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汽车制动摩擦系数影响因素浅谈

2020-05-13    来源:汽车制动之家

摘要:制动摩擦系数大小是衡量汽车制动性的重要参数,影响制动摩擦系数的根源为制动片的材料属性。由于汽车正常行驶中,每次制动初速度、制动液压均有变化,导致每次制动摩擦系数有差异。本论文结合制动摩擦原理,着重从温度、材料属性、制动压力、制动初速度四个方面,浅要分析了这些因素对制动摩擦系数的影响。

汽车制动过程实际就是摩擦片与制动盘接触的过程,通过制动片与制动盘的直接接触摩擦产生热能,从而转换汽车制动中需要消耗的动能。而制动过程中最重要一点,那就是制动摩擦系数的大小,其中摩擦系数过高过低都会影响制动性能。GB 5763-2008 中规定盘式制动器摩擦系数随温度上升到350℃,摩擦系统温度在0.25~0.70之间。目前市面上常用摩擦系数按照SAEJ8662012中的EF代码,即正常摩擦系数:0.25<u<0.35、热摩擦系数:0.35<u<0.45。

 

1 摩擦系数的定义

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式(2)中:Ma为平均摩擦力矩;AP为制动片的摩擦面积;p为平均制动压强;p0为克服制动片回位弹簧作用力消除制动间隙而需施加的制动压强;Dm为有效摩擦直径。Ma和p均为制动过程中达到设定值的95%时开始记录到制动终了时的时间段内的平均值。

 

2 制动摩擦系统影响因素

 

制动系统作为汽车中最重要的系统之一,制动系统的好坏直接影响到整车安全方面,而影响制动系统一个重要因素就是制动摩擦系数的大小及其稳定性,本文从温度、摩擦材料属性、制动压力、制动初速度来描述摩擦系数的影响因素。

 

2.1 温度

摩擦系数的稳定性直接影响制动器工作的稳定性,摩擦系数随着温度而变化的特性,主要反映在制动器的热衰退上。当制动初速度增大、压力增大、制动频繁导致摩擦副温度升高时,摩擦系数降低,称为“热衰退[2]” 制动器钳体和摩擦片的热变形,以及摩擦片内部的成分的化学变化都会导致热衰退,以下为某车型连续十次制动(100km-0)制动距离对比,第十次与第一次相差11%,见表1。

温度对摩擦系数的影响主要表现在以下三个方面:

(1)氧化膜,在高温下材料中的金属、有机物等容易氧化形成氧化膜,氧化膜强度低,在制动摩擦力的作用下易开裂或破裂。在制动摩擦过程中,随着温度的不断上升,氧化膜厚度增大,膜的强度降低,容易脱落且呈鳞片状。

(2)润滑膜,高温超过制动片材质中低熔点金属的熔点,使金属融化,融化的液体金属被展平而产生润滑作用,使摩擦系数下降,“热衰退”的主要原因之一.

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表1 十次制动衰退数据AUTO TIME 57

 

改善方法:

①提高有机物的耐热性

②减少低熔点金属的组分

③增加导热性强的金属含量

④采取结构上改善摩擦面的散热条件

(3)气垫膜,高温下,摩擦材料表面的有机组分如酚醛树脂的热分解而产生大量的气体(CO、CO2、CH4),形成气垫膜使摩擦系数下降。改善方法:

①摩擦片中部开槽、边界倒角,开槽倒角有利于磨损物的排出和气体排出。

②摩擦片做烧蚀处理。

由于摩擦材料的特性决定了摩擦系数对温度的敏感程度,以下为某车型做AKMASTER效能试验时,高温效能的一段数据,从数据中可以直观的看出,随着温度的上升,摩擦系数越来越低,达到一定值后趋于稳定,见图1。

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2.2 材料属性

(1)制动片的材料属性

摩擦材料的组成成分主要包括以下四类:粘合剂5%~25%;增强剂20%~50%;摩擦调节剂30%~60%;工艺性调节剂0.5%~1%。

根据制动摩擦材料的发展历程,摩擦材料主要可以分为四大类:

