CN111301367A - 一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构。该结构包括碳纤维复合材料制动盘、金属转接盘、金属防松螺母、金属垫片、波形垫片、金属衬套和铰制孔螺栓；所述复合材料制动盘通过金属转接盘与车轮轮毂相连接；所述复合材料制动盘与金属转接盘通过铰制孔螺栓与金属防松螺母相连接；所述复合材料制动盘与金属转接盘之间、铰制孔螺栓上装配有金属衬套；所述金属转接盘与金属防松螺母沿轴线方向装配有波形垫片与所述金属垫片。该结构具有轴向与径向双向浮动效果，并且通过将制动力以摩擦力矩直接传递给轮辐，以减轻制动过程中轮毂的受力工况。
Description
技术领域
本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构。
背景技术
碳纤维复合材料制动盘不仅能够有效降低制动盘的质量，而且碳纤维复合材料制动盘具有摩擦系数高、抗热衰退能力强和制动效能稳定等特点，有效提升车辆的制动性能，因而被广泛应用于方程式赛车等竞赛车辆、高性能辆及高档乘用车。由于碳纤维复合材料的力学性能具有各项异性，为保证碳纤维复合材料制动盘在制动时因为受到大载荷且不均匀的制动力而超过径向方向的强度极限而造成制动盘结构破坏，通常会设计一金属材料的转接盘将碳纤维复合材料制动盘与车轮轮毂相连接。车辆制动实质是将车辆动能转换为热能的能量转换过程，制动盘会因制动瞬时产生的巨大热量使得制动盘的温度迅速升高。由于碳纤维复合材料制动盘与转接盘的热膨胀系数差异很大，因而两者在固定结构设计时如果为未能考虑材料因受热膨胀产生差异较大的形变，则此固定结构将会因受到过大的热应力进而使碳纤维复合材料制动盘和转接盘的结构都发生破坏。
同时浮动式制动盘在受到制动力时因为制动盘与轮毂间存在一定的活动空间，制动盘两个平面在受到两侧摩擦片相同的作用力下，能够使制动盘平面与摩擦片平面始终保持平行，从而弥补制动盘由于零件加工误差和零件间装配误差导致制动盘工作平面与摩擦片平面不平行而产生的偏磨和受力不均匀的情况。
碳纤维复合材料制动盘由于制作工艺复杂，要实现双向浮动的效果需要额外设计复杂的固定结构实现碳纤维复合材料制动盘与轮毂间的连接，结构的加工难度大且成本较高，受制动盘尺寸和制动盘安装空间的约束很大。在对于小尺寸的碳纤维复合材料制动盘的固定结构往往受尺寸制约而采用刚性连接，从而影响碳纤维复合材料制动盘的实际使用效果和使用寿命。
发明内容
本发明提供了一种结构简单的用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构，该结构具有轴向与径向双向浮动效果，并且通过将制动力以摩擦力矩直接传递给轮辐，以减轻制动过程中轮毂的受力工况，解决了现有制动盘存在的上述问题。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构，其特征在于，该结构包括碳纤维复合材料制动盘1、金属转接盘2、金属防松螺母3、金属垫片4、波形垫片5、金属衬套6和铰制孔螺栓7；所述复合材料制动盘1通过金属转接盘2与车轮轮毂相连接；所述复合材料制动盘1与金属转接盘2通过铰制孔螺栓7与金属防松螺母3相连接；所述复合材料制动盘1与金属转接盘2之间、铰制孔螺栓7上装配有金属衬套6；所述金属转接盘2与金属防松螺母3沿轴线方向装配有波形垫片5与所述金属垫片4。
