汽车制动系统多尺度摩擦模型：融合表面形貌效应的摩擦行为预测与优化

针对传统摩擦模型难以准确预测汽车制动系统复杂摩擦行为的问题，韩国研究人员开发了融合表面形貌统计特征的多尺度摩擦模型。该研究通过双高斯分布表征刹车片粗糙度，建立接触平台比与摩擦系数的关联，结合有限元分析实现压力-温度-拓扑参数耦合仿真。验证实验显示模型预测误差<9%，为制动系统性能优化提供了新工具。

　　

在汽车工业快速发展的今天，制动系统的性能直接关系到行车安全与驾驶体验。然而，传统基于库仑摩擦定律的简化模型难以准确预测实际制动过程中的摩擦行为，这主要源于制动界面复杂的多物理场耦合特性——涉及表面微凸体变形、磨损颗粒形成、热不稳定性等多种因素。尤其值得注意的是，商用刹车片作为典型的非均质复合材料，其表面形貌会随着使用过程不断演化，这种动态变化进一步增加了摩擦行为预测的难度。

为突破这一技术瓶颈，韩国研究人员在《Materials》发表了一项创新研究。团队通过整合表面形貌测量、统计接触力学和有限元仿真技术，构建了全新的多尺度摩擦模型。研究首先采用3D激光共聚焦显微镜获取刹车片和制动盘的表面拓扑数据，基于双高斯分布函数建立高度分布模型；随后开发了考虑超弹性变形和热膨胀的接触模型，以及基于滑移线理论的犁削模型；最终通过结构化算法将模型嵌入有限元分析流程。

研究结果展现出多个重要发现：

1. 表面形貌演化规律：通过材料概率曲线(MPC)分析发现，随着制动测试次数增加，刹车片表面平台区域粗糙度(σ_p
   )和过渡区Z值(Z_tr
   )持续降低，表明磨损导致表面趋于平滑。
2. 接触平台比特性：在1-5MPa压力范围内，接触平台比(α)呈现先快速上升后趋于稳定的非线性特征，且温度升高会通过热膨胀效应显著提升α值。
3. 摩擦系数动态：有限元仿真成功复现了制动测试中摩擦系数随时间上升并趋于稳定的现象，与实验数据的平均误差控制在8.66%以内。
4. 压力分布影响：接触压力非均匀分布导致摩擦系数在刹车片表面呈现空间异质性，最大差值可达0.15。

这项研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，提出的双高斯分布模型突破了传统单高斯假设的局限，更准确描述了刹车片特有的"平台-谷地"形貌特征；其次，通过将微尺度犁削机理与宏观有限元分析耦合，实现了跨尺度摩擦行为的统一描述；最后，开发的预计算-插值算法使复杂模型能够高效应用于工程仿真。这些成果不仅为制动系统设计提供了可靠的分析工具，其建模思路也可拓展至其他存在边界润滑(BL)条件的摩擦副研究。

值得注意的是，研究仍存在若干待完善之处，如未考虑滑动速度的直接影响、简化处理了热分配系数等。未来通过引入动态表面更新算法和更精细的热力学模型，有望进一步提升预测精度。总体而言，这项工作为理解复杂摩擦系统提供了新的理论框架，其工程应用价值已在缩比制动试验台验证中得到充分体现。