熱力學與摩擦力學在制動系統中的協同作用探討

中圖分類號：U463.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0112-03

【Abstract】The brake system converts the huge kinetic energy in vehicledriving into heat energy through friction， which is the most importantdevice to ensure driving safety.According to the basic laws of physics，energy cannot be created ordestroyed，itcanonlychange formor transfer，when the vehicle needs to slowdown，the brake system takes onthetask ofconvertingthisenergyform，absorbinganddisipatingthe kineticenergyof the vehicle，converting itinto heatenergyand releasing it tothesurrounding environment. However，theresultinglargeamountof heat can causebrake components to increase dramatically in temperature.Therefore，this paper willexplorehow heat generation and transfer interactandsynergisticalywiththefrictiongeneration mechanisminthe\"kinetic-thermal\"conversionofbraking process， in order to find a direction for designinga more stable and efcient brake system.

【Key words】thermodynamics;tribodynamics；brake system

0 引言

汽車制動系統的基本任務是通過施加摩擦力使車輛減速或停止，其作用在于將車輛運動所攜帶的巨大動能有效地轉化掉。但這部分動能不能憑空消失，唯一有效的途徑是通過制動系統內部發生的強烈摩擦，將其轉化為熱能并最終散逸到空氣中。此能量轉化過程集中發生在制動片與制動盤的極小接觸區域，并在極短時間內完成。大量能量在狹小空間瞬間轉化為熱能，不可避免地將這些部件溫度推升至非常高的水平。因此，本文將分析制動過程中熱效應與摩擦效應的協同作用機制，旨在為優化制動性能和可靠性提供基礎。

1熱力學與摩擦力學基礎概述

1.1熱力學基本原理與制動系統的關系

制動系統工作的核心在于控制能量轉化，當車輛行駛時蘊含的動能必須被安全消除，而能量轉化遵循物理基本規律，系統內能的增量等于輸入系統熱量與系統對外所做功的差值[1]。在制動過程中，可將制動部件視為一個能量處理系統，其中輸入熱量 來源于制動部件間的摩擦作用，此過程不斷為系統加入熱能，系統吸熱使得 Qgt;0 ；對外做功 A ，制動部件受壓變形，如制動盤彎曲、振動等消耗機械能，Agt;0 ；內能變化 ΔU ：熱量輸入與能量消耗共同影響系統內部能量狀態。若摩擦生熱 Q 的增加大于部件變形耗能 A 的增長，則 ΔUgt;0 （內能上升），表現為制動溫度升高；若散熱量高于生熱量，則 ΔUlt;0 （內能下降），在實際制動中，摩擦界面的熱能輸入 Q 遠超部件形變耗能A，導致內能持續積累（ ΔUgt;0 ）。當熱量無法通過散熱及時導出時，系統處于正內能增長狀態，導致溫度急劇上升。

1.2制動系統中的熱力學與摩擦力學耦合機制

制動過程中，摩擦力承擔雙重角色，可通過抵抗車輪旋轉直接產生制動力，實現車輛減速；將機械能（動能）完全轉化為熱能并耗散。該過程遵循不可逆的能量轉化邏輯，汽車整體有序的動能，經摩擦作用降級為無序原子振動，表現為熱量。但摩擦力做功與能量損耗必然同步發生，二者不可分割，摩擦作用的本質就是通過阻礙相對運動，將宏觀運動能量持續轉化為微觀熱能。此機制為制動設計奠定了物理基礎，提高制動力必然伴隨更劇烈的生熱效應；而熱量的堆積又會改變材料摩擦特性，引發制動力波動。為此研究制動系統需始終抓住核心矛盾，摩擦力在實現減速功能的同時，也驅動著內部能量的轉換與失控風險的形成[2]

這種耦合機制在實際中表現為復雜的非線性行為。例如，隨著溫度升高，摩擦材料的摩擦系數可能呈現先增后降的趨勢，即摩擦材料的 μ-T 特性曲線。在低溫區，材料表面吸附膜或污染物可能被清除，摩擦系數略有上升；進入中高溫區，材料軟化或分解，摩擦系數下降，出現熱衰退現象。此外，高溫還可能引發制動液的汽化風險，導致液壓系統產生氣阻，制動踏板行程變長，制動力傳遞效率下降。因此，制動系統的設計不僅要關注摩擦副本身的性能，還需將整個制動回路的熱管理納入考量，包括卡鉗、油管、制動液等部件的耐溫性能和散熱途徑。通過系統級的熱－機-液耦合分析，才能更全面地評估制動系統在連續制動或高速制動等嚴苛工況下的綜合表現。

