干式摩擦系统中的制动磨损颗粒排放：基于应用导向的扩展测量方法论的研究，探讨了运行参数和摩擦副组合的影响 作者：Francesco Pio Urbano, Arne Bischofberger, Sascha Ott, Albert Albers

《Lubricants》：Brake Wear Particle Emissions from Dry-Running Friction Systems: Influence of Operating Parameters and Friction Pairing Based on an Application-Oriented Extended Measurement Methodology Francesco Pio Urbano, Arne Bischofberger, Sascha Ott and Albert Albers

　　摘要：非尾气颗粒物排放预计将继续成为与交通相关的空气污染的重要来源，尤其是在电动汽车车队增加的情况下。颗粒物的形成是由于摩擦作用，受到运行条件和摩擦材料系统的影响。本研究提出了一种在应用相关摩擦条件下扩展的测量方法，用于可重复地量化干式摩擦系统中的PM10和PM2.5排放，并将其应用于对运行参数和摩擦配对效应的系统研究。使用了一个带有封闭摩擦室和集成气溶胶测量链的干式惯性制动测试台，在受控的摩擦相关条件下进行实验。通过调整滑动速度、接触压力和惯性负载来改变比摩擦功和比摩擦功率。研究了六种摩擦配对，包括四种代表性的摩擦衬垫类型与C45铸钢或GGG40灰铸铁的组合。原位PM10和PM2.5测量结果通过重量磨损和微观结构分析进行了补充。结果表明，比摩擦功对PM10和PM2.5排放有直接影响，而接触压力的独立影响则相对较小。摩擦功率表现出材料依赖性效应。排放量还随摩擦配对的不同而显著变化，这表明在评估低排放制动系统时必须综合考虑运行条件和材料系统。

1. 引言
1.1 现状
道路交通产生的非尾气颗粒物（PM）排放主要来自制动器和轮胎中的摩擦磨损过程，由于其对环境PM暴露的贡献，已成为一个重大的公共卫生问题。为了应对PM10和PM2.5的已知健康危害，诸如Euro 7等监管框架已逐渐扩大其范围，不再仅关注尾气排放，还明确考虑了非尾气来源，这些来源在城市环境中仍然很大程度上未得到控制。在欧洲以外地区，对非尾气排放的监管关注也在增加，尽管监管方法仍然存在差异。在联合国欧洲经济委员会（UNECE）的框架下，通过UN GTR No. 24建立了全球统一的制动器排放实验室测量方法，2026年又出台了引入标准化制动颗粒测试方法和排放限值的联合国法规。在美国，制动器磨损尚未受到统一的联邦车辆级PM限值约束，但制动器和轮胎磨损已明确纳入EPA的MOVES5排放模型中，而加利福尼亚州和华盛顿州已经通过限制和认证要求来规范制动器衬垫的成分，特别是针对铜和其他关注物质。在日本，国家政策文件明确将制动器和轮胎灰尘确定为与车辆相关的PM中越来越重要的组成部分，并将国内政策发展与正在进行的联合国协调活动联系起来。这些发展表明，制动器磨损排放不再仅仅是欧洲的研究课题，而是一个国际上日益重要的监管领域。据报道，制动器磨损是城市PM10浓度的主要贡献因素之一，其占比根据交通构成和当地条件不同，从大约16%到超过50%不等[1,2,3,4]。制动器磨损颗粒涵盖了从粗颗粒（PM10）到细颗粒（PM2.5）和超细颗粒的广泛尺寸范围，并具有复杂的化学组成。其成分包括来自衬垫和盘材料的金属氧化物、碳质相和无机添加剂[5,6,7,8]。多项研究表明，粗颗粒主要是由机械磨损过程产生的，而细颗粒和超细颗粒则是机械磨损和热激活机制（如摩擦材料中有机粘合剂成分的降解和挥发）共同作用的结果[9,10,11,12]。Sutschet等人的先前工作[13]为本论文开发的方法奠定了基础。Sutschet等人使用IPEK-X-in-the-Loop方法（在第2.2节中描述）开发了一个验证环境，用于测量干式制动器的颗粒物排放，并提出了一种方法，将所研究的摩擦配对所承受的负载与相应的颗粒物排放联系起来。虽然Sutschet等人提出的方法适用于细颗粒排放的研究，但未考察个别运行参数和材料参数的影响。本文在Sutschet等人的工作基础上，进一步关注颗粒形态、颗粒化学以及运行参数（如滑动速度、接触压力、惯性负载和摩擦能量耗散），通过原位和离位测量技术进行了研究（如第2.1节所述）。与Sutschet等人不同，这些运行参数将定义负载情况，而不是监管循环，但用于收集颗粒物进行分析的方法将是相同的。制动器磨损颗粒的化学组成已被广泛研究，作为颗粒来源和形成机制的指标。对于非石棉有机（NAO）和低金属制动器衬垫，富含铁的颗粒在粗颗粒部分占主导地位，反映了盘材料的磨损贡献，而较细的颗粒通常含有Fe氧化物、Cu、Ti、Al、氧和碳质物种[5,14]。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析进一步表明，制动器磨损颗粒通常是多相组成的聚集体，而不是单元素颗粒[7,9,15]。从摩擦学的角度来看，制动器磨损颗粒的产生与摩擦层的形成和演变密切相关。脱落的磨损碎片形成初级平台，而较细的颗粒则压缩成次级平台。这种第三体层的持续形成、变形和破坏被认为是制动过程中空气传播磨损颗粒的主要来源[11,14,16]。大量研究文献表明，运行参数对制动器磨损颗粒排放有强烈影响。滑动速度和制动能量共同决定了摩擦界面耗散的动能，一直被认为是控制PM10和PM2.5排放水平的最重要参数[17,18]。如图1所示，PM2.5浓度随着初始速度的增加而显著增加，而制动压力的影响则不那么明显。总体而言，文献表明速度相关效应占主导地位，而制动强度的影响较弱，且在不同研究中的结果并不一致[1,19]。图1. 初始车辆速度和制动压力对PM2.5排放的影响（摘自[19]）。接触压力主要通过改变摩擦层的稳定性、压缩性和更新率来影响颗粒产生，而不是作为排放的独立驱动因素[10,16,20]。温度起着次要但重要的作用，特别是对于细颗粒和超细颗粒。多项研究表明，一旦超过大约300–500°C的临界表面温度，PM2.5排放会显著增加，这与有机粘合剂成分的热降解同时发生[10,14,17,21]。在之前的工作中，开发了一个带有封闭摩擦接触和集成细粉尘测量链的惯性干式摩擦测试装置，用于在受控条件下测量PM10和PM2.5排放。该设置能够系统地改变滑动速度、接触压力和飞轮质量，同时评估摩擦系数、比摩擦功、比摩擦功率，并实时测量空气中的颗粒浓度。一种结合了原位气溶胶光谱和离位级联撞击、扫描电子显微镜（SEM）以及能量色散X射线光谱（EDX）的扩展方法被应用于将运行条件、排放和磨损机制联系起来[13]。三项先前的研究为本工作奠定了基础。第一项系统分析了运行参数对烧结金属摩擦系统PM10和PM2.5排放的影响，发现比摩擦功直接影响PM10和PM2.5，而比摩擦功率表现出材料依赖性行为。第二项专注于开发和应用扩展的测量方法，并比较了两种不同对盘材料的有机环型摩擦配对的排放、磨损和颗粒化学。第三项将研究扩展到六种摩擦配对，使用了四种衬垫材料与C45和GGG40盘材料在六个负载阶段下的组合[22,23,24]。尽管取得了这些进展，但仍存在一些根本性的空白。现有研究要么仅针对给定摩擦材料的有限子集的运行参数进行调查，要么在狭义定义的负载场景下比较不同材料。因此，运行条件和摩擦配对往往被分开处理，它们对PM10和PM2.5排放的综合和相互作用效应没有得到系统解决。特别是，像比摩擦功和摩擦功率这样的综合摩擦参数在捕捉和统一不同材料系统中的滑动速度、接触压力和惯性负载的影响方面仍然不够清晰。从方法论的角度来看，许多实验方法主要关注基于质量的排放测量或颗粒数浓度，而没有将这些数据与颗粒尺寸分数、形态、化学组成和磨损机制在单一、连贯的框架内一致地联系起来。因此，对测量排放的机械解释及其在不同运行条件和摩擦系统间的可转移性仍然有限。因此，明显需要一种与应用相关的实验方法，能够可重复地量化PM10和PM2.5排放，同时提供尺寸分辨的颗粒特性、化学特征和摩擦学背景。此外，这样的方法必须结合一个系统的实验设计，以便以一致且物理上可解释的方式评估运行参数和摩擦材料系统的影响。解决这些空白是本研究的依据和动机。

