孟令云 黄巨成 朱亚伟 李虎本
摘 要：MPU全称Metal Pick Up，即金属镶嵌，摩擦材料嵌入金属，金属来源于制动对偶件-制动盘，该现象在汽车制动系统中较为常见。某款车型制动器开发过程中，前盘式制动器出现MPU金属转移现象。对其拆解下的制动片进行了金属膜元素检测，能谱分析谱图显示，在除摩擦材料正常成分如Si、Ca、S、Ti等之外，存在于对偶件制动盘相同的金属元素，同时制动盘工作面在对应摩擦片金属膜位置有相应的犁沟，属于典型的MPU现象。对该车型制动MPU现象进行了机理及优化路线分析，惯性台架对比验证，结果表明陶瓷材料中的氧化锆、硅酸锆、二氧化硅等在高温高压下形成硬质点，当其硬度大于制动盘的硬度时，对制动盘产生犁沟作用，犁沟作用产生的盘上金属镶嵌到摩擦材料表面，形成金属转移。通过对制动片配方进行优化，改善摩擦片材料传热及散热性，该车型制动MPU现象得到很好控制，达到了设计要求。
关键词：盘式制动器;MPU金属转移;犁沟现象
中图分类号：TH117.1 文献标识码：A 文章编号：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）即金属镶嵌，是指在制动过程中，制动片中的材料在特定工况下形成局部硬点，并将制动盘上的金属材料刮下，嵌入到摩擦片表面，形成摩擦片局部光亮带，同时在制动盘工作面上轻者有类似土星环的同心圆状条纹，重者形成犁沟，同时可能会导致发生制动噪音和偏磨、拖滞力矩变大等问题。
本文通过对某款SUV车型出现的特定工况下的MPU现象，从产生机理着手进行理论分析，探讨了导致某型SUV车型特定工况下制动MPU现象的解决思路和方法。
2 问题现象
此款SUV车型装配了液压式前盘式制动器和后EPB盘式制动器。故障产生的对象为前盘式制动器，主要技术参数为：卡钳缸径：φ43*2mm，制动盘厚度：25mm，制动有效半径：140mm，摩擦片类型为NAO陶瓷配方，名义摩擦系数0.38，如图1所示：
该车型在路试过程中：整车在进行5000-10000Km路试后，热态制动时反馈前制动器有制动噪音，同时可以观察到制动盘工作面犁沟现象，用手触摸可以明显感觉到沟槽，在举升机上用手空转车轮，可以明显感觉到制动器拖滞力矩异常增大。故障出现的条件满足以下几点：1、车轮进行了至少5000Km综合路试、2、路试工况热态制动频繁、3、摩擦材料配方为NAO陶瓷配方。满足以上条件，车辆大概率出现规律性MPU金属转移现象。
3 问题机理及措施实现
3.1 机理分析
制动MPU现象主要因素列举：
针对该款SUV出现的MPU现象，见图2，利用检测设备对制动片金属膜能谱分析、制动盘石墨含量、金相组织、硬度进行了检测，如图4-图6：
通过设备检测发现，MPU的化学成分主要为铁Fe和灰铸铁渗碳体Fe3C。此问题行业内又称为金属材料转移，主要原因为：摩擦材料配方设计不合理，传热性和散热性不佳导致形成局部硬点，过程如下：
1、NAO陶瓷配方体系的摩擦材料中无钢丝，但大量使用氧化锆、硅酸锆、钛酸钾，锆主要是增加摩擦系数作用，钛主要是稳定摩擦系数作用，两者必不可少，但氧化锆、硅酸锆、钛酸钾传热性较差;
2、为降低蠕动噪音，NAO陶瓷配方摩擦材料中使用石墨等润滑材料比例极低，见图3，造成在高温时摩擦界面得不到有效润滑，产生伤盘;
3、由于NAO陶瓷配方摩擦片导热性差，石墨润滑材料比例低，在制动过程中热量主要集中在摩擦表面，因而摩擦表面一层粘接剂（主要是酚醛树脂）迅速碳化，无法形成起到润滑作用的转移膜;
