汽車制動摩擦片壽命預測及分析

王素艷

(沈陽職業(yè)技術(shù)學院，遼寧沈陽 110045)

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汽車制動摩擦片壽命預測及分析

王素艷

(沈陽職業(yè)技術(shù)學院，遼寧沈陽 110045)

摘要：根據(jù)能量磨損原理，建立了隨制動溫度和制動能量的摩擦片磨損預測計算模型。通過制動慣量臺架試驗，得到摩擦材料隨制動溫度和制動能量的磨損特性；再根據(jù)制動耐久道路試驗中采集的試驗制動初末速度、溫度數(shù)據(jù)及整車制動力分配計算制動器在各溫度段所吸的制動能量；最后根據(jù)制動器在各溫度段吸收的制動能量與該溫度下摩擦材料的磨損率的乘積和來評價摩擦片的磨損量。計算結(jié)果和試驗結(jié)果有較好的一致性，適用于摩擦片壽命的預測，可作為不同市場的摩擦片開發(fā)策略的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車；摩擦片壽命；磨損；制動能量；摩擦材料

0引言

摩擦片的磨損壽命是制動系統(tǒng)的三大性能之一，摩擦片的壽命不僅僅與摩擦材料相關(guān)，摩擦片的磨損還受制動溫度、速度、制動盤的材質(zhì)及加工情況等眾多因素的影響。同時整車匹配時的前后制動力分配以及個人的駕駛習慣對摩擦片磨損也有強烈的影響，因此計算摩擦片的壽命存在一定困難。傳統(tǒng)上摩擦片壽命評估主要通過道路試驗，如美國的洛杉磯和鳳凰城城市道路，以及西班牙Mojcar 試驗[1-2]。顯然這種方法用在摩擦材料選型和開發(fā)上既費時又費力，不能滿足目前整車開發(fā)周期需要。目前評價摩擦片磨損性能主要有3種方法[2]：定溫下的摩擦片磨損試驗方法；城市、鄉(xiāng)村以及山路等各工況下的摩擦片磨損試驗方法；模擬道路試驗的摩擦片磨損試驗方法。定溫下的磨損量要求適用于摩擦材料配方開發(fā)，不能直接用于摩擦片壽命評估。模擬道路試驗的摩擦片磨損試驗方法可較好地預測摩擦片磨損，但開發(fā)驗證時間比較晚。如福特汽車在制動慣量臺架上根據(jù)道路譜模擬摩擦片的磨損情況來評估摩擦片是否滿足壽命要求。

影響磨損的重要因素是摩擦表面的溫度和摩擦力和滑移速度。從能量的觀點來說，汽車制動過程是將汽車的動能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。在制動過程中，制動器作為能量儲存單位，溫度升高。能量負荷越大，短時間溫度上升越快，摩擦磨損也越嚴重。目前國內(nèi)常用比能量耗散率用于摩擦片面積定義，即每單位摩擦片面積的單位時間耗散能量[3]。文中評價磨損壽命時,首先利用臺架試驗得到摩擦材料的磨損率隨溫度和能量關(guān)系；然后根據(jù)制動耐久道路試驗中采集的試驗制動初末速度、溫度數(shù)據(jù)及整車制動力分配計算每個制動器在各溫度段所吸收的能量；最后根據(jù)路譜中制動器在不同溫度段的制動能量和摩擦片的磨損率來計算摩擦片的磨損量，從而大大提高了磨損壽命的評價精度。在評價摩擦片磨損量時,針對不同道路條件(城市道路，鄉(xiāng)村道路，山區(qū)道路)，從制動能量、制動溫度、制動速度3個方面分析了其對摩擦片磨損的影響。結(jié)合摩擦材料的磨損特性，按照道路條件區(qū)分的不同市場需開發(fā)不同的摩擦材料，制定不同摩擦材料策略。

