CN109578468B - 具有受控的压缩因子的增材制造的制动衬块组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制动衬块组件，其具有加固的衬垫，该衬垫包括设置在摩擦衬垫内的增强框架，该增强框架与摩擦衬垫具有基本上相同的压缩因子。可以有利地使用增材制造技术来制造增强框架或摩擦衬垫。

Description

具有受控的压缩因子的增材制造的制动衬块组件

技术领域

本公开涉及在机动车辆中使用的制动衬块的设计和制造。

背景技术

车辆制动衬块需要提供特定的摩擦系数以用于正确操作，以便使移动的车辆减速或停止。制动衬块包括牺牲性摩擦衬垫，以用作提供合适的摩擦系数的摩擦表面。因此，通过设计，制动衬块包括将需要随着时间推移而更换的消耗元件。因此，期望的是，通过改善制动衬块的摩擦表面的耐磨性来改善制动衬块的预期寿命。

摩擦衬垫通常是由多种成分组成的工程摩擦复合物，例如，混合在一起的粘合剂、填料、摩擦改进剂、固体润滑剂等。一些设计可以通过使用设置在摩擦衬垫内的加强结构而被改善，与不具有加强结构的摩擦衬垫相比，其能够改善噪音降低和耐磨性。为了优化制动衬块的实用性，遍及摩擦衬垫的整个摩擦表面，摩擦系数应当基本一致。因此，期望的是，设计在摩擦衬垫内的这样的加强结构以便在操作期间改善耐磨性和噪音降低：该加强结构所具有的摩擦系数和压缩因子与形成制动衬块的其余部分的摩擦复合物的摩擦系数和压缩因子基本上相等。

发明内容

本公开的一个方面涉及这样的制动衬块组件，其具有基板、从基板延伸的摩擦衬垫、以及设置在摩擦衬垫内并分散在整个摩擦衬垫中的增强框架。增强框架为摩擦衬垫提供加强，并且被设计成使得其压缩因子基本上等于摩擦衬垫的压缩因子，以使得在制动衬块的摩擦表面处的摩擦衬垫和增强结构二者协调地以单个部件的方式起作用。

本公开的另一方面涉及这样的制动衬块组件，其包括基板、从基板延伸的增强框架、以及渗透增强框架的摩擦衬垫。增强框架为摩擦衬垫提供加强，并且包括交织的（interlaced）格子结构。在一些这样的实施例中，可以使用增材制造技术来制造交织的格子结构。

本公开的另一方面涉及制造制动衬块组件的方法。该方法包括组装加固的（consolidated）衬垫，该衬垫包括被摩擦衬垫渗透的增材制造的增强框架。在组装之后，将加固的衬垫结合到背板并且固化以产生制动衬块组件。

根据本公开的又另一方面，增强结构的组装可包括特定的增材制造技术。

根据本公开的其他可选方面，制动衬块组件可包括在增强框架的组装期间、并且特别是在通过增材制造工艺组装期间设置在增强框架内的附加的传感器。

将在下文参考附图更详细地解释本公开的上述方面和其他方面。

附图说明

图1a是根据本文的教导的实施例的制动衬块组件的俯视图。

图1b是图1a中所示出的制动衬块组件的等距视图。

图2是包括连结的蜂窝布置的制动衬块组件的增强框架的等距视图。

图3是制动衬块组件的增强框架的等距视图，其具有包括一系列弹簧状线圈的布置。

图4a-4d示出了被构想在制动衬块组件的增强结构中使用的弹簧状结构的替代实施例。

图5是流程图，其示出根据本文的教导的实施例的制造制动衬块组件的一种方法。

具体实施方式

参考附图公开了所示出的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例意图仅仅是可以以各种形式和替代形式实施的示例。附图并非必然按照比例绘制，并且一些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的细节。所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而应被解释为用于教导本领域技术人员如何实践所公开的构思的代表性基础。

