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        輕量化組合式制動(dòng)盤技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證

        2021-08-31 07:24:58史東杰王智文孫壘焦孟旺曹偉
        汽車零部件 2021年8期
        關(guān)鍵詞:熱容量灰鑄鐵螺母

        史東杰,王智文,孫壘,焦孟旺,曹偉

        (北京汽車研究總院有限公司,北京 101300)

        0 引言

        近年來(lái),由于汽車銷量的高速增長(zhǎng),對(duì)汽車行業(yè)的節(jié)能減排要求日益提高,汽車輕量化已經(jīng)成為各大主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)節(jié)油減排的重要途徑,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1 L,可降低2.45 kg CO2排放量[1]?;上沦|(zhì)量的降低對(duì)汽車制動(dòng)距離、轉(zhuǎn)向力、加速、輪胎壽命等性能產(chǎn)生積極影響,提升整車駕駛舒適性與安全性[2]。為驗(yàn)證汽車簧下質(zhì)量降低對(duì)新能源車型電耗的影響,開展了純電動(dòng)車整車路試試驗(yàn)對(duì)比分析:在NEDC工況下對(duì)某純電動(dòng)汽車在簧下零件減重10 kg前后分別進(jìn)行整車路試試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明簧下質(zhì)量降低10 kg后,整車?yán)m(xù)航里程提升約6%以上,電耗降低2%~4%。制動(dòng)盤屬于汽車簧下質(zhì)量,目前汽車常用的制動(dòng)盤主要為灰鑄鐵鑄造成型,其質(zhì)量較大。

        當(dāng)前行業(yè)內(nèi)制動(dòng)盤的輕量化途徑主要有3個(gè):(1)一體式鋁基碳化硅制動(dòng)盤;(2)鋁合金/高強(qiáng)鋼盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)組合式制動(dòng)盤;(3)鋁/高強(qiáng)鋼盤帽+碳纖增強(qiáng)陶瓷摩擦環(huán)組合式制動(dòng)盤。如圖1所示,其中第1種和第3種輕量化制動(dòng)盤價(jià)格昂貴,不適用于常規(guī)乘用車型應(yīng)用,第2種鋁合金盤帽+灰鑄鐵摩擦環(huán)組合式制動(dòng)盤性價(jià)比最優(yōu),本文作者基于某車型通風(fēng)式制動(dòng)盤,進(jìn)行“鋁盤+灰鑄鐵摩擦環(huán)組合式制動(dòng)盤”技術(shù)開發(fā)評(píng)價(jià)。

        圖1 制動(dòng)盤輕量化技術(shù)途徑

        1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

        按照工作區(qū)域?qū)⒅苿?dòng)盤分為盤帽和摩擦環(huán),如圖2所示,與輪轂和輪轂軸承接觸來(lái)固定安裝和傳遞力矩的區(qū)域?yàn)楸P帽,與摩擦片相貼合產(chǎn)生汽車制動(dòng)力的區(qū)域?yàn)槟Σ镰h(huán)。

        圖2 一體式灰鑄鐵制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)

        1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        基于整車參數(shù)和制動(dòng)性能要求,提取制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù),并結(jié)合制動(dòng)盤零件技術(shù)條件和與周邊零件邊界條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        將盤帽和摩擦環(huán)作為兩個(gè)單獨(dú)零件,基于制動(dòng)盤安裝和制動(dòng)力矩的要求,確定盤帽和摩擦環(huán)的各工作平面面積、內(nèi)/外徑尺寸和外觀形貌,同時(shí)設(shè)定盤帽和摩擦環(huán)各區(qū)域壁厚。如圖3所示,在摩擦環(huán)內(nèi)側(cè)與盤帽連接區(qū)域設(shè)計(jì)為沿軸向均勻分布的花瓣?duì)?,盤帽在與摩擦環(huán)螺栓連接孔附近區(qū)域設(shè)計(jì)成凸臺(tái),盤帽和摩擦環(huán)組裝完成后,在盤帽和摩擦環(huán)之間形成沿軸線均勻分布的通風(fēng)孔,提升制動(dòng)盤的散熱能力的同時(shí)也達(dá)到了一定的輕量化效果,如圖4所示。