1.2 研究目标和范围
在以往研究的基础上，本文将实验结果整合成一个全面的评估，针对干式摩擦系统的制动器磨损颗粒排放。一个核心目标不仅是分析排放趋势，还要建立和应用一种测量方法，以便对颗粒形成机制进行物理上有意义的解释。为此，本文解决了一个方法论问题和两个科学研究问题。
方法论研究问题：如何设计并应用一种与应用相关的实验方法，在受控但与应用相关的运行条件下，可靠地量化制动器磨损颗粒的排放，包括颗粒质量（PM10、PM2.5）、尺寸分数和化学组成？
该方法论问题通过结合一个封闭的干式惯性摩擦测试台和集成的气溶胶测量链以及补充的离位分析来解决。原位测量实时PM10和PM2.5质量浓度，而级联撞击后进行SEM和EDX分析，可以实现对颗粒形态和元素组成的尺寸分辨研究。重量磨损测量提供了将排放与材料损失联系起来的额外指标。基于这种经过验证的测量方法，解决了以下科学研究问题（RQ）：
RQ1：如何使用干式摩擦测试台以定量稳健且在颗粒质量、尺寸和化学组成方面具有机械解释能力的方式捕获与应用相关的制动器磨损颗粒排放？
RQ2：干式制动摩擦系统的运行参数，特别是滑动速度、接触压力和惯性负载，如何独立于材料特定效应地控制PM10和PM2.5制动器磨损颗粒的形成和排放强度？
RQ3：不同的摩擦材料系统，包括摩擦衬垫配方、增强结构、构造特征和对盘材料的变化，在相同的运行条件下如何影响PM10和PM2.5排放，同时考虑到在当前测试矩阵中几何形状和材料组成无法完全分离？
本文的目标是使用一致的实验框架回答这些问题，并提供基于摩擦学的解释，以解释控制排放机制。通过明确连接运行参数、材料系统属性、颗粒质量排放和化学特征，本研究旨在为低排放摩擦系统的发展做出贡献，并支持未来制动器磨损颗粒排放的预测建模方法。

