电动汽车刹车片配方和性能分析

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引

言

电动汽车市场占有率越来越高，基于电动汽车加速快、制动能量回收高、行驶噪音小等特点，对刹车片提出了新的要求。

注：本篇原文含大量专业性、技术性内容，为便于阅读本文做了删减，如有需要可识别下方二维码查看原文：（《汽后视界》第72页）

作者｜邓海兵

图片｜网 络

1.

电动汽车现状及发展趋势

随着环保意识的提高和汽车技术的进步，电动汽车作为一种新兴的绿色交通工具，正在逐步改变着人们的出行方式。根据的数据，2023年6月份，全球电动汽车销量继续攀升，同比大涨38%至1,260,470辆，得益于6月份的强劲销量，2023年上半年，全球电动汽车累计销量达5,818,801辆，较去年同期上涨39.8%，占全球汽车市场的份额也同比上涨3个百分点至15%。

电动车加速性能好，对制动性能要求也会提高，尤其是连续高速制动性能。同时，电动车工作噪音小，对制动时产生的蠕动噪声（groan）、制动尖叫（）的要求也会提高。另外，电动车的智能化配置越来越高，在自适应巡航控制系统的基础上，发展成了高速、城市智能驾驶辅助系统。智能驾驶辅助系统的应用场景更加广泛，首先是城市低速行驶到高速公路行驶，其次城市路面工况复杂，制动的减速度覆盖了轻度制动和重度制动，其中还涉及到不同制动减速度下的电动车能量回收。不同车速、减速度的需求，对制动力矩的稳定性也提出了更高的要求。

因此，在电动车快速发展的趋势下，刹车片配方和性能应根据电动车的特点进行调整，以满足电动汽车在连续高速制动、制动噪音、自动驾驶等方面的需求。

2.

摩擦材料现状及性能分析

摩擦材料广泛应用于机械、铁路、有轨电车、郊区列车、卡车和乘用车等产业，本文主要介绍乘用车刹车片摩擦材料，其中半金属，低金属和NAO材料被广泛应用。

2.1

理化性能

刹车片材料配方和成型工艺，共同决定着刹车片的理化性能参数。部分理化性能是摩擦材料配方决定的，比如调整酸碱性材料来调整PH值的大小、改变刹车片底料调整热传导性能、选型粘接剂来调整剪切强度的大小等；部分理化性能是由成型工艺决定的，比如通过调整热压工艺的温度和压力来调整压缩率大小。

摩擦材料的压缩性是摩擦材料开发的关键物理值，是开发阶段的重要参考值和生产质量管控的重要参数。压缩性的变化直接影响到以下几个特性，如：制动噪声特别是Groan音、制动盘DTV、踏板感（需液量）、拖滞力矩等[2]。压缩变形量越大，对制动噪声越有帮助，但会导致卡钳拖滞力矩、需液量变大，从而影响续航和制动踏板感，尤其是车辆在连续制动时，刹车片温度达到200℃-300℃，热压缩变形量太大时会导致制动行程过长，影响安全。因此，刹车片冷压缩变形量需要控制在一定的范围之内，一般在名义值±30μm，热压缩不能超过200μm。

2.2

制动效能

摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。在车辆制动器中，是指刹车片和制动盘接触的时候所产生的摩擦力与制动压力的比值。在开发过程中，需要通过台架试验来确定刹车片的摩擦系数。

根据AK试验的测试结果，NAO前刹车片的平均摩擦系数要求一般是0.4±10%，100km/h连续制动的衰退工况，最低摩擦系数要求一般是0.28左右。而根据AMS测试结果表明，NAO前刹车片的最低摩擦系数一般是0.25左右。

2.3

磨损性能

除了摩擦系数需要满足整车制动性能要求外，使用寿命也是刹车片开发中比较重要的参数之一。摩擦材料里的部分材料，如树脂将会由于温度过高而分解过快，从而导致磨损过快。

刹车片面积和厚度也决定了刹车片的使用寿命。刹车片面积采用比能量耗散率来评价，它表示单位摩擦面积在单位时间内耗散的能量，其单位为瓦每平方毫米（W/mm2）。盘式制动器的比能量耗散率应不大于6.0 W/mm2。刹车片面积越大，制动产生的温度就越不集中，对摩擦系数的稳定性有利。刹车片摩擦材料的厚度一般是10mm，包括8mm面料和2mm底料。

2.4

制动噪音

由于噪声是在制动时产生的，刹车片与制动盘的摩擦特性研究成为噪声研究的首要手段[3]。

汽车行业广泛应用试验程序《SAE J3521 Disc and Drum Brake Noise Test 》来测试噪声。刹车片的压缩率越大，对制动噪音越有利。增加刹车片密度，降低刹车片孔隙率，导致摩擦片含水量降低，对制动噪音特别是groan音有一定的优化作用，因此刹车片的孔隙率一般要求＜18%。另外，刹车片的底料、消音片在制动噪声上起到了阻尼的作用，底料、消音片的厚度越大，阻尼效果更好。为了解决低温下的制动噪音，还可以在消音片上增加一层双面胶，保证低温状态下的阻尼效果。

3.

