制動盤特性對摩擦性能與蠕動噪聲的影響

陳小剛，熊丹

泰明頓摩擦材料技術(上海)有限公司，上海 201807

0 引言

汽車制動噪聲，根據其噪聲頻率范圍和頻率分布的集中程度大致可以分為：低頻/高頻尖叫(1～3 kHz/4～16 kHz)，呻吟(moan)噪聲(<1 kHz)，蠕動(creep groan)噪聲(<500 Hz)等[1-3]。

所謂蠕動噪聲，是指在極低的車速和較低的制動壓力下發生的一種低頻振動噪聲。常見的工況為自動擋車型的起步瞬間[3-4]，在車輛即將發生位移時，來自摩擦副的制動力和車輛起步扭矩的驅動力同時作用，摩擦片與制動盤的摩擦界面發生黏-滑運動。這種黏-滑振動通過車輛懸架系統和車身船體到車內，駕駛員同時感知到噪聲與車身的振動，這種現象就被稱為蠕動噪聲[2，4]。

對于蠕動噪聲的發生機制，一般認為是由于摩擦副在滑移面上產生的黏-滑運動，進而發生明顯的振動噪聲[4-10]。而這種黏-滑運動是由于摩擦副的動摩擦因數(μk)和靜摩擦因數(μs)的差異(Δμ)過大導致的。近年來，國內外學者在黏-滑機制研究、蠕動噪聲等方面做了大量研究，取得了眾多成果[11-18]。

張立軍等[11]研究了蠕動顫振發生時的振動和懸架變形特征，提出了“弓形效應理論”并通過試驗證明了弓形效應對于起步蠕動顫振具有一定的影響，同時發現制動力分配因數對于起步蠕動顫振現象具有顯著的影響。Yoon等[14]研究了摩擦副在不同法向正壓力載荷及滑動速度下的摩擦因數波動性能。研究結果表明，黏-滑振動幅度隨著摩擦副受到的法向載荷增大而增大，而隨著摩擦副滑動速度增大而降低。Fuadi等[15]設計了一種卡鉗-滑板裝置，并研究了黏-滑現象的影響因素。研究結果表明，蠕動噪聲在如下條件下可以被消除：①結構剛度與摩擦副接觸剛度比大于40；②低頻黏-滑指數大于400。Jang等[16]研究了酚醛樹脂、硅酸鋯、摩擦粉、巖棉等原材料對動靜摩擦因數的影響。研究結果表明：硅酸鋯、鋼棉和酚醛樹脂會增大動、靜摩擦因數差異，而腰果殼油摩擦粉、芳綸纖維、巖棉等材料則可以降低動、靜摩擦因數差異。他們基于研究成果得出了最優配方組合，獲得了最小動、靜摩擦因數差異的配方材料。

然而，過往研究往往集中在摩擦片材料方面，或者通過車身結構方面，而對于摩擦副重要組件——制動盤對蠕動噪聲的研究很少有報道。本文采用不同表面特性的制動盤匹配相同配方的摩擦片，對摩擦副的蠕動噪聲、摩擦因數以及磨損性能等方面進行了深入研究，探討了不同工況下的摩擦磨損機制，對摩擦副開發提供了良好的指導意義。

1 試驗設計

本文采用的摩擦片是由成熟的NAO(無石棉有機型)摩擦材料配方生產而得。摩擦材料的主要組分見表1。摩擦片的生產過程采用常規的摩擦片制程生產，其工序主要包括混料、壓制、固化、機加工、燒蝕等，摩擦片型號基于現有某中型SUV的量產產品。

表1 摩擦材料的主要組分

本研究采用的制動盤為某OEM車型的量產產品，其原始加工狀態為磨削方式，加工紋路為雜亂的發射狀，磨削制動盤表面狀態及加工紋路示意如圖1所示。為了研究不同制動盤表面狀態的性能，對制動盤進行車削加工處理，得到同心圓型加工紋路，車削制動盤表面狀態及加工紋路示意如圖2所示。

圖1 磨削制動盤表面狀態及加工紋路示意

圖2 車削制動盤表面狀態及加工紋路示意

對蠕動噪聲進行實車測試，測試程序為：摩擦副安裝完成后，首先做0 km坡道蠕動噪聲測試。然后在規定的城市路線上進行日常駕駛、制動，使摩擦副逐步磨合。為了保證兩組制動盤測試結果的一致性，本測試嚴格規定了磨合過程中的行車路線，每天行駛里程為100 km，每天制動次數約80次。每次的制動工況為：初速度約為60 km/h，約0.2 m/s2的減速度，末速度約為20 km/h。為了排除溫度及濕度等氣候因素，測試選擇在氣溫和大氣濕度都比較穩定的秋季(10月)進行。

