蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)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(chǎn)銷大國。截至2020年6月，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.6億輛，其中汽車2.7億輛，占機(jī)動(dòng)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(shì)。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(dòng)失靈、爆胎等是造成交通事故的主要原因，研究表明，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器溫度過高導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)熱衰退是造成制動(dòng)失靈的一個(gè)重要原因。2018年11月3日晚，蘭海高速公路（G75）蘭州南收費(fèi)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(dòng)失靈，在距離蘭州南收費(fèi)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?cè)死钅吃诒还矙C(jī)關(guān)控制后交待，事故發(fā)生時(shí)因該車連續(xù)下坡、制動(dòng)失靈導(dǎo)致車輛失控。因此，如何降低汽車持續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)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(gè)急需解決的問題。

1 制動(dòng)器熱衰退

摩擦系數(shù)的熱穩(wěn)定性直接影響汽車制動(dòng)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(dòng)摩擦片在制動(dòng)過程中所表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)隨溫度而變化的特性。當(dāng)制動(dòng)初速度大、壓力增大、制動(dòng)頻繁導(dǎo)致摩擦副溫度升高時(shí)，摩擦系數(shù)降低，稱之為“熱衰退”。制動(dòng)器鉗體和制動(dòng)摩擦片的熱變形，以及制動(dòng)摩擦片內(nèi)部成分的化學(xué)變化都會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器熱衰退。汽車高速行駛或下長(zhǎng)坡連續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)效能的保持程度稱為抗熱衰退性能。因?yàn)橹苿?dòng)過程中實(shí)際上是把汽車行駛的動(dòng)能通過制動(dòng)器吸收轉(zhuǎn)換為熱能，因此制動(dòng)器溫度升高后能夠保持在冷態(tài)時(shí)的制動(dòng)效能，已成為設(shè)計(jì)制動(dòng)器要考慮的一個(gè)重要問題。

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

2 一種風(fēng)冷式制動(dòng)摩擦片的提出

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

傳統(tǒng)制動(dòng)摩擦片由鋼板、粘接隔熱層和摩擦塊構(gòu)成，考慮制動(dòng)摩擦片高溫散熱問題，出發(fā)點(diǎn)放在了不對(duì)鋼板形成高溫，設(shè)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(chǎn)生的熱量通過制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)散熱，這在一定程度上影響了制動(dòng)效果。

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

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

圖1 風(fēng)冷式制動(dòng)摩擦片

3 風(fēng)冷式制動(dòng)摩擦片實(shí)車測(cè)試結(jié)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(guān)山至小坪村段（下坡路約5 km，平路約1 km）進(jìn)行了橫向溝槽風(fēng)冷式制動(dòng)摩擦片（圖1a，安裝后，風(fēng)從側(cè)面吹過）和斜向溝槽風(fēng)冷式制動(dòng)摩擦片（圖1b，安裝后，風(fēng)順溝槽吹過）實(shí)車測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1和表2所列。

試車測(cè)試結(jié)果顯示，風(fēng)冷式汽車制動(dòng)摩擦片具有較好的降溫效果，能提高汽車制動(dòng)器的抗熱衰退能力和制動(dòng)性能穩(wěn)定性能，特別是斜向溝槽制動(dòng)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(fēng)冷式制動(dòng)摩擦片實(shí)車測(cè)試結(jié)果

表2 斜向溝槽風(fēng)冷式制動(dòng)摩擦片實(shí)車測(cè)試結(jié)果