所述碳纤维复合材料制动盘1通风式制动盘，采用碳纤维陶瓷复合材料，其内径旁沿圆周均匀分布有8个螺栓固定沉头孔9；所述碳纤维复合材料制动盘1的通风道包括16条通道和8条盲道；所述通道和盲道均为扇形；两相邻盲道之间分布有通道，通道的开口弧度为10°，盲道的开口弧度为6°；8条所述盲道与8个螺栓固定沉头孔9具有统一的对称中心线，盲道位于螺栓固定沉头孔9的沿径向方向外侧；每条所述通道上设置有两个第一通风孔，第一通风孔直径均为4mm，两个第一通风孔孔心间隔4°，孔心的径向间距为12mm；每条所述盲道上设置有一个第二通风孔；第二通风孔与邻近通道上第一通风孔孔心间隔12.5°。
所述金属转接盘2的外围沿圆周均匀分布有8个长条状的连接通孔8，所述连接通孔8的位置与螺栓固定沉头孔9的位置相匹配。
所述金属衬套6的轴向长度大于金属转接盘连接通孔8的深度1mm—3mm。
本发明的有益效果为：
1)该双向浮动固定结构使在制动作用时碳纤维复合材料制动盘通过摩擦力矩将制动器产生的制动力矩传递于金属衬套，金属衬套再通过剪切力矩将所受摩擦力矩传递于金属转接盘，从而避免抗剪切能力度差于金属材料的碳纤维复合材料制动盘在其固定孔处受到较大的剪切载荷，提高碳纤维制动盘的传递制动载荷的能力；
2)该双向浮动固定结构保证了碳纤维复合材料制动盘与金属转接盘两者在径向方向的浮动，能够降低二者在制动时因受热体积膨胀后在连接处所产生的热应力，较与金属转接盘刚性连接的碳纤维复合材料制动盘在高温下工作具有更好的稳定性，所能够承受的制动温度变化范围更大；
3)该双向浮动固定结构保证了碳纤维复合材料制动盘与金属转接盘两者在轴向方向的浮动，能够降低碳纤维制动盘由于加工、装配等误差而与制动卡钳摩擦片间受力不均匀、偏磨、异响等现象发生，保证制动器产生的制动力矩在正确的方向上平稳有效地传递给车轮；
4)该双向浮动固定结构通过金属转接盘将制动力矩传递于轮辐，由于金属转接盘与轮辐间通过中央螺母的预紧力矩相连接，则金属转接盘与轮辐间通过摩擦力矩传递制动转矩，使轮毂避免承受制动器产生的剪切转矩，减轻制动过程中轮毂的受力工况。
附图说明
图1为本发明的轴视图；
图2为本发明的装配示意图；
图3为本发明与车轮轮毂、轮辐、中央螺母的装配示意图；
图4为本发明的剖视图；
图5为本发明的一种实施例的局部剖视图；
图6为本发明的一种实施例中金属转接盘的俯视图；
图7为本发明中碳纤维复合材料制动盘的结构示意图。
图中：1、碳纤维复合材料制动盘；2、金属转接盘；3、金属防松螺母；4、金属垫片；5、波形垫片；6、金属衬套；7、铰制孔螺栓；8、连接通孔；9、螺栓固定沉头孔。
具体实施方式
参阅图1、图2和图3，一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构，该结构包括碳纤维复合材料制动盘1、金属转接盘2、金属防松螺母3、金属垫片4、波形垫片5、金属衬套6和铰制孔螺栓7。
所述复合材料制动盘1通过金属转接盘2与车轮轮毂相连接；所述复合材料制动盘1与金属转接盘2通过铰制孔螺栓7与金属防松螺母3相连接。
参阅图4，该结构为避免所述碳纤维复合材料制动盘上固定所述铰制孔螺栓7的沉头孔9在制动过程中因承受过大的剪切载荷而造成结构破坏，在连接所述碳纤维复合材料制动盘1与所述金属转接盘2的所述铰制孔螺栓7上装配有所述金属衬套6。