图1a示出了根据本文所公开的实施例的制动衬块组件100的俯视图。图1b示出了图1a的制动衬块组件100的等距视图。制动衬块组件100包括基板102，基板102具有支撑组件其余部分的表面103。从基板102的表面103延伸的是加固的衬垫104，其包括设置在摩擦衬垫108内的增强框架106。增强框架106为加固的衬垫104提供支撑，从而改善制动衬块组件的耐久性。为了优化加固的衬垫104的耐久性，增强框架106是可压缩的，其具有根据制动衬块组件100将与其一起实施的车辆的规格的压缩因子。增强框架106的构造和材料组分与增强框架106的压缩因子高度相关，并且其可以根据相关联的车辆的要求被设计成在制动衬块需要的规格内。在所示出的实施例中，重复的几何增强框架106包括许多弹簧状结构，以实现所期望的压缩性。增强框架106的材料组分可包括金属、金属合金、酚醛树脂、摩擦改进剂、固体润滑剂、熔融聚合物、陶瓷颗粒，或任何复合物或本领域普通技术人员已知的这样的成分材料的组合。在所示出的实施例中，增强框架106包括被布置成蜂窝结构的铝合金，但是其他实施例可以包括其他材料组分或其他布置而不偏离本文的教导。关于增强框架106的组分和构造的进一步讨论将在稍后关于其他附图提出。

制动衬块组件100的摩擦衬垫108包括渗透增强框架106并且具有由车辆规格确定的摩擦系数的材料，制动衬块组件100将与该车辆一起实施。摩擦衬垫108的材料组分决定摩擦衬垫108的摩擦系数和压缩因子二者。摩擦衬垫108可以使用例如以下的成分材料来制造：粘合剂、填料、摩擦改进剂、固体润滑剂、熔融聚合物、金属、金属合金、陶瓷颗粒、酚醛树脂或本领域普通技术人员已知的这样的成分材料的任何组合。在所示出的实施例中，摩擦衬垫108已经渗透增强框架106的大部分，并且已经将组合材料的合适部分切割成适当的尺寸和形状以形成制动衬块组件100的加固的衬垫104。

有利地，当增强框架106和摩擦衬垫108的压缩因子基本上相等时，制动衬块组件100的耐久性被优化。在本文的公开内容中，如果增强框架106和摩擦衬垫108的压缩因子二者都在制动衬块组件100将与其一起实施的车辆所需要的指定值内，则增强框架106和摩擦衬垫108的压缩因子可以被认为是基本上相等的。在一个实施例中，增强框架106的压缩因子和摩擦衬垫108的压缩因子可各自在将被认为基本上相等的指定压缩因子的5％（公差）范围内。其他实施例可包括其他指定的公差，而不偏离本文的教导。

多个传感器可被设置在加固的衬垫104内。在所示出的实施例中，这些传感器包括磨损传感器110、温度传感器112、压力传感器114和振动传感器116，但是其他实施例可包括其他传感器布置，包括具有多个相同类型的传感器的布置。磨损传感器110可操作以提供与制动衬块组件100的机械磨损相关的信号，包括由在制动器的正常操作期间所经历的摩擦力引起的机械磨损。温度传感器112可操作以提供与制动衬块组件100的摩擦表面的当前温度相关的信号，所述摩擦表面包括加固的衬垫104的摩擦表面。压力传感器114可操作以提供与在主动正常制动功能期间被施加到制动衬块组件100的挤压力（例如，压缩力）相关的信号。振动传感器116可操作以提供与由制动衬块组件100所经历的振动的程度相关的信号，包括在制动器的正常操作期间。由传感器提供的信号可以采取如下形式：视觉指示、可听见的声音、有线电磁传输、无线电磁传输或本领域普通技术人员已知的任何其他形式的信号，而不偏离本文的教导。一些实施例可以包括提供相同类型的信号的传感器阵列。一些实施例可以包括提供不同类型的信号的传感器阵列。一些实施例可以包括提供多种信号类型的传感器（例如，磨损传感器110可操作以提供视觉指示以及无线电磁传输二者，以与加固的衬垫104的摩擦表面的机械磨损相关）。一些实施例可以包括多个传感器，其提供针对相同测量的不同类型的信号（例如，2个磨损传感器110的阵列，其中磨损传感器中的一个提供视觉指示，而另一个提供无线电磁传输）。

