一種風冷式汽車制動摩擦片

蘭州石化職業(yè)技術學院 孫國君，孫懷君，馬銀余

從2009年開始，我國就超過美國成為世界第一汽車產銷大國。截至2020年6月，全國機動車保有量達3.6億輛，其中汽車2.7億輛，占機動車總量的75%。汽車總量的增加，交通事故也基本呈現(xiàn)上升趨勢。我國每年要發(fā)生50萬起以上的交通事故，交通事故中的萬車死亡率為6.2人。交通事故發(fā)生的原因是多方面的，其中，超速行駛、疲勞駕駛、酒后及醉酒駕駛、制動失靈、爆胎等是造成交通事故的主要原因，研究表明，制動時制動器溫度過高導致制動系統(tǒng)熱衰退是造成制動失靈的一個重要原因。2018年11月3日晚，蘭海高速公路（G75）蘭州南收費站發(fā)生一起特大交通事故，一輛重型半掛載重牽引車因制動失靈，在距離蘭州南收費站50 m處與多車相撞，造成15人死亡，44人受傷，31車受損。肇事駕駛人李某在被公安機關控制后交待，事故發(fā)生時因該車連續(xù)下坡、制動失靈導致車輛失控。因此，如何降低汽車持續(xù)制動時制動器的熱衰退以保證車輛行駛安全性是擺在人們面前的一個急需解決的問題。

1 制動器熱衰退

摩擦系數(shù)的熱穩(wěn)定性直接影響汽車制動器工作的穩(wěn)定性和行車安全性。摩擦系數(shù)的熱穩(wěn)定性是指制動摩擦片在制動過程中所表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)隨溫度而變化的特性。當制動初速度大、壓力增大、制動頻繁導致摩擦副溫度升高時，摩擦系數(shù)降低，稱之為“熱衰退”。制動器鉗體和制動摩擦片的熱變形，以及制動摩擦片內部成分的化學變化都會導致制動器熱衰退。汽車高速行駛或下長坡連續(xù)制動時制動效能的保持程度稱為抗熱衰退性能。因為制動過程中實際上是把汽車行駛的動能通過制動器吸收轉換為熱能，因此制動器溫度升高后能夠保持在冷態(tài)時的制動效能，已成為設計制動器要考慮的一個重要問題。

產生熱衰退現(xiàn)象的主要原因是在制動摩擦片中含有大量的有機化合物，這些有機化合物在生產過程中被固化下來。當制動摩擦片的工作溫度不超過300 ℃時，制動摩擦副的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.3～0.4。在制動過程中，只要制動器的工作溫度不超過制動摩擦片的最高工作溫度，制動效能就會相對穩(wěn)定。但是，當其工作溫度超過300 ℃后，制動摩擦片中的有機化合物受熱分解，所產生的氣體和液體析出，并存在于制動摩擦片與制動盤之間，起著潤滑膜的作用，從而導致摩擦系數(shù)變小，即在相同制動踏板力的作用下，摩擦力矩會顯著降低，從而產生制動效能熱衰退現(xiàn)象。

2 一種風冷式制動摩擦片的提出

為了提高汽車制動器的抗熱衰退能力，目前已經采用了很多措施。筆者基于風冷式發(fā)動機的降溫原理，提出了一種用于盤式制動器的風冷式汽車制動摩擦片（專利號：ZL 2019 3 0038756..4），利用風冷原理，改變傳統(tǒng)的制動摩擦片散熱結構，降低制動摩擦片溫度。目前尚未有相似技術或成品借鑒，最接近的是通風式制動盤和打孔通風制動盤。通風式制動盤的內部是中空的，冷空氣可以從中間穿過進行降溫；而打孔通風制動盤是在通風式制動盤基礎上對制動盤的盤面進行打孔，以最大程度地保證空氣流通，降低制動器的熱衰減。但通風式制動盤和打孔通風制動盤的制造成本較高，加工困難。

傳統(tǒng)制動摩擦片由鋼板、粘接隔熱層和摩擦塊構成，考慮制動摩擦片高溫散熱問題，出發(fā)點放在了不對鋼板形成高溫，設置了隔熱層（由不傳熱的材料組成），目的是隔熱。而過熱的摩擦材料產生的熱量通過制動盤的結構散熱，這在一定程度上影響了制動效果。

筆者提出的風冷式制動摩擦片（圖1）采用空氣作為冷卻介質，通過自然風冷使高速流動的空氣直接將制動過程中產生的熱量帶走，從而有效降低制動摩擦片的溫度，抑制制動器熱衰退，從而保證制動效能，確保行車安全。

風冷式制動摩擦片是在傳統(tǒng)制動摩擦片的基礎上進行改進設計的，制動摩擦片背板采用超薄高強度鋼材，其上附加有散熱片，或用鋁合金材料做制動摩擦片背板，直接在其上加工散熱片，同時去除隔熱層，節(jié)約制動摩擦片成本。采用風冷式制動摩擦片的車輛，在制動過程中，帶動空氣進入散熱片溝槽中，在高速流動空氣的作用下，通過制動摩擦片上的散熱片直接將車輛制動期間制動摩擦片和制動盤產生熱量帶走，從而可以在不改變現(xiàn)有制動系統(tǒng)設計和構造的前提下，有效提高汽車制動器的抗熱衰退能力和制動性能穩(wěn)定性，確保行車安全。

圖1 風冷式制動摩擦片

3 風冷式制動摩擦片實車測試結果

筆者于2019年12月7日至8日和2020年6月13日至14日，分2次在榮蘭線（蘭州市西固區(qū)段）關山至小坪村段（下坡路約5 km，平路約1 km）進行了橫向溝槽風冷式制動摩擦片（圖1a，安裝后，風從側面吹過）和斜向溝槽風冷式制動摩擦片（圖1b，安裝后，風順溝槽吹過）實車測試，測試數(shù)據(jù)見表1和表2所列。

試車測試結果顯示，風冷式汽車制動摩擦片具有較好的降溫效果，能提高汽車制動器的抗熱衰退能力和制動性能穩(wěn)定性能，特別是斜向溝槽制動摩擦片，降溫效果更加明顯（數(shù)據(jù)顯示約為20 ℃）。

表1 橫向溝槽風冷式制動摩擦片實車測試結果

表2 斜向溝槽風冷式制動摩擦片實車測試結果