高溫環(huán)境對(duì)汽車制動(dòng)的影響

鄒光雄 寇文能 涂成林 張志楷 莫偉標(biāo)

（廣汽研究院，廣州 511434）

主題詞：高溫環(huán)境 制動(dòng)效能 商品評(píng)價(jià)

1 前言

汽車的行駛安全性依賴于汽車的安全性能，而汽車的制動(dòng)性能是汽車安全性能的重要組成部分，是保證汽車安全行駛的前提條件。但汽車行駛在極端氣候條件下時(shí)，汽車的制動(dòng)性能會(huì)受到外界環(huán)境的影響產(chǎn)生一定的變化，從而危及到汽車的安全行駛。因此，采用極端、針對(duì)性氣候試驗(yàn)來對(duì)汽車的性能進(jìn)行考核已經(jīng)是各大汽車廠家的必檢項(xiàng)目，其目標(biāo)在于使汽車在不同地域或環(huán)境下均能達(dá)到顧客所期望的性能需求。汽車的制動(dòng)效能、制動(dòng)穩(wěn)定性和商品性評(píng)價(jià)一直是各主機(jī)廠和消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)。在提高燃油經(jīng)濟(jì)性（輕量化）與降低成本的同時(shí)，需要兼顧商品性競爭力，這些要求在一定程度上增大了制動(dòng)問題發(fā)生的概率。在高溫極端環(huán)境中，汽車更容易出現(xiàn)制動(dòng)問題。為了更好地解決高溫極端環(huán)境試驗(yàn)中出現(xiàn)的制動(dòng)效能下降和制動(dòng)性能衰減等商品性問題，本文將從影響制動(dòng)效能和導(dǎo)致商品評(píng)價(jià)問題的原因出發(fā)，討論高溫極端環(huán)境與制動(dòng)的關(guān)系。

2 高溫環(huán)境對(duì)汽車制動(dòng)的影響

2.1 高溫環(huán)境介紹

我國國土幅員遼闊，地勢呈西高、東低，內(nèi)陸距海遠(yuǎn)近差異較大，且緯度跨度較大。豐富的山脈走向地勢導(dǎo)致我國各地氣溫和降水情況大不相同，形成了各地不同的氣候條件。我國典型氣候環(huán)境特征分類是北部屬于寒溫地區(qū)、新疆地區(qū)屬于干熱地區(qū)、中部地區(qū)屬于暖溫地區(qū)、西北屬于寒溫地區(qū)，而長江以南則屬于亞濕熱地區(qū)，海南則是濕熱地區(qū)。這樣豐富的氣候特征為汽車產(chǎn)品的耐氣候適應(yīng)性（包括高溫、高寒和高原）提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，耐高溫是汽車產(chǎn)品重要的氣候適應(yīng)性試驗(yàn)之一。

經(jīng)氣象數(shù)據(jù)調(diào)研分析，全國每年的7月是月平均氣溫最高的月份，然后以7月為中心，前后月份氣溫逐漸降低。新疆吐魯番地區(qū)是全國月平均氣溫最高的地區(qū)。

2018年夏季試驗(yàn)期間監(jiān)測到的吐魯番6～8月氣象數(shù)據(jù)如表1所示，表明7月份氣溫達(dá)到全年的峰值，此時(shí)符合汽車制動(dòng)試驗(yàn)對(duì)溫度、濕度和光照強(qiáng)度的要求。

表1 吐魯番2018年6～8月氣象數(shù)據(jù)

2.2 高溫環(huán)境對(duì)制動(dòng)性能的影響

表1中可以看出，高溫環(huán)境溫度可以到達(dá)40℃以上，地表溫度可達(dá)到60℃以上，高溫對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)軟管和橡膠件產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)岷Γ瑢?duì)制動(dòng)碟散熱和制動(dòng)油液冷卻都是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，這些都將影響汽車制動(dòng)效能；另外多次制動(dòng)后，制動(dòng)碟發(fā)熱和剎車碟燒蝕會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)效能降低，從而進(jìn)一步影響汽車行駛安全。相對(duì)常溫環(huán)境，35℃溫度下，100公里制動(dòng)距離增加3 m左右，我國35℃以上的地區(qū)占國土面積比例很大，最典型的高溫地區(qū)是新疆吐魯番地區(qū)，因此高溫地帶汽車品質(zhì)考驗(yàn)非常重要。

每年6～8月，國內(nèi)汽車廠商紛紛赴吐魯番地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，近些年，國內(nèi)廠家如廣汽、吉利、眾泰、比亞迪，合資廠家如本田，大眾等廠家赴吐魯番地區(qū)進(jìn)行夏季高溫干熱適應(yīng)性試驗(yàn)和性能試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 高溫干熱試驗(yàn)

