乘用車制動盤黑色印記問題研究

史亨波 隋清海 郝占武 蔣帥

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞： 制動盤黑色印記 制動盤機加工工藝 制動襯塊材料

1 前言

制動盤作為制動系統(tǒng)中重要的執(zhí)行機構(gòu)，需要滿足尺寸要求和性能要求，才能保證可裝配性以及提供足夠的制動效能。除此之外，制動盤還是制動系統(tǒng)中為數(shù)不多的裸露在外的可見外觀件，美觀性也是非常重要而且容易被忽視的一個特性。

在上市的某款車上，發(fā)現(xiàn)前制動盤上出現(xiàn)了一圈黑色印記，位置不定且內(nèi)、外盤面都會隨機產(chǎn)生。經(jīng)過確認(rèn)，制動效能沒有任何衰退，但是用戶始終無法接受該現(xiàn)象，認(rèn)為制動系統(tǒng)一定存在某些問題。為根除用戶焦慮，對該問題進(jìn)行深入研究，本文就問題發(fā)生及問題現(xiàn)象、問題排查過程、真因分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

2 問題發(fā)生及問題現(xiàn)象

2.1 問題發(fā)生頻次高且無集中趨勢

制動盤黑色印記現(xiàn)象發(fā)生的里程無明顯集中趨勢，在行駛50 km～10 000 km范圍內(nèi)車輛都有出現(xiàn)的可能性。在上市的某款車型上的發(fā)生概率達(dá)到約2.9‰，由于頻次較高，且隨機反復(fù)出現(xiàn)，用戶誤認(rèn)為制動盤出現(xiàn)異常磨損（溝槽，圖1），并且質(zhì)疑車輛制動效能，引起不安和抱怨。

2.2 問題現(xiàn)象明顯易察覺

問題現(xiàn)象如圖2所示，黑色印記會出現(xiàn)在制動盤的內(nèi)、外摩擦環(huán)上，出現(xiàn)的位置隨機,且隨著里程數(shù)的增加，黑色印記的位置會緩慢改變或印記徹底消失。摩擦環(huán)的基體顏色較淺，黑色印記出現(xiàn)后，視覺對比強烈，非常明顯。遠(yuǎn)處觀察，疑似存在異常磨損。用手觸摸，手感平整，沒有異常感。針對有、無黑色印記現(xiàn)象的車輛進(jìn)行制動效能評價，無明顯區(qū)別。

圖1 某車型制動盤

圖2 黑色印記問題現(xiàn)象

綜上所述，制動盤黑色印記問題僅是外觀問題，制動效能并不存在異常，為緩解用戶的擔(dān)憂，需要解決黑色印記問題。

3 問題排查

制動盤黑色印記問題發(fā)生后，排查思路主要集中在制動盤的材料特性和生產(chǎn)工藝上，除此之外，還要關(guān)注其對手件，也就是制動襯塊的材料影響及其與制動盤的相互配合作用[1-2]。

3.1 問題件分析

觀察問題制動盤及對手件制動襯塊，發(fā)現(xiàn)在制動襯塊上對應(yīng)制動盤產(chǎn)生黑色印記的部位存在極淺的凹坑痕跡,如圖3所示，說明黑色印記本質(zhì)上是一層外來物附著在制動盤上。

圖3 制動盤和制動襯塊對照

通過輪廓儀檢測（圖4），圖3中制動盤上1#和2#位置黑色印記高度分別為40μm和30μm，用手感覺不到，但是可確定存在附著物。

實驗室對附著物進(jìn)行成分分析（圖5），根據(jù)特征元素檢測，認(rèn)為黑色印記中包含SiO2、ZrO2、Fe等元素成分，其中SiO2和ZrO2是耐磨材料成分，來自制動襯塊；Fe是鑄鐵成分，來自制動盤，故初步分析黑色印記由制動襯塊產(chǎn)生?？紤]到制動襯塊是一種復(fù)雜的多種材料成分混合物，所以該檢測結(jié)果并不能表明黑色印記就是由SiO2，ZrO2這兩種成分造成的，問題原因需要進(jìn)一步研究分析。

圖5 黑色印記成分分析

仔細(xì)觀察問題制動盤摩擦環(huán)表面，磨削加工交叉紋理總體水平較深，手感非常明顯并且一致性較差?；诖耍瑱z測剛出廠的新制動盤，發(fā)現(xiàn)新盤磨削紋理粗糙度水平較低，輪廓最大高度Rz達(dá)到約13μm以上（圖6）。初步懷疑：制動盤加工紋理質(zhì)量較差，是黑色印記問題的重要影響因素。

