制動MPU現象研究和解決方案

孟令云 黃巨成 朱亞偉 李虎本

摘? 要：MPU全稱Metal Pick Up，即金屬鑲嵌，摩擦材料嵌入金屬，金屬來源于制動對偶件-制動盤，該現象在汽車制動系統中較為常見。某款車型制動器開發過程中，前盤式制動器出現MPU金屬轉移現象。對其拆解下的制動片進行了金屬膜元素檢測，能譜分析譜圖顯示，在除摩擦材料正常成分如Si、Ca、S、Ti等之外，存在于對偶件制動盤相同的金屬元素，同時制動盤工作面在對應摩擦片金屬膜位置有相應的犁溝，屬于典型的MPU現象。對該車型制動MPU現象進行了機理及優化路線分析，慣性臺架對比驗證，結果表明陶瓷材料中的氧化鋯、硅酸鋯、二氧化硅等在高溫高壓下形成硬質點，當其硬度大于制動盤的硬度時，對制動盤產生犁溝作用，犁溝作用產生的盤上金屬鑲嵌到摩擦材料表面，形成金屬轉移。通過對制動片配方進行優化，改善摩擦片材料傳熱及散熱性，該車型制動MPU現象得到很好控制，達到了設計要求。

關鍵詞：盤式制動器;MPU金屬轉移;犁溝現象

中圖分類號：TH117.1? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）002-0057-05

Abstract： Mpu（Metal Pick Up）， mean damascene， friction materials， the metal comes from the brake dual - brake disc， this phenomenon is common in automobile brake system. In the development process of a certain type of brake， MPU metal transfer occurs in front disc brake. The metal film elements of the disassembled brake plates were detected， Energy spectrum analysis spectrogram display， In addition to the normal components of friction materials such as Si， Ca， S， Ti， etc.， the same metal elements exist in the dual brake disc， At the same time， there are furrows on the working face of the brake disc at the corresponding position of the friction plate metal film， which is a typical MPU phenomenon. The phenomenon of the vehicle braking MPU mechanism and optimize the path analysis， the inertial platform verification， the result shows that the bonding agent of a ceramic material under high temperature and high pressure formation of hard spots after carbonization， when the hardness is greater than the hardness of brake disc， brake disc furrow action， furrow effect produced by plate metal Mosaic to the friction material surface， the formation of metal transfer. By optimizing the brake pad formula and improving the heat transfer and heat dissipation of friction plate material， the braking MPU phenomenon of this model is well controlled and meets the design requirements.

Key Words： Disc Brake; MPU Metal Pick Up Furrow

1? ? 前言

MPU（全稱Metal Pick Up）即金屬鑲嵌，是指在制動過程中，制動片中的材料在特定工況下形成局部硬點，并將制動盤上的金屬材料刮下，嵌入到摩擦片表面，形成摩擦片局部光亮帶，同時在制動盤工作面上輕者有類似土星環的同心圓狀條紋，重者形成犁溝，同時可能會導致發生制動噪音和偏磨、拖滯力矩變大等問題。

本文通過對某款SUV車型出現的特定工況下的MPU現象，從產生機理著手進行理論分析，探討了導致某型SUV車型特定工況下制動MPU現象的解決思路和方法。

2? ? 問題現象

此款SUV車型裝配了液壓式前盤式制動器和后EPB盤式制動器。故障產生的對象為前盤式制動器，主要技術參數為：卡鉗缸徑：φ43*2mm，制動盤厚度：25mm，制動有效半徑：140mm，摩擦片類型為NAO陶瓷配方，名義摩擦系數0.38，如圖1所示：

該車型在路試過程中：整車在進行5000-10000Km路試后，熱態制動時反饋前制動器有制動噪音，同時可以觀察到制動盤工作面犁溝現象，用手觸摸可以明顯感覺到溝槽，在舉升機上用手空轉車輪，可以明顯感覺到制動器拖滯力矩異常增大。故障出現的條件滿足以下幾點：1、車輪進行了至少5000Km綜合路試、2、路試工況熱態制動頻繁、3、摩擦材料配方為NAO陶瓷配方。滿足以上條件，車輛大概率出現規律性MPU金屬轉移現象。

3? ? 問題機理及措施實現

3.1? ?機理分析

制動MPU現象主要因素列舉：

針對該款SUV出現的MPU現象，見圖2，利用檢測設備對制動片金屬膜能譜分析、制動盤石墨含量、金相組織、硬度進行了檢測，如圖4-圖6：

通過設備檢測發現，MPU的化學成分主要為鐵Fe和灰鑄鐵滲碳體Fe3C。此問題行業內又稱為金屬材料轉移，主要原因為：摩擦材料配方設計不合理，傳熱性和散熱性不佳導致形成局部硬點，過程如下：

