CN105673738A - 一种组合式碳纤维复合材料刹车盘 - Google Patents

Abstract

一种组合式碳纤维复合材料刹车盘，包括两个单面盘和多个通风片。各单面盘的一个盘面为摩擦面，另一个盘面为非摩擦面。多个通风片均布并固定在两个单面盘的非摩擦面之间，由所述相邻的各通风片之间的间距形成了通风槽。本发明采用组合式的结构，减小了各组合件的厚度，缩短了制备周期和成本，并且在各种使用环境下能够更快的进行散热，降低刹车温度，提高制动机构的安全可靠性，延长使用寿命。通过对单面盘非摩擦面和通风片表面的防氧化涂层处理，能够有效避免结构损坏和失效等影响行驶安全隐患，提高了产品的安全性和可靠性。

Description

一种组合式碳纤维复合材料刹车盘

技术领域

本发明涉及刹车盘制造领域，具体是一种组合式碳纤维复合材料刹车盘。

背景技术

随着汽车、高速列车等行业向高速、重载、安全、舒适、节能、环保以及轻量化等方向发展，传统的半金属和粉末冶金刹车材料已逐渐不能满足该行业的发展需求，西方发达国家早在20世纪90年代就将目光投向了性能更为优异的航空用碳纤维增韧碳基、碳陶基复合刹车材料，该类刹车材料具有重量轻、比强度高、比热大、摩擦系数稳定、高温力学性能好等诸多优点。德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位的研究人员研制出了碳纤维增韧碳陶基复合材料刹车盘应用于保时捷轿车；法国TGVNG高速列车和日本新干线已试用碳纤维增韧碳陶基复合材料闸瓦；碳纤维增韧碳基复合材料刹车盘已成功在F1赛车上开始应用。

由于连续碳纤维增韧碳基、碳陶基复合刹车材料存在制造成本高、周期长、内部结构设计局限性大的缺点，应用于汽车等非航空刹车领域的难度较大。而短碳纤维增韧碳基、碳陶基复合刹车材料先通过模压成型，然后经过CVI、液相浸渍或反应烧结等方式能够快速的进行制备，具有周期短，成本低的优点，备受人们的青睐。然而，由于该刹车材料的增韧相为非连续性的短碳纤维，使其结构强度较低，在受到冲击或振动等严酷条件下易出现掉块、裂纹等结构损伤，并最终可能导致其整体结构失效的严重安全事故，因此，研究与制备出成本低、周期短、结构设计性强、且强度高的碳纤维增韧碳基、碳陶基复合刹车材料是目前研究的重点方向。

发明专利US2011/0100773A1公开了一种汽车用短碳纤维增韧碳陶基复合材料刹车盘，为提高刹车盘与轮毂连接部位螺栓孔的结构强度，该发明在刹车盘模压成型时采用连续碳纤维缠绕的方式对螺栓孔进行了结构增强，提高了该部位的结构强度。但是，该发明仅提高了刹车盘局部的结构强度，整体结构强度仍旧较低。

发明内容

为克服现有碳纤维增韧碳基、碳陶基复合材料刹车盘的不足，本发明提出了一种组合式碳纤维复合材料刹车盘。

本发明包括两个单面盘和多个通风片。所述各单面盘的一个盘面为摩擦面，另一个盘面为非摩擦面。在所述摩擦面靠近内缘处有一个环形阶梯状凹面，在该环形凹面内均布有一圈单面盘螺栓孔。所述多个通风片均布并固定在两个单面盘的非摩擦面之间，由所述相邻的各通风片之间的间距形成了通风槽。

所述各通风片的两个侧边为直边或弧形边；各通风片的两端均为弧形边，并且各通风片的内端弧形边的曲率与所述单面盘内圆的曲率相同，各通风片的外端弧形边的曲率与所述单面盘外圆的曲率相同；当各通风片固定在所述单面盘1的盘面上后，各通风片内端的弧形边与各单面盘的内圆重合；各通风片外端的弧形边与各单面盘的外圆重合。

所述相邻的各通风片的两个侧边为直边或弧形边，由各通风片不同形状的两个侧边构成了直线形或弧线形的通风槽。

在所述各通风片上分别加工有通风片螺栓孔、铆钉孔和通风片销钉孔，并使所述的通风片螺栓孔、铆钉孔和通风片销钉孔自各通风片的内圆至外圆排列。所述通风片螺栓孔、铆钉孔、通风片销钉孔的位置分别对应于单面盘上径向分布的单面盘螺栓孔、台阶孔和单面盘销钉孔。

