CN107630952A - 风道式制动盘以及轮式车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风道式制动盘以及轮式车辆，涉及车辆用制动盘相关的技术领域，解决了现有技术中存在的铸铁制动盘导热性差和重量较大的技术问题。该风道式制动盘，包括用于将制动盘与车辆轮毂同心紧固在车轴上的帽部位和与所述帽部位相连接的摩擦环，所述摩擦环由过共晶硅铝合金制成，所述帽部位由铝或铝合金制成。本发明中的摩擦环具有优异的导热率，尽管其导热率接近于铝或铝合金但大幅高于灰口铸铁，在制动盘体系中高导热率意味着提高摩擦面的热量迁移速度，可很快将热量从第一摩擦面和第二摩擦面迁移到帽部位并随后迁移至车毂，并散发于外部，进而实现制动体系的快速转冷；帽部位由铝或铝合金制成，降低了制造成本，整体更加轻型化。

Description

风道式制动盘以及轮式车辆

技术领域

本发明涉及车辆用制动盘相关的技术领域，尤其是涉及一种风道式制动盘以及轮式车辆。

背景技术

轮式车辆的减速和停车采用的是产生摩擦力的制动体系，为了保证汽车安全行驶，尤其是高速行驶(例如汽车行驶速度170km/h)和恶劣行驶环境(雨雪天气和陡峭弯曲路线)下的安全性，在各种汽车上都设有专用制动机构，这样的一系列专门装置即称为制动体系。

其中，盘式制动体系一般由固定于车身的制动钳(钳口固定刹车片)和与旋转车轮共轴安装的制动盘组成，当要对运行中的车辆进行减速和停车时，通过液动、气动或机电装置给予制动钳朝向制动盘夹紧的动作，并使刹车片与制动盘的摩擦面接触，通过刹车片与制动盘之间产生的摩擦力实现减速和停车。

从经济性和材料性质考虑，灰口铸铁一直是制动盘的常见且主要的制造材料，在实际使用过程中，本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

(1)因制动盘所使用的铸铁材料固有的低导热性的性质(例如制动盘用铸铁的导热性约40W/mK)，尤其在高速急停或连续刹车时，车辆的动能大部分转换成了热能，使刹车片与制动盘的摩擦面的界面产生极高温度(温度能达到700℃或以上)，这样的高温将导致摩擦材料(即刹车片和制动盘)之间的摩擦系数发生改变，从而降低制动性能，影响车辆运行的可靠性、安全性，并造成制动盘或其对刹车片的严重磨损；

(2)铸铁质制动盘的另一缺点在于高重量(铁密度约7.3g/cm³)，从而增加了车辆整体的重量，进而增加了燃料的消耗。当前，汽车等行业的发展总趋势是轻量化、燃油经济性和环境保护，因此，急需研发一种铸铁制动盘的替换材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风道式制动盘，以解决现有技术中存在的铸铁制动盘导热性差和重量较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种风道式制动盘，包括用于将制动盘与车辆轮毂同心紧固在车轴上的帽部位和与所述帽部位相连接的摩擦环，所述摩擦环由过共晶硅铝合金制成，所述帽部位由铝或铝合金制成。

优选地，所述过共晶硅铝合金的化学成分包括硅和铝，其中硅的质量占所述摩擦环质量的百分比为25-70％。

优选地，所述过共晶硅铝合金的化学成分还包括铜、镁、锰、铁、钴、镍、铬、钛、钼或钨中的一种或多种。

优选地，所述过共晶硅铝合金的化学成分还包括陶瓷颗粒。

优选地，所述陶瓷颗粒包括碳化硅颗粒和/或氧化铝颗粒，所述陶瓷颗粒的粒径为1～200μm，所述陶瓷颗粒的质量占所述摩擦环质量的百分比为0～25％。

优选地，所述硅的粒径小于10μm。

优选地，所述摩擦环包括第一摩擦环和第二摩擦环，所述帽部位包括帽部位本体和支撑肋，所述帽部位本体与所述支撑肋相连接，所述第一摩擦环和第二摩擦环上均设有中心孔，所述帽部位本体位于所述中心孔内且与所述第一摩擦环和第二摩擦环相连接，所述第一摩擦环与所述第二摩擦环之间设有呈圆周方向间隔设置的所述支撑肋，所述摩擦环之间与所述支撑肋之间的间隔空间形成了气流通道。