2. 材料和方法
2.1 测量方法和实验概念
所应用的测量方法的目标是在明确定义和系统变化的摩擦边界条件下，实现对制动器磨损颗粒排放的可重复和应用相关的表征。这些边界条件包括初始温度、滑动速度、正常负载和制动顺序等，它们控制了宏观系统响应，同时允许磨损和随后的PM形成的基本物理机制自然发生。与纯粹的监管或基于循环的方法不同，该方法旨在将施加的运行条件和由此产生的摩擦能量输入与材料响应和颗粒形成过程联系起来。虽然摩擦功率和摩擦功等量是从测量信号中得出的，因此可能受到摩擦系数变化的影响，但它们为比较不同运行条件和识别颗粒排放行为的主导趋势提供了物理上有意义的框架。该方法论概念旨在全面获取与质量相关的颗粒物排放量（PM10和PM2.5）、颗粒尺寸分布、颗粒形态和化学成分。这种多维度表征对于区分排放强度的变化、颗粒尺寸分布的移动以及颗粒来源或形成机制的改变至关重要。为了实现这一目标，该方法结合了原位和非原位测量技术。原位气溶胶测量能够在每次制动过程中提供PM10和PM2.5的时间分辨质量浓度，从而在明确的操作条件下捕捉到瞬态排放行为、峰值和累积释放量。这些数据代表了来自摩擦系统的空气传播颗粒物的累积排放量，并为将排放量与操作参数（如滑动速度、接触压力、惯性载荷和摩擦能量耗散）相关联提供了定量基础。同时，非原位颗粒收集技术使得对测量到的排放物进行机制性解释成为可能。按尺寸分类的颗粒被沉积在专用基底上，随后使用扫描电子显微镜（SEM）和能量分散X射线光谱（EDX）分析其形态和化学成分。这种双重策略可以评估颗粒的来源，例如通过识别富含铁的特征来确定来自刹车盘的颗粒，或通过特征元素标记来确定来自刹车片的颗粒。除了来源归属外，颗粒的化学成分尤为重要，因为它直接影响潜在的健康效应和环境影响，同时也影响刹车系统内部的技术相互作用，如摩擦行为、磨损进展和表面变化。因此，颗粒质量浓度可以与特定的磨损机制和材料相关效应联系起来，而不仅仅是作为纯粹的现象学量。

该方法的一个关键要素是使用带有集成飞轮的干运行摩擦对测试台来模拟惯性载荷，如图2所示。与整车测试、滚筒测功机或标准化驾驶循环相比，惯性方法对各个操作参数具有更高的控制程度，同时保持了与制动过程的机械相关性。与叠加了众多瞬态效应和边界条件的驾驶循环不同，惯性概念允许在类似于实际条件的情况下独立且系统地改变滑动速度、接触压力和惯性载荷（惯性载荷、速度剖面、接触压力等）。这使得可以隔离操作条件与颗粒排放之间的因果关系。图2. 带有飞轮模块、驱动单元、轴向力执行器和封闭摩擦室的干运行摩擦对测试台[24]。同时，该方法有意超越了简化后的销-盘或小型摩擦计的抽象层次。通过采用代表性的接触几何形状、真实的压力和速度范围以及重复的制动循环，该方法确保第三体形成、摩擦层演变和磨损颗粒的产生发生在与实际刹车应用相当的条件之下。从这个意义上说，测量方法隐含地回答了RQ1问题：通过结合与刹车应用相关的惯性载荷、集成气溶胶测量和非原位颗粒分析，所提出的方法提供了一个一致的框架来回答这个问题，并支持研究操作参数驱动和材料依赖性对PM10和PM2.5排放的影响。

2.2 验证环境
为了在受控但与应用相关的条件下实施所提出的测量方法，所有实验都在卡尔斯鲁厄理工学院（IPEK）开发的干运行摩擦对测试台上进行（见图2）。核心组件包括一个飞轮模块、一个变速驱动单元和一个机电轴向力执行器。飞轮模块可模拟高达3 kgm2的车辆等效惯性，驱动单元使用皮带驱动提供最高6000 min?1的旋转速度，如图2所示的驱动装置，轴向执行器可实现最高10 kN的法向力。这些能力使得可以实现与乘用车和工业刹车典型制动场景相当的滑动速度和接触压力。

2.3 封闭和颗粒采样系统
摩擦接触（工作表面对：刹车片-对盘（见图3）完全封闭，并连接到一个封闭的空气控制系统。图3. 刹车片和对盘之间摩擦接触的示意图。一个受控的体积流将制动过程中产生的颗粒从摩擦室输送到测量和收集站。封闭室内安装了整流器和挡板，以最小化第三体层形成的干扰，同时确保高效的颗粒传输。围绕被测试摩擦对的气流设计尽可能不影响组件的热负荷；也就是说，气流不会显著冷却刹车的工作表面对。使用基于光学光散射原理的校准实时气溶胶光谱仪系统（Promo? 3000，PALAS GmbH，卡尔斯鲁厄，德国）来确定空气中的颗粒尺寸分布及其对应的PM10和PM2.5质量浓度。该仪器以5 L min?1的采样体积流量运行，时间分辨率为≤1 s。在本研究中使用的传感器配置中，可以检测到0.3至17 μm范围内的颗粒，并将其分解为最多128个尺寸通道。实验前根据制造商指定的程序进行了校准。同时，一个级联冲击器按尺寸分级收集颗粒（PM1、PM2.5、PM10和>PM10）以进行非原位分析。随后使用SEM和EDX评估冲击器基底和过滤器的颗粒形态和化学成分。较大的颗粒收集在位于改良过滤盒中的培养皿中，并在数字显微镜下进行检查。这种设置能够同时量化PM10和PM2.5的质量浓度，并收集按尺寸分类的颗粒以进行后续的形态和化学分析。

