汽車制動盤輕量化材料及技術(shù)途徑簡析

史東杰 王智文 孫壘 焦孟旺 方泓 趙鵬云

汽車輕量化技術(shù)已成為國內(nèi)外主機廠和供應(yīng)商較為關(guān)注的話題，汽車輕量化不僅對汽車節(jié)能減排有著直接貢獻，同時對整車性能的提升也有著重要作用。制動盤是汽車底盤系統(tǒng)重要的安全件，同時也屬于汽車簧下零件。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)制動盤主要為灰鑄鐵材料一體鑄造成型，零件較重。實現(xiàn)制動盤輕量化的主要技術(shù)途徑是應(yīng)用輕量化材料，本文主要對行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用和研究的制動盤輕量化材料和輕量化技術(shù)途徑進行簡述。

1 概述

為應(yīng)對汽車保有量高速增長帶來的能源和環(huán)境危機，國內(nèi)外主機廠將汽車輕量化作為節(jié)能減排的重要途徑，研究表明：汽車整備質(zhì)量降低10%，可實現(xiàn)油耗降低6%～8%，排放降低5%～6%，油耗每減少1L，可降低2.45kg二氧化碳（CO2）排放量。底盤系統(tǒng)零件大部分屬于汽車簧下質(zhì)量（即非簧載質(zhì)量），通過應(yīng)用輕量化技術(shù)對某純電動汽車底盤簧下零件減重10kg，試驗評估整車?yán)m(xù)航里程可提升約6%以上，電耗可降低2%～4%左右，同時降低簧下質(zhì)量對制動距離、轉(zhuǎn)向力、加速、輪胎壽命等整車性能產(chǎn)生積極影響，提升整車駕駛舒適性與安全性。

制動盤是盤式制動器的摩擦偶件，除應(yīng)具有作為構(gòu)件所需要的強度和剛度外，還應(yīng)有盡可能高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，以及適當(dāng)?shù)哪湍バ浴⒛蜔嵝?、散熱性和熱容量等，目前汽車用制動盤主要為灰鑄鐵一體鑄造成型，其質(zhì)量較大。本文就汽車制動盤輕量化材料及主要技術(shù)途徑進行簡析。

2 技術(shù)途徑

制動盤輕量化的技術(shù)難點在于保證整車制動性能的前提下實現(xiàn)輕量化。當(dāng)前，制動盤較為有效的輕量化技術(shù)途徑是以應(yīng)用輕量化材料為主，可減重15%～60%左右，所述的輕量化材料不僅局限于輕質(zhì)合金材料鋁合金、碳纖陶瓷材料，還包含通過高強減薄來達到一定的輕量化效果的高強鋼板或鑄鋼等鋼質(zhì)材料（如圖1所示）。

制動盤按照工作局域可分為盤帽和摩擦環(huán)，盤帽區(qū)域主要用于與車輪和輪轂單位連接，摩擦環(huán)區(qū)域通過與摩擦片貼合使車輛產(chǎn)生制動。制動性能主要由摩擦環(huán)與摩擦片的配合決定，基于制動盤結(jié)構(gòu)形式劃分，可將制動盤輕量化技術(shù)方式分為3種：第1種為鋁合金/鋼質(zhì)盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)；第2種為鋁合金盤帽+碳纖增強陶瓷材料摩擦環(huán)；第3種為鋁基碳化硅陶瓷制動盤。其中前2種也被稱為復(fù)合式制動盤，且均已在行業(yè)內(nèi)成熟應(yīng)用。

3 技術(shù)分析

3.1 鋁合金材料

鋁合金材料具有密度小、質(zhì)量輕、比熱容大等優(yōu)點，是汽車實現(xiàn)輕量化的主要途徑，故可用于無摩擦性能要求的制動盤盤帽區(qū)域，來實現(xiàn)制動盤的輕量化，成型工藝為常規(guī)的鑄造成型，材料可選用汽車上應(yīng)為較為成熟的A356型鋁合金。由于鋁合金材料摩擦性能較差，故摩擦環(huán)沿用常規(guī)制動盤應(yīng)用成熟的灰鑄鐵材料，如HT250和HT200等，以降低復(fù)合式制動盤的開發(fā)周期和開發(fā)難度。鋁盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)復(fù)合式制動盤是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最為成熟和廣泛的輕量化制動零件，其輕量化效果達到30%左右，在奧迪、寶馬、凱迪拉克和雷克薩斯等主機廠車型上大量應(yīng)用。