1摩擦片磨損機制

制動器摩擦制動涉及熱力學、摩擦學等，是一個十分復雜的過程。文獻[4-5]推導出磨損與制動壓力、速度及摩擦因數(shù)的關(guān)系式，并給出了定溫下的摩擦片磨損模型。文獻[6-8]介紹了一種基于溫度的制動能量強度的摩擦片磨損計算方法。文獻[9]指出摩擦片的磨損率不僅僅跟能量吸收有關(guān)，不同制動工況的順序?qū)δp也有影響，指出摩擦片磨損預測的復雜性。能量磨損理論認為摩擦過程中所做的功大部分以摩擦熱的形式散失, 部分以勢能的形式儲存在摩擦材料中。當一定體積的摩擦材料積累的能量達到臨界數(shù)值時, 便以磨屑的形式從表面剝落。摩擦片表面溫度對磨損壽命影響很大，特別是現(xiàn)在大量使用的有機材料制成的摩擦片, 磨損壽命與溫度有很大關(guān)系。如苯酚系黏結(jié)劑在250 ℃ 以上時就開始溶化, 因此將大大縮短磨損壽命。根據(jù)磨損機制可建立磨損過程的數(shù)學模型，磨損率可表示為:

dW/dt=f(p,v,T,S,μ,R)

(1)

式中:W為磨損量；t為磨損時間；p為摩擦面的表面壓力；v為相對運動速度；T為摩擦表面溫度；S為摩擦片面積；μ為摩擦因數(shù)；R為摩擦材料屬性，如硬度等因素影響。

對上述模型進行分析，簡化影響摩擦片磨損因素為作用在接觸表面的摩擦功(它為作用在摩擦片的制動壓力、摩擦因數(shù)和速度以及作用時間的函數(shù))和摩擦表面的溫度。在計算摩擦片磨損時，可將磨損率模型進行簡化，磨損率可表示為：

dW/dt=f(E,T,R)

(2)

式中：E是制動時產(chǎn)生的能量。

2摩擦片壽命預測模型

根據(jù)能量磨損原理，摩擦片磨損可表示為：

W=kT·ET

(3)

式中：kT是給定溫度下的單位能量磨損率，單位為μm/MJ，是一個隨溫度變化的函數(shù),需要試驗確定。ET為溫度為T時產(chǎn)生的制動能量。

計算評價磨損壽命所需要的制動器吸收能量時, 可采用根據(jù)車速、減速度和制動力分配求得的方法。前輪制動器所吸收的制動能量為：

式中：β為制動力分配比例。摩擦片磨損壽命計算流程如圖1所示。

該簡化模型主要忽略了在相同的制動能量下，輕制動和緊急制動過程的溫升變化和作用力大小對磨損的影響。道路試驗數(shù)據(jù)顯示制動強度小于0.3g以下的制動次數(shù)占85%以上，在材料磨損特性試驗和摩擦片壽命預測模型中，選擇一個中等強度的定減速度，簡化制動強度對摩擦片磨損的影響。

假設(shè)模擬出耐久試驗中摩擦片的磨損量為W，摩擦片的可用厚度為T，耐久試驗的里程為d，那么摩擦片壽命L即可表示為：

(4)

2.1摩擦片磨損特性試驗

為研究摩擦片磨損率隨溫度變化的函數(shù), 構(gòu)建了摩擦片磨損臺架試驗，得到不同溫度下的摩擦片磨損情況。利用制動慣量試驗臺進行摩擦片磨損試驗，將制動速度和制動減速度設(shè)置為控制參數(shù)，其中制動速度為50 km/h，制動減速度為0.3g。分別測量制動初始溫度為100～400 ℃時摩擦片的磨損量。在每個溫度下，制動次數(shù)為1 000次。

根據(jù)摩擦片磨損量隨溫度變化的關(guān)系，可以計算得到特定溫度下磨損體積隨能量的關(guān)系，即特定溫度下的單位能量磨損率。一種摩擦片磨損量隨溫度的關(guān)系如圖2所示，摩擦片在250 ℃以上時磨損率迅速增大。

