乘用車制動盤黑色印記問題研究

史亨波 隋清海 郝占武 蔣帥

（中國第一汽車股份有限公司 研發總院，長春 130013）

主題詞： 制動盤黑色印記 制動盤機加工工藝 制動襯塊材料

1 前言

制動盤作為制動系統中重要的執行機構，需要滿足尺寸要求和性能要求，才能保證可裝配性以及提供足夠的制動效能。除此之外，制動盤還是制動系統中為數不多的裸露在外的可見外觀件，美觀性也是非常重要而且容易被忽視的一個特性。

在上市的某款車上，發現前制動盤上出現了一圈黑色印記，位置不定且內、外盤面都會隨機產生。經過確認，制動效能沒有任何衰退，但是用戶始終無法接受該現象，認為制動系統一定存在某些問題。為根除用戶焦慮，對該問題進行深入研究，本文就問題發生及問題現象、問題排查過程、真因分析等方面進行了詳細闡述。

2 問題發生及問題現象

2.1 問題發生頻次高且無集中趨勢

制動盤黑色印記現象發生的里程無明顯集中趨勢，在行駛50 km～10 000 km范圍內車輛都有出現的可能性。在上市的某款車型上的發生概率達到約2.9‰，由于頻次較高，且隨機反復出現，用戶誤認為制動盤出現異常磨損（溝槽，圖1），并且質疑車輛制動效能，引起不安和抱怨。

2.2 問題現象明顯易察覺

問題現象如圖2所示，黑色印記會出現在制動盤的內、外摩擦環上，出現的位置隨機,且隨著里程數的增加，黑色印記的位置會緩慢改變或印記徹底消失。摩擦環的基體顏色較淺，黑色印記出現后，視覺對比強烈，非常明顯。遠處觀察，疑似存在異常磨損。用手觸摸，手感平整，沒有異常感。針對有、無黑色印記現象的車輛進行制動效能評價，無明顯區別。

圖1 某車型制動盤

圖2 黑色印記問題現象

綜上所述，制動盤黑色印記問題僅是外觀問題，制動效能并不存在異常，為緩解用戶的擔憂，需要解決黑色印記問題。

3 問題排查

制動盤黑色印記問題發生后，排查思路主要集中在制動盤的材料特性和生產工藝上，除此之外，還要關注其對手件，也就是制動襯塊的材料影響及其與制動盤的相互配合作用[1-2]。

3.1 問題件分析

觀察問題制動盤及對手件制動襯塊，發現在制動襯塊上對應制動盤產生黑色印記的部位存在極淺的凹坑痕跡,如圖3所示，說明黑色印記本質上是一層外來物附著在制動盤上。

圖3 制動盤和制動襯塊對照

通過輪廓儀檢測（圖4），圖3中制動盤上1#和2#位置黑色印記高度分別為40μm和30μm，用手感覺不到，但是可確定存在附著物。

實驗室對附著物進行成分分析（圖5），根據特征元素檢測，認為黑色印記中包含SiO2、ZrO2、Fe等元素成分，其中SiO2和ZrO2是耐磨材料成分，來自制動襯塊；Fe是鑄鐵成分，來自制動盤，故初步分析黑色印記由制動襯塊產生。考慮到制動襯塊是一種復雜的多種材料成分混合物，所以該檢測結果并不能表明黑色印記就是由SiO2，ZrO2這兩種成分造成的，問題原因需要進一步研究分析。

圖5 黑色印記成分分析

仔細觀察問題制動盤摩擦環表面，磨削加工交叉紋理總體水平較深，手感非常明顯并且一致性較差?；诖?，檢測剛出廠的新制動盤，發現新盤磨削紋理粗糙度水平較低，輪廓最大高度Rz達到約13μm以上（圖6）。初步懷疑：制動盤加工紋理質量較差，是黑色印記問題的重要影響因素。

除上述內容之外，實驗室還檢測了制動盤的輪轂配合面平面度、材料特性以及制動襯塊的材料特性，結果均滿足標準要求，無明顯異常。

3.2 優化方案確定

針對問題件的初步分析結果，優化方向從以下兩點展開：

（1）制動襯塊配方及形狀；

（2）制動盤摩擦環表面加工紋理。

為了快速分析問題并確認優化方案的有效性，需要在臺架復現整車制動盤黑色印記問題。經過大量的試驗摸索，按照SAE-J2521的拖拽程序[3]，如表1所示，可以復現該問題。

圖6 制動盤磨削紋理及Rz檢測結果

表1 J2521拖拽程序

從制動襯塊角度出發，首先分析其工作原理，眾所周知，制動襯塊與制動盤摩擦工作中，會在接觸表面形成一層穩定的轉移膜，如圖7所示。不同配方材料的制動襯塊產生的轉移膜厚度和顏色各不相同，那么，我們考慮選用產生淺色轉移膜的制動襯塊配方作為第一個優化方案。

從破壞轉移膜的角度出發，在制動襯塊中部開槽，作為第二個優化方案。

圖7 制動襯塊轉移膜

從制動盤角度出發，需要深入分析盤摩擦環表面磨削紋理與黑色印記問題之間的聯系。首先，我們提出兩個概念：“同向紋理”和“異向紋理”?！巴蚣y理”指的是盤摩擦環紋理方向與制動襯塊工作方向一致的紋理，例如車削紋理；“異向紋理”指的是盤摩擦環紋理方向與制動襯塊工作方向存在角度的紋理，例如磨削紋理，如圖8所示。

