CN218625174U - 一种铝基复合材料制动盘 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种铝基复合材料制动盘，包括第一壳体、第二壳体和冷凝板；第一壳体与第二壳体相对设置，冷凝板设置于壳体内空间中，冷凝板与第一壳体之间设置有第一铜板和第一铜网，冷凝板与第二壳体之间设置有第二铜板和第二铜网；壳体内空间填充有工质；第一铜板朝向冷凝板的板面上设置有第一铜柱，第一铜网上分布有通孔，第一铜柱高度与第一铜网厚度相同，第一铜柱分别贯穿通孔，冷凝板、第一铜板和第一壳体紧密结合；第二铜板朝向冷凝板的板面上设置有第二铜柱，第二铜网上分布有通孔，第二铜柱高度与第二铜网厚度相同；第二铜柱分别贯穿通孔，冷凝板、第二铜板和第二壳体紧密结合。本公开的制动盘具有优良的降热性能。

Description

一种铝基复合材料制动盘

技术领域

本公开涉及车用的制动装置领域，具体地，涉及一种铝基复合材料制动盘。

背景技术

随着近几年来新能源汽车的飞速发展，节能减重的汽车轻量化目标备受关注，其中铝基复合材料具有高比强度、比刚度，低密度以及优良的耐磨损性能，导致其成为汽车和高速列车上传统铸铁制动盘的最佳替代品。

目前，已有将铝基复合材料制动盘应用于汽车领域的实例，并证实了铝基复合材料制动盘具有节能减重、减少制动噪音以及缩短制动距离等优点。但是，考虑到铝基复合材料的耐高温性能低于铸铁材料，在实际使用过程中制动盘会承受极高的温度，从而导致其摩擦生热后软化，对人们的生命财产造成巨大的威胁。

关于铝基复合材料制动盘的制备方法层出不穷，如何有效避免铝基复合材料制动盘在高温下软化是国内外学者亟需攻破的难题。现有的方法大多通过改进制动盘的制作材料来提升制动盘的耐热性能，例如加入稀有金属、过渡族元素和稀土元素等，参见中国专利文献CN105525153A、CN101173334A和CN106521252A等，上述方法虽然可以在一定程度上提高制动盘的耐热性能，但是材料的制作成本显著提高，不能满足广泛的生产需求。基于此，国内外学者尝试通过制动盘结构的改变提高制动盘的降热性能，例如中国专利文献CN202349057U公开了一种散热功能较好的制动盘，该制动盘本体端面上设有若干形孔和散热孔，该制动盘虽然可以在一定程度上提升制动盘的散热性，但仍然不能满足实际的降热需求。

实用新型内容

本公开的目的在于改善现有铝基复合材料制动盘存在的散热性能差的问题，避免铝基复合材料制动盘因摩擦生热而出现软化的现象。

为了实现上述目的，本公开提供了一种铝基复合材料制动盘，所述制动盘包括第一壳体、第二壳体和冷凝板；所述第一壳体与所述第二壳体相对设置以形成壳体内空间，所述冷凝板设置于所述壳体内空间中，所述冷凝板与所述第一壳体之间设置有第一铜板和第一铜网，所述冷凝板与所述第二壳体之间设置有第二铜板和第二铜网；所述壳体内空间填充有工质；

所述第一铜板朝向所述冷凝板的一侧板面上设置有多个第一铜柱，所述第一铜网上分布有多个第一通孔，所述第一铜柱高度与所述第一铜网厚度相同，所述第一铜柱分别贯穿所述第一通孔，所述冷凝板、所述第一铜板和所述第一壳体紧密结合；

所述第二铜板朝向所述冷凝板的一侧板面上设置有多个第二铜柱，所述第二铜网上分布有多个第二通孔，所述第二铜柱高度与所述第二铜网厚度相同，所述第二铜柱分别贯穿所述第二通孔，所述冷凝板、所述第二铜板和所述第二壳体紧密结合。

可选地，所述第一壳体和所述第二壳体的内表面分别形成有多个微槽，多个所述微槽沿制动盘的径向呈放射状布置。

可选地，所述第一壳体和所述第二壳体分别为铝基复合材料外壳；所述第一壳体和所述第二壳体的总厚度分别为50mm～100mm，直径为300mm～500mm；所述第一壳体和所述第二壳体的壁厚分别为15mm～20mm；所述微槽深度为1mm～3mm，深宽比为1.0～2.0。