        圖3 連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        圖4 通風(fēng)孔設(shè)計(jì)

        盤帽和摩擦環(huán)的連接設(shè)計(jì)是組合式制動(dòng)盤技術(shù)開發(fā)的核心內(nèi)容,選用行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的高強(qiáng)螺栓螺母連接。在連接設(shè)計(jì)過(guò)程中,因?qū)⒙菽钢苯釉O(shè)計(jì)在盤帽安裝法蘭面上而導(dǎo)致了螺母與輪轂軸承發(fā)生干涉,為消除干涉問(wèn)題,在盤帽安裝法蘭面上增加螺母安裝凹槽設(shè)計(jì),將連接螺母沉入到盤帽安裝法蘭面以下,干涉問(wèn)題得到解決的同時(shí)進(jìn)一步降低了盤帽質(zhì)量,如圖5所示。螺栓與螺母在長(zhǎng)期復(fù)雜路況下存在相對(duì)位移風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)在螺栓和螺母兩側(cè)增加防松墊片設(shè)計(jì),可消除連接松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。螺栓和螺母選用高強(qiáng)度碳鋼,螺栓表面進(jìn)行達(dá)克羅處理,螺母表面進(jìn)行電鍍防護(hù)處理。

        圖5 連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        將盤帽部分由灰鑄鐵材料改為高強(qiáng)度鋁合金材料,鋁合金材料應(yīng)用可降低零件質(zhì)量,材料牌號(hào)選用在汽車底盤結(jié)構(gòu)件上常用的ZL101A高強(qiáng)鋁合金。摩擦環(huán)在車輛制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,摩擦環(huán)區(qū)域最高溫度可達(dá)到600 ℃以上,因鋁合金熱變形量大、耐高溫性能差和耐磨性差等特點(diǎn),不適用于摩擦環(huán),行業(yè)內(nèi)高端跑車應(yīng)用的碳纖增強(qiáng)陶瓷摩擦環(huán)價(jià)格過(guò)于昂貴,動(dòng)車高鐵制動(dòng)盤上已成熟應(yīng)用的鋁基碳化硅材料制動(dòng)盤在乘用車上應(yīng)用還需要進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān),且應(yīng)用成本較高,常規(guī)制動(dòng)盤應(yīng)用的灰鑄鐵材料性價(jià)比最優(yōu),且無(wú)需進(jìn)行摩擦片的匹配開發(fā),故摩擦環(huán)沿用HT250材料。

        考慮到鋁合金材料與灰鑄鐵材料間存在電位差,在潮濕環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,為避免電化學(xué)腐蝕失效問(wèn)題發(fā)生,對(duì)機(jī)加工后的摩擦環(huán)表面增加達(dá)克羅涂層,以降低盤帽與摩擦環(huán)裝配后的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題。

        原一體式制動(dòng)盤設(shè)計(jì)質(zhì)量為10 kg,應(yīng)用鋁合金盤帽輕量化制動(dòng)盤設(shè)計(jì)可直接降重2 kg,輕量化效果達(dá)到20%,整車可實(shí)現(xiàn)簧下質(zhì)量降低4 kg(對(duì)摩擦環(huán)內(nèi)外直徑和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減重),輕量化組合式制動(dòng)盤最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        圖6 組合式制動(dòng)盤設(shè)計(jì)結(jié)果

        1.2 仿真分析

        為驗(yàn)證分析組合式制動(dòng)盤的熱性能、強(qiáng)度和噪聲性能,結(jié)合制動(dòng)盤實(shí)際工作狀態(tài)要求,開展組合式制動(dòng)盤熱容量、熱變形、強(qiáng)度和模態(tài)共4項(xiàng)性能的仿真分析。

        1.2.1 熱容量分析

        參照J(rèn)ASO C406試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱容量仿真分析,在規(guī)定制動(dòng)次數(shù)下對(duì)制動(dòng)有效半徑區(qū)域內(nèi)達(dá)到的最高溫度進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖7所示的熱容量仿真分析,分析制動(dòng)有效半徑最高溫度為581 ℃,低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)允許的最高溫度610 ℃,熱容量分析結(jié)果合格。