圖8 制動盤同向與異向紋理

由于異向紋理與制動襯塊工作方向存在角度，如果紋理加工質量較差，比如同一條紋理的深淺不一，這將會導致沿紋理方向產生非均勻異常摩擦，進而導致沿紋理方向制動襯塊轉移膜分布不均勻，表現在宏觀上，就產生了的黑色印記現象，如圖9所示。相比較而言，與制動襯塊工作同向的同向紋理將更不容易發生這樣的現象。

所以，采用相同粗糙度水平的車削紋理制動盤作為第三個優化方案。

需要注意的是，車削加工必須采用斷續車削的方式，避免唱片效應引起噪音問題。例如，可采用車刀進給每隔2.5 mm的間隔停頓的方式，避免連續車削紋理的產生。

圖9 制動盤異向紋理與黑色印記

綜上所述：問題優化方案確定為以下3個：

①新材料制動襯塊（淺色轉移膜）；

②中部開槽制動襯塊；

③車削制動盤。

3.3 優化方案臺架驗證

臺架驗證結合3種制動襯塊和兩種制動盤組合搭配進行，驗證結果見表2所示（備注：有優化效果為“√”，產生黑色印記為“×”）。

表2 臺架復現試驗

試驗對比照片見圖10和圖11。

圖10 車削制動盤臺架結果對比

圖11 新材料制動襯塊臺架結果對比

臺架試驗結果表明：制動襯塊中間開槽方案，對黑色印記沒有幫助，新制動襯塊材料可明顯優化問題，車削制動盤對問題也有一定優化。在后續整車驗證過程中，重點考慮制動襯塊材料配方更改能否徹底解決問題，如果有必要，再配合更改制動盤車削加工紋理。

3.4 優化方案整車驗證

整車路試試驗驗證用的車輛為普通用戶車，日常行駛路況為城市工況，使用情景為日常上、下班，大約每天平均行駛30 km左右。

第一輪試驗說明如下：將制動襯塊更改為新配方材料，同時將制動盤更換為磨削紋理新樣件，用戶行駛約303 km后，表面狀態如圖12所示。

圖12 第一輪303 km時制動盤

從照片中可以看出，黑色印記現象不太明顯，說明新材料制動襯塊對該問題確實有效。車輛繼續行駛約678 km后，制動盤表面狀態如圖13所示。

圖13 第一輪678 km時制動盤

從照片中可以看出，黑色印記復現，但是沒有問題爆發時那么嚴重。結合上述試驗結果，得出結論：該制動襯塊配方可減輕黑色印記，但是并不能完全解決黑色印記問題?？紤]到制動襯塊選擇還需要結合制動NVH、制動效能等因素，可選配方有限，所以接下來基于該制動襯塊，進行了車削制動盤的組合驗證試驗。

第二輪試驗說明如下：將制動襯塊更換為新配方材料新樣件，同時將制動盤由磨削紋理更改為車削紋理新樣件，用戶行駛約2 412 km后，表面狀態如如圖14所示。

圖14 第二輪2 412 km時制動盤

在試驗過程中，用戶會定期觀察，據其反饋，更換制動襯塊和車削制動盤后，黑色印記問題從未復現，優化方案有效，判定問題解決。

第三輪試驗（補充試驗）說明如下：將制動襯塊保持原車配方（更換新樣件），同時將制動盤由磨削紋理更改為車削紋理新樣件，用戶行駛約1 751 km后，表面狀態圖15所示。

圖15 第三輪1 751 km時制動盤

從照片中可以看出，黑色印記復現，說明只更改車削制動盤，也不能解決問題。

4 真因說明

在經歷了問題排查、現象分析、優化方案確定、臺架和整車試驗驗證之后，總結問題真因：

（1）制動襯塊配方為根本原因；

（2）制動盤磨削紋理加工質量差為影響因素。

制動襯塊配方選擇為根源，也就是說選用轉移膜為深黑色的制動襯塊，會加大黑色印記問題發生概率；選用轉移膜為淺色的制動襯塊，可以把問題有效扼殺在搖籃里。

制動盤加工紋理方面，磨削加工是制動盤常用的工藝，但是根據經驗，當下國內某些生產商的磨削工藝水平較差，生產出的樣件磨削紋理深淺水平不一，由于磨削紋理為異向紋理，導致制動襯塊會沿紋理方向產生非均勻異常摩擦，深黑色轉移膜分布不均勻，最終產生黑色印記。

在保證不出現其他問題的前提下，選用車削加工紋理，可以有效的降低黑色印記問題發生的概率。

將新配方制動襯塊和車削制動盤方案推廣應用到某車型市場后，再無問題，判定優化方案有效。

5 結束語

越來越多的乘用車用戶不僅關注汽車制動系統的性能，還要關注制動組成件的外觀狀態。在保證穩定性能的前提下，要盡量保證美觀性，減少用戶的擔憂和抱怨。

本文研究的制動盤黑色印記問題，普遍存在于乘用車上，是一個非常常見的、典型的外觀問題。在解決問題的過程中，可以考慮嘗試本文中提出的更換淺色轉移膜制動襯塊和采用車削制動盤兩種優化解決方案，進行臺架和整車驗證。當然，除此之外，該問題的發生可能還存在別的原因，后續可作進一步探討驗證。

由于制動襯塊是一種復雜的多種材料成分混合物，其中哪些成分或哪些工藝與轉移膜的顏色狀態相關，暫時還不清楚，這將作為后續深入研究的重點和方向。