图1a、1b中示出的实施例包括加固的衬垫104，加固的衬垫104包括被布置为重复的蜂窝结构的增强框架106，但是其他实施例可以包括增强框架106的其他布置。有利地，蜂窝结构可以用于控制在正常操作期间制动衬块组件100的声学噪音和振动。被构造成具有重复的几何结构的增强框架104可以有利地改善制造加固的衬垫104的成本效率。在所示出的实施例中，组装包括由摩擦衬垫108渗透的增强框架106的大型产品，并且从该大型产品以合适的尺寸和形状切割出加固的衬垫104，以与背板102相匹配。增强框架106的规则重复几何形状允许加固的衬垫104从大型产品的任何部分被切割出来，并且仍保持与制动衬块组件100的规格相匹配的所期望的特性。增强框架106的规则重复几何形状另外有利于产生这样的加固的衬垫104：该加固的衬垫遍及制动衬块组件100的整个摩擦表面具有一致的特性，包括摩擦系数和压缩因子。在一个实施例中，加固的衬垫104遍及制动衬块组件100的摩擦表面提供一致的特性，使得增强框架106的重复的几何形状在与基板102平行的任何任意平面内几何地重复。因此在该实施例中，当在制动衬块组件的正常操作期间在制动衬块组件100的摩擦表面被磨损时，随着加固的衬垫104磨损，制动衬块组件100遍及其整个摩擦表面维持基本上相似的特性，包括摩擦系数和压缩因子。

在所示出的实施例中，加固的衬垫104包括摩擦衬垫108，摩擦衬垫108包括均匀混合的材料，但是也可以使用其他材料而不偏离本文的教导。均匀混合的材料是有利的，因为它在整个材料中具有一致的性质，从而导致具有均匀特性的衬垫。虽然单一材料提供天然均匀的混合物，但是具有多种组分材料的复合材料也可以被均匀地混合成具有均匀的性质一致性（consistency），以产生相同的优点。基本上均匀混合物的（homogenous-mixture）复合物将具有一致性以提供足够的均匀性，使得摩擦衬垫108的所有点将在制动衬块组件100的指定特性内。

然而，在对于摩擦系数、压缩因子、或在制动衬块组件的制造中要考虑的其他设计因子具有不同指定要求的实施例中，制造制动衬块组件100的其他形式可能是优选的。图2示出了不完整的制动衬块组件200，通过将制动衬块部件直接添加到基板202来执行其制造。在所示出的制造阶段中，增强框架204已经以直接联接到基板202的表面203的连结的蜂窝格子的几何重复的图案被组装，但增强框架204尚未被摩擦衬垫渗透。在一些实施例中，增强框架204使用铸造或模制工艺来构造。在一些实施例中，使用增材制造技术来构造增强框架204。在所示出的实施例中，增强框架204包括连结的蜂窝布置，但是其他实施例可以包括其他布置。

图3示出了呈不完整的制动衬块组件300的形式的一种这样的布置：制动衬块组件300具有带有表面303的基板302，表面303为包括分离的格子元件304的增强框架的组件提供支撑。格子元件304形成起到支撑摩擦衬垫的功能的框架，类似于图2的增强框架204。格子元件304可以类似地被设计成以与增强框架204的连结的设计相同的方式提供指定的摩擦系数和压缩因子。在所示出的实施例中，格子元件304包括线圈形格子。线圈形格子是有利的，因为它以弹簧常数的形式提供对每个格子元件304的压缩因子的简单控制。线圈形格子元件304可以被设计成具有与其他设计（例如，增强框架204）等同的特定压缩因子，或者可以具有制动衬块组件将与其一起实施的车辆的规格所需要的不同压缩性。在一些实施例中，使用铸造或模制工艺来构造格子元件304。在一些实施例中，使用增材制造技术来构造格子元件304。应当注意的是，虽然图3涉及格子元件304的几何重复的布置，但是与图2的增强框架204形成对比，格子元件304不是连结的结构。