电动汽车对刹车片的新需求

3.1

制动效能新要求

电动车的自动驾驶功能，要求刹车片在不同的温度、车速和减速度下提供稳定的摩擦系数，以满足各个工况下制动力矩波动小的要求。因此，刹车片开发需要考虑此工况下的摩擦系数稳定性，现有AK试验已经无法满足需求，需要在AK试验的基础上，增加专项效能试验：车速从100km/h到0，压力在10bar~范围内每隔10bar进行1次制动，每次制动的初始温度在100℃以内。专项效能试验的得到的摩擦系数平均值，可以用于评估自动驾驶时请求的制动力矩数学模型计算，提高自动驾驶标定的效率和准确率。

电动车加速性能好，连续紧急制动的情况下，制动盘和刹车片的温度上升较快。最高温度接近700℃，此温度下NAO刹车片的树脂大部分已经分解甚至剥落，磨损快，摩擦系数急剧降低，严重的情况下刹车片还会产生明火。因此，需要专门开发高温工况下（700℃以上）的NAO刹车片，保证高温性能的稳定性。

3.2

制动噪音新要求

电动车行驶的背景噪音小，同时又有制动能量回收功能，除紧急制动外，常规工况下对制动器的负荷要求低。因此，在低速低压的制动工况对制动噪音要求比较高，尤其是在冬季低温情况下，车辆夜间停车后第二天早上在停车场行驶时，制动噪音最容易引起客户抱怨。为了应对这种情况，在刹车片开发和噪音匹配时，偏向于选用摩擦系数在0.38（AK试验结果）以下，压缩率大的刹车片配方，同时要求摩擦材料的摩擦系数稳定性更好：车辆起步蠕动行驶时，以及低速制动停止前的摩擦系数上升越小越好。

Groan音的要求也要提升，在刹车片开发和噪音匹配时，除了寻求动静摩擦系数更低的刹车片配方，还需要添加疏水性材料，优化刹车片生产工艺控制，使孔隙率控制在12%左右。

3.3

厚度及磨损新要求

得益于电动车的制动能量回收，刹车片在常规制动下的负荷变小，刹车片的寿命更长。因此，在保证刹车片寿命满足客户需求的情况下，可以对刹车片厚度适当减薄，实现低成本开发。刹车片的磨损与刹车片面积、厚度强相关，减小刹车片面积会导致紧急制动时摩擦片温度上升过快，影响制动性能，因此不建议减小刹车片面积，建议把摩擦材料的厚度由10mm减小到6mm左右。

NAO刹车片是电动车的更好选择，在制动性能、制动噪音（特别是groan音）、制动抖动等方面有着出色的表现；得益于电动车能量回收技术和线控制动技术实现踏板感解耦，即使在高速、高温衰退性能上趋于柔软的刹车踏板感觉也能得到较好的解决；与此同时，在保证刹车片寿命满足客户需求的情况下，可以将刹车片厚度减薄50%左右，实现低成本开发。

4.

总结及展望

相对于燃油车，电动车的加速、NVH和自动驾驶等方面的变化，要求摩擦材料优化配方以提升高温衰退稳定性和低温摩擦系数稳定性，也要求提高刹车片压缩率，减小孔隙率，最后还要求刹车片开发的试验方法做针对性调整，增加专项验证程序。

展望未来，电动车的出口需求越来越大，社会对环境保护的要求也越来越高，刹车片还需要在以下方面进行研究：

（1）

减少制动粉尘排放，根据对欧洲BPE（Brake Wear ）的规定预测，每台车的BPE规则值在2025年时为7 mg/km，2029年时为3.5mg/km。北美和亚洲等其他地区也需要注意新的规定。

（2）

减少重金属成分，目前北美已经要求刹车片的铜含量≤0.05%，未来还会进一步要求锑等金属含量减少，需要使用新的材料代替，同时保证性能不衰减。

参考文献

[1]何子淑.电动汽车发展对能源与环境影响研究[J].时代汽车,2023(03):104-106.

[2]贾宏禹．材料的粘弹性对摩擦片振动与制动噪声的影响研究[D]．武汉:武汉理工大学，2003．

[3]管迪华,宿新东.制动振动噪声研究的回顾、发展与评述[J].工程力学,2004,21(4):150-155.

作者简介

邓海兵（1982年6月~），男，湖北武汉人，武汉靖信达汽车配件有限公司总经理

2年汽车后市场创业经历、12年汽车主机厂OEM工作经历：

•比亚迪汽车有限公司，从事制动系统、底盘系统设计开发工作；

•东风本田，从事产品工程及质量管控工作；

•东风雷诺-日产，从事底盘系统设计开发及整车项目管理工作；

•东风集团技术中心，从事智能电动车项目管理工作。

END

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