除上述內(nèi)容之外，實驗室還檢測了制動盤的輪轂配合面平面度、材料特性以及制動襯塊的材料特性，結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，無明顯異常。

3.2 優(yōu)化方案確定

針對問題件的初步分析結(jié)果，優(yōu)化方向從以下兩點展開：

（1）制動襯塊配方及形狀；

（2）制動盤摩擦環(huán)表面加工紋理。

為了快速分析問題并確認(rèn)優(yōu)化方案的有效性，需要在臺架復(fù)現(xiàn)整車制動盤黑色印記問題。經(jīng)過大量的試驗摸索，按照SAE-J2521的拖拽程序[3]，如表1所示，可以復(fù)現(xiàn)該問題。

圖6 制動盤磨削紋理及Rz檢測結(jié)果

表1 J2521拖拽程序

從制動襯塊角度出發(fā)，首先分析其工作原理，眾所周知，制動襯塊與制動盤摩擦工作中，會在接觸表面形成一層穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，如圖7所示。不同配方材料的制動襯塊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移膜厚度和顏色各不相同，那么，我們考慮選用產(chǎn)生淺色轉(zhuǎn)移膜的制動襯塊配方作為第一個優(yōu)化方案。

從破壞轉(zhuǎn)移膜的角度出發(fā)，在制動襯塊中部開槽，作為第二個優(yōu)化方案。

圖7 制動襯塊轉(zhuǎn)移膜

從制動盤角度出發(fā)，需要深入分析盤摩擦環(huán)表面磨削紋理與黑色印記問題之間的聯(lián)系。首先，我們提出兩個概念：“同向紋理”和“異向紋理”?！巴蚣y理”指的是盤摩擦環(huán)紋理方向與制動襯塊工作方向一致的紋理，例如車削紋理；“異向紋理”指的是盤摩擦環(huán)紋理方向與制動襯塊工作方向存在角度的紋理，例如磨削紋理，如圖8所示。

圖8 制動盤同向與異向紋理

由于異向紋理與制動襯塊工作方向存在角度，如果紋理加工質(zhì)量較差，比如同一條紋理的深淺不一，這將會導(dǎo)致沿紋理方向產(chǎn)生非均勻異常摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致沿紋理方向制動襯塊轉(zhuǎn)移膜分布不均勻，表現(xiàn)在宏觀上，就產(chǎn)生了的黑色印記現(xiàn)象，如圖9所示。相比較而言，與制動襯塊工作同向的同向紋理將更不容易發(fā)生這樣的現(xiàn)象。

所以，采用相同粗糙度水平的車削紋理制動盤作為第三個優(yōu)化方案。

需要注意的是，車削加工必須采用斷續(xù)車削的方式，避免唱片效應(yīng)引起噪音問題。例如，可采用車刀進(jìn)給每隔2.5 mm的間隔停頓的方式，避免連續(xù)車削紋理的產(chǎn)生。

圖9 制動盤異向紋理與黑色印記

綜上所述：問題優(yōu)化方案確定為以下3個：

①新材料制動襯塊（淺色轉(zhuǎn)移膜）；

②中部開槽制動襯塊；

③車削制動盤。

3.3 優(yōu)化方案臺架驗證

臺架驗證結(jié)合3種制動襯塊和兩種制動盤組合搭配進(jìn)行，驗證結(jié)果見表2所示（備注：有優(yōu)化效果為“√”，產(chǎn)生黑色印記為“×”）。

表2 臺架復(fù)現(xiàn)試驗

試驗對比照片見圖10和圖11。

圖10 車削制動盤臺架結(jié)果對比

圖11 新材料制動襯塊臺架結(jié)果對比

臺架試驗結(jié)果表明：制動襯塊中間開槽方案，對黑色印記沒有幫助，新制動襯塊材料可明顯優(yōu)化問題，車削制動盤對問題也有一定優(yōu)化。在后續(xù)整車驗證過程中，重點考慮制動襯塊材料配方更改能否徹底解決問題，如果有必要，再配合更改制動盤車削加工紋理。