3 制動(dòng)系統(tǒng)高溫試驗(yàn)方法

高溫對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)影響主要集中在制動(dòng)效能、熱害和耐熱衰退性[1]，因此針對(duì)車輛制動(dòng)力G、踏板力F、踏板行程M和制動(dòng)系統(tǒng)熱害溫度點(diǎn)T進(jìn)行研究，主要采用K型熱電偶、VBOX、踏力計(jì)、簡易型G-meter、拉線位移傳感器和制動(dòng)治具三通等設(shè)備。

3.1 制動(dòng)效能試驗(yàn)

此項(xiàng)試驗(yàn)從一般客戶使用習(xí)慣出發(fā)，搭載適應(yīng)性車輛，監(jiān)測正常3萬公里保修里程中制動(dòng)系統(tǒng)是否良好，采集踏板力F1、踏板行程M1、制動(dòng)力G1和摩擦片溫度T1，試驗(yàn)路段為G30高速路吐魯番段山路。

由于各車企采用摩擦片、制動(dòng)盤材質(zhì)不一樣，制動(dòng)部品的極限溫度驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)有所差別，國內(nèi)廠家標(biāo)準(zhǔn)多規(guī)定制動(dòng)碟、摩擦片極限溫度≤350℃，制動(dòng)油液溫度≤150℃，制動(dòng)效能主觀評(píng)價(jià)不出現(xiàn)明顯衰退，制動(dòng)碟不能出現(xiàn)無法恢復(fù)的燒蝕現(xiàn)象。夏季制動(dòng)碟的參考溫度如表2所示。

表2 夏季制動(dòng)碟溫度分布參考范圍

3.2 耐熱衰退性試驗(yàn)

此項(xiàng)試驗(yàn)為常規(guī)四季試驗(yàn)場地制動(dòng)耐熱衰退性試驗(yàn)的補(bǔ)充，主要考驗(yàn)在極端高溫環(huán)境，長坡道下坡連續(xù)制動(dòng)工況條件下，制動(dòng)效能的穩(wěn)定性，摩擦片和制動(dòng)油液溫度是否超限值，確定制動(dòng)油液氣化情況。

試驗(yàn)用的制動(dòng)系統(tǒng)搭載在性能試驗(yàn)車輛上，采集踏板力F2、踏板行程M2、制動(dòng)力G2、摩擦片溫度T2和四輪制動(dòng)油管溫度T3，試驗(yàn)地點(diǎn)為吐魯番長下坡路。

參考國外廠家企標(biāo)，選擇長直坡道，制動(dòng)減速度4.5 m/s2，制動(dòng)速度反復(fù)105～100 km/h→0 km/h→105～100 km/h，每個(gè)循環(huán)間隔為465 m，制動(dòng)10次，考核標(biāo)準(zhǔn)為摩擦片溫度500℃以下，制動(dòng)油液350℃以下，沒有出現(xiàn)損壞的制動(dòng)系統(tǒng)部件。

某車型耐熱衰退性試驗(yàn)測量結(jié)果如圖2、圖3、所示，摩擦片和制動(dòng)油溫都在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍。

圖2 某車企夏季摩擦片檢測

圖3 某車企夏季制動(dòng)油溫檢測

4 改善制動(dòng)系統(tǒng)高溫性能方法

目前改善制動(dòng)系統(tǒng)高溫性能的方法有多種，包括采用耐高溫的制動(dòng)碟和摩擦片材料、改善制動(dòng)液耐高溫氣化性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善包括增大制動(dòng)碟和摩擦片直徑、改善輪轂開口面積和增加風(fēng)冷強(qiáng)度等，不同改善措施所帶來的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和成本問題各不相同，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 改善制動(dòng)系統(tǒng)高溫性能技術(shù)措施評(píng)價(jià)（-表示難，+表示容易）

根據(jù)表3的綜合評(píng)價(jià)結(jié)論，考慮設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)驗(yàn)證難易和成本高低等因素，決定采用增加輪轂開口面積、增加制動(dòng)碟面積和高沸點(diǎn)制動(dòng)油液的方式，來改善制動(dòng)系統(tǒng)高溫性能。

4.1 增加輪轂開口面積，加大散熱面積

圖4所示為增加輪轂開口面積的結(jié)構(gòu)，理論上開口面積越大，散熱效果越理想，但是需要平衡輪轂的剛度要求和開口面積大小。輪轂開口面積加大，散熱面積加大，剎車碟，剎車盤、制動(dòng)油液的極限溫度減低，同時(shí)導(dǎo)致輪轂剛度降低，輪轂的剛度還直接影響了懸架系統(tǒng)響應(yīng)和制動(dòng)穩(wěn)定性。