1、NAO陶瓷配方體系的摩擦材料中無鋼絲，但大量使用氧化鋯、硅酸鋯、鈦酸鉀，鋯主要是增加摩擦系數作用，鈦主要是穩定摩擦系數作用，兩者必不可少，但氧化鋯、硅酸鋯、鈦酸鉀傳熱性較差;

2、為降低蠕動噪音，NAO陶瓷配方摩擦材料中使用石墨等潤滑材料比例極低，見圖3，造成在高溫時摩擦界面得不到有效潤滑，產生傷盤;

3、由于NAO陶瓷配方摩擦片導熱性差，石墨潤滑材料比例低，在制動過程中熱量主要集中在摩擦表面，因而摩擦表面一層粘接劑（主要是酚醛樹脂）迅速碳化，無法形成起到潤滑作用的轉移膜;

4、制動盤材質中的C、Si等材料在被刮到摩擦片后，在高溫700～800℃下碳化，形成堅硬氧化物，進一步加重了MPU現象;

通過以上逐一排除驗證，在以上1到4步驟不斷的變化過程中，由于NAO陶瓷摩擦配方設計的不合理，導致在高溫高壓工況下制動時局部硬點堆積越來越多，導致MPU的產生。

最終得出摩擦材料傳熱及散熱性差是產生MPU的主要原因，而摩擦配方設計的不合理是導致摩擦材料傳熱、散熱差的原因，摩擦材料配方的設計考慮因素非常之多與銅粉比例、形狀、潤滑材料的選擇、增摩、穩摩材料的使用比例等等諸多因素有關。

根據以上MPU產生機理和驗證分析過程，準備以下針對性措施：

1、摩擦材料中銅粉主要作用是傳熱，同時在高溫時軟化起到高溫潤滑作用，該車型使用的摩擦片配方銅粉粒度較大，單位體積的摩擦材料中熱量傳導的作用有限;

2、將摩擦材料中的銅粉更改為銅纖維，銅纖維是直徑約0.2mm，長度2-3mm的針狀纖維，在配方中比例由3%增加到5%，摩擦材料中銅纖維相互交錯，單位體積內熱量傳導的路徑增加，且連續性較好，有利于傳熱和散熱，且銅在高溫下會起到潤滑作用，潤滑摩擦面，防止制動過程中產生MPU，如圖7;

3、制動盤從石墨形態、珠光體、微量元素等控制，在保證制動盤灰鑄鐵抗拉強度的前提下，通過控制Si/C比值和Ce含量，減少Si占比。當Ce=3.6%-3.8%時，Si/C比值在0.5-0.75時，Si/C比值增大，抗拉強度增大，Si/C比值大于0.75時，Si/C比值增大，抗拉強度反而減小，如圖8;

4、此外，制動盤打孔和銑槽也是可以立即改善MPU的方案，如有條件能實施更好，如圖9。

根據以上排查過程和方案驗證，可以確定該車型制動片摩擦材料配方設計不合理是此MPU現象的誘發因素。進一步分析基本可以鎖定摩擦材料傳熱性差，同時在局部高溫時，缺少足夠的高溫潤滑劑，最終導致刮盤，即制動MPU現象產生。

3.2? ?效果驗證

通過將該NAO陶瓷配方摩擦材料中的銅粉更改為銅纖維，銅纖維是直徑約0.2mm，長度2-3mm的針狀纖維，在配方中比例由3%增加到5%，制作樣件后，進行慣性臺架（AK-master、JASO C406-2000）及整車道路試驗，相同工況下試驗完成后無MPU現象。

實測試結果見圖10-圖12所示：

4? ? 結語

通過對本車型MPU產生的原理循序漸進進行剖析。制定了：a：銅粉更改為銅纖維、b：銅比例由3%增加到5%，最終鎖定原因為該配方摩擦片材料傳熱、散熱性不佳。通過以上措施，改善了NAO陶瓷配方摩擦片傳熱、散熱差的特性，避免了局部高溫硬點的形成，解決了MPU問題。通過此過程總結：針對發生的疑難問題，要從機理上先進行深刻的理論分析，然后結合理論制定相應的改進措施，再從臺架及整車進行相同工況的開關對比驗證，最終鎖定問題根本原因和改進措施。希望本文可以提供給從業者遇到類似問題時參考。

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