如图2和图3中的每者中所示出，增强框架完全在用摩擦衬垫渗透以形成加固的衬垫之前制造，并因此在图2和图3中的每者中，增强框架是预制件增强框架。在一些实施例中，制动衬块组件的增强框架可以与摩擦衬垫基本上同时地制造。

增材制造技术的使用有利地允许基本上同时制造加固的衬垫，并且还允许构造这样的布置：使用其他制造技术来产生该布置可能会过于昂贵或不切实际。可以使用增材制造技术来制造制动衬块组件或其部件的加固的衬垫，所述增材制造技术例如是：直接金属激光烧结、直接金属激光熔化、选择性激光烧结、选择性激光熔化、激光工程化净成形、电子束熔化、选择性热烧结、熔融沉积成型、丝材电弧增材制造、三维织造或本领域普通技术人员已知的任何其他方法。

一些实施例可以包括具有如下的格子元件的增强框架，该格子元件基于三维布置展现压缩性，从而产生具有三维压缩性的弹簧状结构。图4a提供了使用增材制造工艺基于柱坐标设计制造的格子元件的图示。图4b提供了使用增材制造工艺基于球坐标设计制造的格子元件的图示。图4c提供了使用增材制造工艺基于笛卡尔坐标设计制造的格子元件的图示。一些实施例可以包括具有如下的格子结构的增强框架，该格子结构基于基本上二维的布置展现压缩性。图4d提供了使用堆叠基本上二维的交织层的“夹层”方法制造的格子元件的图示。一些实施例可以包括具有如下的格子结构的增强框架，该格子结构仅具有基本上二维的格子。

图4a-4d提供了包括交织的格子结构的格子元件的示例。交织的格子结构形式特别适合于增材制造技术，因为使用其他技术来构造它们可能会是不切实际或不可能的。图4a-4d中示出的格子元件的改变以及其他交织的格子布置在如下文献中公开：“3D正交短碳纤维/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯预制件和复合物的微结构设计和增材制造和表征”（Quan等；复合物科学与技术（Composites Science and Technology）：第26卷，第139-148页），以及“复合物多向预制件的增材制造：机遇和挑战”（Quan等；今日材料（Materials Today）：第18卷，第503-512页）。在一些实施例中，交织的格子布置可以在具有连结构造的增强框架（类似于图2中的增强框架204）中使用。在一些实施例中，交织的格子结构布置可以在具有非连结构造的增强框架（类似于图3中的包括单独的格子元件304的增强框架）中使用。实施例可以基于所需要的摩擦系数和压缩因子而包括特定格子布置，所需要的摩擦系数和压缩因子由制动衬块组件将要与其一起实施的车辆的规格所决定。

图5示出了流程图，其提供根据本文的公开内容的实施例的用于制造制动衬块组件的制造过程的步骤。在步骤500处，开始组装增强框架。根据包含第一材料和特定布置的设计来组装增强框架，以实现所期望的摩擦系数和压缩因子。该设计是基于制动衬块组件的要求而研发的，该制动衬块组件的要求基于制动衬块组件将对于其来实施的车辆的规格。增强框架的第一材料可包括金属、金属合金、酚醛树脂、摩擦改进剂、固体润滑剂、熔融聚合物、陶瓷颗粒、或任何复合物或本领域普通技术人员已知的这样的成分材料的组合。在所示出的实施例中，使用铝合金，但是其他实施例可以包括用于增强框架的其他成分材料。可以在制造过程之前使用测试实施、建模或仿真来完成设计的研发。在一些实施例中，步骤500可以在总体上完全组装增强框架。在其他实施例中，例如在使用增材制造技术的实施例中，步骤500可以是制动衬块组件的迭代（iterative）构建过程中的第一步骤。