2.4 评估指标和测量量
为了回答方法论和科学研究问题，所研究的变量被分为测量量、几何形状和定义的边界条件、计算的摩擦学变量以及用于解释的评估指标。在每次制动循环中，记录了制动扭矩、法向力和旋转速度。使用气溶胶光谱仪实时测量PM10和PM2.5的质量浓度。此外，在每个载荷阶段之前和之后还确定了刹车片和盘的质量，以量化重力磨损。通过级联冲击收集按尺寸分类的颗粒样本，随后使用SEM和EDX分析颗粒的形态和化学成分。几何参数（如有效摩擦半径和名义接触面积）以及定义的边界条件（如飞轮惯性和温度重启标准）在每个载荷阶段被视为固定参数。基于测量量，确定了几个派生变量。摩擦系数是从制动扭矩和法向力计算得出的。滑动速度是从旋转速度和有效摩擦半径计算得出的。特定摩擦功是从摩擦系数、法向力和滑动速度计算得出的，并通过名义接触面积进行归一化。特定摩擦功是通过在一个制动循环内积分摩擦功并以其名义接触面积进行归一化得出的。这些计算量代表了摩擦界面的机械载荷状态，并作为解释排放行为的核心变量。对于排放评估，计算了200个制动循环中每个载荷阶段和摩擦配对组合的PM10和PM2.5的平均浓度。这些平均质量浓度构成了研究的主要评估指标。此外，还分析了峰值浓度以表征瞬态排放行为，并评估了整个循环序列的累积和，以描述整体排放行为。刹车片和盘的重量磨损被评估为整体材料损失指标，并与颗粒质量排放进行比较，以研究磨损进展和空气传播颗粒释放之间的潜在相关性。使用SEM和EDX分析定性识别排放颗粒的形态特征和元素特征，从而区分来自刹车片和刹车盘的颗粒组分。这种结构化的评估框架能够在受控操作条件下同时评估颗粒质量、尺寸分数、形态、化学成分和磨损。在此基础上，系统地分析了滑动速度、接触压力、惯性、特定摩擦功和特定摩擦功对PM10和PM2.5排放的影响。此外，还在相同操作条件下比较了不同摩擦系统的排放水平和磨损行为，以分离材料-系统效应。

2.5 刹车片材料（A–F）
研究了四种不同的刹车片材料，每种材料都有相应的对盘摩擦表面，从而形成了六种摩擦配对A–F。所有环形衬里都有定义的内外直径，确保了已知的名义接触面积。有机环形衬里（A/B/C）和缠绕衬里（D/E）的确切直径不同，而F的几何形状类似于汽车盘式刹车片。因此，每个系统的几何形状和材料成分是内在耦合的，不会独立变化（见表1）。此外，摩擦配对D和E具有多个弹簧元件（见图4）。所选的材料系统允许在相同操作条件下比较摩擦配对效应，从而回答研究问题3。表1. 摩擦配对A–F的概述：材料类别、几何形状、增强材料、弹簧特性和预期应用。图4. 从左到右的摩擦配对A和D/E的环形衬里。

2.6 载荷阶段和操作参数
通过系统地改变滑动速度、接触压力和惯性载荷定义了六个载荷阶段（L1–L6）。制动开始时的滑动速度大约在10至20 m s?1之间，而名义接触压力在约0.3至0.7 MPa之间变化。所得到的特定摩擦功和特定摩擦功涵盖了基本载荷和部分误用情况，并按照第2.4节所述的方法确定。表2中列出的数值是基于恒定摩擦系数μ的假设得出的估计值，仅指t0时的初始值。对于摩擦配对D和E，使用相同的载荷阶段概念实现了特定摩擦功和特定摩擦功的可比摩擦学载荷水平。由于这些缠绕衬里系统在几何形状和名义接触面积上与配对A至C不同，相应的名义接触压力和滑动速度与表2中列出的值略有偏差。表2. 载荷阶段L1–L6及其表面压力、滑动速度、起始温度、特定摩擦功和特定摩擦功。

2.7 测试程序
对于每种摩擦配对，使用以下程序：
- 磨合：在目标载荷阶段进行1000次制动循环，以稳定摩擦层并达到稳态条件。
- 载荷阶段：在相同的操作条件下进行200次制动循环。每次制动循环包括加速到目标速度的阶段、从恒定速度到停止的受控制动应用，以及随后的冷却阶段。当平均最终温度超过90 °C时开始冷却阶段；否则，直接开始下一个制动循环。对于每种摩擦配对，使用相同的盘；同一盘在所有六个载荷阶段中都进行操作。每次载荷阶段后更换刹车片，然后执行上述程序。之后，刹车片在接下来的200次采集循环中保持原位。每个载荷阶段后更换级联冲击器收集基底，以便后续进行按尺寸分类的颗粒沉积的SEM和EDX分析。这种程序确保了每个载荷阶段和摩擦配对的稳态摩擦条件和可重复的排放测量。

