輕量化組合式制動盤技術(shù)開發(fā)與驗證

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)成為各大主機廠實現(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]。簧下質(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前后分別進行整車路試試驗，試驗結(jié)果表明簧下質(zhì)量降低10 kg后，整車續(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/高強鋼盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)組合式制動盤；(3)鋁/高強鋼盤帽+碳纖增強陶瓷摩擦環(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式制動盤，進行“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)域為盤帽，與摩擦片相貼合產(chǎn)生汽車制動力的區(qū)域為摩擦環(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

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行優(yōu)化設(shè)計。

將盤帽和摩擦環(huán)作為兩個單獨零件，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)計為沿軸向均勻分布的花瓣狀，盤帽在與摩擦環(huán)螺栓連接孔附近區(qū)域設(shè)計成凸臺，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孔，提升制動盤的散熱能力的同時也達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 通風孔設(shè)計

盤帽和摩擦環(huán)的連接設(shè)計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)應用較為成熟的高強螺栓螺母連接。在連接設(shè)計過程中，因?qū)⒙菽钢苯釉O(shè)計在盤帽安裝法蘭面上而導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，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一步降低了盤帽質(zhì)量，如圖5所示。螺栓與螺母在長期復雜路況下存在相對位移風險，通過在螺栓和螺母兩側(cè)增加防松墊片設(shè)計，可消除連接松動風險。螺栓和螺母選用高強度碳鋼，螺栓表面進行達克羅處理，螺母表面進行電鍍防護處理。

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度鋁合金材料，鋁合金材料應用可降低零件質(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，不適用于摩擦環(huán)，行業(yè)內(nèi)高端跑車應用的碳纖增強陶瓷摩擦環(huán)價格過于昂貴，動車高鐵制動盤上已成熟應用的鋁基碳化硅材料制動盤在乘用車上應用還需要進一步技術(shù)攻關(guān)，且應用成本較高，常規(guī)制動盤應用的灰鑄鐵材料性價比最優(yōu)，且無需進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)生電化學腐蝕，為避免電化學腐蝕失效問題發(fā)生，對機加工后的摩擦環(huán)表面增加達克羅涂層，以降低盤帽與摩擦環(huán)裝配后的電化學腐蝕問題。

原一體式制動盤設(shè)計質(zhì)量為10 kg，應用鋁合金盤帽輕量化制動盤設(shè)計可直接降重2 kg，輕量化效果達到20%，整車可實現(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)化可進一步實現(xiàn)減重)，輕量化組合式制動盤最終設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 組合式制動盤設(shè)計結(jié)果

1.2 仿真分析

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

1.2.1 熱容量分析

參照JASO C406試驗標準進行熱容量仿真分析，在規(guī)定制動次數(shù)下對制動有效半徑區(qū)域內(nèi)達到的最高溫度進行分析，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)計標準允許的最高溫度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試驗標準進行熱變形仿真分析，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)計標準允許的最大變形量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 強度分析

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

圖9 強度仿真分析

1.2.4 模態(tài)分析

依據(jù)公司技術(shù)要求，進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 制動盤性能驗證評價

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

圖11 零件性能驗證試驗

圖12 零件性能驗證結(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)計開發(fā)過程中需考慮避免與周邊零件干涉問題、提升通風散熱性能、抗電化學腐蝕防護和連接方式設(shè)計等。

組合式制動盤仿真分析性能和零件強度試驗驗證結(jié)果均滿足設(shè)計和使用要求，但要實現(xiàn)組合式制動盤量產(chǎn)應用，需進一步開展整車疲勞耐久性能驗證。

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