2熱力學與摩擦力學對制動性能的影響

2.1 高溫對制動性能的影響

在持續或劇烈的制動過程中，摩擦界面產生大量的熱流密度， Q_gen=μ?p?ν ，其中 μ 為摩擦系數， p 為接觸壓力， u 為相對滑動速度。如果此熱量不能通過熱傳導 Q_conduction=kA（dT/dx） 和熱對流 Q_convection=hAΔT ，快速有效地從摩擦界面傳導和散逸到環境中，系統將經歷顯著的溫度上升。高溫環境深刻改變著摩擦材料性能，當溫度超過材料成分的熱分解閾值 T_decomp ，有機粘合劑等成分開始分解，釋放氣體或形成低剪切強度的中間層，降低有效摩擦接觸面積和界面的剪切強度τ 其影響體現在摩擦熱產生的核心公式 Q_gen=μ?p?ν 中，μ 的下降直接導致關鍵熱量輸入的減少[3]

除了材料分解，高溫還可能引發制動盤的熱疲勞和熱裂紋。在反復的熱循環載荷下，制動盤表面因溫差應力產生微觀裂紋，并逐漸擴展為宏觀裂紋，嚴重影響制動盤的結構強度和制動安全性。此外，高溫還會加速制動液的老化，降低其沸點，增加氣阻風險。對于電動車和混合動力車，制動系統與能量回收系統的協調工作也受溫度影響。當摩擦制動系統因高溫出現性能衰減時，更多的制動任務需由能量回收系統承擔，這對整車的能量管理策略提出了更高要求。因此，高溫不僅影響制動系統的即時性能，還關乎其長期可靠性和整車的能量效率。

2.2摩擦系數變化對制動系統的影響

制動系統產生的最終制動力 F_brake 依賴于摩擦副之間的摩擦力 F_friction 。根據經典的庫侖摩擦定律，在宏觀層面上， F_firiction=μ×F_N ，其中 F_N 是制動壓力在接觸面法線方向產生的總載荷， μ 是摩擦系數。設計目標是摩擦系數 μ 在預期的使用工況（溫度 T_ν 壓力 p 、速度 u 等）下保持穩定，即 dμ/dx≈0 ，其中 x 代表各工作參數。這種穩定性保證了制動踏板輸人與制動減速度之間存在直接、線性的對應關系，即駕駛者所依賴的“踏板感”，但高溫帶來的材料退化問題，如2.1中由溫度 T 觸發，最終導致摩擦系數 μ 發生非期望的降低，使得 dμ/dTlt;0 。這將迫使駕駛員為維持原有的制動力 F_brake 和減速度 a 不得不施加更大的F_N ，即更用力地踩踏板，造成操縱感受的負面變化，如“踏板變軟”或“行程變長”。

摩擦系數的波動還可能導致制動抖動現象。由于制動盤厚薄不均或熱變形不均，在制動過程中會產生周期性的制動力變化，通過轉向系統傳遞至方向盤，引起駕駛員可感知的振動。這種抖動不僅影響舒適性，還可能加速懸架和轉向部件的疲勞損傷。因此，現代制動系統設計不僅追求高且穩定的摩擦系數，還注重抑制噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise，Vibration，Harshness，NVH）問題。通過優化摩擦材料配方，改進制動盤結構（如采用開槽或打孔設計以破壞制動片表面的連續摩擦膜），以及加裝減振片等手段，可在一定程度上緩解這些負面效應。

2.3熱管理對制動性能的優化

熱管理的主要任務是提高摩擦熱的傳導與消散效率，阻止其在關鍵區域積累并形成高溫。提升散熱能力主要通過材料選擇與結構構建達成。材料選擇方面，使用傳導熱量更迅速的物質能夠及時將界面熱源釋放的熱量引導至更廣闊空間，除選擇高導熱材料外，部分具有高比熱容的成分還可增強材料儲存熱量的能力，使其在一定熱量加載下溫升幅度有限，為后續散熱爭取緩沖時間。結構設計方面，利用車輛前進產生的自然風力，引導其穿過制動部件內部空間帶走熱量。表面形態的改進強化了空氣流動的效果，加快熱量由固態材料向氣態環境的轉移速度。同時，需關注熱量從摩擦區域向金屬結構支架的傳出路徑，避免熱量聚集在運動部件周圍區域。有效熱管理使摩擦表面處于相對適宜的溫度區間運行，降低材料因受熱而產生性能突變的概率。這不僅維持制動效能的穩定性，更延長部件的服務周期，是實現制動性能可靠發揮的必要技術保障[4]。

