氣壓盤(pán)式制動(dòng)器摩擦片的選擇

（武漢元豐汽車(chē)零部件有限公司，湖北武漢 430205）

1.氣壓盤(pán)式制動(dòng)器的應(yīng)用范圍

商用車(chē)由于整車(chē)載荷重、制動(dòng)力矩需求高，目前大多采用氣壓制動(dòng)器。盤(pán)式制動(dòng)器相比原有的鼓式制動(dòng)器具有制動(dòng)安全性高、抗熱/水衰退性能好、便于維修、重量輕等特點(diǎn)，所以GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》[1]中又增大了盤(pán)式制動(dòng)器的應(yīng)用范圍（GB 7258-2017[1]中7.2.6條款：汽車(chē)（三輪汽車(chē)除外）、摩托車(chē)（邊三輪摩托車(chē)除外）、掛車(chē)（總質(zhì)量不大于 750kg的掛車(chē)除外）的所有車(chē)輪應(yīng)裝備制動(dòng)器。其中，所有專(zhuān)用校車(chē)和危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸貨車(chē)的前輪和車(chē)長(zhǎng)大于9m的其他客車(chē)的前輪，以及危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸半掛車(chē)、三軸的欄板式和倉(cāng)柵式半掛車(chē)的所有車(chē)輪，應(yīng)裝備盤(pán)式制動(dòng)器），加速推動(dòng)了氣壓盤(pán)式制動(dòng)器的發(fā)展。

2.氣壓盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上氣壓盤(pán)式制動(dòng)器主要采用浮動(dòng)式制動(dòng)鉗，如圖1所示。

圖1 氣壓盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)氣罐的壓縮空氣通過(guò)“氣室”作用于“杠桿”，將輸入力放大，然后推動(dòng)“推桿”“內(nèi)摩擦片”作用于“制動(dòng)盤(pán)”，內(nèi)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的反作用力使“卡鉗”滑動(dòng)，帶動(dòng)外摩擦片與制動(dòng)盤(pán)夾緊，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

3.氣壓盤(pán)式制動(dòng)器摩擦片的選擇

摩擦片對(duì)制動(dòng)器性能影響的因素諸多，下面將按照QC/T239-2015《商用車(chē)輛行車(chē)制動(dòng)器技術(shù)要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》[2]、GB/T 31970-2015《汽車(chē)用氣壓制動(dòng)卡鉗總成性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》[3]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的制動(dòng)性能要求及試驗(yàn)方法進(jìn)行描述：

3.1 制動(dòng)力矩

氣壓盤(pán)式制動(dòng)器提供制動(dòng)力矩的公式為Nb=C＊×i×η×Fz×Rm，其中i是杠桿比，η是機(jī)械效率，Rm制動(dòng)半徑，這些參數(shù)是由制動(dòng)器本身結(jié)構(gòu)決定的，F(xiàn)z是氣室輸入力，C＊是制動(dòng)效能因數(shù)，對(duì)于盤(pán)式制動(dòng)器來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于2倍的摩擦系數(shù)，所以摩擦系數(shù)是影響制動(dòng)力矩的最直接因素，摩擦系數(shù)越大制動(dòng)力矩越高。但是摩擦系數(shù)高也容易產(chǎn)生制動(dòng)噪音和摩擦片壽命不足等問(wèn)題，所以大多數(shù)商用車(chē)的摩擦系數(shù)在0.35～0.45。

另外一個(gè)重要因素是摩擦片的壓縮特性，當(dāng)壓縮應(yīng)變過(guò)大時(shí)，將會(huì)增大氣室的行程，而一般氣室推桿的輸出行程超過(guò)50mm后其輸出力會(huì)有所下降，將會(huì)降低制動(dòng)器的制動(dòng)力矩。

3.2 效能試驗(yàn)