所述单面盘包括第一单面盘和第二单面盘，并且该第一单面盘和第二单面盘的结构互为镜像对称。

本发明是一种用于汽车、高速列车等非航空刹车领域的组合式碳纤维复合材料刹车盘。本发明中的单面盘、通风片和碳销钉采用连续碳纤维整体针刺毡为预制体，通过现有的化学气相沉积增密、液相浸渍增密或熔融渗硅的方法制备出碳纤维增韧碳基或碳纤维增韧碳陶基复合材料，然后利用机械加工制得。

本发明中，组装后的刹车盘的结构为：通风片位于两个单面盘的内表面之间，并沿两个单面盘内表面的径向进行环形排列，该通风片的内端与两个单面盘的内圆贴合，通风片的外端与两个单面盘的外圆贴合。通风片螺栓孔、铆钉孔和通风片销钉孔分别与两个单面盘上的单面盘螺栓孔、台阶孔和单面盘销钉孔重合，相邻两个通风片之间构成一个通风槽。所述铆钉配合安装在两个单面盘的台阶孔和通风片的铆钉孔内，铆钉的长度小于组合式碳纤维复合材料刹车盘的总厚度；所述碳销钉紧密配合安装在两个单面盘上的单面盘销钉孔和通风片销钉孔内，碳销钉的长度与组合式碳纤维复合材料刹车盘的总厚度相等。

现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

1、本发明采用的增韧相为连续碳纤维，刹车盘结构强度较高，能够在振动或受到冲击等恶劣工况下正常使用，安全可靠性高；

2、本发明采用组合式的结构，将一件刹车盘分为两个单面盘和通风片三部分，每一部分的厚度较整体式刹车盘的厚度大大减小，使产品在制备过程中能够快速增密，大幅缩短制备周期和成本；并且通风片为非损耗件，刹车盘使用到寿后可重复使用，仅更换单面盘，能够进一步降低制造和使用成本。

3、短碳纤维模压成型工艺对于通风槽结构较为复杂的刹车盘，模具设计与制造较为复杂、困难，并且成型难度高；现有技术整体式连续碳纤维复合材料刹车盘仅能设计加工出结构较为简单的通风槽；本发明采用组合式的结构，可以较为容易和灵活的通过改变通风片的外形和排布来实现简单或复杂的通风槽结构设计，使刹车盘在各种使用环境下能够更快的进行散热，降低刹车温度，提高制动机构的安全可靠性，延长使用寿命。

4、本发明采用组合式的结构，可以对单面盘的非摩擦面和通风片表面进行防氧化涂层处理，能够有效避免由于刹车温度较高致使刹车盘出现氧化并导致结构损坏和失效等影响行驶安全的问题发生；而现有的刹车盘由于其整体式的结构，通风槽内基本不进行防氧化涂层处理。

表1本发明与现有技术制备的产品性能对比

附图说明

图1为组合式碳纤维复合材料刹车盘的俯视图；

图2为组合式碳纤维复合材料刹车盘的侧向剖视图；

图3为组合式碳纤维复合材料刹车盘的内部结构俯视图。

附图中：

1.第一单面盘；2.第二单面盘；3.通风片；4.铆钉；5.碳销钉；6.单面盘销钉孔；7.台阶孔；8.单面盘螺栓孔；9.通风片螺栓孔；10.铆钉孔；11.通风片销钉孔；12.通风槽。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种汽车用组合式碳纤维增韧碳基复合材料刹车盘，包括第一单面盘1、第二单面盘2、通风片3、铆钉4和碳销钉5。其中，第一单面盘1、第二单面盘2、通风片3和碳销钉5采用连续碳纤维整体针刺毡为预制体，通过化学气相沉积增密的方法制备出碳纤维增韧碳基复合材料后，通过机械加工制得。

所述第一单面盘1和第二单面盘2的结构互为镜像对称。本实施例仅以第一单面盘为例加以详细描述。

所述第一单面盘1的一个盘面为摩擦面，另一个盘面为非摩擦面。在所述摩擦面靠近内缘处有一个环形阶梯状凹面，在该环形凹面内均布有一圈单面盘螺栓孔8。在所述分别位于第一单面盘盘面的环形凹面的外侧均布有一圈沉头铆钉孔7。在所述第一单面盘盘面的外缘处均布有一圈单面盘销钉孔6。

本实施例中，第一单面盘1和第二单面盘2的外径均为330mm，内径均为175mm，厚度均为11mm；所述各单面盘销钉孔6的直径均为5.5mm。各单面盘螺栓孔8的直径均为8mm；沉头铆钉孔7大孔的直径为9mm，孔深为6mm，台阶孔7小孔的直径为5.5mm；单面盘销钉孔6、单面盘螺栓孔8和台阶孔7的数量均为16个。