3優化制動系統的熱力學與摩擦力學設計

3.1選擇合適的摩擦材料

摩擦材料的綜合性能是實現高效穩定制動的物理基礎，需要構建能夠在復雜熱力耦合環境下保持結構穩定與摩擦效能平衡的材料體系。這要求對材料配方進行系統性協調，既要保證在常溫至極端溫度區間提供充分有效的摩擦阻力輸出，又必須抑制因熱負荷導致的結構損傷和摩擦效能衰退。摩擦材料核心功能組分對比見表1。

表1摩擦材料核心功能組分對比

各核心功能組分并非單獨起作用，其相互作用的整體效果決定材料的熱安定性，其目標在于實現材料在整個產品生命周期中抵抗反復的機械沖擊與熱載荷循環時不易失效，為整個制動系統提供可靠持久的功能支撐。

3.2 散熱與冷卻技術的改進

提升系統的熱管理效率是保證制動性能在極限工況下穩定發揮的關鍵技術手段。關鍵在于加速摩擦表面生成的熱量向系統外圍和空氣環境的傳遞，并擴展系統本身的儲熱能力邊界。硬件結構設計承擔了首要任務。普遍采用鑄造有內部通道的通風盤取代實心盤，利用車輛前進產生的自然風壓，引導大量冷卻氣流貫穿盤體內部帶走積聚熱量，提高了對流散熱效率。結構設計的優化圍繞提升氣流動力學性能展開，包括調整通道形狀、分布與導流設計，以及擴大盤體外表面散熱鰭片的布局，目的在于提升氣流有效通過量及熱交換表面積。材料選擇也服務于散熱目標。采用具有更高導熱率的合金材質制造關鍵部件，利于熱量從摩擦接觸面向盤體邊緣和內部傳遞的擴散過程，同時也提升了單位體積材料所能儲存的熱量總量。高效散熱機制降低摩擦界面的工作溫度閾值，直接削弱高溫環境對材料性能的負面作用，間接保障摩擦效能處于相對恒定的工作區間[5]

3.3多物理場模型在制動系統設計中的應用

現代制動系統設計依賴多物理場耦合仿真技術進行系統性分析與優化，該方法的優勢在于其能夠統一考察原本相互影響的多種物理現象在制動過程中復雜的動態交互作用。模型的核心物理方程緊密結合了熱生成與摩擦過程基本規律。摩擦熱流密度 的生成機制由以下方程描述： Q_gen=μ?p?ν ，其中 μ 是摩擦系數， p 是接觸面法向壓力， u 是制動盤與摩擦片間的瞬時相對滑動速度。熱量 構成后續溫升的源頭。基于這些本構關系的輸人，計算熱傳遞速率可預測部件溫度場隨時間與空間 T（x，y，z，t） 的演變；溫度場演變會進一步影響材料熱膨脹系數，進而改變結構變形與接觸壓力分布。這種熱力反饋環的完整模擬，使得工程師得以在虛擬環境中精準識別潛在的高溫風險點，預測熱衰退的發生窗口，評估不同散熱結構設計對冷卻效能和溫度均化的貢獻，從而在最耗費資源的試驗階段之前，實現對散熱布局與材料選型的迭代優化。

4結論

文章闡述了摩擦材料的性能關乎系統基礎穩定性，其構成要求主體粘合結構具備熱耐受性，增強纖維與顆粒維持機械承載能力，功能調節劑平抑溫度變化帶來的摩擦波動；通風盤結構優化氣流通道擴大散熱接觸面，高導熱材質加快熱傳導速率，配合合理熱傳遞路徑設計，共同降低摩擦界面工作溫度；而多物理場模型為預判復雜工況下的行為提供了手段。因此，后續工作應深入理解摩擦材料組分在極端溫度下的變化規律及其對摩擦力的具體影響；開發更高效的散熱結構形式與材料應用方案；提升模型對全場景多場耦合效應的模擬精度與驗證可靠性。確保各類復雜制動環境中，制動系統既能有效控制溫度，又能提供符合預期的摩擦力輸出，最終保障車輛制動行為的安全性與可控制性。

參考文獻

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[3]吳雪琪，王昇.汽車相關零部件的維修保養技巧及分析[J]時代汽車，2024（18）：158-160.

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[5]李賈臣，李軍寧.重型車輛織構化剎車系統熱力學行為與摩擦學性能研究[J].潤滑與密封，2024，49（4）：118-125.

（編輯 楊景）