鋁盤帽與灰鑄鐵摩擦環(huán)復(fù)合連接方式主要有螺栓螺母連接式、鉚釘連接式和一體熔鑄式（如圖2所示）。

3.1.1 螺栓螺母連接式

如圖3所示，通過一定數(shù)量沿制動盤徑向均勻分布的螺栓和螺母，沿制動盤軸向穿過盤帽和摩擦環(huán)后進行緊固，是行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最為成熟的分體式制動盤連接方式。螺栓需選用高強度碳鋼材料，推薦螺栓的強度級別不低于12.9級，在組合過程中所有螺栓在安裝時應(yīng)為相同的擰緊力矩，同時需進行緊固連接防松設(shè)計，以避免在長期行車制動過程中螺栓和螺母發(fā)生松動。應(yīng)注意在開發(fā)過程中臺架疲勞驗證階段對螺栓螺母進行松緊力矩進行檢測，評估臺架疲勞試驗后螺栓螺母的擰緊力矩衰減情況。

在國外高端豪華車型上應(yīng)用較多的復(fù)合浮動式制動盤（如圖4所示），其盤帽和摩擦環(huán)之間的連接方式在理論上也屬于螺栓螺母連接式的一種，主要差別在于對盤帽和摩擦環(huán)連接方式上進行了特殊設(shè)計。當(dāng)整車在連續(xù)制動工況下導(dǎo)致摩擦環(huán)溫度較高時，允許摩擦環(huán)在沿制動盤徑向發(fā)生輕微移動，即為制動盤提供一定的熱膨脹空間，釋放摩擦環(huán)的熱應(yīng)力，避免制動盤在高溫下出現(xiàn)較大軸向變形，提升制動盤的制動性能。

3.1.2 鉚釘連接式

在寶馬高端車型應(yīng)用的一種復(fù)合式制動盤，通過沿制動盤軸向均勻分布的多個鉚釘將盤帽和摩擦環(huán)鎖定在一起，通過鋁質(zhì)盤帽實現(xiàn)輕量化，摩擦環(huán)仍沿用灰鑄鐵材料（如圖5所示）。其結(jié)構(gòu)為凹型盤帽扣在摩擦環(huán)上，鉚釘從側(cè)面（制動盤徑向）穿過盤帽和摩擦環(huán)后進行鎖緊，鉚釘以高強鋼質(zhì)材料為主，以保證具有足夠的連接強度，其外觀整體上與常規(guī)的一體式灰鑄鐵制動盤較為接近。

3.1.3 一體熔鑄式

一體式熔鑄制動盤是也是通過應(yīng)用鋁合金盤帽來達到減重效果，生產(chǎn)過程中先將已鑄造成型的灰鑄鐵制動盤放入鋁盤帽的鑄造模具后再進行盤帽鑄造，減少了盤帽和摩擦環(huán)裝配組合工序（如圖6所示）。一體式熔鑄制動盤與分體式制動盤的輕量化途徑相同，但其對盤帽和摩擦環(huán)配合區(qū)域進行更大的優(yōu)化，如在盤帽和摩擦環(huán)配合連接位置增加通風(fēng)孔，進一步減輕了制動盤質(zhì)量，實現(xiàn)更優(yōu)的輕量化效果。

盤帽與摩擦環(huán)的連接方式有銷/釘和無銷/釘2種，無銷釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式是在盤帽鑄造成型時直接摩將盤帽鑄進摩擦環(huán)已設(shè)計好的組裝孔內(nèi)，盤帽鑄進摩擦環(huán)的部分承擔(dān)著連接結(jié)構(gòu)的作用，減少了零件數(shù)量和工藝過程；有銷/釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式的是在摩擦環(huán)鑄造前將銷/釘放入摩擦環(huán)模具內(nèi)，使銷/釘?shù)囊欢髓T造在摩擦環(huán)內(nèi)，然后再隨摩擦環(huán)一同放入盤帽鑄造模具內(nèi)，使銷/釘?shù)牧硪欢髓T造在盤帽內(nèi)，實現(xiàn)摩擦環(huán)與盤帽的連接。