        圖7 熱容量仿真分析

        1.2.2 熱變形分析

        參照 JASO C406試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱變形仿真分析,分析結(jié)果如圖8所示的熱變形仿真分析,組合式制動(dòng)盤最大軸向熱變形為0.28 mm,低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)允許的最大變形量0.3 mm,熱變形分析結(jié)果合格。

        圖8 熱變形仿真分析

        1.2.3 強(qiáng)度分析

        依據(jù)公司技術(shù)要求,進(jìn)行組合式制動(dòng)盤強(qiáng)度仿真分析,分析結(jié)果如圖9所示強(qiáng)度仿真分析,仿真分析最大應(yīng)力出現(xiàn)在盤帽上,為211 MPa,設(shè)計(jì)要求需滿足1.1倍的強(qiáng)度安全系數(shù),即極限強(qiáng)度并不大于220 MPa,項(xiàng)目?jī)?nèi)控要求ZL101A材料屈服強(qiáng)度不小于240 MPa,實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度平均值為275 MPa,組合式制動(dòng)盤強(qiáng)度分析結(jié)果合格。

        圖9 強(qiáng)度仿真分析

        1.2.4 模態(tài)分析

        依據(jù)公司技術(shù)要求,進(jìn)行組合式制動(dòng)盤模態(tài)仿真分析,要求模態(tài)分離Δf1>225 Hz、Δf2>225 Hz,Δf3>100 Hz,分析結(jié)果為Δf1=343 Hz、Δf2=425.3 Hz、Δf3=692.5 Hz,詳見圖10模態(tài)仿真分析,組合式制動(dòng)盤模態(tài)分析仿真分析結(jié)果合格。

        圖10 模態(tài)分析結(jié)果

        2 制動(dòng)盤性能驗(yàn)證評(píng)價(jià)

        為驗(yàn)證組合式制動(dòng)盤試制零件強(qiáng)度性能,參照ECE R90和JASO C406試驗(yàn)方法對(duì)組合式制動(dòng)盤進(jìn)行高負(fù)載、熱疲勞、熱衰退、熱變形和熱容量試驗(yàn),如圖11 所示。為保證驗(yàn)證的充分性和全面性,對(duì)每個(gè)驗(yàn)證項(xiàng)目進(jìn)行3次臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè),3次試驗(yàn)全部合格才能判定此檢測(cè)合格。高負(fù)載和熱疲勞試驗(yàn)完成后制動(dòng)盤上未出現(xiàn)任何形式的損壞或失效問(wèn)題,試驗(yàn)結(jié)果合格;熱衰退、熱容量、熱變形試驗(yàn)結(jié)束后組合式制動(dòng)盤達(dá)到的最大變形量為0.21 mm,永久變形量為0.16 mm,達(dá)到的最高溫度為550 ℃,試驗(yàn)后制動(dòng)盤狀態(tài)如圖12所示,試驗(yàn)結(jié)果均合格。組合式制動(dòng)盤零件性能滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖11 零件性能驗(yàn)證試驗(yàn)

        圖12 零件性能驗(yàn)證結(jié)束后組合式制動(dòng)盤狀態(tài)

        3 結(jié)論

        組合式制動(dòng)盤在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中需考慮避免與周邊零件干涉問(wèn)題、提升通風(fēng)散熱性能、抗電化學(xué)腐蝕防護(hù)和連接方式設(shè)計(jì)等。

        組合式制動(dòng)盤仿真分析性能和零件強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)和使用要求,但要實(shí)現(xiàn)組合式制動(dòng)盤量產(chǎn)應(yīng)用,需進(jìn)一步開展整車疲勞耐久性能驗(yàn)證。

        組合式制動(dòng)盤較原一體式制動(dòng)盤方案可實(shí)現(xiàn)減重2 kg/件,整車簧下質(zhì)量可降低4 kg,輕量化效果達(dá)到20%左右,對(duì)整車性能的提升有重要意義。

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