汽車風(fēng)冷盤式制動器摩擦學(xué)特性試驗(yàn)研究

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺 265500)

引言

風(fēng)冷盤式制動器是一種效能較高的制動裝置，具有通風(fēng)肋槽結(jié)構(gòu)，可在運(yùn)輸車輛的行駛過程中有效地增強(qiáng)空氣對流換熱作用[1]，傳熱性能優(yōu)良。風(fēng)冷盤式制動器的摩擦學(xué)性能對于汽車制動的穩(wěn)定性有著關(guān)鍵的影響，是制動器熱力學(xué)研究的最主要依據(jù)之一。目前，在摩擦學(xué)界和車輛領(lǐng)域內(nèi)被廣泛認(rèn)可的制動試驗(yàn)方法主要有三種：小樣試驗(yàn)法、臺架試驗(yàn)法以及道路試驗(yàn)法等。工程上對于盤式制動器摩擦學(xué)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(zhuǎn)速條件下的制動距離和摩擦系數(shù)，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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討了不同制動速度以及制動壓力下摩擦系數(shù)；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(shù)的影響；王曉陽等[4]通過摩擦磨損性能試驗(yàn)機(jī)研究了Cu-Fe基粉末冶金閘片的摩擦系數(shù)。

空氣與風(fēng)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(xué)性能最重要的因素之一。目前，制動器摩擦學(xué)特性的試驗(yàn)多數(shù)未考慮空氣流動因素，而且衡量制動性能的參數(shù)較為單一。為此，本研究采用NVH試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦性能試驗(yàn)，根據(jù)制動盤轉(zhuǎn)速匹配風(fēng)速，準(zhǔn)確地模擬出汽車行駛過程中的風(fēng)動效果和慣性狀態(tài)，完成相關(guān)物理參數(shù)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(guī)律。

1 液壓風(fēng)冷盤式制動器工作原理

1.1 盤式制動類型

目前，汽車上應(yīng)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(xiàn)更早，具有工作壽命長、造價低等優(yōu)點(diǎn)，但是散熱能力不足，安裝與維護(hù)相對復(fù)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(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制動盤又可以分為實(shí)心盤和風(fēng)冷盤(又稱為通風(fēng)盤)兩種。相比實(shí)心盤，風(fēng)冷盤具有復(fù)雜的通風(fēng)導(dǎo)槽，有效散熱面積更大，而且隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化，逐漸衍生出打孔式風(fēng)冷盤和劃線式風(fēng)冷盤。風(fēng)冷盤的造價比實(shí)心盤高，因此在經(jīng)濟(jì)型轎車中采用前軸風(fēng)冷盤、后軸實(shí)心盤的制動器組合方案。

本研究的制動盤和剎車片材質(zhì)分別為HT250和半金屬型復(fù)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(jù)閘片的尺寸可知，摩擦副的接觸面積僅占風(fēng)冷盤端面的30%左右，可有效限制制動壓力產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)[5]。在液壓控制過程中，若所需的制動力矩較大，可綜合應(yīng)用多組輪缸[6]。根據(jù)制動閘片的運(yùn)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(jié)構(gòu)原理如圖1所示，相比于固定式結(jié)構(gòu)，其在風(fēng)冷盤的內(nèi)側(cè)設(shè)置了輪缸[6]，整體的軸向尺寸更小，驅(qū)動閘片運(yùn)動所需的油路無需跨越盤體，而且數(shù)量更少，冷卻效果佳，因此被更廣泛的應(yīng)用。液壓風(fēng)冷盤式制動器在工作過程中，液壓系統(tǒng)內(nèi)的油液在油缸內(nèi)給予活塞一定的壓力載荷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閘片沿著銷釘軸向方向的運(yùn)動。

1.制動盤 2.制動鉗體 3.摩擦襯塊 4.活塞 5.進(jìn)油口 6.銷釘 7.車體圖1 滑動鉗盤式制動器結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 制動器摩擦特性理論分析