在步骤500中的用于组装增强框架的初始步骤之后，在步骤502处，原位（in-situ）传感器部件被包括在增强框架内。在制造过程的一些迭代实施例中，传感器可以直到预定次数的迭代已经完成时才被包括在布置中。在一些实施例中，传感器可以与制动衬块组件的其余部件基本上同时地迭代地组装，并且因此步骤502可以作为迭代制造过程中的步骤被包括在内。在所示出的实施例中，制动衬块组件包括原位传感器，但是一些实施例可以涉及制造不具有原位传感器的制动衬块组件。在涉及制造不具有原位传感器的制动衬块组件的实施例中，步骤502可以是可选的或被省除。使用例如增材制造技术的迭代组装过程有利地允许最大程度地控制在完成的制动衬块组件内的传感器的原位布置。

在步骤504处，在步骤500期间组装的增强框架部件和在步骤502中包括的原位传感器部件被制动衬块组件的摩擦衬垫渗透，该摩擦衬垫包括第二材料。渗透过程使摩擦衬垫分散遍及组装的增强框架部件。因此，在步骤504中，摩擦衬垫可有利地以粉末或流体的形式分散。为了在渗透期间的最佳分散，摩擦衬垫可以具有均匀混合物一致性，使得遍及整个组件，分散是均匀的。在一些实施例中，渗透过程可以包括振动子过程，其中，组装的部件在渗透期间经受振动以使摩擦衬垫均匀地最佳地分散。摩擦衬垫可以使用例如如下的成分材料来制造：粘合剂、填料、摩擦改进剂、固体润滑剂、熔融聚合物、金属、金属合金、陶瓷颗粒、酚醛树脂或本领域普通技术人员已知的这样的成分材料的任何复合组合。在所示出的实施例中，摩擦衬垫包括固体润滑剂、粘合剂和酚醛树脂的复合材料，但是其他实施例可以包括其他成分材料。

在步骤506处，确定是否制动衬块的加固的衬垫的所有部件（增强框架、摩擦衬垫和所期望的任何传感器）处于用于制动衬块组件的最终形式的适当的布置中。图5的制造方法的非迭代实施例可以包括：步骤500，其包括在总体上组装增强框架；步骤502，其包括将所有所期望的传感器包括在内；以及步骤504，其包括在总体上渗透摩擦衬垫。对于这样的非迭代实施例，步骤506将必然得出加固的衬垫已完成的结论。

在其中步骤500、502和504中的每者可以包括迭代过程内的步骤的实施例中，步骤506包括确定是否已经发生了合适次数的迭代使得加固的衬垫已完成。如果确定了需要附加的迭代来完成加固的衬垫，则步骤506将制造过程返回至步骤500的下一次迭代。当加固的衬垫的尺寸满足制动衬块组件的指定的要求时，认为加固的衬垫是完成的，制动衬块组件的指定的要求由制动衬块组件将与其一起实施的车辆规格决定。如果在步骤506处确定了加固的衬垫已经被完全组装，则该过程前进至步骤508。

在步骤508处，加固的衬垫在结合阶段中被结合到基板。 结合阶段可包括化学粘附、热活化粘附、机械联接或本领域普通技术人员已知的其他结合方法。最佳结合方法将由增强框架和摩擦衬垫的特定区域决定。在所示出的实施例中，结合阶段包括活化摩擦衬垫内的粘合剂材料的热活化结合，但是其他实施例可包括其他结合方法。在所示出的实施例中，基板由钢制成，但是其他实施例可以包括其他成分材料而不偏离本文的公开内容的教导。

在结合完成之后，制造过程前进到步骤510以进入固化阶段。在所示出的实施例中，固化阶段包括加热过程，但是其他实施例可以包括使用化学固化、定时固化或固化技术的一些组合的固化阶段，以产生制动衬块组件的所期望的摩擦系数和压缩因子。固化阶段最终确定制动衬块组件的形状，包括提供表面处理。在一些实施例中，固化阶段可以改善制动衬块组件的结构完整性。在一些实施例中，如果制动衬块组件在结合阶段之后满足所需要的规格，则固化阶段可以是可选的或被省除。

