具有梯度特性仿生耦合单元体的制动盘及其制造方法与流程

本发明涉及制动盘技术领域，具体涉及一种适用于高速列车，且具有梯度特性仿生耦合单元体的制动盘及其制造方法。

背景技术：

制动系统是使汽车的行驶速度可以强制降低的一系列专门装置。制动系统中用于产生阻碍车辆运动或运动趋势的部件称为制动器。

大多数制动器的工作原理是，利用与车身或车架相连的固定元件和与车轮或传动轴相连的旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩。在摩擦接触过程中，制动盘和摩擦片接触部位的温度就上升，而且列车速度越快温升就越高，制动盘盘体表面的高温不仅会造成由于热衰退导致的制动力矩下降，而且还会造成制动盘表面因热疲劳产生的裂纹。

因热疲劳产生的裂纹是制动盘的主要失效形式之一，为降低列车制动盘产生裂纹的概率，国内外的传统方法大都采用以下几种方法进行研究。一是改进和优化制动盘结构，例如，在制动盘表面打孔、划线或者优化制动盘面间的通风结构，通过增强制动盘的散热功能，提高制动盘的抗热损伤性能；二是优化现有制动盘材料成分，例如，向制动盘基体盘材料(铸铁、钢等)中添加铬、锰和镍等合金元素提升材料的热稳定性和高温强度等，以提高制动盘抗热机疲劳性能。三是综合上述两种方法进行优化，例如，采用铆接、螺纹等结合方式连接由不同材料制造的帽形件和制动带。但这些方法大多依赖于整体材料或单一结构因素的改进，很少考虑在制动盘基体盘内部或表面采用不同的形态、结构与材料等多个因素的结合方式。

专利号为CN102352901A的发明专利中公开了一种“一种仿生耦合轨道车辆制动盘”，该制动盘是基于生物耦合的仿生原理，在制动盘的工作表面上分布有放射状、同心圆状、网络状和桩钉状非光滑形态；并采用表面下嵌入式结构；在局部区域呈现与基体盘材料相异的材料组织或成分，可有效抑制裂纹产生与扩展，改善耐磨性。该发明能有效抑制裂纹扩展，但通过机械、激光、烧结将仿生耦合体嵌入制动盘表面，提高了加工区域的硬度，在制动过程中该加工区域不易被磨损而制动盘基体盘部分容易被磨损，导致制动盘磨损不均匀。其次，由于制动盘呈盘状结构，其边缘位置温度比中心位置的温度要高，但该制动盘盘体和仿生材料均为均质材料，其耐热性和耐磨性均是一致的，这种一致性恰恰带来了疲劳和磨损的不一致，也会在一定程度上加速了制动盘热裂纹的速度；此外，由于仿生单元填满整个制动盘凹部，不利于制动盘散热。

技术实现要素：

本发明的目的是在不改变制动盘表面均一稳定的摩擦特性的前提下，提供一种具有梯度特性仿生耦合单元体的制动盘及其制造方法。

本发明具有梯度特性仿生耦合单元体的制动盘，包括基体盘和填充环。所述基体盘开有中心孔。基体盘的两端面均开设有环形槽组，所述的环形槽组由五个大小不同的环形槽组成，五个环形槽同心且深度均为12～17mm，五个环形槽的槽宽均为8～12mm，相邻环形槽的间距均为10～25mm。最内侧的环形槽与基体盘中心孔孔壁的间距为10～30mm。最外侧的环形槽与基体盘外侧壁的间距为10～30mm。每个环形槽中均设置有一个填充环，所述填充环的宽度比所在环形槽的深度小3～6mm，填充环的内、外半径之差与所在环形槽槽宽相等。所述填充环的材料采用合金，该合金由铝和氧化铝合成；且由内至外的各填充环中氧化铝的所占比例依次为5～10％、10～15％、15～20％、20～25％和25～30％。

本发明具有梯度特性仿生耦合单元体的制动盘的制造方法如下：

步骤一、在基体盘的中心钻一个孔。

步骤二、利用铣削的方式，在基体盘的两端面各加工出环形槽组。环形槽组由五个大小不同的环形槽组成，五个环形槽同心且深度均为12～17mm，五个环形槽的槽宽均为8～12mm，相邻环形槽的间距均为10～25mm。最内侧的环形槽与基体盘中心孔孔壁的间距为10～30mm。最外侧的环形槽与基体盘外侧壁的间距为10～30mm。

步骤三、在各环形槽中堆焊合金，形成填充环，填充环的宽度比所在环形槽的深度小3～6mm，填充环的内、外半径之差与所在环形槽槽宽相等。所用合金由铝和氧化铝合成，且相邻两个填充环中，位于内侧的填充环氧化铝的所占比例小于或等于位于外侧的填充环氧化铝的所占比例。

内至外的各填充环中氧化铝的所占比例依次为5～10％、10～15％、15～20％、20～25％和25～30％。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明是在常规制动盘中嵌入铝和氧化铝的合金，有效增强了制动盘抗龟裂的性能。

2、本发明嵌入的铝和氧化铝合金中氧化铝所占比例由内侧至外侧逐渐增大，能够有效阻滞裂纹的扩散。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明三种填充环氧化铝含量不同的制动盘与常规制动盘使用30分钟后磨损量对比柱状图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，具有梯度特性仿生耦合单元体的制动盘包括基体盘1和填充环2。基体盘1的宽度为40mm；基体盘1开有直径为65mm的中心孔，基体盘1的两端面均开设有环形槽组，环形槽组由五个大小不同的环形槽组成，五个环形槽同心且深度均为15mm，五个环形槽的槽宽均为10mm，相邻环形槽的间距均为15mm。最内侧的环形槽与基体盘1中心孔孔壁的间距为20mm。最外侧的环形槽与基体盘1外侧壁的间距为20mm。每个环形槽中均设置有一个填充环2，填充环的宽度为10mm，填充环2的内、外半径之差与环形槽槽宽相等。填充环2的材料采用合金，该合金由铝和氧化铝合成；且由内至外的各填充环中氧化铝的所占比例逐渐增大。

实施例1

由内至外的各填充环中氧化铝的所占比例依次为5％、10％、15％、20％和25％。

实施例2

由内至外的各填充环中氧化铝的所占比例依次为7.5％、12.5％、17.5％、22.5％和27.5％。

实施例3

由内至外的各填充环中氧化铝的所占比例依次为10％、15％、20％、25％和30％。

如图3所示，在同等条件下使用30分钟后，实施例1、2和3的磨损量分别为0.02g、0.016g和0.013g；常规制动盘磨损量为0.1g。可见，各实施例的耐磨损性能均明显优于常规制动盘，各实施例中，实施例3的耐磨损性能最为优越。

该具有梯度特性仿生耦合单元体的制动盘的制造方法如下：

步骤一、在基体盘的中心钻一个直径为65mm的孔。

步骤二、利用铣削的方式，在基体盘1的两端面各加工出环形槽组。环形槽组由五个大小不同的环形槽组成，五个环形槽同心且深度均为15mm，五个环形槽的槽宽均为10mm，相邻环形槽的间距均为15mm。最内侧的环形槽与基体盘1中心孔孔壁的间距为20mm。最外侧的环形槽与基体盘1外侧壁的间距为20mm。

步骤三、在各环形槽中堆焊合金，形成填充环，填充环的宽度为10mm，填充环的内、外半径之差与环形槽槽宽相等。所用合金由铝和氧化铝合成，且由内至外的各填充环中氧化铝的所占比例逐渐增大。