可选地，所述第一铜板和所述第二铜板分别形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形铜板，所述第一铜板上的多个铜柱沿环状阵列排布；所述第二铜板上的多个铜柱沿环状阵列排布。

可选地，所述第一铜板和所述第二铜板的厚度为5mm～10mm；所述第一铜柱和所述第二铜柱的直径为5mm～10mm，高度为3mm～5mm；所述第一铜板上的多个第一铜柱在所述第一铜板一侧表面的分布面积占所述第一铜板该侧表面面积的30％～70％；所述第二铜板上的多个第二铜柱在所述第一铜板一侧表面的分布面积占所述第二铜板该侧表面面积的30％～70％。

可选地，所述第一铜网和所述第二铜网分别形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形铜网；所述第一铜网和所述第二铜网的孔隙率为60％～90％。

优选地，所述第一铜板和所述第二铜板中的铜柱的分布密度小于所述第一铜网和所述第二铜网中的通孔的分布密度。

可选地，所述冷凝板形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形冷凝板，所述冷凝板的两侧板面分别形成有多个放射状布置的沟槽。

可选地，所述冷凝板为纯铜板；所述的冷凝板厚度为5mm～10mm；所述沟槽深度为1mm～3mm，深宽比为1.0～2.0。

可选地，所述工质的充注率为40％～80％；其中，工质的充注率的定义为充注工质的体积与制动盘内部设置孔隙体积的比值。

通过上述技术方案，本公开的耐高温铝基复合材料制动盘具有以下优点：

(1)利用传热介质的相变过程，在高温区蒸发端吸热相变蒸发，在低温区冷凝端释放热量并冷凝，工质受到重力和毛细力的作用，然后回流至高温区蒸发端，再重新进入下一个循环过程，从而达到有效降低制动盘温度的目的；

(2)在铝基复合材料制动盘内部设置有传热介质、带有铜柱的铜板和带有通孔的铜网，整盘体内部呈中空式，可有效减轻汽车簧下重量，实现节能减重的轻量化目标；

(3)与传统制动盘相比，本公开的铝基复合材料制动盘的盘体温度较低，可以有效降低使用过程中因摩擦产生的热量，其使用寿命可提高50％以上；

(4)本公开的铝基复合材料制动盘的制备工艺简单，成本低廉，可实现批量化生产。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开的耐高温铝基复合材料制动盘的结构图；

图2是本公开的耐高温铝基复合材料制动盘降温工作原理示意图；

图3是本公开的制动盘外壳内表面的微槽分布图；

图4是第一铜板的单侧表面铜柱分布图；

图5是第二铜板的通孔分布图；

图6是冷凝板表面微槽分布图；

图7是组装后耐高温铝基复合材料制动盘的纵截面图；

图8是耐高温铝基复合材料制动盘的形貌图。

附图标记说明

1、第一壳体

2、第二壳体

3、第一铜板

4、第二铜板

5、第一铜网

6、第二铜网

7、冷凝板

8、低温区冷凝端

9、高温区蒸发端

10、铜柱

11、液体

12、蒸汽

具体实施方式

以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。如无特别说明，在本公开中所使用的径向为圆心到圆周的径直方向。

本公开提供了一种铝基复合材料制动盘，所述制动盘包括第一壳体、第二壳体和冷凝板；所述第一壳体与所述第二壳体相对设置以形成壳体内空间，所述冷凝板设置于所述壳体内空间中，所述冷凝板与所述第一壳体之间设置有第一铜板和第一铜网，所述冷凝板与所述第二壳体之间设置有第二铜板和第二铜网；所述壳体内空间填充有工质；

所述第一铜板朝向所述冷凝板的一侧板面上设置有多个第一铜柱，所述第一铜网上分布有多个第一通孔，所述第一铜柱高度与所述第一铜网厚度相同，所述第一铜柱分别贯穿所述第一通孔，所述冷凝板、所述第一铜板和所述第一壳体紧密结合；所述第二铜板朝向所述冷凝板的一侧板面上设置有多个第二铜柱，所述第二铜网上分布有多个第二通孔，所述第二铜柱高度与所述第二铜网厚度相同，所述第二铜柱分别贯穿所述第二通孔，所述冷凝板、所述第二铜板和所述第二壳体紧密结合。