所述第一单面盘1的非摩擦面和第二单面盘2的非摩擦面之间均布有多个通风片3。由所述相邻的各通风片之间的间距形成了通风槽12。所述相邻的各通风片的两个侧边为直边或弧形边；各通风片的两端均为弧形边，并且各通风片的内端弧形边的曲率与所述第一单面盘1内圆的曲率和第二单面盘2内圆的曲率相同，当各通风片固定在所述第一单面盘1的盘面和第二单面盘2的盘面上后，各通风片内端的弧形边与各单面盘的内圆重合，各通风片外端的弧形边与各单面盘的外圆重合。各通风片的外端弧形边的曲率与所述第一单面盘1外圆的曲率和第二单面盘2外圆的曲率相同。所述各通风片两个侧边的形状与设计确定的通风槽的形状相同。各通风片不同形状的两个侧边构成了直线形或弧线形的通风槽。

在所述各通风片上分别加工有一个通风片螺栓孔9、一个铆钉孔10和一个通风片销钉孔11，并使所述的通风片螺栓孔、铆钉孔和通风片销钉孔自各通风片的内圆至外圆排列。所述通风片螺栓孔9的直径与单面盘螺栓孔8的直径相等，铆钉孔10的直径与台阶孔7小孔的直径相等，通风片销钉孔11的直径与单面盘销钉孔6的直径相等。

所述通风片螺栓孔、铆钉孔、通风片销钉孔的位置分别对应于第一单面盘1和第二单面盘2径向上的一组单面盘螺栓孔8、台阶孔7和单面盘销钉孔6。

本实施例中，通风片3的两个侧边均为弧形边。该通风片的厚度为8mm，通风片的数量与铆钉4和碳销钉5的数量相等，均为16个。

本实施例中，组装后的组合式碳纤维复合材料刹车盘的结构为：所述通风片3位于第一单面盘1和第二单面盘2的内表面之间，该通风片3沿第一单面盘1和第二单面盘2内表面的径向进行环形排列，相邻两个通风片3之间构成一个弧形通风槽12。各通风片3内端的弧面分别与第一单面盘1的内圆和第二单面盘2的内圆贴合，通风片3的外端分别与第一单面盘1的外圆和第二单面盘2的外圆贴合。所述通风片螺栓孔9、铆钉孔10和通风片销钉孔11的位置分别与第一单面盘1和第二单面盘2上的单面盘螺栓孔8、台阶孔7和单面盘销钉孔6的位置对应。所述铆钉4配合安装在第一单面盘1和第二单面盘2的台阶孔7和通风片3的铆钉孔10内，铆钉4的长度小于组合式碳纤维复合材料刹车盘的总厚度；所述碳销钉5紧密配合安装在第一单面盘1和第二单面盘2的单面盘销钉孔6和通风片销钉孔11内，碳销钉5的长度与组合式碳纤维复合材料刹车盘的总厚度相等。

本实施例中，铆钉4的长度为22mm，碳销钉5的长度为30mm。

本实施例中，第一单面盘1、第二单面盘2和通风片3均进行了现有磷酸盐防氧化涂层处理。

实施例二

本实施例是一种汽车用组合式碳纤维增韧碳陶基复合材料刹车盘，包括第一单面盘1、第二单面盘2、通风片3、铆钉4和碳销钉5。其中，第一单面盘1、第二单面盘2、通风片3和碳销钉5采用连续碳纤维整体针刺毡为预制体，通过现有的化学气相沉积和熔融渗硅的方法制备出碳纤维增韧碳陶基复合材料，然后利用机械加工制得。

所述第一单面盘1和第二单面盘2的结构互为镜像对称。本实施例仅以第一单面盘为例加以详细描述。

所述第一单面盘1的一个盘面为摩擦面，另一个盘面为非摩擦面。在所述摩擦面靠近内缘处有一个环形阶梯状凹面，在该环形凹面内均布有一圈单面盘螺栓孔8。在所述分别位于第一单面盘盘面的环形凹面的外侧均布有一圈沉头铆钉孔7。在所述第一单面盘盘面的外缘处均布有一圈单面盘销钉孔6。

本实施例中，第一单面盘1和第二单面盘2的外径为430mm，内径均为240mm，厚度均为15mm；单面盘销钉孔6的直径均为6.5mm；单面盘螺栓孔8的直径为均8mm；台阶孔7大孔的直径为10mm，孔深为8mm，台阶孔7小孔的直径为6.5mm；单面盘销钉孔6、单面盘螺栓孔8和台阶孔7的个数均为20个。