优选地，沿所述摩擦环的轴向方向的所述支撑肋的两端之间的直线距离为所述支撑肋的厚度，所述第一摩擦环的厚度、所述支撑肋的厚度和所述第二摩擦环的厚度之和为制动盘厚度，所述支撑肋的厚度为气流通道宽度，所述制动盘厚度与气流通道宽度的比值为1.5～3。

优选地，所述支撑肋与所述帽部位本体两者为固定连接或一体式结构。

本发明还提供了一种轮式车辆，包括车轮和上述风道式制动盘，所述风道式制动盘通过车轴与所述车轮连接且能随所述车轮转动。

本发明的有益效果：

本发明提供的风道式制动盘，其摩擦环由过共晶硅铝合金制成，具有优异的导热率，尽管其导热率接近于铝或铝合金，但大幅高于灰口铸铁，在制动盘体系中高导热率意味着提高摩擦面的热量迁移速度，可以很快将热量从第一摩擦面和第二摩擦面迁移到帽部位并随后迁移至车毂，并散发于外部，进而实现制动体系的快速转冷。通过摩擦面热量的快速转移同时也使得摩擦面的高温峰值得到有效降低，高温峰值的降低意味着制动盘与刹车片之间的摩擦系数波动得到稳定，体现出制动震颤的降低和噪音减小，给制动带来舒适性和安全性，同时也降低了整个制动盘对刹车片的磨损，提高了制动盘和刹车片的使用寿命；帽部位由铝或铝合金制成，降低了制造成本，整体更加轻型化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明中的风道式制动盘的正视图；

图2是本发明中的风道式制动盘的侧视剖面图。

附图标记：1、摩擦环；2、帽部位本体；3、中心孔；4、固定孔；5、支撑肋；6、第一摩擦环；7、第一摩擦面；8、第二摩擦环；9、第二摩擦面；10、气流通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参见图1～图2，本发明提供了一种风道式制动盘，包括用于将制动盘与车辆轮毂同心紧固在车轴上的帽部位和与帽部位相连接的摩擦环1，摩擦环1包括第一摩擦环6和第二摩擦环8，帽部位包括帽部位本体2和支撑肋5，帽部位本体2与支撑肋5相连接，第一摩擦环6和第二摩擦环8上均设有中心孔3，帽部位本体2位于中心孔3内且与第一摩擦环6和第二摩擦环8相连接，第一摩擦环6与第二摩擦环8之间设有呈圆周方向间隔设置的支撑肋5，其中支撑肋5与帽部位本体2可以为固定连接或一体式结构，摩擦环1与支撑肋5之间的间隔空间形成了气流通道10(也简称风道)。

第一摩擦环6上设有能与刹车片接触的第一摩擦面7，第二摩擦环8上设有能与刹车片接触的第二摩擦面9，当要对运行中的车辆进行减速和停车时，通过液动、气动或机电装置给予制动钳朝向制动盘夹紧的动作，并使刹车片与制动盘的摩擦面接触，通过刹车片与制动盘之间产生的摩擦力实现减速和停车，在制动过程中由于摩擦力转换热能的最高温度集中于第一摩擦面7和第二摩擦面9，第一摩擦环6和第二摩擦环8在制动期间承受了较高的温度和载荷，因此对于第一摩擦环6和第二摩擦环8的材质性能需满足以下要求：

(1)具有充分的耐磨性；

(2)具有与刹车片常温至高温的稳定摩擦系数；

(3)具有高温强度和高温抗变形能力(高温硬挺度)；

(4)高导热性。

符合上述条件的是过共晶硅铝合金，更具体讲，过共晶硅-铝合金是指硅含量超过硅-铝共晶相12％Si的合金，本发明中的摩擦环1由过共晶硅铝合金制成，过共晶硅铝合金的化学成分包括硅和铝，其中硅的质量占摩擦环1的质量的百分比为25-70％，其余主要为铝，需要说明的是，发明的过共晶硅铝合金的成分中，不仅包含硅和铝，也可以按技术要求添加入对最终性能有益的一或多种组元，例如铜、镁、锰、铁、钴、镍、铬、钛、钼、钨等金属或其合金，或者粉末状增强材料，例如陶瓷颗粒，陶瓷颗粒包括碳化硅颗粒和/或氧化铝颗粒，陶瓷颗粒的粒径为1～200μm，陶瓷颗粒的质量占摩擦环1的质量百分比为0～25％，以提高制动盘的强度和某方面要求的性能耐磨性。