本公开的耐高温铝基复合材料制动盘利用传热介质的相变过程，通过吸收和释放潜热来达到有效降低制动盘温度的目的。本公开的制动盘降温工作原理如图2所示，在铝基复合材料制动盘内部设置有传热介质、带有铜柱的铜板和带有通孔的铜网，传热介质在高温区蒸发端9吸热相变蒸发，在低温区冷凝端8释放热量并冷凝，其中冷凝板7用于液态介质冷凝，液态介质受到重力和毛细力的作用回流，其中铜网有利于液态介质回流，铜柱10对铜网起到支撑作用，然后回流至高温区蒸发端9，再重新进入下一个循环过程，低温区冷凝端8的热量通过热传导释放至外界环境。

本公开中，所述耐高温铝基复合材料制动盘的组装方式通过物理组装的方式将壳体内部空间的第一壳体、第一铜板、冷凝板、第二铜板和第二壳体紧密结合。

根据本公开，所述第一壳体和所述第二壳体的内表面可以分别形成有多个微槽，优选地，多个所述微槽沿制动盘的径向呈放射状布置。

本公开的一种优选的实施方式，所述第一壳体和第二壳体分别为铝基复合材料外壳。本公开中的所述铝基复合材料外壳可以包括铝合金基体和增强体，所述增强体分散于所述铝合金基体中，所述增强体选自SiC、Al₈B₂O₁₅、Al₂O₃和纳米碳中的一种。优选地，以所述铝基复合材料外壳的总质量为基准，所述增强体含量可以为0.1重量％～50.0重量％，所述铝合金基体的含量可以为50重量％～99.9重量％。

本公开的一种优选地实施方式，所述制动盘的总厚度可以为50mm～100mm，直径可以为300mm～500mm，所述第一壳体和所述第二壳体的壁厚分别可以为15mm～20mm；所述微槽的槽深可以为1mm～3mm，深宽比可以为1.0～2.0。

根据本公开，所述第一铜板和第二铜板分别可以形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形铜板。优选地，所述第一铜板上的多个第一铜柱沿环状阵列排布；所述第二铜板上的多个第二铜柱沿环状阵列排布。优选地，所述第一铜板和第二铜板的厚度分别可以为5mm～10mm；所述铜柱的直径可以为5mm～10mm，高度可以为3mm～5mm。

作为本公开的一种优选的实施方式，所述第一铜板上的多个第一铜柱在所述第一铜板一侧表面的分布面积占所述第一铜板该侧表面面积的30％～70％；所述第二铜板上的多个第二铜柱在所述第一铜板一侧表面的分布面积占所述第二铜板该侧表面面积的30％～70％。

根据本公开，所述第一铜网和第二铜网分别可以形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形铜网；优选地，所述第一铜网和所述第二铜网的厚度分别可以为3mm～5mm。作为本公开的一种优选的实施方式，所述第一铜网和第二铜网的孔隙率为60％～90％；进一步优选地，所述第一铜网和所述第二铜网中的网孔可以沿径向间隔设置。

根据本公开，所述冷凝板形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形冷凝板；所述冷凝板的板面形成有多个放射状布置的沟槽。优选地，所述冷凝板为纯铜板；所述冷凝板的厚度可以为5mm～10mm，所述沟槽的槽深为1mm～3mm，深宽比为1.0～2.0。