所述第一单面盘1的非摩擦面和第二单面盘2的非摩擦面之间均布有多个通风片3。由所述相邻的各通风片之间的间距形成了通风槽12。所述相邻的各通风片的两个侧边为直边或弧形边；各通风片的两端均为弧形边，并且各通风片的内端弧形边的曲率与所述第一单面盘1内圆的曲率和第二单面盘2内圆的曲率相同，当各通风片固定在所述第一单面盘1的盘面和第二单面盘2的盘面上后，各通风片内端的弧形边与各单面盘的内圆重合，各通风片外端的弧形边与各单面盘的外圆重合。各通风片的外端弧形边的曲率与所述第一单面盘1外圆的曲率和第二单面盘2外圆的曲率相同。所述各通风片两个侧边的形状与设计确定的通风槽的形状相同。各通风片不同形状的两个侧边构成了直线形或弧线形的通风槽。

在所述各通风片上分别加工有一个通风片螺栓孔9、一个铆钉孔10和一个通风片销钉孔11，并使所述的通风片螺栓孔、铆钉孔和通风片销钉孔自各通风片的内圆至外圆排列。所述通风片螺栓孔的直径与单面盘螺栓孔的直径相等，铆钉孔的直径与台阶孔7小孔的直径相等，通风片销钉孔11的直径与单面盘销钉孔6的直径相等。

所述通风片螺栓孔9、铆钉孔10、通风片销钉孔11的位置分别对应于第一单面盘1和第二单面盘2径向上的一组单面盘螺栓孔8、台阶孔7和单面盘销钉孔6。

本实施例中，通风片3的两侧边为直边。该通风片的厚度为10mm，通风片的数量与铆钉4和碳销钉5的数量相等，均为20个。

本实施例中，组装后的组合式碳纤维复合材料刹车盘的结构为：所述通风片3位于第一单面盘1和第二单面盘2的内表面之间，该通风片3沿第一单面盘1和第二单面盘2内表面的径向进行环形排列，相邻两个通风片3之间构成一个弧形通风槽12。各通风片3内端的弧面分别与第一单面盘1的内圆和第二单面盘2的内圆贴合，通风片3的外端分别与第一单面盘1的外圆和第二单面盘2的外圆贴合。所述通风片螺栓孔9、铆钉孔10和通风片销钉孔11的位置分别与第一单面盘1和第二单面盘2上的单面盘螺栓孔8、台阶孔7和单面盘销钉孔6的位置对应。所述铆钉4配合安装在第一单面盘1和第二单面盘2的台阶孔7和通风片3的铆钉孔10内，铆钉4的长度小于组合式碳纤维复合材料刹车盘的总厚度；所述碳销钉5紧密配合安装在第一单面盘1和第二单面盘2的单面盘销钉孔6和通风片销钉孔11内，碳销钉5的长度与组合式碳纤维复合材料刹车盘的总厚度相等。

本实施例中，铆钉4的长度为28mm，碳销钉5的长度为40mm。

本实施例中，第一单面盘1、第二单面盘2和通风片3均进行了现有磷酸盐防氧化涂层处理。

Claims (5)

1.一种组合式碳纤维复合材料刹车盘，其特征在于，包括两个单面盘和多个通风片；所述各单面盘的一个盘面为摩擦面，另一个盘面为非摩擦面；在所述摩擦面靠近内缘处有一个环形阶梯状凹面，在该环形凹面内均布有一圈单面盘螺栓孔；所述多个通风片均布并固定在两个单面盘的非摩擦面之间，由所述相邻的各通风片之间的间距形成了通风槽。

2.如权利要求1所述组合式碳纤维复合材料刹车盘，其特征在于，所述各通风片的两个侧边为直边或弧形边；各通风片的两端均为弧形边，并且各通风片的内端弧形边的曲率与所述单面盘内圆的曲率相同，各通风片的外端弧形边的曲率与所述单面盘外圆的曲率相同；当各通风片固定在所述单面盘1的盘面上后，各通风片内端的弧形边与各单面盘的内圆重合；各通风片外端的弧形边与各单面盘的外圆重合。

3.如权利要求1所述组合式碳纤维复合材料刹车盘，其特征在于，所述相邻的各通风片的两个侧边为直边或弧形边，由各通风片不同形状的两个侧边构成了直线形或弧线形的通风槽。

4.如权利要求1所述组合式碳纤维复合材料刹车盘，其特征在于，在所述各通风片上分别加工有通风片螺栓孔、铆钉孔和通风片销钉孔，并使所述的通风片螺栓孔、铆钉孔和通风片销钉孔自各通风片的内圆至外圆排列；所述通风片螺栓孔、铆钉孔、通风片销钉孔的位置分别对应于单面盘上径向分布的单面盘螺栓孔、台阶孔和单面盘销钉孔。

5.如权利要求1所述组合式碳纤维复合材料刹车盘，其特征在于，所述单面盘包括第一单面盘和第二单面盘，并且该第一单面盘和第二单面盘的结构互为镜像对称。