圖4 某車企汽車輪轂

4.2 增加制動(dòng)碟面積，提高通風(fēng)散熱

制動(dòng)碟是最重要的導(dǎo)熱零部件之一，也是考察熱害的重點(diǎn)部件之一，夏季高溫時(shí)，在一般公路行駛，汽車車速反復(fù)由高速降低到低速，又上升到高速，反復(fù)地和空氣，摩擦片等進(jìn)行冷熱交換，制動(dòng)碟溫度從常溫上升到幾百攝氏度然后冷卻，反復(fù)循環(huán)形成的高溫和熱應(yīng)力是導(dǎo)致制動(dòng)盤疲勞失效的主要原因[1-2]。而同等條件下，增大制動(dòng)碟面積，能有效提高熱容量的大小，熱容量是影響制動(dòng)碟溫度大小的主要原因，對(duì)制動(dòng)盤疲勞失效起到一定改善作用。當(dāng)摩擦片受到壓力緊緊貼著制動(dòng)碟，施加在制動(dòng)盤每側(cè)摩擦區(qū)域的熱流密度為[3]：

其中，η為摩擦功轉(zhuǎn)換為熱能的效率；μ為制動(dòng)盤和摩擦片片之間的摩擦系數(shù)；N為摩擦片對(duì)制動(dòng)盤的法向壓力；v0為汽車制動(dòng)初速度；a為制動(dòng)減速度；t為緊急制動(dòng)時(shí)間；S為摩擦片的有效面積。

從式(1)中可以得出，在相同動(dòng)能情況下，提高剎車盤的面積，能有效地抑制制動(dòng)碟的溫度上升。為對(duì)比分析制動(dòng)盤尺寸對(duì)盤面溫度的影響，選取了三種不同尺寸的制動(dòng)盤D0、D1、D2。

表4 三種不同尺寸制動(dòng)盤

制動(dòng)盤尺寸參數(shù)如表4所示，初始速度為120 km/h，制動(dòng)減速度為0.6 g，循環(huán)制動(dòng)30次，每兩次間隔10 s，制動(dòng)盤溫度監(jiān)測結(jié)果如表5所示。

表5 制動(dòng)盤溫度監(jiān)測

在布局允許的情況下，提高制動(dòng)碟的尺寸，能有效地降低剎車盤的溫度，但是實(shí)際汽車設(shè)計(jì)過程中，不但要考慮制動(dòng)效能和耐熱衰退性，還要考慮汽車的穩(wěn)定性。

4.3 采用高沸點(diǎn)的制動(dòng)油液

上文提到，在汽車高速制動(dòng)過程中，汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)化成大量熱能，其中一部分熱能轉(zhuǎn)移到制動(dòng)油液當(dāng)中，使得制動(dòng)油液溫度迅速提高，當(dāng)溫度大于制動(dòng)油液沸點(diǎn)，制動(dòng)油液氣化產(chǎn)生氣泡，出現(xiàn)“氣阻”現(xiàn)象，這時(shí)進(jìn)行制動(dòng)會(huì)出現(xiàn)一段空行程，油液不能及時(shí)有效地推動(dòng)摩擦片壓緊剎車盤，從而導(dǎo)致制動(dòng)力減弱。

4.4 制動(dòng)能量回收介紹

通過制動(dòng)能量回收，吸收一部分熱能，降低制動(dòng)系統(tǒng)部件的溫度，同時(shí)能夠提供0.1～0.2 g的制動(dòng)減速度。缺點(diǎn)是能量回收系統(tǒng)成本增加，一般在高級(jí)別車型使用。制動(dòng)能量回收是現(xiàn)代電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車的重要技術(shù)之一，也是它們的重要特點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)汽車上也能進(jìn)行能量回收，當(dāng)汽車減速、制動(dòng)時(shí)，汽車的運(yùn)動(dòng)能量通過制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向大氣中釋放。而在能量回收系統(tǒng)中，這種被浪費(fèi)掉的運(yùn)動(dòng)能量可通過制動(dòng)能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿?chǔ)存于蓄電池中，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)能量，降低制動(dòng)碟極限溫度，并且能提供一定的制動(dòng)減速度，其能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定調(diào)節(jié)，例如阿爾法羅密歐的Giulia采用的就是大陸集團(tuán)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。該車可以調(diào)校出任何想要的剎車線性和剎車踏板腳感。非常適合用于新能源車。這是因?yàn)?，剎車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電傳操縱以后，可以很輕松地配合制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)剎車過程的無縫連接。

5 結(jié)束語

制動(dòng)性能關(guān)乎汽車行駛安全，是“三高”（高溫、高寒、高原)試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)，本文分析了高溫極限環(huán)境對(duì)汽車制動(dòng)效能、熱害和耐熱衰退性帶來的負(fù)面影響，并介紹了幾項(xiàng)制動(dòng)系統(tǒng)高溫性能試驗(yàn)驗(yàn)證方法，闡述了通過改進(jìn)輪轂開口面積、制動(dòng)碟尺寸、制動(dòng)油液沸點(diǎn)等來改善汽車制動(dòng)部品極限溫度，對(duì)高溫環(huán)境中汽車制動(dòng)性能的研究提供了經(jīng)驗(yàn)，為后繼新發(fā)車型制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)有一定的參考意義。