由摩擦學(xué)理論可知，制動閘片和風(fēng)冷盤表面之間的真實(shí)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(shí)接觸面積的改變，整個過程受溫度影響較大，從而導(dǎo)致了摩擦系數(shù)的改變。然而，微凸體接觸斑點(diǎn)的生成率并非隨著壓力的增大而一直增大，當(dāng)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(yīng)的綜合作用結(jié)果。隨著瞬態(tài)摩擦力的改變，制動盤表面將動態(tài)地出現(xiàn)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(xiàn)彈塑性狀態(tài)改變的基本條件為：

(1)

式中，a—— 摩擦副表面的真實(shí)斑點(diǎn)半徑，m

r—— 微凸半徑，m

σT—— 微凸平均剪切應(yīng)力，Pa

kn—— 材料比例系數(shù)

此外，摩擦副表面的輪廓度對于彈塑性轉(zhuǎn)換條件和摩擦學(xué)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(shù)法表達(dá)式為：

(2)

式中，σ—— 摩擦副表面的輪廓標(biāo)準(zhǔn)差，m

E′ —— 平均彈性模量，Pa

H—— 顯微硬度，HB

μ1，E1，μ2，E2—— 分別為風(fēng)冷盤、制動閘片的泊松比和彈性模量，Pa

根據(jù)研究結(jié)論可知，當(dāng)φ<0.6，摩擦副在單位載荷內(nèi)將保持彈性接觸；當(dāng)φ>1，將保持塑性接觸。

2 摩擦學(xué)特性測試與分析

2.1 臺架試驗(yàn)設(shè)計(jì)與安裝

風(fēng)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(jìn)行測量，保證其滿足試驗(yàn)要求[7-8]。風(fēng)冷盤安裝于NVH試驗(yàn)機(jī)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(lián)軸器連接，可確保轉(zhuǎn)動的同步性。根據(jù)研究目的增設(shè)傳感器，主要包括溫度傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(xì)鎧裝熱電偶，其干擾小、精度高、安裝方便，平均熱響應(yīng)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(nèi)，導(dǎo)線從法蘭面引出并接入試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊。此外，在NVH臺架試驗(yàn)中，可通過機(jī)械飛輪和電氣控制的方式實(shí)現(xiàn)車輛慣性的模擬[9]。

圖2 制動器與傳感器安裝圖

試驗(yàn)機(jī)對于制動器的控制以及相關(guān)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測由3部分功能模塊共同實(shí)現(xiàn)：液壓控制模塊、空氣對流控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。液壓控制模塊主要包括單向變量泵、單向閥、先導(dǎo)比例減壓閥、二位三通電磁換向閥、制動溢流閥、分泵等，可實(shí)現(xiàn)制動壓力的精準(zhǔn)控制；空氣對流控制模塊主要包括風(fēng)速電機(jī)、葉片、收縮器及整流管路等，可根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)空氣的溫度、濕度、壓力、流速等物理參數(shù)，匹配車輛實(shí)際行駛條件；數(shù)據(jù)采集模塊由PC機(jī)、PLC、變頻控制器、傳感器等組成，實(shí)時進(jìn)行參數(shù)檢測和數(shù)據(jù)分析。

2.2 試驗(yàn)周期設(shè)置

設(shè)定上位機(jī)控制程序，使風(fēng)冷盤式制動器的單次制動周期為1 s，數(shù)據(jù)采集模塊的采樣周期為0.01 s，每種工況條件下的總循環(huán)制動次數(shù)為100次，檢測結(jié)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(dāng)?shù)趇次制動完成采樣后，即刻卸載制動壓力，試驗(yàn)機(jī)室內(nèi)的溫控器啟動，使制動器在短時間內(nèi)恢復(fù)至初始溫度，然后執(zhí)行第(i+1)次制動試驗(yàn)。最終循環(huán)制動試驗(yàn)完成后的摩擦副表面，如圖3所示，可以看出，風(fēng)冷盤表面的摩擦軌道較為平滑、完整，未出現(xiàn)異常的摩擦軌跡，制動閘片表面顏色和質(zhì)地均勻，表明制動試驗(yàn)無異常干擾因素。