2.2整車道路試驗路譜

目前多數(shù)汽車生產(chǎn)商和制動器供應商通常采用周期較長的整車道路試驗來驗證制動器性能，包括NVH和磨損。比較典型的道路試驗有北美和歐洲的汽車生產(chǎn)商和制動器供應商認同的LACT試驗和Mojacar試驗。實際使用工況對制動道路耐久后性能有很大影響。就制動過程影響因素而言，主要有制動初速度、制動溫度、制動間隔、制動力和減速度等。影響以上參數(shù)除駕駛員主觀習慣因素外，就是使用道路條件和氣候。一般將行駛地區(qū)可大致分為市區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)、高速等。通過采集制動耐久整車道路試驗路譜分析道路試驗的特點，制動耐久整車道路試驗采集數(shù)據(jù)包括制動速度、摩擦片溫度、制動減速度、管路壓力以及環(huán)境溫度。采集設(shè)備為LINK公司的3801，將制動燈信號作為制動工況采集觸發(fā)信號。圖3所示為某車型一天的溫度譜。

3案例分析

根據(jù)不同的3個車型的試驗路譜和摩擦材料的磨損率，按照摩擦片磨損壽命計算流程圖4，根據(jù)制動器在不同溫度段的吸收能量以及不同溫度下的臺架磨損試驗結(jié)果計算該車型摩擦片磨損，折算到2萬km后摩擦片的磨損。計算結(jié)果和試驗結(jié)果高度一致性，說明該方法可靠性。

4摩擦片磨損壽命的影響因素分析

根據(jù)試驗路譜，分別計算了某車型NAO摩擦片在山路、鄉(xiāng)村、城市3種道路中各10 000 km的摩擦片磨損情況，其結(jié)果如表1所示?？梢缘弥簡渭兊纳絽^(qū)工況的摩擦片磨損最大，而鄉(xiāng)村工況和城市工況的磨損基本一致。根據(jù)以上摩擦片磨損情況，可以得到摩擦片在以上3種道路條件下的使用壽命在(4 ～6)萬km之間。以下將從制動能量、制動溫度、初速度、制動次數(shù)等4個因素分析城市工況、鄉(xiāng)村工況、山區(qū)工況下道路條件下制動特點。

表1摩擦片在不同工況的磨損結(jié)果

4.1制動能量

制動器吸收能量的大小是直接影響摩擦片壽命的主要因素。從圖5可以看出:在城市路況中,每公里單位制動能量比鄉(xiāng)村大，比山路要小，每日的城市交通狀況對制動能量影響較大。因該能量計算方法僅考慮到動能轉(zhuǎn)化，未考慮下坡過程地勢能的影響，存在一定誤差。

4.2制動溫度

制動溫度對磨損壽命影響最大。有機材料制成的摩擦片的磨損壽命與溫度有很大關(guān)系，特別是苯酚系黏結(jié)劑在250 ℃ 左右時就開始溶化,將大大縮短磨損壽命。在市區(qū)行駛時, 平均制動溫度低于80 ℃，溫度最高可達150 ℃ 左右。而在山區(qū)行駛時制動平均溫度在120 ℃左右，最高溫度可達250 ℃ 左右。不同道路工況下制動溫度對比見圖6。

4.3制動初速度

制動初速度很大程度上決定了制動溫度，對摩擦片的磨損起很大影響。試驗結(jié)果表明：汽車在市區(qū)行駛時的平均制動初速度在36 km/h,因城市工況有較多的紅綠燈，經(jīng)常需要剎停，在郊區(qū)行駛時制動初速度多在67 km/h左右,在山區(qū)行駛時制動初速度在57 km/h左右, 且大都為點剎車；在城市工況雖然單位里程的制動能量較大，但是制動初速度較低，單次制動能量較小，導致溫升小，制動溫度反而比鄉(xiāng)村的低。不同道路工況下制動初速度對比見圖7。

4.4制動頻率

每公里的制動次數(shù)體現(xiàn)了制動的頻度。試驗結(jié)果表明：一般在市區(qū)行駛時每公里制動9次左右，在郊區(qū)每公里制動3次, 在山區(qū)每公里制動5次左右。因城市工況有較多的紅綠燈以及較擁擠的交通，導致制動次數(shù)多，導致城市工況的制動能量比鄉(xiāng)村大。不同道路工況下制動頻率對比見圖8。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：城市工況以低速、低溫、制動頻繁為特點；山區(qū)制動速度較高，制動較頻繁，制動器吸收能量大，制動溫度高；鄉(xiāng)村制動速度高，但制動次數(shù)少，制動器吸收的能量和制動溫度高于山區(qū)和城市。根據(jù)模擬分析，鄉(xiāng)村工況的摩擦片磨損和城市工況下的摩擦片磨損比較接近。

