制动盘的制作方法

本申请要求于2015年4月15日提交的英国专利申请号1506523.8的优先权，该申请以引用的方式全文并入本文。

技术领域

本实用新型涉及用于车辆的制动盘。

背景技术：

车辆的制动盘包括随着车辆的接地车轮旋转并且由卡钳致动的制动衬片夹紧以在需要时使车辆减速的摩擦环。该摩擦环必须能够抵受来自制动衬片的磨损以及制动产成的热量。由于这些原因，摩擦环通常由铸铁制成。

然而，众所周知，铸铁对于跑车而言属于相对较重的材料：例如，铸铁是铝的大约2.5倍重。因此，为了总体上降低制动盘的重量，摩擦环由更轻的材料(例如，铝或铝合金)形成的合头所承载。所述合头，有时被称为“顶帽(top hat)”，在使用中与接地轮或车轮的轮轴相连接。

这种所谓的“复合”形式的结构(不应与可能使用纤维增强的塑料材料混淆)与摩擦环和合头由相同材料一体成型的一体形式形成了鲜明的对比，这是因为该“复合”形式的结构在合头与摩擦环之间需要在制动(以及加速度)时抵抗旋转力和转弯时抵抗横向力的连接。现有技术已提出了各种类型的这种连接。

例如，铸铁摩擦环可与轻得多的铸造轻型铝或者深拉薄钢板制动盘合头相连。摩擦环上的栓接合在合头内的关联凹槽内以传输旋转力，并通过卡环固定此接合以抵抗横向(轴向)力，但是仍推荐额外的螺钉连接。

然而，卡环和螺钉连接必然会增加这种结构的复杂性。一种更简单的结构是将合头铸造在在摩擦环上，由此摩擦环和合头上便形成了在摩擦环的平面内互相嵌入的城堡形结构。该城堡形结构可额外形成可增大合头与摩擦环之间连接强度的斜面和阶梯。

技术实现要素：

一方面，本实用新型提供了一种车辆制动盘，该制动盘包括：

合头，其可固定至车辆的车轮或轮轴以围绕一轴线随车轮或者轮轴旋转；以及

制动元件，其包括具有内半径和外半径的环形摩擦环，以及轴向延伸的具有内表面和外表面的空心圆柱形凸缘；其中：

所述合头由第一材料形成并且摩擦环由第二材料形成，并且第一材料具有比第二材料更低的密度、更低的熔点以及更高的线性热膨胀系数；并且

所述合头为一在所述凸缘的内表面和外表面上延伸的铸件。

优选地，所述第一材料包括铁或其合金。

优选地，所述第二材料包括铝或其合金。

优选地，所述摩擦环和凸缘为一体成型的铸件。

优选地，所述凸缘包括一个或多个径向向外延伸的小块，所述小块被封在所述合头的铸件内。

优选地，所述合头进一步延伸穿过所述摩擦环的内半径并径向朝外延伸。

优选地，所述凸缘具有一个或多个径向延伸穿过所述凸缘的孔，所述孔内填充有第一材料。

优选地，其中，所述凸缘具有一个或多个径向延伸部分穿过所述凸缘的凹槽，所述凹槽内填充有第一材料。

附图说明

图1示出了根据现有技术的制动盘101；

图2A为现有技术制动盘101的侧视图；

图2B为现有技术制动盘101的垂直横截面；

图3为现有技术制动盘101的在图2A中沿W-W截取的横截面；

图4示出了根据本实用新型的制动盘401；

图5A为制动盘401的侧视图；

图5B为制动盘401的垂直横截面；

图6为制动盘401的在图5A中沿X-X截取的横截面；

图7为还包括圆周通道701的制动盘401的垂直横截面；

图8为还包括穿过制动元件402并轴向朝外延伸的合头铸件801的制动盘401的垂直横截面；

图9为还包括径向延伸的小块901和902的制动盘401的垂直横截面；

图10为示出径向延伸的小块901和902的沿图9的Y-Y截取的横截面；

图11为还包括孔1101和1102的制动盘401的垂直横截面；

图12为示出孔1101和1102的在图11的Z-Z上的横截面。

具体实施方式

图1

图1至图4示出了根据现有技术的制动盘101。

制动盘101包括由铸铁制成的摩擦环102和由铸铝合金制成的合头103，用于连接至车辆的车轮或轮轴(未显示)。摩擦环102具有围绕轴线A的环形形状，在安装到车辆中时，该轴线就是车轮或轮轴的旋转轴线。