虽然上文描述了示例性实施例，但意图并非是这些实施例描述所公开的装置和方法的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解的是，在不脱离所要求保护的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。各种实施的实施例的特征可以被组合以形成所公开构思的其他实施例。

Claims (20)

1.一种制动衬块组件，所述制动衬块组件包括：

具有表面的基板；

从所述基板的表面的延伸的摩擦衬垫，所述摩擦衬垫包括基本上均匀混合物的复合物并具有第一压缩因子；以及

设置在所述摩擦衬垫内的增强框架，所述增强框架在基本上平行于所述基板的表面的平面中具有几何重复的布置，所述衬垫从所述基板的表面延伸，所述几何重复的布置包括多个弹簧状结构，所述弹簧状结构具有第二压缩因子，并且其中，所述第二压缩因子与所述第一压缩因子基本上相等。

2.根据权利要求1所述的制动衬块组件，其中，所述弹簧状结构包括线圈形格子。

3.根据权利要求1所述的制动衬块组件，其中，所述增强框架是金属框架。

4.根据权利要求1所述的制动衬块组件，其中，所述增强框架是复合材料框架。

5.根据权利要求1所述的制动衬块组件，其中，所述增强框架包括呈交织的格子形式的弹簧状结构。

6.根据权利要求5所述的制动衬块组件，其中，所述交织的格子具有三维结构。

7.根据权利要求1所述的制动衬块组件，其中所述弹簧状结构是连结的。

8.根据权利要求1所述的制动衬块组件，其中，所述增强框架在所述摩擦衬垫的延伸范围内的平行于所述基板的表面的任何平面处具有基本上相同的表面面积，所述摩擦衬垫从所述基板的表面延伸。

9.一种制动衬块组件，所述制动衬块组件包括：

基板；

增强框架，所述增强框架从所述基板延伸并且具有多个交织的格子结构，所述交织的格子结构具有第一压缩因子；以及

摩擦衬垫，所述摩擦衬垫包括基本上均匀混合物的复合物，所述摩擦衬垫基本上渗透所述增强框架并且具有与所述第一压缩因子基本上相等的第二压缩因子。

10.根据权利要求9所述的制动衬块组件，其中，所述交织的网格结构包括使用增材制造技术产生的布置。

11.根据权利要求9所述的制动衬块组件，所述制动衬块组件进一步包括在所述增强框架内原位设置的多个传感器。

12.根据权利要求11所述的制动衬块组件，其中，所述多个传感器包括磨损传感器、温度传感器、压力传感器或振动传感器中的至少一者。

13.一种制造制动衬块组件的方法，所述方法包括：

使用增材制造技术由第一材料组装增强框架，所述增强框架具有几何重复的布置；

用包括第二材料的摩擦衬垫渗透所述增强框架以形成加固的衬垫；

将所述加固的衬垫结合到背板；以及

固化结合到所述背板的所述加固的衬垫。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述增材制造技术包括如下中的一种：直接金属激光烧结、直接金属激光熔化、选择性激光烧结、选择性激光熔化、激光工程化净成形、电子束熔化、选择性热烧结、熔融沉积成型或丝材电弧增材制造。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述渗透所述增强框架进一步包括振动所述增强框架，以使得在渗透期间所述摩擦衬垫分散在整个所述增强框架中。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述渗透所述增强框架进一步包括使用所述摩擦衬垫的第二材料的增材制造技术。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，使用所述第二材料的所述增材制造技术与使用所述第一材料的所述增材制造技术同时执行，所述增材制造技术使用第一原料中的所述第一材料和第二原料中的所述第二材料。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述将所述加固的衬垫结合到所述背板包括热压操作。

19.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：

使所述摩擦衬垫的压缩因子与所述增强框架压缩因子的压缩因子相匹配。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，组装增强框架进一步包括：传感器在所述增强框架内的原位制造。

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