参阅图7，所述碳纤维复合材料制动盘1通风式制动盘，采用碳纤维陶瓷复合材料，其内径旁沿圆周均匀分布有8个螺栓固定沉头孔9；所述碳纤维复合材料制动盘1的通风道包括16条通道和8条盲道；所述通道和盲道均为扇形；两相邻盲道之间分布有通道，通道的开口弧度为10°，盲道的开口弧度为6°；8条所述盲道与8个螺栓固定沉头孔9具有统一的对称中心线，盲道位于螺栓固定沉头孔9的沿径向方向外侧；每条所述通道上设置有两个第一通风孔，第一通风孔直径均为4mm，两个第一通风孔孔心间隔4°，孔心的径向间距为12mm；每条所述盲道上设置有一个第二通风孔；第二通风孔与邻近通道上第一通风孔孔心间隔12.5°。
参阅图5，所述碳纤维复合材料制动盘1通过铰制孔螺栓7与金属防松螺母3之间施加的螺纹预紧力与所述金属衬套6相固定。由于金属衬套6轴向长度大于金属转接盘连接通孔8深度；所述铰制孔螺栓7与金属防松螺母3之间的螺纹预紧力矩将只作用于金属衬套6与碳纤维复合材料制动盘1之间；所述铰制孔螺栓7和金属防松螺母3与金属转接盘2之间无直接接触，也不发生力的作用关系。通过上述结构可将所述碳纤维复合材料制动盘1在制动过程中所受制动力矩先以摩擦力矩传递于金属衬套6，再通过金属衬套6与金属转接盘2之间的剪切作用将摩擦力矩传递于金属转接盘2，从而避免所述碳纤维复合材料制动盘螺栓固定沉头孔9处因受过大的剪切载荷而产生结构破坏。本发明通过金属衬套6、铰制孔螺栓7、金属防松螺母3与碳纤维复合材料制动盘1的装配配合，将剪切作用从碳纤维复合材料制动盘上的固定孔转移至金属衬套6，有效避免由于碳纤维复合材料制动盘1拉伸强度远低于铸铁制动盘而存在固定孔抗剪切强度不足易于损坏的风险。
参阅图6，所述金属转接盘2设置有8个长条状的连接通孔8，其外形根据制动盘和轮毂形状进行设计。
制作碳纤维复合材料制动盘1所使用的碳纤维材料的拉伸强度约为铸铁材料的四分之一，为保证碳纤维复合材料制动盘在承受制动力作用时结构不发生破坏。该结构为保证碳纤维复合材料制动盘1与金属转接盘2之间由于两种材料热膨胀系数相差8～10倍，汽车制动过程中碳纤维复合材料制动盘1及金属转接盘2在吸收制动热量后温度将上升至500～600K，并伴随因温度升高材料发生受热膨胀，不同材料在相同温度下产生的形变量与其热膨胀系数相关。为使碳纤维复合材料制动盘1与金属转接盘2间在工作过程中受热膨胀后不应形变量差异较大而产生较大的热应力对固定结构产生破坏，结合金属转接盘2热膨胀系数大受热形变量大的特点。本发明将金属转接盘2与金属衬套6相配合的连接通孔沿径向方向设计为长条状，从而保证制动盘在径向方向具有浮动量，避免受热膨胀时金属衬套与金属转接盘之间固定孔处产生较大的热应力，使其在制动时因高温产生不一致的热膨胀而造成所述连接处热应力集中，通过对于金属转接盘连接通孔8与所述碳纤维复合材料制动盘螺栓固定沉头孔9在温度升高至600K时计算因二者材料不同热膨胀系数产生径向相对位置尺寸产生的偏差，从而将径向位置尺寸变化较大的所述金属转接盘连接孔的形状设计为沿径向具有1mm偏移的圆形条状孔8。所述圆形条状连接通孔8保证在因制动作用而温度升高该结构不同零件间产生不同形变量的热膨胀时，在碳纤维复合材料制动盘1与金属转接盘2之间沿径向方向具有一定的浮动量，保证该固定结构在高温环境下的稳定性。
