汽车制动摩擦片寿命预测及分析

王素艳

(沈阳职业技术学院，辽宁沈阳 110045)



汽车制动摩擦片寿命预测及分析

王素艳

(沈阳职业技术学院，辽宁沈阳 110045)

摘要：根据能量磨损原理，建立了随制动温度和制动能量的摩擦片磨损预测计算模型。通过制动惯量台架试验，得到摩擦材料随制动温度和制动能量的磨损特性；再根据制动耐久道路试验中采集的试验制动初末速度、温度数据及整车制动力分配计算制动器在各温度段所吸的制动能量；最后根据制动器在各温度段吸收的制动能量与该温度下摩擦材料的磨损率的乘积和来评价摩擦片的磨损量。计算结果和试验结果有较好的一致性，适用于摩擦片寿命的预测，可作为不同市场的摩擦片开发策略的依据。

关键词：汽车；摩擦片寿命；磨损；制动能量；摩擦材料

0引言

摩擦片的磨损寿命是制动系统的三大性能之一，摩擦片的寿命不仅仅与摩擦材料相关，摩擦片的磨损还受制动温度、速度、制动盘的材质及加工情况等众多因素的影响。同时整车匹配时的前后制动力分配以及个人的驾驶习惯对摩擦片磨损也有强烈的影响，因此计算摩擦片的寿命存在一定困难。传统上摩擦片寿命评估主要通过道路试验，如美国的洛杉矶和凤凰城城市道路，以及西班牙Mojcar 试验[1-2]。显然这种方法用在摩擦材料选型和开发上既费时又费力，不能满足目前整车开发周期需要。目前评价摩擦片磨损性能主要有3种方法[2]：定温下的摩擦片磨损试验方法；城市、乡村以及山路等各工况下的摩擦片磨损试验方法；模拟道路试验的摩擦片磨损试验方法。定温下的磨损量要求适用于摩擦材料配方开发，不能直接用于摩擦片寿命评估。模拟道路试验的摩擦片磨损试验方法可较好地预测摩擦片磨损，但开发验证时间比较晚。如福特汽车在制动惯量台架上根据道路谱模拟摩擦片的磨损情况来评估摩擦片是否满足寿命要求。

影响磨损的重要因素是摩擦表面的温度和摩擦力和滑移速度。从能量的观点来说，汽车制动过程是将汽车的动能转化为热能的过程。在制动过程中，制动器作为能量储存单位，温度升高。能量负荷越大，短时间温度上升越快，摩擦磨损也越严重。目前国内常用比能量耗散率用于摩擦片面积定义，即每单位摩擦片面积的单位时间耗散能量[3]。文中评价磨损寿命时,首先利用台架试验得到摩擦材料的磨损率随温度和能量关系；然后根据制动耐久道路试验中采集的试验制动初末速度、温度数据及整车制动力分配计算每个制动器在各温度段所吸收的能量；最后根据路谱中制动器在不同温度段的制动能量和摩擦片的磨损率来计算摩擦片的磨损量，从而大大提高了磨损寿命的评价精度。在评价摩擦片磨损量时,针对不同道路条件(城市道路，乡村道路，山区道路)，从制动能量、制动温度、制动速度3个方面分析了其对摩擦片磨损的影响。结合摩擦材料的磨损特性，按照道路条件区分的不同市场需开发不同的摩擦材料，制定不同摩擦材料策略。

1摩擦片磨损机制

制动器摩擦制动涉及热力学、摩擦学等，是一个十分复杂的过程。文献[4-5]推导出磨损与制动压力、速度及摩擦因数的关系式，并给出了定温下的摩擦片磨损模型。文献[6-8]介绍了一种基于温度的制动能量强度的摩擦片磨损计算方法。文献[9]指出摩擦片的磨损率不仅仅跟能量吸收有关，不同制动工况的顺序对磨损也有影响，指出摩擦片磨损预测的复杂性。能量磨损理论认为摩擦过程中所做的功大部分以摩擦热的形式散失, 部分以势能的形式储存在摩擦材料中。当一定体积的摩擦材料积累的能量达到临界数值时, 便以磨屑的形式从表面剥落。摩擦片表面温度对磨损寿命影响很大，特别是现在大量使用的有机材料制成的摩擦片, 磨损寿命与温度有很大关系。如苯酚系黏结剂在250 ℃ 以上时就开始溶化, 因此将大大缩短磨损寿命。根据磨损机制可建立磨损过程的数学模型，磨损率可表示为:

dW/dt=f(p,v,T,S,μ,R)

(1)

式中:W为磨损量；t为磨损时间；p为摩擦面的表面压力；v为相对运动速度；T为摩擦表面温度；S为摩擦片面积；μ为摩擦因数；R为摩擦材料属性，如硬度等因素影响。

对上述模型进行分析，简化影响摩擦片磨损因素为作用在接触表面的摩擦功(它为作用在摩擦片的制动压力、摩擦因数和速度以及作用时间的函数)和摩擦表面的温度。在计算摩擦片磨损时，可将磨损率模型进行简化，磨损率可表示为：

dW/dt=f(E,T,R)