图2A&2B

图2A示出了制动盘101的侧视图，而图2B则示出了制动盘101穿过其轴线A的垂直横截面。

制动盘101具有由摩擦环102限定的内半径201以及由合头103限定的外半径202。合头103铸造在摩擦环102上，并且具有径向延伸的凸缘203，凸缘203在摩擦环102的水平内缘上铸造。

图3

图3示出了制动盘101沿着图2A中标识的线W-W截取的剖视图。

如图3所示，摩擦环102形成有指向内部的城堡形结构301、302、303、304、305、306、307、308和309，在铸造合头103时，在这些城堡形结构之间具有由铝合金填充的空间。需要理解的是，为了简化说明，在图3中仅仅示出了一些城堡形结构301-309，实际上，可具有更多的城堡形结构。

图4

图4示出了根据本发明的制动盘401，在此实施例中，制动盘为安装到客运车辆中的固体盘式制动器。然而，本领域的技术人员可理解的是，本发明的原理可扩展到针对高性能应用的通风盘式制动器。

制动盘401具有围绕轴线B(车轮或轮轴的旋转轴线，未示出，与制动盘101一样)呈环形的制动元件402，以及合头403。

图5A&5B

图5A示出了制动盘401的端视图，图5B示出了穿过其轴线B的横截面。具体而言，示出了参考图1至图4描述的本发明与现有技术制动盘101之间的差异。

制动元件402包括围绕轴线B呈环形的摩擦环501。摩擦环501在内半径503和外半径504之间的平面内径向延伸。制动元件进一步包括从摩擦环501轴向(即，与其平面正交地)延伸的空心圆柱形凸缘502。摩擦环501的内半径503与空心圆柱形凸缘502的内表面相连。

合头403在凸缘502的内表面和外表面之上轴向延伸。即，合头403与凸缘502的径向相对的表面接合，从而在合头403与制动元件402之间形成连接。

应注意的是，由于需要足够离开摩擦环102以便为制动衬片(未显示)留出空间，现有技术制动盘101的径向凸缘203必然在面积上受限。这反过来限制了现有技术合头103与现有技术摩擦环102之间的铸造接合的强度。相比之下，在本发明的制动盘401中，合头403铸造在轴向延伸的凸缘502上，这在面积上没有这种限制。因此，与现有技术制动盘101相比，根据本发明的制动盘401的强度大大提高。

再次参见图5A，制动盘401的合头403由第一材料形成，并且制动元件402由第二材料形成。在本实施方案中，适当地选择第一材料，以使第一材料相对于第二材料具有更低的密度、更低的熔点以及更高的线性热膨胀系数。

在一个实施方案中，第一材料是铁或其合金，并以满足以上性能要求为条件选择第二材料。在另一个实施方案中，第二材料是铝或其合金，并以满足以上性能要求为条件选择第一材料。在一个特定的实施方案中，第一材料是铁或其合金，而第二材料是铝或其合金。

实际上，在根据以上约束条件选择第一和第二材料之后，首先通过使用所选择的第二材料预先制成制动元件402来制造本发明的制动盘401。在本实施方案中，这通过铸造制动元件402实现，以便一体成型摩擦环501和凸缘502。然后，可对制动元件402进行加工。替代地，通过以已知方式将单独铸造的摩擦环501和凸缘502耦合在一起，可制成制动元件402。

然后，将制动元件402置于具有用于凸缘502的空腔的模具内。然后，通过将熔融的第一材料传送到空腔内将合头403铸造在凸缘上，以填充凸缘并且与凸缘接合。然后，允许合头403在模具内冷却和凝固。可选地，在第一材料到达之前，可对制动元件402进行加热以改进材料之间的接合面，并且减少因添加熔融的第二材料而造成的任何热冲击。

本领域的技术人员将理解，将合头403铸造在凸缘502上之后，在将包括合头403的制动盘401加上制动元件402在安装至车辆之前，可将其作为整体进一步对其进行加工。