4、制动盘材质中的C、Si等材料在被刮到摩擦片后，在高温700～800℃下碳化，形成坚硬氧化物，进一步加重了MPU现象;
通过以上逐一排除验证，在以上1到4步骤不断的变化过程中，由于NAO陶瓷摩擦配方设计的不合理，导致在高温高压工况下制动时局部硬点堆积越来越多，导致MPU的产生。
最终得出摩擦材料传热及散热性差是产生MPU的主要原因，而摩擦配方设计的不合理是导致摩擦材料传热、散热差的原因，摩擦材料配方的设计考虑因素非常之多与铜粉比例、形状、润滑材料的选择、增摩、稳摩材料的使用比例等等诸多因素有关。
根据以上MPU产生机理和验证分析过程，准备以下针对性措施：
1、摩擦材料中铜粉主要作用是传热，同时在高温时软化起到高温润滑作用，该车型使用的摩擦片配方铜粉粒度较大，单位体积的摩擦材料中热量传导的作用有限;
2、将摩擦材料中的铜粉更改为铜纤维，铜纤维是直径约0.2mm，长度2-3mm的针状纤维，在配方中比例由3%增加到5%，摩擦材料中铜纤维相互交错，单位体积内热量传导的路径增加，且连续性较好，有利于传热和散热，且铜在高温下会起到润滑作用，润滑摩擦面，防止制动过程中产生MPU，如图7;
3、制动盘从石墨形态、珠光体、微量元素等控制，在保证制动盘灰铸铁抗拉强度的前提下，通过控制Si/C比值和Ce含量，减少Si占比。当Ce=3.6%-3.8%时，Si/C比值在0.5-0.75时，Si/C比值增大，抗拉强度增大，Si/C比值大于0.75时，Si/C比值增大，抗拉强度反而减小，如图8;
4、此外，制动盘打孔和铣槽也是可以立即改善MPU的方案，如有条件能实施更好，如图9。
根据以上排查过程和方案验证，可以确定该车型制动片摩擦材料配方设计不合理是此MPU现象的诱发因素。进一步分析基本可以锁定摩擦材料传热性差，同时在局部高温时，缺少足够的高温润滑剂，最终导致刮盘，即制动MPU现象产生。
3.2 效果验证
通过将该NAO陶瓷配方摩擦材料中的铜粉更改为铜纤维，铜纤维是直径约0.2mm，长度2-3mm的针状纤维，在配方中比例由3%增加到5%，制作样件后，进行惯性台架（AK-master、JASO C406-2000）及整车道路试验，相同工况下试验完成后无MPU现象。
实测试结果见图10-图12所示：
4 结语
通过对本车型MPU产生的原理循序渐进进行剖析。制定了：a：铜粉更改为铜纤维、b：铜比例由3%增加到5%，最终锁定原因为该配方摩擦片材料传热、散热性不佳。通过以上措施，改善了NAO陶瓷配方摩擦片传热、散热差的特性，避免了局部高温硬点的形成，解决了MPU问题。通过此过程总结：针对发生的疑难问题，要从机理上先进行深刻的理论分析，然后结合理论制定相应的改进措施，再从台架及整车进行相同工况的开关对比验证，最终锁定问题根本原因和改进措施。希望本文可以提供给从业者遇到类似问题时参考。
参考文献
[1]李娇，孙义明，彭少贤，程燕.MPU/UHMW PE共混体系的摩擦学性能及拉伸性能 机械工程材料，2015.
[2] 李霏，金远达.制动盘表面加工工艺对制动性能的影响 汽车零部件，2016.
[3] 徐晓轶，左张兵，李爱群.摩擦片MPU现象的分析与改善上海汽车，2017.
[4] 王增辉，黄俍.汽车盘式制动器MPU现象研究汽车零部件 2020.
[5]刘笃优，马尧，门正宇，张静.汽车制动磨损颗粒物排放特征与影响因素中国汽车工程学会 ，2020.
[6]黎小輝，万霞，甘春雷.汽车制动材料研究现状与发展趋势 材料研究与应用，2020.
