徐申敏　韓友國　吳洪濤

摘 要：制動(dòng)摩擦系數(shù)大小是衡量汽車制動(dòng)性的重要參數(shù)，影響制動(dòng)摩擦系數(shù)的根源為制動(dòng)片的材料屬性。由于汽車正常行駛中，每次制動(dòng)初速度、制動(dòng)液壓均有變化，導(dǎo)致每次制動(dòng)摩擦系數(shù)有差異。本論文結(jié)合制動(dòng)摩擦原理，著重從溫度、材料屬性、制動(dòng)壓力、制動(dòng)初速度四個(gè)方面，淺要分析了這些因素對制動(dòng)摩擦系數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：摩擦系數(shù)；制動(dòng)性

汽車制動(dòng)過程實(shí)際就是摩擦片與制動(dòng)盤接觸的過程，通過制動(dòng)片與制動(dòng)盤的直接接觸摩擦產(chǎn)生熱能，從而轉(zhuǎn)換汽車制動(dòng)中需要消耗的動(dòng)能。而制動(dòng)過程中最重要一點(diǎn)，那就是制動(dòng)摩擦系數(shù)的大小，其中摩擦系數(shù)過高過低都會(huì)影響制動(dòng)性能。GB 5763-2008中規(guī)定盤式制動(dòng)器摩擦系數(shù)隨溫度上升到350℃，摩擦系統(tǒng)溫度在0.25～0.70之間。目前市面上常用摩擦系數(shù)按照SAE J866-2012中的EF代碼，即正常摩擦系數(shù)：0.25

1 摩擦系數(shù)的定義

GB 5763中對摩擦系數(shù)的定義為：摩擦力與加在試片上的法向力的比值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為如下公式（1）：

u=

式（1）中：u為摩擦系數(shù)，f為摩擦力（總摩擦距離的后半部分穩(wěn)定的摩擦力的平均值），F(xiàn)為加在試片上的法向力。

目前常見的盤式制動(dòng)器的平均摩擦系數(shù)定義[1]

ua=

式（2）中：Ma為平均摩擦力矩；AP為制動(dòng)片的摩擦面積；p為平均制動(dòng)壓強(qiáng)；p0為克服制動(dòng)片回位彈簧作用力消除制動(dòng)間隙而需施加的制動(dòng)壓強(qiáng)；Dm為有效摩擦直徑。Ma和p均為制動(dòng)過程中達(dá)到設(shè)定值的95%時(shí)開始記錄到制動(dòng)終了時(shí)的時(shí)間段內(nèi)的平均值。

2 制動(dòng)摩擦系統(tǒng)影響因素

制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車中最重要的系統(tǒng)之一，制動(dòng)系統(tǒng)的好壞直接影響到整車安全方面，而影響制動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)重要因素就是制動(dòng)摩擦系數(shù)的大小及其穩(wěn)定性，本文從溫度、摩擦材料屬性、制動(dòng)壓力、制動(dòng)初速度來描述摩擦系數(shù)的影響因素。

2.1 溫度

摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性直接影響制動(dòng)器工作的穩(wěn)定性，摩擦系數(shù)隨著溫度而變化的特性，主要反映在制動(dòng)器的熱衰退上。當(dāng)制動(dòng)初速度增大、壓力增大、制動(dòng)頻繁導(dǎo)致摩擦副溫度升高時(shí)，摩擦系數(shù)降低，稱為“熱衰退[2]”制動(dòng)器鉗體和摩擦片的熱變形，以及摩擦片內(nèi)部的成分的化學(xué)變化都會(huì)導(dǎo)致熱衰退，以下為某車型連續(xù)十次制動(dòng)（100km-0）制動(dòng)距離對比，第十次與第一次相差11%，見表1。

溫度對摩擦系數(shù)的影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）氧化膜，在高溫下材料中的金屬、有機(jī)物等容易氧化形成氧化膜，氧化膜強(qiáng)度低，在制動(dòng)摩擦力的作用下易開裂或破裂。在制動(dòng)摩擦過程中，隨著溫度的不斷上升，氧化膜厚度增大，膜的強(qiáng)度降低，容易脫落且呈鱗片狀。

（2）潤滑膜，高溫超過制動(dòng)片材質(zhì)中低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)，使金屬融化，融化的液體金屬被展平而產(chǎn)生潤滑作用，使摩擦系數(shù)下降，“熱衰退”的主要原因之一。

改善方法：

①提高有機(jī)物的耐熱性

②減少低熔點(diǎn)金屬的組分

③增加導(dǎo)熱性強(qiáng)的金屬含量

④采取結(jié)構(gòu)上改善摩擦面的散熱條件

（3）氣墊膜，高溫下，摩擦材料表面的有機(jī)組分如酚醛樹脂的熱分解而產(chǎn)生大量的氣體（CO、CO2、CH4），形成氣墊膜使摩擦系數(shù)下降。

改善方法：

①摩擦片中部開槽、邊界倒角，開槽倒角有利于磨損物的排出和氣體排出。

②摩擦片做燒蝕處理。

由于摩擦材料的特性決定了摩擦系數(shù)對溫度的敏感程度，以下為某車型做AK-MASTER效能試驗(yàn)時(shí)，高溫效能的一段數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以直觀的看出，隨著溫度的上升，摩擦系數(shù)越來越低，達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定，見圖1。