2.3 參數(shù)定義與設(shè)置

摩擦系數(shù)是衡量摩擦學(xué)特性的最直接物理參數(shù)，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(yàn)中測得的瞬態(tài)摩擦系數(shù)μ隨時間t的變化特性如圖4所示，其計(jì)算式為:

(3)

式中，F(xiàn)—— 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(fēng)冷盤式制動器摩擦學(xué)性能，引入摩擦穩(wěn)定系數(shù)參數(shù)，其在數(shù)值上為制動周期內(nèi)平均摩擦系數(shù)與最大摩擦系數(shù)的比值，即:

(4)

式中，α—— 摩擦穩(wěn)定系數(shù)

μmax—— 最大摩擦系數(shù)

摩擦穩(wěn)定系數(shù)主要反映特定工況條件下摩擦系數(shù)的波動[11]，是摩擦學(xué)界衡量材料摩擦性能的重要參數(shù)之一。一般情況下，若摩擦穩(wěn)定系數(shù)持續(xù)保持在較高的數(shù)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(wěn)定系數(shù)雖然無法反映單次試驗(yàn)周期內(nèi)數(shù)值特別小的摩擦系數(shù)，但根據(jù)試驗(yàn)條件可知，單周期內(nèi)摩擦系數(shù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)數(shù)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(shù)據(jù)點(diǎn)僅占總采集總數(shù)的2%左右，即當(dāng)試驗(yàn)采樣頻率為0.01 s時，僅有4個數(shù)據(jù)點(diǎn)處于“制動初始階段”，可忽略不計(jì)。因此，將上述的摩擦穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法應(yīng)用于該試驗(yàn)具有良好的可行性。

圖4 摩擦系數(shù)周期采樣結(jié)果

從圖4中可以看出，制動器的摩擦系數(shù)隨時間展現(xiàn)出3種不同的階段。

(1) 制動初始階段，該階段的摩擦系數(shù)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(shù)調(diào)整階段，該階段的摩擦系數(shù)表現(xiàn)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(nèi)的延續(xù)，真實(shí)接觸面積內(nèi)的黏著作用增強(qiáng)，但產(chǎn)生的阻力效果不如嚙合作用；

(3) 穩(wěn)定摩擦階段，該階段的摩擦系數(shù)在特定幅值范圍內(nèi)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(wěn)定，也是決定制動效能的關(guān)鍵階段。

根據(jù)風(fēng)冷盤式制動器的工作原理，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5763-2008《汽車用制動器襯片》中對于摩擦參數(shù)測試的有關(guān)規(guī)定，將制動壓力p、制動初速度v和溫度T等參數(shù)作為數(shù)據(jù)采集對象，各個參數(shù)的測定范圍如表2所示。其中，任一試驗(yàn)周期內(nèi)的制動速度均設(shè)定為恒定值，模擬長下坡勻速制動工況。

表2 參數(shù)測定范圍

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 速度對摩擦性能的影響

根據(jù)能量守恒定律可知，車輛的質(zhì)量和行駛速度(制動速度)是影響制動器生熱速率的先導(dǎo)因素。為研究速度對摩擦性能的影響，需首先排除環(huán)境溫度變化的影響，因此，調(diào)節(jié)溫控器使得試驗(yàn)機(jī)室內(nèi)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(fēng)冷盤式制動器的平均摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定系數(shù)與制動速度之間的關(guān)系分別如圖5a和圖5b所示。

