夏清飛

上海匯眾汽車制造有限公司 上海市 200122

1 引言

制動(dòng)盤(pán)是盤(pán)式制動(dòng)器重要的部件，制動(dòng)盤(pán)的可靠性幾乎決定了整個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性水平。因剎車過(guò)程中的摩擦阻力絕大部分轉(zhuǎn)換成為熱量，制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面溫度較高，當(dāng)出現(xiàn)較大的溫度梯度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在盤(pán)體表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，并不斷擴(kuò)展，最終形成貫穿裂紋。制動(dòng)盤(pán)出現(xiàn)貫穿裂紋時(shí)，將嚴(yán)重影響試驗(yàn)及車型量產(chǎn)的進(jìn)度，因此對(duì)于制動(dòng)盤(pán)熱裂紋問(wèn)題的研究極為重要。

隨著電動(dòng)車整備質(zhì)量的提升，制動(dòng)盤(pán)的尺寸也越來(lái)越大，為了滿足輕量化要求，電動(dòng)車制動(dòng)盤(pán)的設(shè)計(jì)趨向于大而薄，這對(duì)制動(dòng)盤(pán)各項(xiàng)性能指標(biāo)是很大的考驗(yàn)，尤其是疲勞性能。本文針對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱裂紋問(wèn)題進(jìn)行8D 分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而確定了熱裂紋問(wèn)題的解決措施。

2 熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理

盤(pán)式制動(dòng)器的摩擦系統(tǒng)是由摩擦片、制動(dòng)盤(pán)及摩擦界面第三體（界面膜、磨粒等）組成，摩擦副表面為粗糙表面，微觀上實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于名義接觸面積，而且分布是極不均勻的。制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中，由于接觸不完全，導(dǎo)致摩擦片表面溫度不一致，引起兩接觸體的熱彈性變形，從而影響接觸面之間的壓力分布。同時(shí)，接觸界面之間的壓力分布不平衡，也會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器溫度場(chǎng)分布更加不均勻，從而形成了一種惡性循環(huán)，這種現(xiàn)象稱為熱彈性不穩(wěn)定（Temperature Elasticity Instability），簡(jiǎn) 稱TEI。TEI 的后果是在摩擦面局部產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力不僅導(dǎo)致摩擦表面形成熱裂紋，還會(huì)加速材料的氧化和組織改變，進(jìn)而降低鑄件強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)致熱疲勞。

熱應(yīng)力是導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生疲勞裂紋的根本原因，熱應(yīng)力的影響因素復(fù)雜，不僅與材料特性有關(guān)，還與制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)形狀、使用條件緊密相關(guān)。制動(dòng)盤(pán)熱裂紋最常見(jiàn)的表現(xiàn)型式為徑向裂紋和周向裂紋，本文主要討論的是周向裂紋。

3 熱裂紋原因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文運(yùn)用了8D（Eight Disciplines）工具，對(duì)熱裂紋問(wèn)題進(jìn)行分析與解決。

D0 階段：準(zhǔn)備。某車型制動(dòng)盤(pán)在慣量臺(tái)進(jìn)行熱裂紋試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)早期失效，試驗(yàn)不合格，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的進(jìn)度。因此，公司成立了小組，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān)。

D1 階段：成立小組。成立了由產(chǎn)品、質(zhì)量、工藝、材料、試驗(yàn)、銷售、采購(gòu)等成員組成的小組。

D2 階段：?jiǎn)栴}描述。試驗(yàn)日期：2022.1.25 ～1.27，試驗(yàn)地點(diǎn)：試驗(yàn)室慣量臺(tái)，熱裂紋試驗(yàn)要求：工況要求以0.62g 的減速度從160km/h 減到0，連續(xù)制動(dòng)將盤(pán)溫升至550℃為1 個(gè)循環(huán)，＞300 循環(huán)不出現(xiàn)貫穿裂紋。試驗(yàn)結(jié)果：160 循環(huán)，外制動(dòng)面出現(xiàn)周向貫穿性裂紋，如圖1，試驗(yàn)不合格。