第一次效能試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)要求在規(guī)定制動(dòng)管路壓力下的平均制動(dòng)力矩值不應(yīng)低于設(shè)計(jì)下限值的80%，這是模擬整車(chē)初始下線(xiàn)未經(jīng)過(guò)磨合時(shí)的制動(dòng)效果，與摩擦片表面的平面度有關(guān)，還有一個(gè)重要的因素是“涂層”。

目前國(guó)內(nèi)/外各制動(dòng)器廠(chǎng)為保證整車(chē)順利下線(xiàn)，大多在摩擦片表面增加了涂層，厚度大多在0.1mm～0.5mm之間，形狀有“斑馬紋”和“全涂層”2類(lèi)。涂層在解決初始下線(xiàn)問(wèn)題的同時(shí)也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，比如某些配方的涂層出現(xiàn)“駐車(chē)制動(dòng)解除后摩擦片涂層與制動(dòng)盤(pán)粘連問(wèn)題”“涂層導(dǎo)致的制動(dòng)異響問(wèn)題”，所以需要選擇合適的摩擦片涂層。

第二次效能試驗(yàn)是經(jīng)過(guò)磨合后檢測(cè)的制動(dòng)力矩，此階段試驗(yàn)是模擬車(chē)輛磨合之后且未經(jīng)過(guò)高溫衰退制動(dòng)效能，主要取決于摩擦系數(shù)的大小以及在各速度/壓力下的穩(wěn)定性。

第一次衰退恢復(fù)試驗(yàn)（以M3車(chē)型為例）是以50km/h的初速度、施加相當(dāng)于3.0m/s2的平均制動(dòng)減速度的制動(dòng)管路壓力進(jìn)行制動(dòng)、制動(dòng)周期60s、制動(dòng)20次，相當(dāng)于模擬公交車(chē)頻繁踩剎車(chē)進(jìn)站的工況。該試驗(yàn)過(guò)程摩擦片溫度會(huì)逐漸升高，大多會(huì)達(dá)到300℃～400℃，這個(gè)溫度區(qū)間可能會(huì)使部分配方摩擦片樹(shù)脂分解，摩擦系數(shù)改變、磨損增加。

第三次效能試驗(yàn)是經(jīng)過(guò)第一次衰退恢復(fù)試驗(yàn)之后檢測(cè)的制動(dòng)力矩，此階段試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)一定的高溫，有的配方摩擦片的性能會(huì)更加穩(wěn)定，使得第三次效能試驗(yàn)中制動(dòng)力矩更大、速度穩(wěn)定性更高，但也有高溫之后性能不變或者變差的情況，主要與配方及第一次衰退試驗(yàn)的溫度有關(guān)。

第二次衰退試驗(yàn)是使制動(dòng)盤(pán)以相當(dāng)于30km/h（N1和M2類(lèi)車(chē)輛為40km/h。）的恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，然后按制動(dòng)12s、解除制動(dòng)18s為一個(gè)試驗(yàn)周期進(jìn)行循環(huán)制動(dòng)試驗(yàn)，制動(dòng)控制方式為恒定輸出方式，其輸出制動(dòng)力矩相當(dāng)于0.7m/s2的制動(dòng)減速度，共制動(dòng)60次。該種試驗(yàn)相當(dāng)于模擬山區(qū)行駛的車(chē)輛在下陡坡連續(xù)踩剎車(chē)的工況。

該階段試驗(yàn)會(huì)使摩擦片產(chǎn)生很高的溫度（最高溫度會(huì)在400℃～700℃不等），除摩擦片面積大小、試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)最高溫度有明顯的影響外，不同廠(chǎng)家摩擦片配方會(huì)產(chǎn)生很大的差別，究其原因應(yīng)是摩擦片的導(dǎo)熱性能存在差異。

第四次效能試驗(yàn)是經(jīng)過(guò)第二次衰退試驗(yàn)后進(jìn)行的制動(dòng)力矩檢測(cè)，前期試驗(yàn)產(chǎn)生的溫度越高，第四次效能試驗(yàn)的制動(dòng)力矩較第二/三次效能試驗(yàn)的制動(dòng)力矩變化越大，速度穩(wěn)定性也會(huì)越差。

