制动器制动温度对制动性能的影响

摘 要：摩擦材料的特性决定了制动器的制动性能对温度的敏感程度，这是制动性能稳定性的主要影响因素之一。不同摩擦材料热衰退性能有较大差异，本文对采用粉末冶金摩擦材料的制动器和采用陶瓷摩擦材料的制动器进行了试验研究，对比分析了其性能差异。

关键词：汽车；制动；稳定性；热衰退

中图分类号：TH21 文献标识码：A

1概述

制动性能是车辆最为重要的主动安全性能，其稳定性与行车安全密切相关。摩擦材料对温度的敏感性是制动稳定性的主要影响因素之一。在制动过程中，整车的运动动能通过摩擦材料与制动器间的摩擦转化为其他形式的能量，其中，约90%转化为热能，表现为制动器温度的升高。随着温度的上升，摩擦材料的表面膜、机体表层发生复杂的物理和化学变化，从而导致摩擦系数发生明显变化。

摩擦材料的摩擦系数在较低的温度区间随着温度的升高而增加；但在温度持续升高时，摩擦材料发生热衰退，摩擦系数随着温度的升高而降低；而当温度降低到低温区间后，摩擦系数又会逐渐恢复。摩擦材料的这一特性使制动器的制动性能不同温度下发生明显变化。

不同的摩擦材料对温度的敏感特性不同。目前，汽车制动器所使用的摩擦材料主要有无石棉有机摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、金属陶瓷摩擦材料、新型混杂纤维摩擦材料、新型陶瓷摩擦材料等。其中，粉末冶金摩擦材料和金属陶瓷摩擦材料应用较为广泛。

粉末冶金摩擦材料是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和润滑组元，用粉末冶金技术烧结形成的复合材料，具有较好的高温强度、耐热性、热稳定性和经济性；金属陶瓷摩擦材料是由金属基体、润滑组元和陶瓷组分组成的复合材料，也是采用粉末冶金工艺制备而成，其具有较高的热容量、良好的热导性、耐高温、耐磨、摩擦系数高、寿命长等特点，在高温下仍能保持优良的性能。

本文选取了4种不同类型的汽车制动器，并通过制动器台架试验，对制动器制动性能随温度的变化规律开展研究。

2试验设备及方法

2.1试验设备

制动器惯性试验台能够利用制动器台架试验再现实车制动过程，并模拟实车制动的冷却条件，广泛应用于制动器总成性能测试。试验台由计算机、液压系统、控制系统、主轴及主轴驱动系统、惯量系统等构成。计算机控制试验台的启停并记录试验数据；液压系统为受试件提供制动压力；控制系统接收计算机控制指令并实施主轴驱动和制动控制；主轴由直流电机驱动，用于获得制动初速度；惯量系统由不同惯量的等比飞轮构成，可以模拟不同类型车辆的行驶惯量。

2.2安装方法

按照文献4规定，为被测样品的制动蹄片、制动衬片安装测温热电偶，并将被测样品安装在制动器惯性试验台上。

2.3试验方法

以65km/h的速度，3.5m/S2的减速度进行200次磨合制动（初始制动温度不超过120℃），然后进行第一次衰退试验：

初次制动初温：78～80℃；

制动初速度：最高设计车速不超过140km/h时，为80km/h；最高设计车速超过140km/h时，为100km/h；

制动压力：第1次制动减速度为4.41km/h，后续制动与第一次制动的压力相同；

制动次数：10次；

制动周期：45s；

冷却条件：关闭送风系统

完成上述试验后，以65km/h的速度，3.5m/S2的减速度进行20次磨合，然后按照第一次衰退试验的试验条件重复试验，记为第二次衰退试验。

3试验结果分析

记录试验过程中初始制动温度、终止制动温度、平均制动力矩、制动压力、制动减速度等试验参数，并计算单位管路压力下的平均制动力矩（下文记为单位平均制动力矩）。衰退试验中，制动力矩下降和升高的程度，用衰退率来表示，按式1和式2计算：