根据本公开，所述工质的充注率可以为40％～80％；其中，工质的充注率的定义为充注工质的体积与制动盘内部设置孔隙体积的比值。优选地，所述工质可以为去离子水。

本公开的一种优选的实施方式，所述制动盘内部呈真空状态，所述真空度为10^-2Pa～10^-1Pa。

根据本公开，所述制动盘外壳优选为无缝焊接的壳体，所述铜板和铜网可以通过铜粉末烧结成型。

本公开的所述耐高温铝基复合材料制动盘可通过以下方法加工制成：(1)将铝基复合材料进行机械加工成内表面带有微槽的第一壳体和第二壳体，并分别对其内表面进行机械加工成放射状沟槽，将机械加工得到的制动盘壳体进行进行酸洗，然后用水清洗，干燥备用；(2)将铜粉颗粒填充到加机械工好的石墨模具中，并将模具进行振动，使铜粉填充成固定的形状，然后在真空条件下进行烧结处理，得到如图4所示的带有铜柱的第一铜板和第二铜板；(3)将铜粉颗粒填充到加机械工好的石墨模具中，并将模具进行振动，使铜粉填充成固定的形状，然后在真空条件下进行烧结处理，得到如图5所示的第一铜网和第二铜网；(4)将商用纯铜板进行机械加工成厚度为5mm～10mm，直径为制动盘壳体内径的0.7～0.9的冷凝板，并对其表面进行机械加工成放射状沟槽，微槽深为1mm～3mm，其深宽比约为1.0～2.0，如图6所示；机械加工得到的纯铜冷凝板进行进行酸洗，然后用水清洗，干燥备用；(5)将上述制备出的工件进行组装，其纵截面如图7所示。将铝基复合材料外壳进行焊接处理，并留出直径为2mm～5mm的开口；(6)利用微型注射器吸取一定量的去离子水，通过充注铜管向制动盘内部注入工质，考虑到在抽真空过程中，工质易汽化，预留出10％～20％的余量。充注率是指充注工质的体积与制动盘内部设置孔隙体积的比值，其值为40％～80％；(7)对制动盘抽真空之前，将充注管插进硅胶软管内，并在连接处涂上高压密封硅脂。当真空度达到10^-2Pa～10^-1Pa时，用封口钳将充注管末端压扁，并涂抹密封胶达到完全密封的效果；将铝基复合材料制动盘预留的开口做焊接处理，对其焊缝进行处理并保证其密封性；最终，制备出的耐高温铝基复合材料制动盘的宏观形貌如图8所示。

本公开的一种具体的实施方式，耐高温铝基复合材料制动盘通过以下方法加工制成：

(1)铝基复合材料制动盘壳体的制备：将铝基复合材料进行机械加工成内表面带有微槽的上下壳体，如图3所示。所制得的壳体总高度为50mm，直径为300mm，壁厚为15mm，并分别对上下壳体内表面进行机械加工成放射状沟槽，微槽深为1mm，其深宽比约为2.0。铝基复合材料所选的增强材料为20vol.％SiC；基体为6013系铝合金；将机械加工得到的制动盘壳体进行进行酸洗，然后用水清洗，干燥备用；

(2)单侧设置有烧结铜柱的第一铜板和第二铜板的制备：将铜粉颗粒填充到加机械工好的石墨模具中在真空条件下进行烧结处理，得到如图4所示的第一铜板和第二铜板，制得的第一铜板和第二铜板的厚度为5mm，直径为243mm，其表面36个铜柱直径为5mm，高度3mm，孔隙率为50％；

(3)第一铜网和第二铜网的制备。将铜粉颗粒填充到机械加工好的石墨模具中在真空条件下进行烧结处理，得到如图5所示的第一铜网和第二铜网，其孔隙率为90％，厚度为3mm，直径为243mm；

(4)纯铜冷凝板的制备。将商用纯铜板进行机械加工成厚度为5mm，直径为243mm的冷凝板，并对其表面进行机械加工成放射状沟槽，微槽深为1mm，其深宽比约为2.0，如图6所示；将机械加工得到的纯铜冷凝板进行酸洗，然后用水清洗，干燥备用；

(5)将步骤(1)～(4)制备出的工件按进行组装，其纵截面如图7所示。将铝基复合材料外壳进行焊接处理，并留出直径为2mm的开口；

(6)充注工质。利用微型注射器吸取一定量的去离子水，通过充注铜管向组装出的制动盘内部注入工质，考虑到在抽真空过程中，工质易汽化，预留出10％的余量。充注率为80％。

(7)抽真空处理。对制动盘抽真空之前，将充注管插进硅胶软管内，并在连接处涂上高压密封硅脂。当真空度达到10^-1Pa时，用封口钳将充注管末端压扁，并涂抹密封胶达到完全密封的效果；