3. 结果
3.1 操作参数对排放的影响（RQ2）
研究了烧结金属摩擦系统F在整个表2列出的载荷阶段范围内的情况，并通过扩展的23实验设计方法（表3）来分离操作条件的影响。这种方法允许系统地改变表面压力、滑动速度和惯性载荷，从而产生广泛的特定摩擦功和特定摩擦功范围。如表3所示，DOE矩阵结合了两个级别的表面压力、滑动速度和惯性。每次制动事件都在环境条件下开始，只有在对表面温度降至90 °C以下时才开始后续循环。图5显示了摩擦系统F的准静态平均PM10和PM2.5质量浓度作为测量特定摩擦功的函数。这些数值是从第21个周期开始，通过连续的20个周期的块平均值计算得出的；误差条表示95%的置信区间。颜色编码代表了相应的测量得到的比摩擦功率。图5显示了摩擦系统F的准静态平均PM10和PM2.5排放量与测量得到的比摩擦功之间的关系。平均值是从第21个周期开始，使用连续的20个周期的块平均值计算得出的；误差条表示95%的置信区间。点的颜色表示相应的测量得到的比摩擦功率。部分改编自[24]。对于这两种粒径分数，随着测量得到的比摩擦功的增加，在所研究的负载阶段中排放量明显增加。以低摩擦功为特征的负载情况（如L8和L11）表现出最低的PM浓度，而高能量条件（特别是L10和L14）则导致PM10和PM2.5水平显著升高。为了关注准静态排放行为，评估中排除了前20个制动周期的数据。在这些条件下，比摩擦功与两种PM分数之间存在强烈的正相关关系。对于PM10，线性回归的确定系数为R2 = 0.882，斜率高度显著（p = 6.45 × 10?7）。对于PM2.5，相应的值为R2 = 0.859和p = 1.91 × 10?6。此外，Spearman等级相关性也证实了两种PM分数之间存在显著的单调关联（ρ = 0.640，p = 0.0163）。这些发现表明，在摩擦系统F的研究操作范围内，测量得到的比摩擦功是一个强大且具有物理意义的PM10和PM2.5排放水平的描述符。当将摩擦系统F的准静态PM排放量作为测量得到的比摩擦功率的函数进行评估时（见图6），仍然观察到两种粒径分数之间的正相关关系，但数据比基于比摩擦功的相应表示更为分散。对于PM10，线性回归的确定系数为R2 = 0.453，斜率显著（p = 0.00838），而Spearman等级相关性表明存在显著的单调关联（ρ = 0.785，p = 0.00143）。对于PM2.5，线性回归的相应值为R2 = 0.349和p = 0.0261，Spearman相关性的相应值为ρ = 0.745和p = 0.00325。与基于比摩擦功的评估相比，这些结果表明比摩擦功率能够捕捉到排放量增加的一般趋势，但其描述能力明显较低。特别是，具有相似摩擦功率但比摩擦功不同的负载情况在PM10和PM2.5水平上仍显示出显著差异。这表明仅凭摩擦功率不足以唯一描述所研究的金属摩擦系统的排放行为。在所有研究的负载阶段中，PM10浓度始终高于PM2.5浓度，而两种分数都表现出随着摩擦负荷增加的相同总体趋势。结合比摩擦功的更强统计关系，这支持了比摩擦功是研究操作范围内更可靠的排放强度描述符的观点，而比摩擦功率应被视为一个额外的但区分度较低的负载参数。这些发现与包括摩擦配对B和C的扩展数据集一致，在这些数据集中，与增加的摩擦功相关的更高负载阶段系统性地导致PM10和PM2.5排放量升高。在[22]中，负载级别4和5同样显示出两种有机摩擦系统的最高颗粒浓度，证实了摩擦能量输入在不同材料类别中的主导作用。3.2. 摩擦材料系统对排放的影响（RQ3）3.2.1. 使用C45和GGG40制动片的有机衬垫（A和B）与使用C45钢制动片的有机高磨料衬垫（C）Urbano等人[22]研究了两种具有相同衬垫几何形状但不同衬垫配方和制动盘材料的有机环形摩擦配对，分别称为系统B和C。在本研究中，通过加入摩擦配对A来扩展这一比较。因此，分析现在包括一种没有增强结构的有机压制成型衬垫，它与C45钢或GGG40铸铁制动盘滑动接触，以及系统C，该系统由具有增强结构和更高磨料含量的有机压制成型衬垫组成，导致高度磨蚀的摩擦行为。为了评估颗粒排放的差异是否可以直接归因于摩擦行为的差异，首先比较了摩擦配对A、B和C在所研究负载阶段的平均摩擦系数（见图7）。为此，使用连续的20个周期的块平均值来评估从第21个周期开始的准静态状态，以减少早期瞬态效应和周期间依赖性的影响。图7显示了摩擦配对A、B和C在负载阶段的准静态摩擦系数。平均值基于从第21个周期开始的连续20个周期的块平均值；误差条表示95%的置信区间。如图7所示，配对A、B和C的摩擦系数在所研究的负载阶段内处于部分重叠的范围内。非参数组比较显示三种配对在所有负载阶段之间存在显著差异。然而，摩擦系数差异的成对模式并没有反映出PM10和PM2.5之间更为强烈和系统的分离。这表明颗粒排放的显著差异不能仅用平均摩擦系数来解释。尽管如此，排放颗粒质量的比较仍然揭示了所研究系统之间的明显差异。特别是，摩擦配对C在所研究的负载阶段中显示出比配对A和B显著更高的PM10和PM2.5排放量（见图8）。PM数据同样使用从第21个周期开始的连续20个周期的块平均值在准静态状态下进行评估。对于PM10和PM2.5，非参数组比较表明在所有负载阶段配对A、B和C之间存在显著差异。经过Holm校正的成对比较显示，配对C在所有负载阶段的PM水平都显著高于配对B。与配对A相比，配对C在几乎所有负载阶段的PM10和PM2.5水平也显著升高。相比之下，配对A和B之间的差异较小，只有个别不显著的对比。这些发现统计上证实了配对C在所研究的有机摩擦配对中形成了一个高排放系统。图8显示了摩擦配对A、B和C在负载阶段的准静态PM10和PM2.5排放量。平均值基于从第21个周期开始的连续20个周期的块平均值；误差条表示95%的置信区间。部分改编自[22]。与基于比摩擦功的评估相比，这些结果表明比摩擦功率能够捕捉到排放量增加的一般趋势，但其描述能力明显较低。特别是，具有相似摩擦功率但比摩擦功不同的负载情况在PM10和PM2.5水平上仍显示出显著差异。这表明摩擦功率本身不足以唯一描述所研究的金属摩擦系统的排放行为。在所有研究的负载阶段中，PM10浓度始终高于PM2.5浓度，而两种分数都表现出随着摩擦负荷增加的相同总体趋势。结合比摩擦功的更强统计关系，这支持了比摩擦功是更可靠的排放强度描述符的观点，而比摩擦功率应被视为一个额外的但区分度较低的负载参数。这些发现与包括摩擦配对B和C的扩展数据集一致，在这些数据集中，与增加的摩擦功相关的更高负载阶段系统性地导致PM10和PM2.5排放量升高。在[22]中，负载级别4和5同样显示出两种有机摩擦系统的最高颗粒浓度，证实了摩擦能量输入在不同材料类别中的主导作用。3.2.2. 带有弹簧特性的玻璃纤维增强系统（D和E）另一种研究的制动垫类型是由玻璃纤维增强的有机缠绕衬垫组成，分别用系统D和E表示。这两种系统在其构造中都包含弹簧元件，主要区别在于制动盘材料，系统D使用C45钢制动盘，而系统E使用GGG40铸铁制动盘。图12比较了两种系统在所研究负载阶段的准静态PM10和PM2.5排放量。评估基于从第21个周期开始的连续20个周期的块平均值；误差条表示95%的置信区间。图12显示了摩擦配对D和E在负载阶段L1到L6的准静态PM10和PM2.5排放量。平均值是从第21个周期开始使用连续20个周期的块平均值计算得出的；误差条表示95%的置信区间。统计注释指的是每个负载阶段内D与E之间的Holm校正后的成对Wilcoxon秩和检验；n.s.表示在alpha = 0.05时没有统计学上的显著差异。总体而言，两种玻璃纤维增强系统相对于之前讨论的有机环形系统显示出相对较低的排放水平。然而，D和E之间的统计比较显示出了不同的模式。对于PM2.5，在负载阶段L1、L2、L4和L5中发现了显著差异，而在L3和L6中没有显著差异。对于PM10，只有在L4中经过多重比较校正后仍存在显著差异，而其余负载阶段没有显示出统计学上的显著分离。在大多数负载阶段，D和E之间的摩擦系数存在显著差异（见图13）。图13显示了摩擦配对D和E在负载阶段L1到L6的准静态摩擦系数。平均值是从第21个周期开始使用连续20个周期的块平均值计算得出的；误差条表示95%的置信区间。统计注释指的是每个负载阶段内D与E之间的Holm校正后的成对Wilcoxon秩和检验；n.s.表示在alpha = 0.05时没有统计学上的显著差异。这些结果表明，这两种缠绕系统不能被视为完全等效的，但在所有负载阶段和颗粒分数上也没有显示出统一的分离。两种系统的相对较低排放水平与包含弹簧元件的合规系统设计是一致的。然而，根据现有数据，D和E之间的差异不能明确归因于单一的机械因素。

