驗采樣頻率為0.01 s時，僅有4個數據點處于“制動初始階段”，可忽略不計。因此，將上述的摩擦穩定系數計算方法應用于該試驗具有良好的可行性。

圖4 摩擦系數周期采樣結果

從圖4中可以看出，制動器的摩擦系數隨時間展現出3種不同的階段。

(1) 制動初始階段，該階段的摩擦系數隨著摩擦副的接觸，先急速增長后緩慢增長，與制動壓力的變化具有匹配性，此時的制動力主要來源于摩擦副表面微凸體嚙合作用，黏著作用并不顯著；

(2) 摩擦系數調整階段，該階段的摩擦系數表現出一定的降低趨勢，制動過程中的微凸嚙合作用對制動力的影響減弱。隨著較短時間內的延續，真實接觸面積內的黏著作用增強，但產生的阻力效果不如嚙合作用；

(3) 穩定摩擦階段，該階段的摩擦系數在特定幅值范圍內保持微小的波動性。摩擦副的嚙合作用、黏著作用和犁溝作用保持穩定，也是決定制動效能的關鍵階段。

根據風冷盤式制動器的工作原理，結合國家標準GB 5763-2008《汽車用制動器襯片》中對于摩擦參數測試的有關規定，將制動壓力p、制動初速度v和溫度T等參數作為數據采集對象，各個參數的測定范圍如表2所示。其中，任一試驗周期內的制動速度均設定為恒定值，模擬長下坡勻速制動工況。

表2 參數測定范圍

3 試驗結果分析

3.1 速度對摩擦性能的影響

根據能量守恒定律可知，車輛的質量和行駛速度(制動速度)是影響制動器生熱速率的先導因素。為研究速度對摩擦性能的影響，需首先排除環境溫度變化的影響，因此，調節溫控器使得試驗機室內為恒溫條件100 ℃。在表2所限定的制動壓力條件下，最終可得出風冷盤式制動器的平均摩擦系數和摩擦穩定系數與制動速度之間的關系分別如圖5a和圖5b所示。

圖5a中可以看出：

(1) 隨著機車行駛速度的增大，制動時摩擦副表面的平均摩擦系數減小，而且在不同制動壓力條件下均表現出該趨勢；

(2) 從平均摩擦系數的總體變化幅度分析，當機車的行駛速度處于20～30 m/s時，平均摩擦系數具有較高的穩定性，制動可靠性較高。

圖5b中可以看出：

(1) 在各種工況條件下的摩擦穩定系數變動范圍較小，峰值變動低于20%，表明摩擦穩定系數受機車行駛速度影響較小，摩擦副材料的摩擦穩定性良好；

(2) 在制動速度為15 m/s條件下，不同制動壓力下的摩擦穩定系數數值幾乎保持一致，均在85%～90%之間；總體上看，摩擦穩定系數隨制動速度的增大出現出先增大后減小的變化趨勢。制動速度對摩擦性能的影響主要取決于受嚙合作用和犁溝作用。

圖5 制動速度對摩擦性能的影響

3.2 制動壓力對摩擦性能的影響

根據動能定理可知，摩擦力矩所做的功直接決定了風冷盤表面的總熱流量，而熱流密度的分配僅與材料的物理屬性有關。調節溫控器使得試驗機室內為恒溫條件100 ℃，根據表1定義的測定，最終可得出風冷盤式制動器的平均摩擦系數和摩擦穩定系數與制動壓力之間的關系分別如圖6所示。

圖6a中可以看出：

(1) 隨著制動壓力的增大，風冷盤式制動器的平均摩擦系數近線性減小，由此可見，僅僅通過提升制動壓力的方法來提升機車的剎車效能是不可靠的，特別是在機車未安裝防抱死系統的情況下，較高的行駛速度和較大的制動壓力容易導致機車剎車性能的急劇衰退；

(2) 機車在低速行駛條件下，平均摩擦系數持續保持在較高的數值，在10～30 m/s的不同行駛速度條件下，特定制動壓力載荷下的平均摩擦系數差別非常小。雖然制動壓力增大，黏著作用增強，但該制動條件會降低真實摩擦面積的有效生成率，弱化了嚙合作用。

圖6b中可以看出：

(1) 除了較高的制動壓力和制動速度，摩擦穩定系數保持了良好的平穩性，未出現明顯的波動；

(2) 當制動壓力為2.0 MPa時，機車在不同行駛速度條件下制動器的摩擦穩定系數具有極小的差異性。

圖6 制動壓力對摩擦性能的影響

3.3 溫度對摩擦性能的影響

溫度是影響摩擦副材料內部組織物理屬性的最重要因素[12]，也是發生制動失效的關鍵原因之一。在溫度因素影響的試驗研究中，不再固定制動周期為1 s，而是由程序自動設定。當溫度傳感器檢測達到預設值時，開始數據采集。該試驗條件下，制動壓力恒為2.0 MPa，控制主軸轉速為定速模式，最終可得出風冷盤式制動器的平均摩擦系數和摩擦穩定系數與溫度之間的關系分別如圖7所示。

圖7a中可以看出：

(1) 平均摩擦系數并非隨著溫度的升高而顯著降低，而是先在200 ℃左右時逐漸達到最大值，然后急劇衰減，整個變化趨勢不受制動速度影響；

(2) 當風冷盤表面溫度超過300 ℃時，在不同制動速度下的平均摩擦系數在數值上差異較小，低速狀態下的摩擦系數衰減更為顯著。

圖7b中可以看出：

(1) 不同制動速度條件下的摩擦穩定系數隨時間變化趨勢表現出顯著同步性；與平均摩擦系數一致，摩擦穩定系數也是在200 ℃左右時逐漸達到最大值，在300 ℃以上時，急劇衰減。

圖7 溫度對摩擦性能的影響

不同溫度條件下的摩擦學特性變化主要受制動閘片材料物理屬性的影響。試驗中采用的制動閘片為黑金屬含量低于50%的半金屬復合材質，通過粉末冶金技術完成壓制和燒結，其中粘結劑對于閘片的強度和耐磨性有著關鍵的作用。但是，粘結劑具有一定的缺陷，當溫度較高時，特別是300 ℃以上時，黏結組織會發生變化，使得接觸表面析出一層樹脂潤滑膜，導致摩擦系數急劇衰減。

3.4 單試驗周期溫度變化

為了研究單次制動過程中風冷盤表面的溫度變化規律，分別在恒制動速度20 m/s和恒制動壓力2.0 MPa條件下進行測試，最終得出試驗結果如圖7所示。圖8中可以看出：溫度的波動性明顯，不同制動速度和制動壓力條件下的溫度變化趨勢具有一致性；相比于制動速度，制動壓力對于溫度上升的靈敏度更高。

4 結論

風冷盤式制動器的摩擦學特性是熱力學研究的基礎。相比于其他試驗研究方案，采用NVH臺架試驗機可更精確地獲得制動器的工作狀態，特別是空氣流動和慣性因素的模擬。以平均摩擦系數和摩擦穩定系數為衡量指標，分別在不同制動壓力、制動速度和溫度條件下進行數據采集，最終可得出制動工況對摩擦性能的影響規律。摩擦學特性受多方面參數的影響，對于風冷盤式制動器，可結合機車的行駛速度，通過制動壓力的智能分配與控制，顯著提升制動的可靠性和安全性。此外，閘片粘結成分的改進亦可有效提升制動器的抗熱衰減[13]能力。

圖8 單試驗周期風冷盤表面溫度變化