2.2 材料屬性

（1）制動(dòng)片的材料屬性

摩擦材料的組成成分主要包括以下四類：

粘合劑5%～25%；增強(qiáng)劑20%～50%；摩擦調(diào)節(jié)劑30%～60%；工藝性調(diào)節(jié)劑0.5%～1%。

根據(jù)制動(dòng)摩擦材料的發(fā)展歷程，摩擦材料主要可以分為四大類：

①石棉摩擦材料：早期的材料，石棉具有熔點(diǎn)高、摩擦系數(shù)高、硬度適中等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)為：熱傳導(dǎo)性差，容易發(fā)生熱衰退，石棉污染大，具有致癌物質(zhì)，目前已經(jīng)明令禁止使用。

②半金屬摩擦材料[3]：一種金屬纖維代替石棉的新型摩擦材料，摩擦系數(shù)高。主要不足為，材料中的金屬成本容易生銹，增加摩擦片磨損，影響制動(dòng)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，而且由于其導(dǎo)熱性好，當(dāng)溫度高時(shí)，容易導(dǎo)致粘結(jié)劑樹脂的分解。

③混雜纖維摩擦材料[4]：采用2種或2種以上不同的纖維進(jìn)行混雜增強(qiáng)，這樣不僅可以降低成本，還可以充分發(fā)揮每一種纖維的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一纖維的缺陷，使其性能更加完畢，更加優(yōu)異。

④新型摩擦材料：近年來車輛向著高速化和輕型化發(fā)展，未來的摩擦材料主要方向：碳/碳復(fù)合摩擦材料和陶瓷摩擦材料。主要優(yōu)點(diǎn)為摩擦因數(shù)穩(wěn)定，使用壽命長，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

（2）制動(dòng)盤的材料屬性

研究表明[5]制動(dòng)盤是灰鑄鐵的銅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高溫下可以保持較高的摩擦系數(shù)，而鋁纖維的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)則有所下降。主要原因有：銅纖維比鋁纖維有較好的導(dǎo)熱性，氧化銅可以改善復(fù)合材料的熱衰退，高溫下鋁纖維會(huì)軟化，融化。

長時(shí)間連續(xù)制動(dòng)，摩擦表面會(huì)受到熱應(yīng)力的反復(fù)作用，材料中的晶粒大小不均勻，熱膨脹系數(shù)不一樣，在長期作用下，制動(dòng)盤表面由于鑄鐵中脆性相—石墨的尖端或邊緣易產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，而產(chǎn)生熱裂紋現(xiàn)象。

2.3 制動(dòng)壓力

Bijwe[6]等通過研究了不同金屬填料的復(fù)合材料在不同速度與不同壓力下的摩擦學(xué)性能，隨著速度的增加摩擦系數(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值后下降，極大值大小與材料中的金屬成分與含量有關(guān)，同時(shí)在高的液壓下極大值也會(huì)降低。

隨著制動(dòng)壓力的增大，制動(dòng)盤和制動(dòng)片接觸表面產(chǎn)生的摩擦熱增大，壓力大導(dǎo)致熱量大，制動(dòng)時(shí)間短熱量來不及散開，溫度升高導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。制動(dòng)壓力進(jìn)一步增大必然會(huì)引起摩擦片與制動(dòng)盤表面塑性變形增加，表面粗糙度降低，從而降低摩擦系數(shù)。

制動(dòng)過程中，從摩擦片中可以產(chǎn)生摩擦膜，摩擦膜主要是由摩擦過程中的膜屑形成，與制動(dòng)片和制動(dòng)盤的粘結(jié)強(qiáng)度很低，甚至浮在表面，在高壓反復(fù)剪切、擠壓力下容易破裂，高壓下一直處于形成、破壞、再形成的過程，從而降低摩擦系數(shù)。

以下為某車型做AK-MASTER效能試驗(yàn)時(shí)，車速分別為40km/h、80km/h、120km/h、160km/h、200km/h下不同制動(dòng)壓力，摩擦系數(shù)變化圖。從圖中可以看出在3Mpa之后，摩擦系數(shù)越來越低，見圖2。

2.4 制動(dòng)初速度

制動(dòng)的過程即動(dòng)能與熱能轉(zhuǎn)化過程，制動(dòng)的初速度增大，轉(zhuǎn)化的動(dòng)能增加，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量增加，多數(shù)摩擦材料隨著速度增加摩擦系數(shù)都會(huì)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，對于不同的材料臨界點(diǎn)不一樣。另外一方面，高速下溫度的升高，材料表面樹脂基體熱分解也是造成摩擦系數(shù)降低的一個(gè)原因。

以下為某車型做AK-MASTER效能試驗(yàn)時(shí)，制動(dòng)液壓分別為5Mpa、6Mpa、7Mpa、8Mpa時(shí)，不同車速下摩擦系數(shù)變化圖。從圖中可以看出隨著車速的不斷增加，摩擦系數(shù)越來越小，見圖3。

3 結(jié)論

縱上，除了摩擦材料的本身屬性以外，制動(dòng)壓力、制動(dòng)初速度對摩擦系數(shù)的影響基本都是通過改變溫度來實(shí)現(xiàn)，在通常制動(dòng)中，摩擦材料的溫度范圍在65-300℃之間，目前國內(nèi)的絕大數(shù)摩擦材料均能滿足在此范圍內(nèi)保持摩擦系數(shù)穩(wěn)定。但是遇到緊急制動(dòng)或連續(xù)下坡工況，當(dāng)摩擦材料溫度達(dá)到400℃以上時(shí)，熱衰退現(xiàn)象突出。提高摩擦材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定性可以從以下幾點(diǎn)來考慮：①利用新型摩擦材料，如：陶瓷纖維制動(dòng)片等；②提高摩擦材料的散熱能力，如：制動(dòng)片開槽，通風(fēng)制動(dòng)盤；③提高摩擦材料耐熱性，使高強(qiáng)度制動(dòng)過程中摩擦溫度在合理范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

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