(8)密封充注口。将铝基复合材料制动盘预留的开口做焊接处理，对其焊缝进行处理并保证其密封性；最终，制备出的耐高温铝基复合材料制动盘的宏观形貌如图8所示。

对本公开制备得到的铝基复合材料制动盘进行高负载荷台架测试，其初始温度为室温，制动减速度为10m/s²，制动压力不大于16MPa，制动初始速度为80％Vmax，制动终止速度为10km/h，具体测试结果见表1。将本公开制备得到的耐高温铝基复合材料制动盘记为制动盘A。将未组装有第一铜板和第二铜板的制动盘记为制动盘D1；将未组装有第一铜网和第二铜网的制动盘记为制动盘D2；将未添加工质的制动盘记为制动盘D3；将未组装有冷凝板的制动盘记为制动盘D4；将未组装有第一铜板、第二铜板、第一铜网、第二铜网、冷凝板且未添加工质的制动盘记为D5。其中，除未组装部分组件和/或未添加工质外，制动盘D1、D2、D3、D4和D5其他各部分的制备参数与制动盘A的制备方法相同。

表1

A

D1

D2

D3

D4

D5

温度

148℃

232℃

230℃

264℃

262℃

354℃

通过表1可以看出，本公开具体的实施方式制备得到的耐高温铝基复合材料制动盘能够有效降低制动盘温度。

以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种铝基复合材料制动盘，其特征在于，所述制动盘包括第一壳体、第二壳体和冷凝板；所述第一壳体与所述第二壳体相对设置以形成壳体内空间，所述冷凝板设置于所述壳体内空间中，所述冷凝板与所述第一壳体之间设置有第一铜板和第一铜网，所述冷凝板与所述第二壳体之间设置有第二铜板和第二铜网；所述壳体内空间填充有工质；

所述第一铜板朝向所述冷凝板的一侧板面上设置有多个第一铜柱，所述第一铜网上分布有多个第一通孔，所述第一铜柱高度与所述第一铜网厚度相同，所述第一铜柱分别贯穿所述第一通孔，所述冷凝板、所述第一铜板和所述第一壳体紧密结合；

所述第二铜板朝向所述冷凝板的一侧板面上设置有多个第二铜柱，所述第二铜网上分布有多个第二通孔，所述第二铜柱高度与所述第二铜网厚度相同，所述第二铜柱分别贯穿所述第二通孔，所述冷凝板、所述第二铜板和所述第二壳体紧密结合。

2.根据权利要求1所述的制动盘，其特征在于，所述第一壳体和所述第二壳体的内表面分别形成有多个微槽，多个所述微槽沿制动盘的径向呈放射状布置。

3.根据权利要求2所述的制动盘，其特征在于，所述第一壳体和所述第二壳体分别为铝基复合材料外壳；所述制动盘的总厚度为50mm～100mm，直径为300mm～500mm；所述第一壳体和所述第二壳体的壁厚分别为15mm～20mm；所述微槽深度为1mm～3mm，深宽比为1.0～2.0。

4.根据权利要求1所述的制动盘，其特征在于，所述第一铜板和所述第二铜板分别形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形铜板；所述第一铜板上的多个第一铜柱沿环状阵列排布；所述第二铜板上的多个第二铜柱沿环状阵列排布。

5.根据权利要求4所述的制动盘，其特征在于，所述第一铜板和所述第二铜板的厚度为5mm～10mm；所述第一铜柱和所述第二铜柱的直径为5mm～10mm，高度为3mm～5mm；所述第一铜板上的多个第一铜柱在所述第一铜板一侧表面的分布面积占所述第一铜板该侧表面面积的30％～70％，所述第二铜板上的多个第二铜柱在所述第一铜板一侧表面的分布面积占所述第二铜板该侧表面面积的30％～70％。

6.根据权利要求1所述的制动盘，其特征在于，所述第一铜网和所述第二铜网分别形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形铜网；所述第一铜网和所述第二铜网的孔隙率为60％～90％。

7.根据权利要求4-6任意一项所述的制动盘，其特征在于，所述第一铜板和所述第二铜板中的铜柱的分布密度小于所述第一铜网和所述第二铜网中的通孔的分布密度。

8.根据权利要求1所述的制动盘，其特征在于，所述冷凝板形成为与所述壳体空间水平方向的形状相匹配的环形冷凝板；所述冷凝板的两侧板面分别形成有多个放射状布置的沟槽。

9.根据权利要求8所述的制动盘，其特征在于，所述冷凝板为纯铜板；所述的冷凝板厚度为5mm～10mm；所述沟槽深度为1mm～3mm，深宽比为1.0～2.0。

10.根据权利要求1所述的制动盘，其特征在于，所述工质的充注率为40％～80％；其中，工质的充注率的定义为充注工质的体积与制动盘内部设置孔隙体积的比值。

Images