圖1 制動(dòng)盤(pán)熱裂紋

通過(guò)熱裂紋處的金相分析，得出裂紋的型式有三種，A：通風(fēng)槽圓角根部有裂紋，對(duì)應(yīng)外制動(dòng)面無(wú)裂紋；B：通風(fēng)槽圓角根部有裂紋，對(duì)應(yīng)外制動(dòng)面有微裂紋；C：從通風(fēng)槽圓角根部到外制動(dòng)面的貫穿裂紋，因此，明確了裂紋起始位置為通風(fēng)槽加強(qiáng)筋圓角根部。

通過(guò)對(duì)制動(dòng)盤(pán)單個(gè)加強(qiáng)筋應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的計(jì)算，按照熱裂紋試驗(yàn)規(guī)范，完整300 個(gè)循環(huán)時(shí)單個(gè)加強(qiáng)筋的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為9 萬(wàn)次，160 循環(huán)時(shí)受到的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是4.8 萬(wàn)次，因此屬于疲勞裂紋。

D3 階段：臨時(shí)圍堵措施。DV 樣件已交付客戶裝車，與客戶溝通裂紋出現(xiàn)的時(shí)間、部位、嚴(yán)重程度。此批件不能進(jìn)行惡劣工況的制動(dòng)試驗(yàn)。

D4 階段：確定并驗(yàn)證根本原因。該階段是問(wèn)題解決的核心部分。通過(guò)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分解，從人、機(jī)、料、法、環(huán)和測(cè)多方面進(jìn)行逐步分析，逐步排查，得出該問(wèn)題的根本原因。

潛在根源分析1：制動(dòng)盤(pán)尺寸問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，制動(dòng)面厚度、通風(fēng)筋的尺寸及溝槽的尺寸均合格。因此排除尺寸問(wèn)題。

潛在根源分析2：鑄造內(nèi)部缺陷。X 光探傷同批次10 個(gè)制動(dòng)盤(pán)，無(wú)內(nèi)部缺陷。并對(duì)失效件進(jìn)行斷口分析，試驗(yàn)件斷口附近組織為細(xì)片狀珠光體和少量細(xì)小分散的鐵素體，鐵素體含量＜5%且分布正常，無(wú)明顯夾雜物，斷口處金相正常，因此排除鑄造問(wèn)題。

潛在根源分析3：材料性能問(wèn)題。分別在制動(dòng)盤(pán)表面不同位置及裂紋區(qū)進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，試樣布氏硬度分布均勻，裂紋區(qū)與其他位置硬度相差不大，滿足設(shè)計(jì)要求，楔壓強(qiáng)度也滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)失效制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，各個(gè)化學(xué)成分?jǐn)?shù)值均在參考值范圍之內(nèi)。對(duì)失效制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行晶向分析，石墨類型為A 型，石墨尺寸IA4-5 級(jí)，視場(chǎng)中未見(jiàn)B，D，E 型石墨，無(wú)初生C 型石墨，金相組織滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求，因此排除制動(dòng)盤(pán)材料問(wèn)題。

潛在根源分析4：摩擦片偏磨。對(duì)摩擦片磨損量進(jìn)行測(cè)量，摩擦片徑向偏磨，外側(cè)摩擦片偏磨量5‰（標(biāo)準(zhǔn)3‰），偏大；內(nèi)側(cè)摩擦片偏磨量2.3‰（標(biāo)準(zhǔn)3‰），正常。摩擦片偏磨會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)受力不均，對(duì)熱應(yīng)力的形成會(huì)有一定的影響，但不是主要因素。

潛在根源分析5：試驗(yàn)夾具問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比夾具圖紙與實(shí)際測(cè)量，卡鉗與制動(dòng)盤(pán)位置符合設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有干涉，因此排除試驗(yàn)夾具問(wèn)題。

潛在根源分析6：試驗(yàn)臺(tái)架溫控設(shè)置問(wèn)題。該試驗(yàn)是在link 臺(tái)架上進(jìn)行的，分析試驗(yàn)過(guò)程中臺(tái)架的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1，制動(dòng)壓力、摩擦系數(shù)、制動(dòng)力矩與設(shè)計(jì)值對(duì)比無(wú)差異，溫度采取貼片式，且進(jìn)行過(guò)零位標(biāo)定，與熱電偶進(jìn)行比對(duì)，臺(tái)架顯示的溫度正常，因此排除臺(tái)架溫控問(wèn)題，見(jiàn)表1。

表1 熱裂紋臺(tái)架部分?jǐn)?shù)據(jù)

