一种风冷式汽车制动摩擦片

兰州石化职业技术学院 孙国君，孙怀君，马银余

从2009年开始，我国就超过美国成为世界第一汽车产销大国。截至2020年6月，全国机动车保有量达3.6亿辆，其中汽车2.7亿辆，占机动车总量的75%。汽车总量的增加，交通事故也基本呈现上升趋势。我国每年要发生50万起以上的交通事故，交通事故中的万车死亡率为6.2人。交通事故发生的原因是多方面的，其中，超速行驶、疲劳驾驶、酒后及醉酒驾驶、制动失灵、爆胎等是造成交通事故的主要原因，研究表明，制动时制动器温度过高导致制动系统热衰退是造成制动失灵的一个重要原因。2018年11月3日晚，兰海高速公路（G75）兰州南收费站发生一起特大交通事故，一辆重型半挂载重牵引车因制动失灵，在距离兰州南收费站50 m处与多车相撞，造成15人死亡，44人受伤，31车受损。肇事驾驶人李某在被公安机关控制后交待，事故发生时因该车连续下坡、制动失灵导致车辆失控。因此，如何降低汽车持续制动时制动器的热衰退以保证车辆行驶安全性是摆在人们面前的一个急需解决的问题。

1 制动器热衰退

摩擦系数的热稳定性直接影响汽车制动器工作的稳定性和行车安全性。摩擦系数的热稳定性是指制动摩擦片在制动过程中所表现出的摩擦系数随温度而变化的特性。当制动初速度大、压力增大、制动频繁导致摩擦副温度升高时，摩擦系数降低，称之为“热衰退”。制动器钳体和制动摩擦片的热变形，以及制动摩擦片内部成分的化学变化都会导致制动器热衰退。汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能的保持程度称为抗热衰退性能。因为制动过程中实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收转换为热能，因此制动器温度升高后能够保持在冷态时的制动效能，已成为设计制动器要考虑的一个重要问题。

产生热衰退现象的主要原因是在制动摩擦片中含有大量的有机化合物，这些有机化合物在生产过程中被固化下来。当制动摩擦片的工作温度不超过300 ℃时，制动摩擦副的摩擦系数稳定在0.3～0.4。在制动过程中，只要制动器的工作温度不超过制动摩擦片的最高工作温度，制动效能就会相对稳定。但是，当其工作温度超过300 ℃后，制动摩擦片中的有机化合物受热分解，所产生的气体和液体析出，并存在于制动摩擦片与制动盘之间，起着润滑膜的作用，从而导致摩擦系数变小，即在相同制动踏板力的作用下，摩擦力矩会显著降低，从而产生制动效能热衰退现象。

2 一种风冷式制动摩擦片的提出

为了提高汽车制动器的抗热衰退能力，目前已经采用了很多措施。笔者基于风冷式发动机的降温原理，提出了一种用于盘式制动器的风冷式汽车制动摩擦片（专利号：ZL 2019 3 0038756..4），利用风冷原理，改变传统的制动摩擦片散热结构，降低制动摩擦片温度。目前尚未有相似技术或成品借鉴，最接近的是通风式制动盘和打孔通风制动盘。通风式制动盘的内部是中空的，冷空气可以从中间穿过进行降温；而打孔通风制动盘是在通风式制动盘基础上对制动盘的盘面进行打孔，以最大程度地保证空气流通，降低制动器的热衰减。但通风式制动盘和打孔通风制动盘的制造成本较高，加工困难。

传统制动摩擦片由钢板、粘接隔热层和摩擦块构成，考虑制动摩擦片高温散热问题，出发点放在了不对钢板形成高温，设置了隔热层（由不传热的材料组成），目的是隔热。而过热的摩擦材料产生的热量通过制动盘的结构散热，这在一定程度上影响了制动效果。

笔者提出的风冷式制动摩擦片（图1）采用空气作为冷却介质，通过自然风冷使高速流动的空气直接将制动过程中产生的热量带走，从而有效降低制动摩擦片的温度，抑制制动器热衰退，从而保证制动效能，确保行车安全。

风冷式制动摩擦片是在传统制动摩擦片的基础上进行改进设计的，制动摩擦片背板采用超薄高强度钢材，其上附加有散热片，或用铝合金材料做制动摩擦片背板，直接在其上加工散热片，同时去除隔热层，节约制动摩擦片成本。采用风冷式制动摩擦片的车辆，在制动过程中，带动空气进入散热片沟槽中，在高速流动空气的作用下，通过制动摩擦片上的散热片直接将车辆制动期间制动摩擦片和制动盘产生热量带走，从而可以在不改变现有制动系统设计和构造的前提下，有效提高汽车制动器的抗热衰退能力和制动性能稳定性，确保行车安全。

图1 风冷式制动摩擦片

3 风冷式制动摩擦片实车测试结果

笔者于2019年12月7日至8日和2020年6月13日至14日，分2次在荣兰线（兰州市西固区段）关山至小坪村段（下坡路约5 km，平路约1 km）进行了横向沟槽风冷式制动摩擦片（图1a，安装后，风从侧面吹过）和斜向沟槽风冷式制动摩擦片（图1b，安装后，风顺沟槽吹过）实车测试，测试数据见表1和表2所列。

试车测试结果显示，风冷式汽车制动摩擦片具有较好的降温效果，能提高汽车制动器的抗热衰退能力和制动性能稳定性能，特别是斜向沟槽制动摩擦片，降温效果更加明显（数据显示约为20 ℃）。

表1 横向沟槽风冷式制动摩擦片实车测试结果

表2 斜向沟槽风冷式制动摩擦片实车测试结果