参阅图5，该结构为保证碳纤维复合材料制动盘1具备轴向浮动，在金属转接盘2与金属防松螺母3沿轴线方向装配有波形垫片5与金属垫片4。由上述可知，所述金属防松螺母3与铰制孔螺栓7之间的螺纹预紧力矩仅作用于金属衬套6与碳纤维复合材料制动盘1，在设计所述金属衬套6时，将其轴向与所述金属转接盘连接通孔8配合的高度大于孔深2mm，以保证所述金属防松螺母3在压紧金属垫片4后金属垫片4下表面与金属转接盘2上表面仍具有2mm安装波形垫片5的装配空间，即所述金属转接盘2可沿金属衬套的轴线方向具有2mm的轴向浮动量。在实际使用中金属转接盘2将与轮毂相固定，由于金属转接盘2与金属衬套6能够沿轴线方向浮动，金属衬套6与碳纤维转接盘1在金属防松螺母3与铰制孔螺栓7之间的螺纹预紧力矩保持相对静止，则使碳纤维复合材料制动盘1沿轴线方向与金属转接盘2具有相对浮动，以避免因装配和加工误差导致的制动盘偏磨、作用力不均匀等情况的发生。
参阅图3，该结构中金属转接盘2与车轮轮毂和轮辐之间通过车轮的中央螺母螺纹预紧力进行连接，最终使制动器产生的制动力矩通过金属转接盘2与车轮轮毂和轮辐之间的摩擦力矩传递给车轮，使轮毂避免承受制动器产生的剪切转矩，减轻制动过程中轮毂的受力工况。
本实施例所示碳纤维复合材料制动盘1可由碳纤维陶瓷复合材料等碳纤维复合材料制造，但不限于以上所述材料；本实施例所示金属转接盘2、金属衬套6可由铝合金、低碳钢等金属材料制造，但不限于以上所述材料。
Claims (4)
1.一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构，其特征在于，该结构包括碳纤维复合材料制动盘(1)、金属转接盘(2)、金属防松螺母(3)、金属垫片(4)、波形垫片(5)、金属衬套(6)和铰制孔螺栓(7)；所述复合材料制动盘(1)通过金属转接盘(2)与车轮轮毂相连接；所述复合材料制动盘(1)与金属转接盘(2)通过铰制孔螺栓(7)与金属防松螺母(3)相连接；所述复合材料制动盘(1)与金属转接盘(2)之间、铰制孔螺栓(7)上装配有金属衬套(6)；所述金属转接盘(2)与金属防松螺母(3)沿轴线方向装配有波形垫片(5)与所述金属垫片(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构，其特征在于，所述碳纤维复合材料制动盘(1)通风式制动盘，采用碳纤维陶瓷复合材料，其内径旁沿圆周均匀分布有8个螺栓固定沉头孔(9)；所述碳纤维复合材料制动盘(1)的通风道包括16条通道和8条盲道；所述通道和盲道均为扇形；两相邻盲道之间分布有通道，通道的开口弧度为10°，盲道的开口弧度为6°；8条所述盲道与8个螺栓固定沉头孔(9)具有统一的对称中心线，盲道位于螺栓固定沉头孔(9)的沿径向方向外侧；每条所述通道上设置有两个第一通风孔，第一通风孔直径均为4mm，两个第一通风孔孔心间隔4°，孔心的径向间距为12mm；每条所述盲道上设置有一个第二通风孔；第二通风孔与邻近通道上第一通风孔孔心间隔12.5°。
3.根据权利要求2所述的一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构，其特征在于，所述金属转接盘(2)的外围沿圆周均匀分布有8个长条状的连接通孔(8)，所述连接通孔(8)的位置与螺栓固定沉头孔(9)的位置相匹配。
4.根据权利要求3所述的一种用于碳纤维复合材料制动盘的双向浮动固定结构，其特征在于，所述金属衬套(6)的轴向长度大于金属转接盘连接通孔(8)的深度，使其具备放下所选波形垫片的高度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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