性能試驗(yàn)之后，通常會(huì)檢測(cè)摩擦片和制動(dòng)盤(pán)的磨損量，用來(lái)初步判斷摩擦片的壽命，不同配方磨損量有一定的差異，如圖2所示不同配方的磨損量。

圖2 不同配方磨損量

3.3 磨損試驗(yàn)

3.2中提到的磨損量是多種工況綜合試驗(yàn)后的磨損結(jié)果，有一定的參考意義，同時(shí)QC/T239-2015標(biāo)準(zhǔn)[2]也規(guī)定了專(zhuān)門(mén)的磨損試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，具體試驗(yàn)條件如表1。

表1 QC/T239-2015標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定的磨損試驗(yàn)條件

試驗(yàn)要求初始溫度100℃/200℃/300℃/400℃、初速度50km/h、3m/s2制動(dòng)減速度，每個(gè)溫度下各制動(dòng)200次。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同配方摩擦片磨損量有明顯差異（圖3所示），但是大多數(shù)配方摩擦片溫度達(dá)到300℃以上時(shí)，磨損量會(huì)明顯增加。

圖3 QC/T239-2015標(biāo)準(zhǔn)[2]磨損試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

所以經(jīng)常在山區(qū)運(yùn)行的車(chē)輛摩擦片壽命會(huì)大大減少。

3.4 可靠性試驗(yàn)

按照GB/T 31970-2015標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定：制動(dòng)器需要經(jīng)過(guò)10萬(wàn)次以上扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，以及39萬(wàn)次溫度耐久性試驗(yàn)，摩擦片需要保證整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程無(wú)脫落、掉塊等問(wèn)題。對(duì)應(yīng)摩擦片的性能指標(biāo)是剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

3.5 制動(dòng)間隙

制動(dòng)間隙是由制動(dòng)器廠(chǎng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求（0.6mm～1.2mm）設(shè)計(jì)自調(diào)機(jī)構(gòu)配合尺寸而來(lái)，與摩擦片有關(guān)的因素有兩點(diǎn)。

（1）熱膨脹率，舉例說(shuō)明：若正常狀態(tài)下制動(dòng)間隙在0.7mm左右，當(dāng)摩擦片在400℃的熱膨脹率達(dá)到1%，對(duì)于22.5（新片單片摩擦材料厚度20mm，內(nèi)外片合計(jì)40mm）摩擦片，膨脹量將會(huì)達(dá)到0.4mm，這意味著制動(dòng)間隙將會(huì)從0.7mm減小到0.3mm，這大大增加拖磨的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）耐浸（水、鹽水、潤(rùn)滑油、制動(dòng)液等）性能，當(dāng)摩擦片涉水后也會(huì)發(fā)生體積的變化，這也直接影響的制動(dòng)間隙。

3.6 制動(dòng)噪音

隨著新能源車(chē)輛的大范圍應(yīng)用，人們對(duì)舒適性的要求越來(lái)越高，制動(dòng)噪音的問(wèn)題就顯現(xiàn)的更加明顯。噪音問(wèn)題不單與摩擦片有關(guān)，與制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)器結(jié)構(gòu)都有一定的關(guān)系，但是更換摩擦片成本低、操作方便，且大部分噪音可以通過(guò)摩擦片的調(diào)整適量降低或者消除。

摩擦片與噪音相關(guān)的因素主要有金屬含量、鋼纖維品質(zhì)、涂層以及摩擦片倒角等。

4.結(jié)語(yǔ)

制動(dòng)器作為整車(chē)安全件，使用性能穩(wěn)定至關(guān)重要，摩擦片的正確選取直接關(guān)系到制動(dòng)器性能的發(fā)揮，所以產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須謹(jǐn)慎選擇，并通過(guò)一系列試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量。