圖5a中可以看出：

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

(2) 從平均摩擦系數(shù)的總體變化幅度分析，當(dāng)機(jī)車的行駛速度處于20～30 m/s時，平均摩擦系數(shù)具有較高的穩(wěn)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(wěn)定系數(shù)變動范圍較小，峰值變動低于20%，表明摩擦穩(wěn)定系數(shù)受機(jī)車行駛速度影響較小，摩擦副材料的摩擦穩(wěn)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(wěn)定系數(shù)數(shù)值幾乎保持一致，均在85%～90%之間；總體上看，摩擦穩(wěn)定系數(shù)隨制動速度的增大出現(xiàn)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(jù)動能定理可知，摩擦力矩所做的功直接決定了風(fēng)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(guān)。調(diào)節(jié)溫控器使得試驗(yàn)機(jī)室內(nèi)為恒溫條件100 ℃，根據(jù)表1定義的測定，最終可得出風(fēng)冷盤式制動器的平均摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定系數(shù)與制動壓力之間的關(guān)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(fēng)冷盤式制動器的平均摩擦系數(shù)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(jī)車的剎車效能是不可靠的，特別是在機(jī)車未安裝防抱死系統(tǒng)的情況下，較高的行駛速度和較大的制動壓力容易導(dǎo)致機(jī)車剎車性能的急劇衰退；

(2) 機(jī)車在低速行駛條件下，平均摩擦系數(shù)持續(xù)保持在較高的數(shù)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(shù)差別非常小。雖然制動壓力增大，黏著作用增強(qiáng)，但該制動條件會降低真實(shí)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(wěn)定系數(shù)保持了良好的平穩(wěn)性，未出現(xiàn)明顯的波動；

(2) 當(dāng)制動壓力為2.0 MPa時，機(jī)車在不同行駛速度條件下制動器的摩擦穩(wěn)定系數(shù)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(nèi)部組織物理屬性的最重要因素[12]，也是發(fā)生制動失效的關(guān)鍵原因之一。在溫度因素影響的試驗(yàn)研究中，不再固定制動周期為1 s，而是由程序自動設(shè)定。當(dāng)溫度傳感器檢測達(dá)到預(yù)設(shè)值時，開始數(shù)據(jù)采集。該試驗(yàn)條件下，制動壓力恒為2.0 MPa，控制主軸轉(zhuǎn)速為定速模式，最終可得出風(fēng)冷盤式制動器的平均摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定系數(shù)與溫度之間的關(guān)系分別如圖7所示。

圖7a中可以看出：

(1) 平均摩擦系數(shù)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(dá)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(dāng)風(fēng)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(shù)在數(shù)值上差異較小，低速狀態(tài)下的摩擦系數(shù)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(wěn)定系數(shù)隨時間變化趨勢表現(xiàn)出顯著同步性；與平均摩擦系數(shù)一致，摩擦穩(wěn)定系數(shù)也是在200 ℃左右時逐漸達(dá)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(xué)特性變化主要受制動閘片材料物理屬性的影響。試驗(yàn)中采用的制動閘片為黑金屬含量低于50%的半金屬復(fù)合材質(zhì)，通過粉末冶金技術(shù)完成壓制和燒結(jié)，其中粘結(jié)劑對于閘片的強(qiáng)度和耐磨性有著關(guān)鍵的作用。但是，粘結(jié)劑具有一定的缺陷，當(dāng)溫度較高時，特別是300 ℃以上時，黏結(jié)組織會發(fā)生變化，使得接觸表面析出一層樹脂潤滑膜，導(dǎo)致摩擦系數(shù)急劇衰減。

3.4 單試驗(yàn)周期溫度變化

為了研究單次制動過程中風(fēng)冷盤表面的溫度變化規(guī)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(jìn)行測試，最終得出試驗(yàn)結(jié)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(jié)論

風(fēng)冷盤式制動器的摩擦學(xué)特性是熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)。相比于其他試驗(yàn)研究方案，采用NVH臺架試驗(yàn)機(jī)可更精確地獲得制動器的工作狀態(tài)，特別是空氣流動和慣性因素的模擬。以平均摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定系數(shù)為衡量指標(biāo)，分別在不同制動壓力、制動速度和溫度條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終可得出制動工況對摩擦性能的影響規(guī)律。摩擦學(xué)特性受多方面參數(shù)的影響，對于風(fēng)冷盤式制動器，可結(jié)合機(jī)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(jié)成分的改進(jìn)亦可有效提升制動器的抗熱衰減[13]能力。

圖8 單試驗(yàn)周期風(fēng)冷盤表面溫度變化