(2)

式中：E是制动时产生的能量。

2摩擦片寿命预测模型

根据能量磨损原理，摩擦片磨损可表示为：

W=kT·ET

(3)

式中：kT是给定温度下的单位能量磨损率，单位为μm/MJ，是一个随温度变化的函数,需要试验确定。ET为温度为T时产生的制动能量。

计算评价磨损寿命所需要的制动器吸收能量时, 可采用根据车速、减速度和制动力分配求得的方法。前轮制动器所吸收的制动能量为：

式中：β为制动力分配比例。摩擦片磨损寿命计算流程如图1所示。

该简化模型主要忽略了在相同的制动能量下，轻制动和紧急制动过程的温升变化和作用力大小对磨损的影响。道路试验数据显示制动强度小于0.3g以下的制动次数占85%以上，在材料磨损特性试验和摩擦片寿命预测模型中，选择一个中等强度的定减速度，简化制动强度对摩擦片磨损的影响。

假设模拟出耐久试验中摩擦片的磨损量为W，摩擦片的可用厚度为T，耐久试验的里程为d，那么摩擦片寿命L即可表示为：

(4)

2.1摩擦片磨损特性试验

为研究摩擦片磨损率随温度变化的函数, 构建了摩擦片磨损台架试验，得到不同温度下的摩擦片磨损情况。利用制动惯量试验台进行摩擦片磨损试验，将制动速度和制动减速度设置为控制参数，其中制动速度为50 km/h，制动减速度为0.3g。分别测量制动初始温度为100～400 ℃时摩擦片的磨损量。在每个温度下，制动次数为1 000次。

根据摩擦片磨损量随温度变化的关系，可以计算得到特定温度下磨损体积随能量的关系，即特定温度下的单位能量磨损率。一种摩擦片磨损量随温度的关系如图2所示，摩擦片在250 ℃以上时磨损率迅速增大。

2.2整车道路试验路谱

目前多数汽车生产商和制动器供应商通常采用周期较长的整车道路试验来验证制动器性能，包括NVH和磨损。比较典型的道路试验有北美和欧洲的汽车生产商和制动器供应商认同的LACT试验和Mojacar试验。实际使用工况对制动道路耐久后性能有很大影响。就制动过程影响因素而言，主要有制动初速度、制动温度、制动间隔、制动力和减速度等。影响以上参数除驾驶员主观习惯因素外，就是使用道路条件和气候。一般将行驶地区可大致分为市区、郊区和山区、高速等。通过采集制动耐久整车道路试验路谱分析道路试验的特点，制动耐久整车道路试验采集数据包括制动速度、摩擦片温度、制动减速度、管路压力以及环境温度。采集设备为LINK公司的3801，将制动灯信号作为制动工况采集触发信号。图3所示为某车型一天的温度谱。

3案例分析

根据不同的3个车型的试验路谱和摩擦材料的磨损率，按照摩擦片磨损寿命计算流程图4，根据制动器在不同温度段的吸收能量以及不同温度下的台架磨损试验结果计算该车型摩擦片磨损，折算到2万km后摩擦片的磨损。计算结果和试验结果高度一致性，说明该方法可靠性。

4摩擦片磨损寿命的影响因素分析

根据试验路谱，分别计算了某车型NAO摩擦片在山路、乡村、城市3种道路中各10 000 km的摩擦片磨损情况，其结果如表1所示。可以得知：单纯的山区工况的摩擦片磨损最大，而乡村工况和城市工况的磨损基本一致。根据以上摩擦片磨损情况，可以得到摩擦片在以上3种道路条件下的使用寿命在(4 ～6)万km之间。以下将从制动能量、制动温度、初速度、制动次数等4个因素分析城市工况、乡村工况、山区工况下道路条件下制动特点。

表1摩擦片在不同工况的磨损结果

4.1制动能量

制动器吸收能量的大小是直接影响摩擦片寿命的主要因素。从图5可以看出:在城市路况中,每公里单位制动能量比乡村大，比山路要小，每日的城市交通状况对制动能量影响较大。因该能量计算方法仅考虑到动能转化，未考虑下坡过程地势能的影响，存在一定误差。

4.2制动温度

制动温度对磨损寿命影响最大。有机材料制成的摩擦片的磨损寿命与温度有很大关系，特别是苯酚系黏结剂在250 ℃ 左右时就开始溶化,将大大缩短磨损寿命。在市区行驶时, 平均制动温度低于80 ℃，温度最高可达150 ℃ 左右。而在山区行驶时制动平均温度在120 ℃左右，最高温度可达250 ℃ 左右。不同道路工况下制动温度对比见图6。