每天磨合完成后，于次日早晨分別在平地和20%坡道上做冷態起步噪聲評價。連續進行5 d不間斷測試，總計摩擦里程為500 km。冷態坡道起步噪聲評價方式為：掛D擋，緩慢松開制動踏板，于駕駛員頭枕位置，采集音頻分貝值，連續進行10次測試后取其平均分貝值記錄。

對蠕動噪聲的臺架模擬測試，測試程序為：首先采用SAE J2522 AK-Master (Issued 2014—6)的測試程序進行磨合，磨合完成后進行蠕動噪聲測試。蠕動噪聲測試原理為：控制驅動扭矩為恒定值，緩慢降低制動壓力，在制動壓力降低到一定值后，摩擦開始出現緩慢滑移，驅動扭矩在控制扭矩值附近產生波動，對扭矩波動絕對值進行求和，得到的數值越小，意味著起步過程產生的黏-滑運動幅度小，則蠕動噪聲表現越好。

采用Link 3900臺架研究產品的摩擦磨損性能，摩擦因數評價運行程序為SAE J2522 AK-Master (Issued 2014—9)，磨損性能評價的運行程序為SAE J2707A，并采用LEICA125體式顯微鏡對摩擦副表面狀態進行研究。

2 結果與討論

2.1 蠕動噪聲整車測試

圖3是兩種制動盤匹配相同的摩擦片在平地和20%坡道上的蠕動噪聲。蠕動噪聲結果顯示，車削制動盤的蠕動噪聲總體上低于磨削制動盤，但是無論是哪種制動盤，在平地上的蠕動噪聲均較20%坡道上好。

圖3 兩種制動盤匹配相同的摩擦片在平地和20%坡道上的蠕動噪聲

圖4為車輛在平地和坡道上的受力分析。當車輛處于平地起步時，車輛前進的驅動力來自于發動機的初始輸出力F1，相應的摩擦界面將形成與之相近的制動力f≈F1。而當車輛處于坡道上時，除了發動機的初始輸出力F1，還有來自車身自重在坡道方向上的分量GX，相應的摩擦界面將形成與之相近的制動力f≈F1+GX。因此在坡道上起步時，摩擦界面的動、靜切換產生的能量更大，導致蠕動噪聲較大。

圖4 車輛在平地和坡道上的受力分析

對比兩種制動盤的蠕動噪聲可見，車削制動盤的結果明顯優于磨削制動盤。這是因為車削盤的條紋與摩擦方向一致，有利于摩擦副快速進入磨合狀態，因而產生的黏-滑振動能量較小。

此外，隨著磨合里程數的增加，蠕動噪聲逐漸降低并保持平穩，且兩者差異也逐漸減小。主要原因是：隨著不斷的摩擦，摩擦副的有效接觸面積逐漸增大，摩擦界面的貼合性越來越好。因此黏滑振動的幅度也隨著降低，以致蠕動噪聲逐漸得到改善并保持穩定。

2.2 蠕動噪聲臺架測試

為了更加客觀反映蠕動噪聲發生時的界面行為，在臺架進行300次磨合制動后測試模擬蠕動噪聲得到扭矩波動值總和如圖5所示。圖中結果顯示，模擬坡道測試記錄的扭矩波動值的總和為800～1 200 N·m，顯著大于模擬平地的300～400 N·m。而車削制動盤產生的扭矩波動值之和顯著低于磨削制動盤，在平地模擬測試中，車削制動盤產生的扭矩波動值總和比磨削制動盤低17%；而在20%坡道模擬測試中，兩者差異達到了22%。以上結果意味著，使用車削制動盤可以顯著降低起步過程中的制動扭矩波動，即摩擦副將具有更好的蠕動噪聲性能，這一結果與實車測試結果具有良好的一致性。

圖5 臺架模擬蠕動噪聲的扭矩波動值總和

圖6和圖7分別為臺架模擬蠕動噪聲測試后的制動盤和摩擦片。車削制動盤的外觀光滑平整，原始的車削紋路變小，產生了一些制動摩擦紋路，總體比較平整光滑。而磨削制動盤表面依然可以看到原始的發散狀的加工紋路，且出現了兩條暗色的同心圓。進一步觀察摩擦片的顯微鏡照片，車削制動盤所用的摩擦片表面形成了連續、光滑的摩擦面，而磨削制動盤所用的摩擦片表面相對粗糙，摩擦膜并未形成整體。由此可見，車削制動盤的條紋與摩擦方向一致，有利于摩擦界面盡快進入良好的貼合狀態，因此在蠕動噪聲上產生了顯著的差異。