4. 讨论
4.1. 与实际应用相关且可机械解释的制动磨损颗粒排放捕获
RQ1探讨了如何使用干摩擦试验台以定量稳健且可机械解释的方式捕获与实际应用相关的制动磨损颗粒排放，包括颗粒质量、尺寸和化学成分。当前结果表明，所开发的方法在受控的、与摩擦学相关的操作条件下提供了这样的测试环境。在重复制动过程中，PM10和PM2.5的排放量能够被重复测量，同时记录了摩擦系数、温度和重量磨损。此外，尺寸分辨的气溶胶测量以及基于SEM/EDX的颗粒表征使得排放物质不仅可以从浓度方面进行解释，还可以从颗粒尺寸和化学成分方面进行解释。测量序列进一步揭示了一个早期瞬态阶段，该阶段的PM水平较高且周期性漂移较强，随后进入一个更稳定的准静态阶段。因此，从第21个周期开始的额外评估增强了统计解释的定量稳健性，并证明该试验台能够足够敏感地识别摩擦接触中的时间依赖性适应过程。

在这种情况下，与实际应用相关指的是在受控条件下再现与摩擦学相关的载荷状态，而不是完全等同于整车级别的情况。因此，该试验台代表了一个简化但物理上可解释的实验环境，用于研究制动磨损颗粒的形成。据此，RQ1可以得到肯定的回答：当同时评估颗粒质量、尺寸分辨的气溶胶信息和化学颗粒表征时，干摩擦试验台能够实现与实际应用相关、定量稳健且可机械解释的制动磨损颗粒排放捕获。

4.2. 操作参数的影响
综合结果证实，在研究的摩擦系统F的操作范围内，比摩擦功是一个物理上有意义且稳健的描述制动磨损颗粒排放的指标。对于系统F，在研究的载荷阶段范围内，PM10和PM2.5的排放量随着比摩擦功的增加而显著增加。当评估仅限于从第21个周期开始的准静态阶段，并基于连续20个周期的平均值时，这两种颗粒分数都与测量的比摩擦功显示出强烈的正相关关系。相比之下，比摩擦功率虽然关联较弱但仍具有相关性。虽然高功率密度会促进更细颗粒的排放增加，但在系统F的操作范围内观察到的散布表明，热扩散性、接触柔顺性和摩擦膜稳定性等额外因素也会调节功率密度的影响。当比摩擦功保持不变时，接触压力对排放的独立影响似乎难以分离。当前的设计表明，接触压力与滑动速度、惯性载荷以及由此产生的摩擦能量输入一起影响排放响应，但目前尚无法严格区分它们的独立主要效应。压力对排放稳定性的影响尤为明显：较高的压力通常会稳定第三体层，减少短期波动，并抑制极端峰值，而低压高速条件则容易导致接触不稳定和排放量高度变化。