3.2 鋼質(zhì)材料

鋼質(zhì)材料在制動盤上的應(yīng)用方式與鋁合金的應(yīng)用方式相似，通過盤帽應(yīng)用高強度的鋼質(zhì)材料進行減薄設(shè)計來實現(xiàn)減重，其輕量化效果可達到15%以上。

如圖7所示的只在奔馳車型上應(yīng)用的一種復(fù)合式制動盤，其盤帽為高強鋼板沖壓成型，摩擦環(huán)材料為常規(guī)灰鑄鐵材料，通過盤帽材料高強化，厚度減薄來實現(xiàn)輕量化。在盤帽和摩擦環(huán)配合連接區(qū)域進行過盈配合和鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證連接強度，這種連接方式對盤帽成型、摩擦環(huán)機加工和組裝控制精度要求較高。

如圖8所示的一種復(fù)合式制動盤，盤帽為鑄鋼材料，摩擦環(huán)仍為灰鑄鐵材料，生產(chǎn)工藝上為一體熔鑄式，與鋁盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)一體熔鑄式的區(qū)別在于：需先鑄造出鑄鋼盤帽，然后放入摩擦環(huán)鑄造膜就中進行整體鑄造成型。

3.3 陶瓷材料

3.3.1 碳纖增強陶瓷制動盤

如圖9所示在部分賽車和高端跑車上應(yīng)用的碳纖增強陶瓷制動盤，其屬于復(fù)合式制動盤，盤帽根據(jù)性能要求可應(yīng)用鋁合金或鋼質(zhì)材料，摩擦環(huán)應(yīng)用碳纖維增強陶瓷來實現(xiàn)減重，為進一步提升制動性能，其盤帽和摩擦環(huán)的連接形式一般為浮動式結(jié)構(gòu)，輕量化效果最高可達到60%以上。碳纖增強陶瓷制動盤因材成本昂貴、生產(chǎn)工藝復(fù)雜和生產(chǎn)效率低等原因，僅能在賽車和高端跑車上應(yīng)用，不適于在中低端車型上應(yīng)用。

3.3.2 鋁基碳化硅陶瓷制動盤

鋁基碳化硅陶瓷制動盤在高鐵和動車上已經(jīng)成熟應(yīng)用，當(dāng)前尚未在汽車上得到應(yīng)用，因摩擦環(huán)材料由常規(guī)的灰鑄鐵材料變?yōu)殇X基碳化硅材料，故與其匹配的摩擦片也需要進行同步開發(fā)，國內(nèi)外主機廠和科研結(jié)構(gòu)也在嘗試通過調(diào)整配方、調(diào)整生產(chǎn)工藝和更改摩擦片配方等途徑來滿足汽車制動盤性能的要求，如圖10所示的粉末冶金鋁基碳化硅陶瓷制動盤，輕量化效果可達到60%左右。但當(dāng)前鋁基碳化硅制動盤仍存在臺架疲勞試驗犁溝磨損較大、熱性能不足、生產(chǎn)成本較高和生產(chǎn)效率低等問題需要進一步技術(shù)攻關(guān)。

4 結(jié)語

多材料組合應(yīng)用是汽車輕量化的重要發(fā)展趨勢，合適的材料用在合適的位置即能保證制動盤的制動性能，又能實現(xiàn)良好的輕量化效果。將盤帽由灰鑄鐵替換為鋁合金材質(zhì)的技術(shù)途徑性價比最優(yōu)，但因成本問題僅在國外中高端車型上得到批量應(yīng)用，不同制動盤輕量化技術(shù)途徑的選用需結(jié)合具體研發(fā)車型制動盤結(jié)構(gòu)形式、車型定位和制動性能要求而定。