在整个过共晶硅铝合金组织中，均匀分散了细致(平均晶粒直径10μm以内)、均匀的初生硅晶粒，由于这些硅晶粒与合金基(过共晶硅铝合金中除了硅以外的成分的组合)呈良好的亲和性，因此即便在制动的高温下，合金基也将牢固的把持硅晶粒，不会从第一摩擦面7和第二摩擦面9上脱落，并由于硅呈较高的莫氏硬度7级，使第一摩擦面7和第二摩擦面9具有高硬度和高耐磨表面的性质；此外，铝的莫氏硬度为2.75，在第一摩擦面7和第二摩擦面9受到磨损下，首先被磨除的是软质铝，随后在第一摩擦面7和第二摩擦面9上将呈现出硅晶粒与刹车片接触，由于合金基对硅晶粒良好的把持性，因此露出的硅晶粒会因磨损而变得表面圆钝，使其对刹车片的磨损达到了最小值。

此外，本发明中的过共晶硅铝合金具有优异的导热率，尽管其导热率接近于铝或铝合金，但大幅高于灰口铸铁。在制动盘体系中高导热率意味着提高摩擦面的热量迁移速度，可以很快将热量从第一摩擦面7和第二摩擦面9迁移到帽部位并随后迁移至车毂和车轴，并散发于外部，进而实现制动体系的快速转冷。通过摩擦面热量的快速转移同时也使得摩擦面的高温峰值得到有效降低，高温峰值的降低意味着制动盘与刹车片之间的摩擦系数波动得到稳定，体现出制动震颤的降低和噪音减小，给制动带来舒适性和安全性，同时也降低了整个制动盘对刹车片的磨损，提高了制动盘和刹车片的使用寿命。

当过共晶硅铝合金中的硅含量占摩擦环1的质量的百分比处于25-70％时，硅将以连续网状的相存在，即便处于高温/压制条件，组织中的硅晶粒将呈现出“拱桥”效应，抵抗高温/压制下变形(即硬挺度和高温强度)，降低了因制动盘变形造成的震颤和噪音。

本发明中的过共晶硅铝合金的进一步优势，在于组织中的硅的粒径小于10μm带来可加工性，可以用硬质合金或聚晶金刚石刀具进行切削加工，可以用金刚石砂轮进行磨削、研磨加工，使得经过整形和修磨后的摩擦面，在尺寸、公差和表面状况得到保证，一经组装便可以与刹车片形成良好的接触，消除或缩短了与刹车片的磨合期，体现出充分的驾乘舒适性。

本发明中的部分过共晶硅铝合金与常规铝合金的性能对比参见表1。

表1

需要说明的是，常规铝合金中的Al 6061是Al-Mg-Si系铝合金中的一种，Al4047是Al-Si系铝合金中的一种，二者均不属于过共晶硅铝合金；导热率按导热系数测试标准ASTME 1461-01测量；抗拉强度、屈服强度和延伸率按GB/T228.1-2010测量；密度采用阿基米德法测量。

从上表可以看出，根据屈服强度室温与高温的对比可以看到，常规铝合金随温度的升高，强度急剧降低；而过共晶硅铝合金随着温度的升高，强度下降趋势减缓；本发明中的过共晶硅铝合金的密度较小；在众多材料中最具竞争性的材料是铝质材料(约2.7g/cm³)，体现出重量轻(等比铸铁可以减轻重量约三分之二)、高导热率(例如Al 6061的导热率为210W/mK)、加工性好等优点，纯铝和常规铝合金存在缺点是硬度低(耐磨性差)、高温强度低等，因此并不能简单用铝来替换铸铁，此外，常规铝合金的导热率虽然较高但其延伸率一般都超过5％，因在制动条件下容易发生变形，也是不适合与作为摩擦环1的材料的原因之一；从第一摩擦环6和第二摩擦环8对材质的所需性能方面综合考虑，较铝合金而言本发明中的过共晶铝合金综合性能更好更适于制作摩擦环1。

从经济性、轻型化和材料性质考虑，帽部位的材料由轻质、高导热率、抗冲击性的铝或铝合金构成，例如参考“美国汽车协会汽车用铝及铝合金”的4000系列、5000系列、6000系列等和与之对应型号或性能的材料。