4.5摩擦片類型

有機材料制成的摩擦片磨損壽命與溫度有很大關(guān)系。隨溫度上升，摩擦片磨損會急劇上升，如苯酚系黏結(jié)劑在250 ℃左右時就開始溶化, 因此將大大縮短磨損壽命。圖9是兩種有機材料摩擦片NAO-A和NAO-B以及低金屬摩擦片Lowmet-A的體積磨損率對比，可以發(fā)現(xiàn)在制動溫度小于250 ℃時，有機材料摩擦片NAO-A和NAO-B磨損率低于低金屬摩擦片Lowmet-A磨損率，隨著溫度上升，低金屬摩擦片的磨損率反而低于有機材料摩擦片。制動初速度低、制動溫度低的城市區(qū)域適用于有機材料的摩擦片；制動初速度大、制動溫度高的山區(qū)更適用低金屬材料。

4.6摩擦片面積

以某車型為例，根據(jù)該車型的道路試驗路譜以及摩擦材料的磨損特性，計算了摩擦片厚度分別是10、11、12 mm時，摩擦面積在55 cm2上下波動10%情況下，摩擦片磨損里程的一個分布情況，如圖10所示。故在設(shè)計卡鉗時，可以根據(jù)整車制動系統(tǒng)參數(shù)和摩擦材料的特性，以摩擦片壽命為目標值，定義摩擦片面積和厚度。在定義摩擦片面積時需要考慮后續(xù)制動噪聲開發(fā)過程中摩擦片各種倒角對磨損壽命的影響。

5結(jié)論

在評價磨損壽命時,根據(jù)整車的制動能量和前后輪的制動分配計算制動器能量吸收，根據(jù)能量磨損機制得到不同溫度下的臺架磨損試驗結(jié)果，計算出不同溫度時摩擦片磨損來評價磨損壽命，從而大大提高了磨損壽命的評價精度。同時從制動初速度、溫度、單位公里制動能量、制動次數(shù)等4個因素分析了典型的城市工況、鄉(xiāng)村工況、山區(qū)工況道路條件下制動特點，模擬和分析了各種道路相同里程下的摩擦片磨損量以及原因。作為工程開發(fā)人員，可根據(jù)摩擦材料特性、摩擦片面積以及公共道路特點對摩擦片磨損的影響，以此為依據(jù)制定摩擦片開發(fā)策略。

摩擦片的磨損與外部環(huán)境和個人駕駛習慣息息相關(guān)，這些差異性均導致終端客戶實際使用摩擦片壽命與預測壽命存在較大的差異性。因為環(huán)境、客戶的差異性以及磨損機制的復雜性均是無法準確預測摩擦片壽命的重要原因，一般而言，預測精度在±20%之內(nèi)均可以接受。

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Automotive Brake Pad Life Perdition and Analysis

WANG Suyan

(Shenyang Polytechnic College，Shenyang Liaoning 110045,China)

Keywords:Automotive; Brake pad life; Wear; Braking energy; Friction material

Abstract:A model for predicting the wear life of the brake pad was established based on the braking energy. The wear characteristics of friction material with the brake temperature and braking energy were obtained by the brake inertia dynameter test. Then brake road test profile was acquired, including the initial speed, end speed, the temperature. The energy absorbed per each temperature was calculated based on the braking force distribution and brake energy. Finally, the product of the braking energy absorbed at each temperature and the wear rate of the friction material was taken to evaluate brake pad life. The results are in good agreement with the experimental results, which shows that the method is suitable for predicting the life of brake pad, which can be used as the basis for the development strategy of different markets.

收稿日期：2015-08-12

作者簡介：王素艷(1971—)，女，工程碩士，副教授，高級工程師，主要從事機械設(shè)計制造與自動化、機械CAD/CAM/CAE、設(shè)備控制及數(shù)控技術(shù)應用的教學及科研等工作。E-mail：wsy197111@163.com。

中圖分類號:U463.51

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)04-036-04