总体而言，RQ2的回答如下：滑动速度和惯性载荷（反映在比摩擦功中）是控制研究范围内PM10和PM2.5排放强度的主要操作参数。接触压力主要影响排放的时间结构和稳定性，而不是其绝对水平，而比摩擦功率虽然是一个有用的描述指标，但区分度较低。然而，未来的工作应更详细地分离滑动速度、接触压力和温度的个别影响，因为比摩擦功是一个综合结果而非直接的操作参数。这对于评估在相同比摩擦功水平下，滑动速度和接触压力的变化对颗粒排放的影响尤为重要。

4.3. 摩擦材料系统的影响
4.3.1. 摩擦系统配置对颗粒排放的影响
不同摩擦配对之间的比较表明，即使在相同的操作条件下，摩擦系统也会显著影响颗粒排放。有机环系统A和B仅在背盘材料（C45与GGG40）上有所不同，这表明背盘材料本身就可以改变不同载荷阶段的排放水平。然而，最终的PM10和PM2.5浓度仍然处于相同的总体排放范围内。高磨损性的有机系统C在所有有机垫片中表现出最高的颗粒排放量。这一观察结果现在得到了基于准静态块评估的统计支持：在所有研究的载荷阶段中，A、B和C配对之间都发现了显著差异，其中C配对始终是高排放系统，尤其是在几乎所有载荷阶段中相对于B配对，也相对于A配对。这种行为证实了增加的磨损性和增强系统刚度会促进与对面的更剧烈相互作用和更多的颗粒释放。SEM/EDX分析进一步证实了这一点，结果显示排放颗粒中的铁含量增加。同时，A、B和C的摩擦系数比较表明，这三个系统在许多载荷阶段内都处于部分重叠的范围内，尽管存在统计学上显著的配对间差异。重要的是，这种摩擦系数模式并不能完全解释PM10和PM2.5之间更为明显和系统性的分离。因此，A、B和C之间的显著排放差异不能仅用平均摩擦系数来解释。

增强型玻璃纤维增强系统D和E表明，如弹簧特性和改善的柔顺性等结构措施与较低的排放量相关。尽管操作条件相当，这些系统的PM10和PM2.5水平相对较低。然而，D和E之间的统计比较显示出的差异并非均匀分布：对于PM2.5，在几个载荷阶段发现了显著差异；而对于PM10，只有在多次比较校正后某些载荷阶段才显示出显著差异。因此，D和E不能被视为完全等同的，但它们在所有载荷阶段和颗粒分数上也没有显示出一致的分离。这强调了机械柔顺性和均匀应力分布对排放控制的重要性，同时也表明现有数据不能将观察到的行为严格归因于单一的结构改进机制（如改进的载荷分布）。烧结金属系统F由于其具有高热容量的金属基刹车片而表现不同，但仍遵循排放量随摩擦功增加的一般趋势。鉴于在当前矩阵中垫片几何形状和材料配方没有独立变化，因此几何形状被视为整个摩擦系统的一部分，无法得出独立的几何趋势。然而，环形系统和分段系统之间以及非弹簧支撑垫片与弹簧支撑垫片之间的一致差异支持了这样的观点：当结合合适的材料配方时，几何形状和结构设计可以成为强有力的调节因素。

4.3.2. 主要发现
主要发现可以总结如下：首先，摩擦材料系统对PM10和PM2.5的排放有决定性影响；其次，即使垫片材料保持不变，背盘材料也能改变排放水平；第三，高磨损性的有机系统倾向于促进更多的颗粒释放；第四，改善柔顺性的结构特征与较低的排放水平相关，尽管其独立贡献尚无法从整体系统设计中单独量化。总体而言，结果表明颗粒排放行为受垫片配方、增强结构、结构特征和背盘材料的相互作用控制，而不仅仅是单一孤立因素的作用。

4.3.3. 减少颗粒排放的建议
基于当前结果，可以提出几项减少颗粒排放的建议。从结构设计的角度来看，具有改进载荷分布的机械柔顺垫片设计（例如通过弹簧支撑概念）似乎是有益的。从材料角度来看，如果主要目标是降低颗粒排放，则应避免使用高磨损性的垫片配方。此外，应谨慎选择背盘材料，因为它可以显著改变排放行为。总体而言，应从整个摩擦系统的角度来考虑减少排放，包括垫片配方、增强结构、结构特征和背盘材料。

4.3.4. 对RQ3的回答
因此，RQ3的回答如下：由垫片配方、增强结构、结构特征和背盘材料定义的摩擦材料系统对PM10和PM2.5的排放有决定性影响。高磨损性的有机系统和与C45背盘的组合倾向于增加排放，而增强型垫片和合适的背盘材料则可以减少排放。