选择密度低于第二材料的第一材料的作用是减少制动盘401的总重量，从而帮助减少簧下重量，提高车辆性能和燃油经济性。

选择熔点低于第二材料的第一材料的作用是允许将其铸造在预成型的制动元件402上。

选择线性热膨胀系数高于第二材料的第一材料的作用是在合头403与制动元件402之间提供更好的(并且受到更好保护的)接合。本领域的技术人员要理解的是，当存在电解质时，电极电位不同的两种材料之间的接合面上容易发生电化学腐蚀，例如，当在灰铸铁上铸造铝合金时容易发生这种情况。

在本发明中，合头403的第二材料特别选择为具有比制动元件402的第二材料更高的线性热膨胀系数。因此，在制造期间，在铸造之后冷却时，合头403比凸缘502缩小更多。与合头403延伸覆盖凸缘502的外表面和内表面的设置相结合，使得合头403与凸缘502之间能形成更紧的接合。

这不仅形成了可以经受更大轴向力的更牢固的连接，而且在第一材料与第二材料之间形成了更好地受保护以免水分进入的接合面，而水分在这可以用作电解质并引起电化学腐蚀。

相比之下，现有技术的合头103在铸造之后的主要收缩将远离摩擦环102的内半径503。这可造成现有技术合头103与现有技术摩擦环102之间的连接弱化，因此，在使用期间带来水分渗透和电化学腐蚀的更大风险。

图6

图6示出了沿着图5A中标识的线X-X截取的制动盘401的剖视图。

如图6所示，在本实施方案中，凸缘502上形成有包封在在合头403的铸件内的轴向指向的城堡形结构601、602、603、604、605、606、607和608。需要理解的是，为了简化说明，在图6中仅仅示出了数个城堡形结构601-608，实际上，可具有更多的城堡形结构。

图7

可在制动盘401上设置各种额外的特征件，以提高制动盘的总体性能，并且还可改善制动元件402与合头403之间的接合面。

首先，图7示出了制动盘401的一个实施方案，其中，在摩擦环501与凸缘502的连接处设置有一圆周通道701。圆周通道701包含的区域得以示出，其用于减少锥体化(coning)，该锥体化是摩擦环501的锥形变形，其作用迫使制动衬片略微分开，而改变制动衬片的压力分布并且降低制动有效性。

图8

其次，图8示出了制动盘401的一个实施方案，其中，见801，合头403的铸件轴向延伸覆盖在凸缘502的整个内部上，穿过摩擦环501的内半径，并径向朝外少量延伸。合头403铸件的这种延伸加强了与制动元件402的轴向连接，从而允许制动盘401抵抗施加在制动元件402上的更大轴向力。

图9

第三，图9示出了制动盘401的一个实施方案，其中，凸缘502上形成有朝外延伸的小块(或团块)901和902。小块901和902包封在合头403的铸件内以加强圆周上的连接。需要理解的是，为了简化说明，在图9中仅仅可看到2个小块901和902，但是实际上，可具有更多的小块。在替换实施方案中，小块可以由单个圆周上的凸缘代替。

图10

图10示出了沿着图9中标识的线Y-Y截取的制动盘401的剖视图。

图11

最后，图11示出了制动盘401的一个实施方案，其中，凸缘502上形成有孔，例如，孔1101和1102。在一个实施方案中，通过使制动元件402的模具上包括适当的孔而在铸造制动元件402时形成孔。在一个替换实施方案中，可在对制动元件402进行加工的期间形成所述孔。

图12

图12示出了沿着图11中标识的线Z-Z截取的制动盘401的剖视图。

可以看出，孔1101和1102轴向延伸，并且在本实施方案中，包括均匀径向分布的孔。因此，在铸造期间，孔1101和1102内填充有合头403的第一材料，这加强了合头403与制动元件402的凸缘502之间的圆周连接。

在一个替换实施方案中，这些孔可由仅仅部分延伸穿过(而非像孔1101和1102一样完全延伸穿过)凸缘502的径向厚度的凹槽代替。这种凹槽可以是凸缘502的外表面上的凹槽或者其内表面上的凹槽。

应理解的是，轴向城堡形结构601至608、圆周通道701、轴向延伸的铸件801、小块901和902(或圆周凸缘)以及孔1101和1102(或凹槽)可以任意组合一起使用。