輕量化組合式制動盤技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證

史東杰,王智文，孫壘，焦孟旺，曹偉

(北京汽車研究總院有限公司，北京 101300)

0 引言

近年來，由于汽車銷量的高速增長，對汽車行業(yè)的節(jié)能減排要求日益提高，汽車輕量化已經(jīng)成為各大主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)節(jié)油減排的重要途徑，研究表明：汽車整備質(zhì)量降低10%，可實(shí)現(xiàn)油耗降低6%～8%，排放降低5%～6%，油耗每減少1 L，可降低2.45 kg CO2排放量[1]?；上沦|(zhì)量的降低對汽車制動距離、轉(zhuǎn)向力、加速、輪胎壽命等性能產(chǎn)生積極影響，提升整車駕駛舒適性與安全性[2]。為驗(yàn)證汽車簧下質(zhì)量降低對新能源車型電耗的影響，開展了純電動車整車路試試驗(yàn)對比分析：在NEDC工況下對某純電動汽車在簧下零件減重10 kg前后分別進(jìn)行整車路試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明簧下質(zhì)量降低10 kg后，整車?yán)m(xù)航里程提升約6%以上，電耗降低2%～4%。制動盤屬于汽車簧下質(zhì)量，目前汽車常用的制動盤主要為灰鑄鐵鑄造成型，其質(zhì)量較大。

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)制動盤的輕量化途徑主要有3個：(1)一體式鋁基碳化硅制動盤；(2)鋁合金/高強(qiáng)鋼盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)組合式制動盤；(3)鋁/高強(qiáng)鋼盤帽+碳纖增強(qiáng)陶瓷摩擦環(huán)組合式制動盤。如圖1所示，其中第1種和第3種輕量化制動盤價格昂貴，不適用于常規(guī)乘用車型應(yīng)用，第2種鋁合金盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)組合式制動盤性價比最優(yōu)，本文作者基于某車型通風(fēng)式制動盤，進(jìn)行“鋁盤+灰鑄鐵摩擦環(huán)組合式制動盤”技術(shù)開發(fā)評價。

圖1 制動盤輕量化技術(shù)途徑

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

按照工作區(qū)域?qū)⒅苿颖P分為盤帽和摩擦環(huán)，如圖2所示，與輪轂和輪轂軸承接觸來固定安裝和傳遞力矩的區(qū)域?yàn)楸P帽，與摩擦片相貼合產(chǎn)生汽車制動力的區(qū)域?yàn)槟Σ镰h(huán)。

圖2 一體式灰鑄鐵制動盤結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于整車參數(shù)和制動性能要求，提取制動系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，并結(jié)合制動盤零件技術(shù)條件和與周邊零件邊界條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將盤帽和摩擦環(huán)作為兩個單獨(dú)零件，基于制動盤安裝和制動力矩的要求，確定盤帽和摩擦環(huán)的各工作平面面積、內(nèi)/外徑尺寸和外觀形貌，同時設(shè)定盤帽和摩擦環(huán)各區(qū)域壁厚。如圖3所示，在摩擦環(huán)內(nèi)側(cè)與盤帽連接區(qū)域設(shè)計(jì)為沿軸向均勻分布的花瓣?duì)?，盤帽在與摩擦環(huán)螺栓連接孔附近區(qū)域設(shè)計(jì)成凸臺，盤帽和摩擦環(huán)組裝完成后，在盤帽和摩擦環(huán)之間形成沿軸線均勻分布的通風(fēng)孔，提升制動盤的散熱能力的同時也達(dá)到了一定的輕量化效果，如圖4所示。

圖3 連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖4 通風(fēng)孔設(shè)計(jì)

盤帽和摩擦環(huán)的連接設(shè)計(jì)是組合式制動盤技術(shù)開發(fā)的核心內(nèi)容，選用行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的高強(qiáng)螺栓螺母連接。在連接設(shè)計(jì)過程中，因?qū)⒙菽钢苯釉O(shè)計(jì)在盤帽安裝法蘭面上而導(dǎo)致了螺母與輪轂軸承發(fā)生干涉，為消除干涉問題，在盤帽安裝法蘭面上增加螺母安裝凹槽設(shè)計(jì)，將連接螺母沉入到盤帽安裝法蘭面以下，干涉問題得到解決的同時進(jìn)一步降低了盤帽質(zhì)量，如圖5所示。螺栓與螺母在長期復(fù)雜路況下存在相對位移風(fēng)險，通過在螺栓和螺母兩側(cè)增加防松墊片設(shè)計(jì)，可消除連接松動風(fēng)險。螺栓和螺母選用高強(qiáng)度碳鋼，螺栓表面進(jìn)行達(dá)克羅處理，螺母表面進(jìn)行電鍍防護(hù)處理。

圖5 連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將盤帽部分由灰鑄鐵材料改為高強(qiáng)度鋁合金材料，鋁合金材料應(yīng)用可降低零件質(zhì)量，材料牌號選用在汽車底盤結(jié)構(gòu)件上常用的ZL101A高強(qiáng)鋁合金。摩擦環(huán)在車輛制動過程中會產(chǎn)生大量的熱量，摩擦環(huán)區(qū)域最高溫度可達(dá)到600 ℃以上，因鋁合金熱變形量大、耐高溫性能差和耐磨性差等特點(diǎn)，不適用于摩擦環(huán)，行業(yè)內(nèi)高端跑車應(yīng)用的碳纖增強(qiáng)陶瓷摩擦環(huán)價格過于昂貴，動車高鐵制動盤上已成熟應(yīng)用的鋁基碳化硅材料制動盤在乘用車上應(yīng)用還需要進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)，且應(yīng)用成本較高，常規(guī)制動盤應(yīng)用的灰鑄鐵材料性價比最優(yōu)，且無需進(jìn)行摩擦片的匹配開發(fā)，故摩擦環(huán)沿用HT250材料。

