专利名称：一种新型梯度材料车辆制动盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于汽车盘式制动器的制动盘。该制动盘主要采用梯度材料构 成，梯度材料的主要成分为A1和SiC。
背景技术：
近年来，盘式制动器已经被各类汽车广泛使用，盘式制动器的性能也受到了越来 越多人的关注。在汽车制动的过程中，制动盘需要承受较大的制动力，并且会产生大量的热。许多 材料抗压性能较好，因此制动过程中产生的热及由于温度分布不均而产生的热应力成为了 影响制动盘使用寿命的主要因素。由于汽车制动过程中，制动盘吸收来自汽车的动能，使得制动盘的温度显著升高， 盘的变热会导致热膨胀。同时，由于盘的不均勻变热，在制动盘的中心部分其温度要比盘的 外侧小得多，导致了不均勻的热膨胀，故而产生了较大的热应力。目前的制动盘大多都采用均质材料，如球墨铸铁。均质材料制动盘由于各个部分 的热膨胀系数相同，由温度的不均勻分布导致了材料的不均勻膨胀使得制动盘产生了较大 的热应力，若能够根据制动时温度的分布情况，制造一种外侧的热膨胀系数较小而内侧的 内膨胀系数较大的制动盘，则可以抵消部分温度不同所带来的膨胀差异，从而达到减小热 应力的目的。因此，本发明采用A1和SiC材料组成的梯度材料来制造制动盘。A1的热膨胀系数为23. 610_6/K，SiC的热膨胀系数为4. 3510_6/K。在Al/SiC梯度 材料中，SiC的体积分数越高，材料的热膨胀系数越低。根据制动过程中温度的分布情况， 在靠近制动盘中心部分的内侧，SiC的体积分数较低，而在远离制动盘中心部分的外侧SiC 的体积分数较高，这样便能够减小温度差异带来的热膨胀的不均勻性，降低热应力，从而达 到减小热裂纹出现概率，延长制动盘使用寿命的目的。
发明内容
本发明的目标是降低汽车制动时制动盘的热应力值和温度，以减少热应力裂纹出 现的概率，提高制动盘的使用寿命。本发明主要由螺栓孔，法兰，散热加强筋板构成。制动盘主要为空心结构，内部分 布有散热加强筋板。制动盘法兰主要使用功能梯度材料，该梯度材料由A1和SiC组成，SiC 体积分数沿法兰内径至外径逐渐增大。将法兰沿径向大致分为七层，由内至外，SiC的体积 分数分别为5 %，10 %，15 %，20 %，25 %，30 %，35 %。经模拟仿真和实验测试，初始速度为 120Km/h的工况下制动，使用SiC体积分数为5% 35%的梯度材料制动盘其温度场及热应 力场的分布最合理。由于随着SiC体积分数的增加，材料的热膨胀系数及热导率降低，而在制动过程 中制动盘外侧的温度较高，因此从理论上分析，当制动盘外侧使用热导率及热膨胀系数较 低的材料时，可以有效地降低制动盘外侧的温度及热应力，使得制动盘上的温度及热应力
3分布更为合理。经实验测试，与传统的球黑柱体制动盘或均质的Al/SiC复合材料制动盘相比，梯 度材料制动盘在高频率制动工况下，制动盘的热应力约从200MPa下降到164MPa ；并且，梯 度材料制动盘的温度也明显低于球墨铸铁及均质的Al/SiC制动盘，实验测得，球墨铸铁 制动时温度可达238. 7°C，SiC体积分数为20%的复合材料制动时的温度约为187°C，而 使用梯度材料制动盘(SiC体积分数从5% 35%递增，平均体积分数约20% )温度只有 129. 5°C。因此，相比球墨铸铁和均质Al/SiC复合材料的制动盘，梯度材料制动盘在制动时 不易出现热应力裂纹，大大延长了制动盘的使用寿命。同时，该材料的制动盘相比传统制动 盘，重量较低，且随着SiC体积分数的增加，制动盘的耐磨性也有所提升。
图1为梯度材料制动盘的三维图形；图2为梯度材料制动盘的俯视图；图3为梯度材料制动盘的侧视图；图4为图3中1-1截面的半剖视图；图5为制动盘法兰梯度材料的分层图。
具体实施例方式制动盘的总体结构如图1-图3所示。制动盘由螺栓孔1、法兰2组成、散热加强筋 板3组成。制动盘中间为空心结构，并如图4所示，等间距的分布有30个散热加强筋板3。散 热加强筋板3的两条边11指向圆心，其夹角约为4°梯度材料主要分布在制动盘的法兰2上，如图5所示。本发明使用的梯度材料主 要包含A1和SiC材料。按照SiC的体积分数，将法兰大致分成七层，径向由内至外SiC的 体积分数逐渐增大。最内层4的SiC体积分数为5%，中间层5-中间层9的SiC体积分数 分别为10%、15%、20%、25%、30%，最外层10的SiC体积分数为35%。即SiC的体积分 数以5%为基数由内至外递增。
权利要求
一种供车辆使用的梯度材料制动盘，该制动盘由螺栓孔，法兰，散热加强筋板组成。
2.如权利要求书1所述，该制动盘的法兰分上、下两个工作面，中间设有通风孔道。汽 车制动时，通分孔道有利于热量的散发，从而降低制动盘的温度。
3.如权利要求书2所述，制动盘绕圆心共设置30个通风孔道，每个通风孔道的宽度和 通风孔道间的间距相同。
4.如权利要求书1所述，该制动盘的法兰主要采用Al、SiC成分的梯度材料。根据制 动时热应力的分布来构造材料组分的梯度分布，该摩擦衬片相比常规制动盘制动时拥有更 低的温度和热应力。
5.如权利要求书4所述的制动盘，其梯度材料按照SiC的体积分数从5% 35%梯度 分布。由于制动时摩擦衬片的外侧温度较高，内侧温度较低，因此在摩擦衬片的外侧SiC的 成分较高(35% )，而内侧的SiC成分较低(5% )，使摩擦衬片的外侧拥有更低的热膨胀系 数，以减小温度分布不均产生的热应力。
6.如权利要求书5所述的制动盘，将摩擦衬片由内至外分成七层，SiC的体积分数分别 为5%，10%，15%，20%，25%，30%和35%。相应地Al的体积分数则由内至外从95%至 65%递减。
全文摘要
本发明提出了一种梯度材料的车辆制动盘。制动盘在制动过程中会产生大量的热及较大的热应力，从而导致热应力裂纹的产生，减短了制动盘的使用寿命。梯度材料制动盘能够有效地降低汽车制动时，制动盘的热应力及表面温度。该制动盘利用A1和SiC组成的梯度材料，SiC的体积分数由内至外从5％到35％递增。与常规制动盘相比，梯度材料的制动盘可以降低制动时产生的热应力约20％～30％，且温度降低了近50％，从而减小了制动时制动盘的损耗，延长了制动盘的寿命。
文档编号F16D65/12GK101936353SQ20101021048
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者李永, 舒畅 申请人:北京理工大学