3.4 優(yōu)化方案整車驗證

整車路試試驗驗證用的車輛為普通用戶車，日常行駛路況為城市工況，使用情景為日常上、下班，大約每天平均行駛30 km左右。

第一輪試驗說明如下：將制動襯塊更改為新配方材料，同時將制動盤更換為磨削紋理新樣件，用戶行駛約303 km后，表面狀態(tài)如圖12所示。

圖12 第一輪303 km時制動盤

從照片中可以看出，黑色印記現(xiàn)象不太明顯，說明新材料制動襯塊對該問題確實有效。車輛繼續(xù)行駛約678 km后，制動盤表面狀態(tài)如圖13所示。

圖13 第一輪678 km時制動盤

從照片中可以看出，黑色印記復(fù)現(xiàn)，但是沒有問題爆發(fā)時那么嚴(yán)重。結(jié)合上述試驗結(jié)果，得出結(jié)論：該制動襯塊配方可減輕黑色印記，但是并不能完全解決黑色印記問題?？紤]到制動襯塊選擇還需要結(jié)合制動NVH、制動效能等因素，可選配方有限，所以接下來基于該制動襯塊，進(jìn)行了車削制動盤的組合驗證試驗。

第二輪試驗說明如下：將制動襯塊更換為新配方材料新樣件，同時將制動盤由磨削紋理更改為車削紋理新樣件，用戶行駛約2 412 km后，表面狀態(tài)如如圖14所示。

圖14 第二輪2 412 km時制動盤

在試驗過程中，用戶會定期觀察，據(jù)其反饋，更換制動襯塊和車削制動盤后，黑色印記問題從未復(fù)現(xiàn)，優(yōu)化方案有效，判定問題解決。

第三輪試驗（補充試驗）說明如下：將制動襯塊保持原車配方（更換新樣件），同時將制動盤由磨削紋理更改為車削紋理新樣件，用戶行駛約1 751 km后，表面狀態(tài)圖15所示。

圖15 第三輪1 751 km時制動盤

從照片中可以看出，黑色印記復(fù)現(xiàn)，說明只更改車削制動盤，也不能解決問題。

4 真因說明

在經(jīng)歷了問題排查、現(xiàn)象分析、優(yōu)化方案確定、臺架和整車試驗驗證之后，總結(jié)問題真因：

（1）制動襯塊配方為根本原因；

（2）制動盤磨削紋理加工質(zhì)量差為影響因素。

制動襯塊配方選擇為根源，也就是說選用轉(zhuǎn)移膜為深黑色的制動襯塊，會加大黑色印記問題發(fā)生概率；選用轉(zhuǎn)移膜為淺色的制動襯塊，可以把問題有效扼殺在搖籃里。

制動盤加工紋理方面，磨削加工是制動盤常用的工藝，但是根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)下國內(nèi)某些生產(chǎn)商的磨削工藝水平較差，生產(chǎn)出的樣件磨削紋理深淺水平不一，由于磨削紋理為異向紋理，導(dǎo)致制動襯塊會沿紋理方向產(chǎn)生非均勻異常摩擦，深黑色轉(zhuǎn)移膜分布不均勻，最終產(chǎn)生黑色印記。

在保證不出現(xiàn)其他問題的前提下，選用車削加工紋理，可以有效的降低黑色印記問題發(fā)生的概率。

將新配方制動襯塊和車削制動盤方案推廣應(yīng)用到某車型市場后，再無問題，判定優(yōu)化方案有效。

5 結(jié)束語

越來越多的乘用車用戶不僅關(guān)注汽車制動系統(tǒng)的性能，還要關(guān)注制動組成件的外觀狀態(tài)。在保證穩(wěn)定性能的前提下，要盡量保證美觀性，減少用戶的擔(dān)憂和抱怨。

本文研究的制動盤黑色印記問題，普遍存在于乘用車上，是一個非常常見的、典型的外觀問題。在解決問題的過程中，可以考慮嘗試本文中提出的更換淺色轉(zhuǎn)移膜制動襯塊和采用車削制動盤兩種優(yōu)化解決方案，進(jìn)行臺架和整車驗證。當(dāng)然，除此之外，該問題的發(fā)生可能還存在別的原因，后續(xù)可作進(jìn)一步探討驗證。

由于制動襯塊是一種復(fù)雜的多種材料成分混合物，其中哪些成分或哪些工藝與轉(zhuǎn)移膜的顏色狀態(tài)相關(guān)，暫時還不清楚，這將作為后續(xù)深入研究的重點和方向。