考慮到鋁合金材料與灰鑄鐵材料間存在電位差，在潮濕環(huán)境下會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，為避免電化學(xué)腐蝕失效問題發(fā)生，對機(jī)加工后的摩擦環(huán)表面增加達(dá)克羅涂層，以降低盤帽與摩擦環(huán)裝配后的電化學(xué)腐蝕問題。

原一體式制動盤設(shè)計(jì)質(zhì)量為10 kg，應(yīng)用鋁合金盤帽輕量化制動盤設(shè)計(jì)可直接降重2 kg，輕量化效果達(dá)到20%，整車可實(shí)現(xiàn)簧下質(zhì)量降低4 kg(對摩擦環(huán)內(nèi)外直徑和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減重)，輕量化組合式制動盤最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 組合式制動盤設(shè)計(jì)結(jié)果

1.2 仿真分析

為驗(yàn)證分析組合式制動盤的熱性能、強(qiáng)度和噪聲性能，結(jié)合制動盤實(shí)際工作狀態(tài)要求，開展組合式制動盤熱容量、熱變形、強(qiáng)度和模態(tài)共4項(xiàng)性能的仿真分析。

1.2.1 熱容量分析

參照J(rèn)ASO C406試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱容量仿真分析，在規(guī)定制動次數(shù)下對制動有效半徑區(qū)域內(nèi)達(dá)到的最高溫度進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖7所示的熱容量仿真分析，分析制動有效半徑最高溫度為581 ℃，低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)允許的最高溫度610 ℃，熱容量分析結(jié)果合格。

圖7 熱容量仿真分析

1.2.2 熱變形分析

參照 JASO C406試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱變形仿真分析，分析結(jié)果如圖8所示的熱變形仿真分析，組合式制動盤最大軸向熱變形為0.28 mm，低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)允許的最大變形量0.3 mm，熱變形分析結(jié)果合格。

圖8 熱變形仿真分析

1.2.3 強(qiáng)度分析

依據(jù)公司技術(shù)要求，進(jìn)行組合式制動盤強(qiáng)度仿真分析，分析結(jié)果如圖9所示強(qiáng)度仿真分析，仿真分析最大應(yīng)力出現(xiàn)在盤帽上，為211 MPa，設(shè)計(jì)要求需滿足1.1倍的強(qiáng)度安全系數(shù)，即極限強(qiáng)度并不大于220 MPa，項(xiàng)目內(nèi)控要求ZL101A材料屈服強(qiáng)度不小于240 MPa，實(shí)測屈服強(qiáng)度平均值為275 MPa，組合式制動盤強(qiáng)度分析結(jié)果合格。

圖9 強(qiáng)度仿真分析

1.2.4 模態(tài)分析

依據(jù)公司技術(shù)要求，進(jìn)行組合式制動盤模態(tài)仿真分析，要求模態(tài)分離Δf1>225 Hz、Δf2>225 Hz，Δf3>100 Hz，分析結(jié)果為Δf1=343 Hz、Δf2=425.3 Hz、Δf3=692.5 Hz，詳見圖10模態(tài)仿真分析，組合式制動盤模態(tài)分析仿真分析結(jié)果合格。

圖10 模態(tài)分析結(jié)果

2 制動盤性能驗(yàn)證評價

為驗(yàn)證組合式制動盤試制零件強(qiáng)度性能，參照ECE R90和JASO C406試驗(yàn)方法對組合式制動盤進(jìn)行高負(fù)載、熱疲勞、熱衰退、熱變形和熱容量試驗(yàn)，如圖11 所示。為保證驗(yàn)證的充分性和全面性，對每個驗(yàn)證項(xiàng)目進(jìn)行3次臺架試驗(yàn)檢測，3次試驗(yàn)全部合格才能判定此檢測合格。高負(fù)載和熱疲勞試驗(yàn)完成后制動盤上未出現(xiàn)任何形式的損壞或失效問題，試驗(yàn)結(jié)果合格；熱衰退、熱容量、熱變形試驗(yàn)結(jié)束后組合式制動盤達(dá)到的最大變形量為0.21 mm，永久變形量為0.16 mm，達(dá)到的最高溫度為550 ℃，試驗(yàn)后制動盤狀態(tài)如圖12所示，試驗(yàn)結(jié)果均合格。組合式制動盤零件性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 零件性能驗(yàn)證試驗(yàn)

圖12 零件性能驗(yàn)證結(jié)束后組合式制動盤狀態(tài)

3 結(jié)論

組合式制動盤在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需考慮避免與周邊零件干涉問題、提升通風(fēng)散熱性能、抗電化學(xué)腐蝕防護(hù)和連接方式設(shè)計(jì)等。

組合式制動盤仿真分析性能和零件強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)和使用要求，但要實(shí)現(xiàn)組合式制動盤量產(chǎn)應(yīng)用，需進(jìn)一步開展整車疲勞耐久性能驗(yàn)證。

組合式制動盤較原一體式制動盤方案可實(shí)現(xiàn)減重2 kg/件，整車簧下質(zhì)量可降低4 kg，輕量化效果達(dá)到20%左右，對整車性能的提升有重要意義。