（1）

（2）

式中：Fa、Fa’为衰退率；MB为第一次制动时的平均制动力矩，Nm/MPa；MBmin为第二次与最后一次制动间的最小单位平均制动力矩，Nm/MPa；MBmax为第二次与最后一次制动间的最大单位平均制动力矩，Nm/MPa。

3.1样品1，鼓式制动器，采用粉末冶金摩擦材料

两次衰退试验中，随着温度的升高，制动减速度与单位平均制动力矩均呈下降趋势。低于100℃时，制动器具有最佳制动性能，而10次连续制动后，温度上升至近250℃，制动效能的衰退率也高达近40% 。

进行曲线拟和，可得单位平均制动力矩与温度的关系，曲线见图1。

MB1=f（T1）=222.646-0.421T1 （3）

MB2=f（T2）=228.419-0.411T2 （4）

式中：MB1为第一次衰退试验的单位平均制动力矩，Nm/MPa；T1为第一次衰退试验的制动器温度，℃；MB2为第二次衰退试验的单位平均制动力矩，Nm/MPa；T2为第二次衰退试验的制动器温度，℃；下文符号含义同上。

3.2样品2，鼓式制动器，采用金属陶瓷摩擦材料：

第一次衰退试验中，随着温度的升高，制动减速度与单位平均制动力矩均呈上升趋势，在近300℃的高温下，制动器获得最佳制动性能；而在第二次衰退试验中，最佳制动效能对应的温度区间为170℃～230℃，温度继续升高时，制动减速度和单位平均制动力矩虽然有所降低，但其稳定性较好。可见，采用了金属陶瓷摩擦材料的制动器在较高的温度下仍能获得较高制动效能。

进行曲线拟和，可得单位平均制动力矩与温度的关系，曲线见图2。

MB1=f（T1）=96.461+0.121T1 （5）

MB2=f（T2）=46.534+0.978T2-0.03T2

2（6）

3.3样品3，盘式制动器，采用金属陶瓷摩擦材料

两次衰退试验中，随着温度的升高，制动减速度和单位平均制动力矩有所降低，但在200℃～400℃的温度下，制动器能够获得较为稳定的制动效能。

进行曲线拟和，可得单位平均制动力矩与温度的关系，曲线见图3。

MB1=f（T1）=260.024-1.073T1+0.004T2

1-4.151×10-6T3 1 （7）

MB2=f（T2）=251.363-0.621T2+0.002T2

2-2.886×10-6T3

2 （8）

3.4样品4，盘式制动器，采用粉末冶金摩擦材料200℃时，制动器能够获得最佳制动性能，但在第二次衰退试验中，由于持续制动，温度急剧升高至近500℃，制动效能也有较为明显的衰退，可见其制动效能的稳定性较差。

进行曲线拟和，可得单位平均制动力矩与温度的关系，曲线见图4。

MB1=f（T1）= 59.001+0.904T1-0.02T2

1 （9）

MB2=f（T2）= 139.762-0.090T2 （10）

4总结

综合本文上述分析，可得以下结论：

制动器制动性能的热稳定性与摩擦材料密切相关；采用金属陶瓷摩擦材料的制动器较采用粉末冶金摩擦材料制动器具有更好的热稳定性；

在200℃～400℃的高温区间，采用陶瓷摩擦材料的制动器仍具有较高的制动效能或是稳定的制动性能，而采用粉末冶金摩擦材料的制动器则会出现明显的热衰退现象；我国汽车行业推荐标准QC/T 564-2008规定进行制动器制动效能测试时，参考试验的制动初温均为（80±2）℃，但新型制动材料往往在较高的温度区间上具有更为稳定的性能，因此，对应用了新型摩擦材料的制动器，上述制动初始温度的规定有待商榷。

随着新型摩擦材料研究的出现，相关标准的部分条款已不再广泛使用，只有不断细化、更新标准技术内容，开展标准研讨才能充分发挥其指导作用，推动制动技术向前发展。

参考文献

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