4.4. 排放作为磨损和基于机制的建模的催化剂
特别是在摩擦配对B和C中，可以观察到颗粒质量浓度与重量磨损质量损失之间的定性对应关系。然而，这种关系并非在所有研究的系统和载荷阶段都严格成正比。这表明重量磨损和气溶胶化颗粒释放代表相关但不同的响应变量。因此，PM测量不能直接作为干摩擦系统中总磨损进展的一一对应指标。然而，结合基于SEM/EDX的颗粒来源和化学成分的识别，它们为理解摩擦系统行为和排放形成提供了有价值的补充信息。当前结果为数据驱动和混合建模方法建立了经过验证的实验基础，这些方法旨在预测PM10和PM2.5排放量作为操作参数和摩擦配对的函数。特别是系统F中比摩擦功的主导作用、有机系统A、B和C的统计确认分离，以及增强型系统D和E的低排放行为，构成了未来预测模型的关键约束和验证目标。

4.5. 方法学局限性
在所呈现的矩阵中，几何形状和材料成分是耦合的。有机环垫片（A/B）和高磨损性环垫片（C）具有相同的环状几何形状，但在配方上有所不同。增强型垫片（D/E）结合了几何形状的变化和弹簧特性及增强结构，而烧结垫片（F）是分段形状的。没有材料在多种几何形状中都有，因此几何形状被视为摩擦系统的一部分而非独立变量。因此，无法分离出几何影响，而是将其作为系统效应进行讨论。此外，统计评估基于准静态块平均值，而不是假设所有制动周期都是完全独立的重复实验。在额外的统计评估中排除了前20个周期，因为序列的早期部分经常显示出较高的PM水平和较强的周期性漂移，表明这是一个瞬态阶段。所选的阈值是经验性的，旨在将早期瞬态行为与随后的准静态响应区分开来。重量磨损值是通过条件级别的质量差异获得的。重复称重用于减少测量不确定性，但这些重复称重测量并不构成独立的摩擦学重复实验。因此，磨损结果是以描述性的方式解释的，并与PM趋势相关联，而不是基于完全重复的推断数据。最后，当前的设置代表了一个受控的摩擦学测试环境，而不是完整的车辆制动系统。该方法再现了与摩擦学相关的操作状态，但没有包括实际制动应用的所有边界条件，如车辆特定的通风、环境湿度变化、再生制动交互作用和完整的驾驶循环动态。因此，结果应解释为在受控的、与实际应用相关的摩擦条件下的物理上有意义的趋势，而不是对车辆级别非排放物的直接一对一预测。

5. 结论
来自制动系统的非排放颗粒物仍然是交通相关PM10和PM2.5的主要贡献者，尤其是在通过法规逐步减少排放物的情况下。尽管许多研究已经探讨了制动磨损颗粒形成的个别方面，但操作参数和摩擦材料系统的综合影响及其机械解释仍然没有得到充分研究。本研究建立了一种基于干摩擦试验台的测量方法，能够在受控的、与摩擦学相关的操作条件下捕获制动磨损颗粒排放，该方法在颗粒质量、尺寸和化学成分方面具有定量稳健性和可机械解释性。研究结果表明，当该方法与基于气溶胶的颗粒物（PM）测量技术、尺寸分辨分析、摩擦状态变量以及扫描电子显微镜（SEM）/能量色散X射线光谱仪（EDX）表征相结合时，能够更全面地评估运行条件和摩擦系统设计对干式摩擦系统颗粒物排放的影响。本研究的主要结论如下：

所开发的方法为分析干式摩擦系统中的制动磨损颗粒物排放提供了一个具有应用价值且可进行机械解释的实验框架。这里的“应用价值”指的是能够可控地再现与摩擦相关的载荷状态，而不仅仅是实现整车级别的等效性。在所研究的摩擦系统F的运行范围内，比摩擦功（specific friction work）是描述PM10和PM2.5排放强度最清晰、最可靠的指标；即使将分析限制在准静态状态下，并基于块平均值数据，这种关联性依然很强。滑动速度和惯性载荷通过影响摩擦能量输入对排放响应有显著影响；接触压力同样重要，但在当前设计中尚未能够完全独立地评估其贡献。数据表明，接触压力不仅影响排放水平，还影响排放响应的时间稳定性。比摩擦功率（specific friction power）虽然也能提供一些信息，但其关联性的强度较弱且更具系统依赖性，在研究范围内不如比摩擦功具有区分作用。

通过对比有机环型系统A、B和C，可以统计证实摩擦系统设计对PM10和PM2.5排放有决定性影响：系统C形成了一个高排放系统，而系统A和B的排放水平则较为接近。相应的摩擦系数仅有部分重叠，并未反映出PM排放之间更为明显的分离现象。弹簧支撑的滑动系统D和E的整体排放水平较低；不过经过多重比较校正后，它们在各个载荷阶段和颗粒组分上的排放特征存在差异。对于摩擦组合B和C，可以观察到磨损量与空气中颗粒物排放之间的定性关联，但这种关系并非在所有系统和条件下都严格成正比，说明材料去除量与气溶胶化颗粒物的释放量相关但并非完全相同的响应变量。在当前测试体系中，无法将衬垫几何形状和结构设计的影响与材料效应完全分离，因此将其视为摩擦系统的一部分。未来的研究应系统地改变衬垫几何形状同时保持材料不变，并更严格地区分滑动速度、接触压力和热效应，以便更清晰地评估它们各自的贡献。

总体而言，这项工作为分析干式摩擦系统（如制动系统和离合器系统）中的制动磨损颗粒物排放提供了一个具有摩擦学意义、方法论上一致且统计上可靠的研究框架。通过将运行条件、摩擦能量输入、摩擦系统特性以及颗粒物的质量、尺寸和化学性质联系起来，该研究有助于更深入地理解颗粒物排放的形成机制。研究结果为低排放摩擦系统的设计提供了坚实的实验基础，并为未来非排气排放法规背景下PM10和PM2.5排放的数值驱动及混合预测模型的开发和验证提供了支持。