①石棉摩擦材料:早期的材料,石棉具有熔点高、摩擦系数高、硬度适中等优点。缺点为:热传导性差,容易发生热衰退,石棉污染大,具有致癌物质,目前已经明令禁止使用。

②半金属摩擦材料[3]:一种金属纤维代替石棉的新型摩擦材料,摩擦系数高。主要不足为,材料中的金属成本容易生锈,增加58AUTOTIME

擦片磨损,影响制动摩擦系数的稳定性,而且由于其导热性好,当温度高时,容易导致粘结剂树脂的分解。

③混杂纤维摩擦材料[4]:采用2种或2种以上不同的纤维进行混杂增强,这样不仅可以降低成本,还可以充分发挥每一种纤维的优点,弥补单一纤维的缺陷,使其性能更加完毕,更加优异。

④新型摩擦材料:近年来车辆向着高速化和轻型化发展,未来的摩擦材料主要方向:碳/碳复合摩擦材料和陶瓷摩擦材料。主要优点为摩擦因数稳定,使用寿命长,环保等优点。

(2)制动盘的材料属性

研究表明[5] 制动盘是灰铸铁的铜纤维增强复合材料在高温下可以保持较高的摩擦系数,而铝纤维的复合材料的摩擦系数则有所下降。主要原因有:铜纤维比铝纤维有较好的导热性,氧化铜可以改善复合材料的热衰退,高温下铝纤维会软化,融化。

长时间连续制动,摩擦表面会受到热应力的反复作用,材料中的晶粒大小不均匀,热膨胀系数不一样,在长期作用下,制动盘表面由于铸铁中脆性相—石墨的尖端或边缘易产生热应力集中,而产生热裂纹现象。 

2.3 制动压力

Bijwe[6]等通过研究了不同金属填料的复合材料在不同速度与不同压力下的摩擦学性能,随着速度的增加摩擦系数会出现一个极大值后下降,极大值大小与材料中的金属成分与含量有关,同时在高的液压下极大值也会降低。 

随着制动压力的增大,制动盘和制动片接触表面产生的摩擦热增大,压力大导致热量大,制动时间短热量来不及散开,温度升高导致摩擦系数降低。制动压力进一步增大必然会引起摩擦片与制动盘表面塑性变形增加,表面粗糙度降低,从而降低摩擦系数。

制动过程中,从摩擦片中可以产生摩擦膜,摩擦膜主要是由摩擦过程中的膜屑形成,与制动片和制动盘的粘结强度很低,甚至浮在表面,在高压反复剪切、挤压力下容易破裂,高压下一直处于形成、破坏、再形成的过程,从而降低摩擦系数。

以下为某车型做AK-MASTER效能试验时,车速分别为40km/h、80km/h、120km/h、160km/h、200km/h下不同制动压力,摩擦系数变化图。从图中可以看出在3Mpa之后,摩擦系数越来越低,见图2。

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2.4 制动初速度

制动的过程即动能与热能转化过程,制动的初速度增大,转化的动能增加,导致产生的热量增加,多数摩擦材料随着速度增加摩擦系数都会呈现先增加后减少的趋势,对于不同的材料临界点不一样。另外一方面,高速下温度的升高,材料表面树脂基体热分解也是造成摩擦系数降低的一个原因。

以下为某车型做AK-MASTER效能试验时,制动液压分别为5Mpa、6Mpa、7Mpa、8Mpa时,不同车速下摩擦系数变化图。从图中可以看出随着车速的不断增加,摩擦系数越来越小,见图3。

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3 结论

 

纵上,除了摩擦材料的本身属性以外,制动压力、制动初速度对摩擦系数的影响基本都是通过改变温度来实现,在通常制动中,摩擦材料的温度范围在65-300℃之间,目前国内的绝大数摩擦材料均能满足在此范围内保持摩擦系数稳定。但是遇到紧急制动或连续下坡工况,当摩擦材料温度达到400℃以上时,热衰退现象突出。提高摩擦材料摩擦系数稳定性可以从以下几点来考虑:①利用新型摩擦材料,如:陶瓷纤维制动片等;②提高摩擦材料的散热能力,如:制动片开槽,通风制动盘;③提高摩擦材料耐热性,使高强度制动过程中摩擦温度在合理范围内。

作者:徐申敏 韩友国 吴洪涛

奇瑞新能源汽车技术有限公司