本发明中的风道式制动盘通过采用不同铝制材质的结合，帽部位用常规的汽车用高强度铝或铝合金，摩擦环1采用过共晶硅铝合金，在改善耐磨性的主要特性要求的前提下，通过利用铝制材料的高导热率性质，大幅提高了制动盘的散热性(铝或其合金的导热率为铸铁的3-5倍)。而进一步结合采用风道式散热的设计方式(即热对流)，按照热对流的原理，导热率越高的材质，传导的热量越高，因此在其它条件对等情形下，铝质风道式制动盘比铁质风道使制动盘的热对流散热效率更高。

沿摩擦环1的轴向方向的支撑肋5的两端之间的直线距离为支撑肋5的厚度，支撑肋5的厚度为气流通道10的宽度，气流通道10的宽度为W₂，第一摩擦环6的厚度、支撑肋5的厚度和第二摩擦环8的厚度之和为制动盘厚度，制动盘厚度为W₁，制动盘厚度与气流通道10的宽度的比值用T表示，T＝W₁/W₂，常规铸铁质的制动盘厚度W₁与气流通道10的宽度W₂之间的比值T为3.2-4，而本发明采用了铝制材料，由于与铸铁材质在导热率、延伸率等物理性质方面存在很大差异，因此在制动盘厚度W₁与气流通道10的宽度的比值，也将存在一定差异。优选的，制动盘厚度与气流通道10的宽度W₂的比值为T为1.5～3。

当制动盘厚度的值确定下，制动盘厚度与气流通道10的宽度的比值越小，气流通道越宽，对流散热效率越高；反之制动盘厚度与气流通道10的宽度的比值越大，气流通道10越窄，对流散热效率越低。

此外本发明还提供了一种轮式车辆，包括车轮和上述风道式制动盘，风道式制动盘的帽部位带有一个中心孔3和若干固定孔4，使风道式制动盘通过车轴与车轮连接且能随车轮转动。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风道式制动盘，包括用于将制动盘与车辆轮毂同心紧固在车轴上的帽部位和与所述帽部位相连接的摩擦环，其特征在于，所述摩擦环由过共晶硅铝合金制成，所述帽部位由铝或铝合金制成。

2.根据权利要求1所述的一种风道式制动盘，其特征在于，所述过共晶硅铝合金的化学成分包括硅和铝，其中硅的质量占所述摩擦环的质量的百分比为25-70％。

3.根据权利要求2所述的一种风道式制动盘，其特征在于，所述过共晶硅铝合金的化学成分还包括铜、镁、锰、铁、钴、镍、铬、钛、钼或钨中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的一种风道式制动盘，其特征在于，所述过共晶硅铝合金的化学成分还包括陶瓷颗粒。

5.根据权利要求4所述的一种风道式制动盘，其特征在于，所述陶瓷颗粒包括碳化硅颗粒和/或氧化铝颗粒，所述陶瓷颗粒的粒径为1～200μm，所述陶瓷颗粒的质量占所述摩擦环质量的百分比为0～25％。

6.根据权利要求2所述的一种风道式制动盘，其特征在于，所述硅的粒径小于10μm。

7.根据权利要求1所述的一种风道式制动盘，其特征在于，所述摩擦环包括第一摩擦环和第二摩擦环，所述帽部位包括帽部位本体和支撑肋，所述帽部位本体与所述支撑肋相连接，所述第一摩擦环和所述第二摩擦环上均设有中心孔，所述帽部位本体位于所述中心孔内且与所述第一摩擦环和第二摩擦环相连接，所述第一摩擦环与所述第二摩擦环之间设有呈圆周方向间隔设置的所述支撑肋，所述摩擦环之间与所述支撑肋之间的间隔空间形成了气流通道。

8.根据权利要求7所述的一种风道式制动盘，其特征在于，沿所述摩擦环的轴向方向的所述支撑肋的两端之间的直线距离为所述支撑肋的厚度，所述第一摩擦环的厚度、所述支撑肋的厚度和所述第二摩擦环的厚度之和为制动盘厚度，所述支撑肋的厚度为气流通道宽度，所述制动盘厚度与气流通道宽度的比值为1.5～3。

9.根据权利要求7所述的一种风道式制动盘，其特征在于，所述支撑肋与所述帽部位本体两者为固定连接或一体式结构。

10.一种轮式车辆，包括车轮和权利要求1～9任一项所述风道式制动盘，所述风道式制动盘通过车轴与所述车轮连接且能随所述车轮转动。