史東杰 王智文 孫壘 焦孟旺 方泓 趙鵬云

汽車輕量化技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠和供應(yīng)商較為關(guān)注的話題，汽車輕量化不僅對(duì)汽車節(jié)能減排有著直接貢獻(xiàn)，同時(shí)對(duì)整車性能的提升也有著重要作用。制動(dòng)盤是汽車底盤系統(tǒng)重要的安全件，同時(shí)也屬于汽車簧下零件。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)制動(dòng)盤主要為灰鑄鐵材料一體鑄造成型，零件較重。實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤輕量化的主要技術(shù)途徑是應(yīng)用輕量化材料，本文主要對(duì)行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用和研究的制動(dòng)盤輕量化材料和輕量化技術(shù)途徑進(jìn)行簡(jiǎn)述。

1 概述

為應(yīng)對(duì)汽車保有量高速增長(zhǎng)帶來的能源和環(huán)境危機(jī)，國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠將汽車輕量化作為節(jié)能減排的重要途徑，研究表明：汽車整備質(zhì)量降低10%，可實(shí)現(xiàn)油耗降低6%～8%，排放降低5%～6%，油耗每減少1L，可降低2.45kg二氧化碳（CO2）排放量。底盤系統(tǒng)零件大部分屬于汽車簧下質(zhì)量（即非簧載質(zhì)量），通過應(yīng)用輕量化技術(shù)對(duì)某純電動(dòng)汽車底盤簧下零件減重10kg，試驗(yàn)評(píng)估整車?yán)m(xù)航里程可提升約6%以上，電耗可降低2%～4%左右，同時(shí)降低簧下質(zhì)量對(duì)制動(dòng)距離、轉(zhuǎn)向力、加速、輪胎壽命等整車性能產(chǎn)生積極影響，提升整車駕駛舒適性與安全性。

制動(dòng)盤是盤式制動(dòng)器的摩擦偶件，除應(yīng)具有作為構(gòu)件所需要的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)有盡可能高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，以及適當(dāng)?shù)哪湍バ?、耐熱性、散熱性和熱容量等，目前汽車用制?dòng)盤主要為灰鑄鐵一體鑄造成型，其質(zhì)量較大。本文就汽車制動(dòng)盤輕量化材料及主要技術(shù)途徑進(jìn)行簡(jiǎn)析。

2 技術(shù)途徑

制動(dòng)盤輕量化的技術(shù)難點(diǎn)在于保證整車制動(dòng)性能的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化。當(dāng)前，制動(dòng)盤較為有效的輕量化技術(shù)途徑是以應(yīng)用輕量化材料為主，可減重15%～60%左右，所述的輕量化材料不僅局限于輕質(zhì)合金材料鋁合金、碳纖陶瓷材料，還包含通過高強(qiáng)減薄來達(dá)到一定的輕量化效果的高強(qiáng)鋼板或鑄鋼等鋼質(zhì)材料（如圖1所示）。

制動(dòng)盤按照工作局域可分為盤帽和摩擦環(huán)，盤帽區(qū)域主要用于與車輪和輪轂單位連接，摩擦環(huán)區(qū)域通過與摩擦片貼合使車輛產(chǎn)生制動(dòng)。制動(dòng)性能主要由摩擦環(huán)與摩擦片的配合決定，基于制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)形式劃分，可將制動(dòng)盤輕量化技術(shù)方式分為3種：第1種為鋁合金/鋼質(zhì)盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)；第2種為鋁合金盤帽+碳纖增強(qiáng)陶瓷材料摩擦環(huán)；第3種為鋁基碳化硅陶瓷制動(dòng)盤。其中前2種也被稱為復(fù)合式制動(dòng)盤，且均已在行業(yè)內(nèi)成熟應(yīng)用。

3 技術(shù)分析

3.1 鋁合金材料

鋁合金材料具有密度小、質(zhì)量輕、比熱容大等優(yōu)點(diǎn)，是汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑，故可用于無摩擦性能要求的制動(dòng)盤盤帽區(qū)域，來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤的輕量化，成型工藝為常規(guī)的鑄造成型，材料可選用汽車上應(yīng)為較為成熟的A356型鋁合金。由于鋁合金材料摩擦性能較差，故摩擦環(huán)沿用常規(guī)制動(dòng)盤應(yīng)用成熟的灰鑄鐵材料，如HT250和HT200等，以降低復(fù)合式制動(dòng)盤的開發(fā)周期和開發(fā)難度。鋁盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)復(fù)合式制動(dòng)盤是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最為成熟和廣泛的輕量化制動(dòng)零件，其輕量化效果達(dá)到30%左右，在奧迪、寶馬、凱迪拉克和雷克薩斯等主機(jī)廠車型上大量應(yīng)用。