4.3制动初速度

制动初速度很大程度上决定了制动温度，对摩擦片的磨损起很大影响。试验结果表明：汽车在市区行驶时的平均制动初速度在36 km/h,因城市工况有较多的红绿灯，经常需要刹停，在郊区行驶时制动初速度多在67 km/h左右,在山区行驶时制动初速度在57 km/h左右, 且大都为点刹车；在城市工况虽然单位里程的制动能量较大，但是制动初速度较低，单次制动能量较小，导致温升小，制动温度反而比乡村的低。不同道路工况下制动初速度对比见图7。

4.4制动频率

每公里的制动次数体现了制动的频度。试验结果表明：一般在市区行驶时每公里制动9次左右，在郊区每公里制动3次, 在山区每公里制动5次左右。因城市工况有较多的红绿灯以及较拥挤的交通，导致制动次数多，导致城市工况的制动能量比乡村大。不同道路工况下制动频率对比见图8。

根据以上数据分析发现：城市工况以低速、低温、制动频繁为特点；山区制动速度较高，制动较频繁，制动器吸收能量大，制动温度高；乡村制动速度高，但制动次数少，制动器吸收的能量和制动温度高于山区和城市。根据模拟分析，乡村工况的摩擦片磨损和城市工况下的摩擦片磨损比较接近。

4.5摩擦片类型

有机材料制成的摩擦片磨损寿命与温度有很大关系。随温度上升，摩擦片磨损会急剧上升，如苯酚系黏结剂在250 ℃左右时就开始溶化, 因此将大大缩短磨损寿命。图9是两种有机材料摩擦片NAO-A和NAO-B以及低金属摩擦片Lowmet-A的体积磨损率对比，可以发现在制动温度小于250 ℃时，有机材料摩擦片NAO-A和NAO-B磨损率低于低金属摩擦片Lowmet-A磨损率，随着温度上升，低金属摩擦片的磨损率反而低于有机材料摩擦片。制动初速度低、制动温度低的城市区域适用于有机材料的摩擦片；制动初速度大、制动温度高的山区更适用低金属材料。

4.6摩擦片面积

以某车型为例，根据该车型的道路试验路谱以及摩擦材料的磨损特性，计算了摩擦片厚度分别是10、11、12 mm时，摩擦面积在55 cm2上下波动10%情况下，摩擦片磨损里程的一个分布情况，如图10所示。故在设计卡钳时，可以根据整车制动系统参数和摩擦材料的特性，以摩擦片寿命为目标值，定义摩擦片面积和厚度。在定义摩擦片面积时需要考虑后续制动噪声开发过程中摩擦片各种倒角对磨损寿命的影响。

5结论

在评价磨损寿命时,根据整车的制动能量和前后轮的制动分配计算制动器能量吸收，根据能量磨损机制得到不同温度下的台架磨损试验结果，计算出不同温度时摩擦片磨损来评价磨损寿命，从而大大提高了磨损寿命的评价精度。同时从制动初速度、温度、单位公里制动能量、制动次数等4个因素分析了典型的城市工况、乡村工况、山区工况道路条件下制动特点，模拟和分析了各种道路相同里程下的摩擦片磨损量以及原因。作为工程开发人员，可根据摩擦材料特性、摩擦片面积以及公共道路特点对摩擦片磨损的影响，以此为依据制定摩擦片开发策略。

摩擦片的磨损与外部环境和个人驾驶习惯息息相关，这些差异性均导致终端客户实际使用摩擦片寿命与预测寿命存在较大的差异性。因为环境、客户的差异性以及磨损机制的复杂性均是无法准确预测摩擦片寿命的重要原因，一般而言，预测精度在±20%之内均可以接受。

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【9】STEEGE R,BAUER G,LANGE J.Life Time Prediction for Brake Linings[R].SAE 2009-01-3027,2009.

Automotive Brake Pad Life Perdition and Analysis

WANG Suyan

(Shenyang Polytechnic College，Shenyang Liaoning 110045,China)

Keywords:Automotive; Brake pad life; Wear; Braking energy; Friction material

Abstract:A model for predicting the wear life of the brake pad was established based on the braking energy. The wear characteristics of friction material with the brake temperature and braking energy were obtained by the brake inertia dynameter test. Then brake road test profile was acquired, including the initial speed, end speed, the temperature. The energy absorbed per each temperature was calculated based on the braking force distribution and brake energy. Finally, the product of the braking energy absorbed at each temperature and the wear rate of the friction material was taken to evaluate brake pad life. The results are in good agreement with the experimental results, which shows that the method is suitable for predicting the life of brake pad, which can be used as the basis for the development strategy of different markets.

收稿日期：2015-08-12

作者简介：王素艳(1971—)，女，工程硕士，副教授，高级工程师，主要从事机械设计制造与自动化、机械CAD/CAM/CAE、设备控制及数控技术应用的教学及科研等工作。E-mail：wsy197111@163.com。

中图分类号:U463.51

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)04-036-04