圖6 臺架模擬蠕動噪聲測試后的制動盤

圖7 臺架模擬蠕動噪聲測試后的摩擦片

2.3 摩擦性能

圖8是兩種制動盤分別匹配相同的摩擦片得到的SAE J2522 AK-Master摩擦因數。由圖可以看出，該摩擦材料配方的摩擦因數整體比較穩定，在不同的壓力、速度和溫度下，均體現了良好的穩定性，平均摩擦因數為0.38～0.40。根據SAE J2522名義摩擦因數計算方式，兩種狀態的制動盤，在匹配相同的摩擦材料配方，兩者的名義摩擦因數分別為0.383和0.385，且在各個測試章節中，均有一致的變化趨勢。

圖8 SAE J2522 AK-Master摩擦因數

兩者的差異(圖8的柱狀圖)主要體現在第1至第4.5章節，采用車削制動盤的初始摩擦因數，略低于磨削制動盤的初始摩擦因數，兩者差異為負值。造成這個差異的原因是磨削盤表面雜亂的條紋，增大了制動盤的粗糙度，與摩擦片表面容易形成較多的接觸點。而車削制動盤表面紋路為同心圓形式，與制動盤的轉動方向一致，因此不利于摩擦片表面與制動盤的咬合。但是，隨著制動次數的不斷增加，制動盤表面的加工紋路逐漸消失，被摩擦產生的制動劃痕所替代，因此當程序進入第4.4章節后，兩種制動盤在的摩擦因數逐漸接近一致。

2.4 磨損性能

對不同種類的制動盤，采用SAE J2707A的程序研究了摩擦副的磨損性能，如圖9所示。由圖可以看到，磨削制動盤對應的摩擦片在第1至第3章節的磨損量，均高于用車削制動盤的摩擦片，這與其前期摩擦因數較高的結果是一致的。

圖9 采用兩種制動盤的磨損性能

微觀上看，制動盤表面的加工紋路是具有一定深度的溝槽，這些溝槽不斷與摩擦片摩擦、切割，從而產生摩擦因數和摩擦副的磨損。兩種制動盤的摩擦界面微觀示意如圖10所示，車削制動盤的紋路與摩擦方向一致，有利于摩擦片和制動盤的磨合，在摩擦界面上較快地形成穩定連續的摩擦面。而磨削制動盤不僅有摩擦平行方向，還有垂直方向的溝槽，這些垂直方向的溝槽對摩擦片表面有較大的切削作用，因此其摩擦因數相對較高，但同時也加大了摩擦片的磨損。這種條件下，摩擦片表面的磨損機制為切削磨損，即摩擦片表面在硬度較大的制動盤表面的切削作用下產生摩擦犁溝，從而造成摩擦片表面的材料從基體上脫落。磨削盤表面垂直方向的紋路，使制動盤表面難以形成連續的摩擦面，從而使摩擦片的磨損量相對較大。隨著制動次數的增加，摩擦界面都達到了較高的有效接觸面積，因此兩種制動盤的摩擦因數差異和磨損差異都越來越小，直至基本一致。

圖10 兩種制動盤的摩擦界面微觀示意

3 結論

本文采用一種成熟的摩擦材料配方，研究了不同表面特性的制動盤性能?；诒狙芯康臄祿?，得到以下結論：

(1)車輛蠕動噪聲受車輛狀態影響較大，當車輛處于坡道上，由于摩擦力需要平衡發動機的初始輸出力和車輛自身重力分量，因此車輛在坡道上會表現出更加惡劣的蠕動噪聲性能。

(2)具有同心圓加工紋路的車削制動盤，其加工紋路與摩擦方向一致，因而摩擦片表面較快地形成連續的摩擦面，因此其蠕動噪聲性能較好。

(3)具有發射狀態加工紋路的磨削制動盤，由于加工條紋形成了垂直于摩擦方向的溝槽，這些溝槽對摩擦片形成了較大的切削作用，摩擦片的磨損機制主要為切削磨損，因此磨削盤的前期摩擦因數和磨損量相對較大。同時，這些垂直方向的溝槽使摩擦片表面難以形成連續的摩擦膜，不利于摩擦因數穩定，因此起步噪聲性能相對較差。

(4)隨著制動次數的增加，兩種制動盤在摩擦因數、磨損性能以及蠕動噪聲方面的差異均逐漸減小。

(5)基于本實驗結果，在摩擦副開發過程中，可以根據實際需求，選擇相應表面特性的制動盤。