鋁盤帽與灰鑄鐵摩擦環(huán)復(fù)合連接方式主要有螺栓螺母連接式、鉚釘連接式和一體熔鑄式（如圖2所示）。

3.1.1 螺栓螺母連接式

如圖3所示，通過一定數(shù)量沿制動(dòng)盤徑向均勻分布的螺栓和螺母，沿制動(dòng)盤軸向穿過盤帽和摩擦環(huán)后進(jìn)行緊固，是行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最為成熟的分體式制動(dòng)盤連接方式。螺栓需選用高強(qiáng)度碳鋼材料，推薦螺栓的強(qiáng)度級(jí)別不低于12.9級(jí)，在組合過程中所有螺栓在安裝時(shí)應(yīng)為相同的擰緊力矩，同時(shí)需進(jìn)行緊固連接防松設(shè)計(jì)，以避免在長(zhǎng)期行車制動(dòng)過程中螺栓和螺母發(fā)生松動(dòng)。應(yīng)注意在開發(fā)過程中臺(tái)架疲勞驗(yàn)證階段對(duì)螺栓螺母進(jìn)行松緊力矩進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)估臺(tái)架疲勞試驗(yàn)后螺栓螺母的擰緊力矩衰減情況。

在國(guó)外高端豪華車型上應(yīng)用較多的復(fù)合浮動(dòng)式制動(dòng)盤（如圖4所示），其盤帽和摩擦環(huán)之間的連接方式在理論上也屬于螺栓螺母連接式的一種，主要差別在于對(duì)盤帽和摩擦環(huán)連接方式上進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。當(dāng)整車在連續(xù)制動(dòng)工況下導(dǎo)致摩擦環(huán)溫度較高時(shí)，允許摩擦環(huán)在沿制動(dòng)盤徑向發(fā)生輕微移動(dòng)，即為制動(dòng)盤提供一定的熱膨脹空間，釋放摩擦環(huán)的熱應(yīng)力，避免制動(dòng)盤在高溫下出現(xiàn)較大軸向變形，提升制動(dòng)盤的制動(dòng)性能。

3.1.2 鉚釘連接式

在寶馬高端車型應(yīng)用的一種復(fù)合式制動(dòng)盤，通過沿制動(dòng)盤軸向均勻分布的多個(gè)鉚釘將盤帽和摩擦環(huán)鎖定在一起，通過鋁質(zhì)盤帽實(shí)現(xiàn)輕量化，摩擦環(huán)仍沿用灰鑄鐵材料（如圖5所示）。其結(jié)構(gòu)為凹型盤帽扣在摩擦環(huán)上，鉚釘從側(cè)面（制動(dòng)盤徑向）穿過盤帽和摩擦環(huán)后進(jìn)行鎖緊，鉚釘以高強(qiáng)鋼質(zhì)材料為主，以保證具有足夠的連接強(qiáng)度，其外觀整體上與常規(guī)的一體式灰鑄鐵制動(dòng)盤較為接近。

3.1.3 一體熔鑄式

一體式熔鑄制動(dòng)盤是也是通過應(yīng)用鋁合金盤帽來達(dá)到減重效果，生產(chǎn)過程中先將已鑄造成型的灰鑄鐵制動(dòng)盤放入鋁盤帽的鑄造模具后再進(jìn)行盤帽鑄造，減少了盤帽和摩擦環(huán)裝配組合工序（如圖6所示）。一體式熔鑄制動(dòng)盤與分體式制動(dòng)盤的輕量化途徑相同，但其對(duì)盤帽和摩擦環(huán)配合區(qū)域進(jìn)行更大的優(yōu)化，如在盤帽和摩擦環(huán)配合連接位置增加通風(fēng)孔，進(jìn)一步減輕了制動(dòng)盤質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的輕量化效果。

盤帽與摩擦環(huán)的連接方式有銷/釘和無銷/釘2種，無銷釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式是在盤帽鑄造成型時(shí)直接摩將盤帽鑄進(jìn)摩擦環(huán)已設(shè)計(jì)好的組裝孔內(nèi)，盤帽鑄進(jìn)摩擦環(huán)的部分承擔(dān)著連接結(jié)構(gòu)的作用，減少了零件數(shù)量和工藝過程；有銷/釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式的是在摩擦環(huán)鑄造前將銷/釘放入摩擦環(huán)模具內(nèi)，使銷/釘?shù)囊欢髓T造在摩擦環(huán)內(nèi)，然后再隨摩擦環(huán)一同放入盤帽鑄造模具內(nèi)，使銷/釘?shù)牧硪欢髓T造在盤帽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)摩擦環(huán)與盤帽的連接。

3.2 鋼質(zhì)材料

鋼質(zhì)材料在制動(dòng)盤上的應(yīng)用方式與鋁合金的應(yīng)用方式相似，通過盤帽應(yīng)用高強(qiáng)度的鋼質(zhì)材料進(jìn)行減薄設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)減重，其輕量化效果可達(dá)到15%以上。

如圖7所示的只在奔馳車型上應(yīng)用的一種復(fù)合式制動(dòng)盤，其盤帽為高強(qiáng)鋼板沖壓成型，摩擦環(huán)材料為常規(guī)灰鑄鐵材料，通過盤帽材料高強(qiáng)化，厚度減薄來實(shí)現(xiàn)輕量化。在盤帽和摩擦環(huán)配合連接區(qū)域進(jìn)行過盈配合和鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證連接強(qiáng)度，這種連接方式對(duì)盤帽成型、摩擦環(huán)機(jī)加工和組裝控制精度要求較高。

如圖8所示的一種復(fù)合式制動(dòng)盤，盤帽為鑄鋼材料，摩擦環(huán)仍為灰鑄鐵材料，生產(chǎn)工藝上為一體熔鑄式，與鋁盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)一體熔鑄式的區(qū)別在于：需先鑄造出鑄鋼盤帽，然后放入摩擦環(huán)鑄造膜就中進(jìn)行整體鑄造成型。

3.3 陶瓷材料

3.3.1 碳纖增強(qiáng)陶瓷制動(dòng)盤

如圖9所示在部分賽車和高端跑車上應(yīng)用的碳纖增強(qiáng)陶瓷制動(dòng)盤，其屬于復(fù)合式制動(dòng)盤，盤帽根據(jù)性能要求可應(yīng)用鋁合金或鋼質(zhì)材料，摩擦環(huán)應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)陶瓷來實(shí)現(xiàn)減重，為進(jìn)一步提升制動(dòng)性能，其盤帽和摩擦環(huán)的連接形式一般為浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，輕量化效果最高可達(dá)到60%以上。碳纖增強(qiáng)陶瓷制動(dòng)盤因材成本昂貴、生產(chǎn)工藝復(fù)雜和生產(chǎn)效率低等原因，僅能在賽車和高端跑車上應(yīng)用，不適于在中低端車型上應(yīng)用。

3.3.2 鋁基碳化硅陶瓷制動(dòng)盤

鋁基碳化硅陶瓷制動(dòng)盤在高鐵和動(dòng)車上已經(jīng)成熟應(yīng)用，當(dāng)前尚未在汽車上得到應(yīng)用，因摩擦環(huán)材料由常規(guī)的灰鑄鐵材料變?yōu)殇X基碳化硅材料，故與其匹配的摩擦片也需要進(jìn)行同步開發(fā)，國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠和科研結(jié)構(gòu)也在嘗試通過調(diào)整配方、調(diào)整生產(chǎn)工藝和更改摩擦片配方等途徑來滿足汽車制動(dòng)盤性能的要求，如圖10所示的粉末冶金鋁基碳化硅陶瓷制動(dòng)盤，輕量化效果可達(dá)到60%左右。但當(dāng)前鋁基碳化硅制動(dòng)盤仍存在臺(tái)架疲勞試驗(yàn)犁溝磨損較大、熱性能不足、生產(chǎn)成本較高和生產(chǎn)效率低等問題需要進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

多材料組合應(yīng)用是汽車輕量化的重要發(fā)展趨勢(shì)，合適的材料用在合適的位置即能保證制動(dòng)盤的制動(dòng)性能，又能實(shí)現(xiàn)良好的輕量化效果。將盤帽由灰鑄鐵替換為鋁合金材質(zhì)的技術(shù)途徑性價(jià)比最優(yōu)，但因成本問題僅在國(guó)外中高端車型上得到批量應(yīng)用，不同制動(dòng)盤輕量化技術(shù)途徑的選用需結(jié)合具體研發(fā)車型制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)形式、車型定位和制動(dòng)性能要求而定。