潛在根源分析7：制動(dòng)盤(pán)局部熱應(yīng)力過(guò)大，受疲勞載荷時(shí)，導(dǎo)致熱裂紋。通過(guò)CAE模擬制動(dòng)盤(pán)臺(tái)架試驗(yàn)的工況，計(jì)算制動(dòng)盤(pán)的熱應(yīng)力，當(dāng)溫度為543℃時(shí)，內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋末端最大熱應(yīng)力為292Mpa，超過(guò)材料極限（180Mpa），見(jiàn)圖2，受疲勞載荷時(shí)導(dǎo)致熱裂紋。制動(dòng)盤(pán)有限元仿真分析中得的最大熱應(yīng)力點(diǎn)的位置與臺(tái)架試驗(yàn)裂紋的位置非常接近，因此，制動(dòng)盤(pán)局部熱應(yīng)力過(guò)大是熱裂紋的根本原因。

圖2 失效制動(dòng)盤(pán)熱應(yīng)力分析

D5 階段：選擇并驗(yàn)證永久糾正措施。

經(jīng)過(guò)CAE 模擬分析，該制動(dòng)盤(pán)需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)加長(zhǎng)內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋的長(zhǎng)度及優(yōu)化倒角，加強(qiáng)開(kāi)裂處的強(qiáng)度，同時(shí)為了保證重量滿足要求，將溝槽深度變淺，熱變形會(huì)稍變大，但能滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)分析比較，確定該優(yōu)化方案成本最低，更改周期最短，能滿足項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)要求。

優(yōu)化方案進(jìn)行熱應(yīng)力分析，最大熱應(yīng)力169Mpa，見(jiàn)圖3，相對(duì)初始值降低了42%，滿足設(shè)計(jì)要求（<180Mpa）。

圖3 優(yōu)化后制動(dòng)盤(pán)熱應(yīng)力分析

制動(dòng)盤(pán)設(shè)計(jì)變量及性能參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比見(jiàn)表2 和表3。

表2 制動(dòng)盤(pán)設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前后對(duì)比

表3 制動(dòng)盤(pán)性能參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

本次試驗(yàn)驗(yàn)證是在同一個(gè)慣量試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，根據(jù)試驗(yàn)要求，每次循環(huán)結(jié)束的盤(pán)溫為550℃，熱裂紋試驗(yàn)用貼片式溫度傳感器監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤(pán)的表面溫度，制動(dòng)盤(pán)溫升和熱變形由預(yù)埋的位移傳感器以及熱電偶測(cè)量。試驗(yàn)臺(tái)架具體如圖4 所示。

圖4 制動(dòng)盤(pán)臺(tái)架試驗(yàn)

熱裂紋驗(yàn)證300 循環(huán)無(wú)裂紋，驗(yàn)證通過(guò)，同時(shí)，制動(dòng)盤(pán)的其余臺(tái)架性能單次溫升、熱變形及熱抖動(dòng)性能也滿足設(shè)計(jì)要求。

D6 實(shí)施永久糾正措施：按照D5 階段的方案，對(duì)制動(dòng)盤(pán)發(fā)起EWO 變更，對(duì)毛坯模具進(jìn)行修改，重新生產(chǎn)制動(dòng)盤(pán)樣件，并更新相關(guān)的PPAP 資料。

D7 預(yù)防再發(fā)生措施：更新DFMEA、制動(dòng)盤(pán)開(kāi)發(fā)指導(dǎo)書(shū)和培訓(xùn)計(jì)劃等相關(guān)資料，增加CAE 制動(dòng)盤(pán)熱應(yīng)力的分析方法，從而預(yù)防類似的問(wèn)題再次發(fā)生。

D8 總結(jié)表彰：此項(xiàng)目獲得成功，保證了項(xiàng)目按節(jié)點(diǎn)順利進(jìn)行，并贏得了客戶及公司領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。產(chǎn)品工程師通過(guò)該項(xiàng)目也對(duì)產(chǎn)品有了深刻的認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)能力的提升，為后續(xù)項(xiàng)目成功開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

通過(guò)8D 分析，我們可以更加全面、系統(tǒng)、有效的分析驗(yàn)證問(wèn)題，準(zhǔn)確的地得出了解決問(wèn)題的方向，提高了工作效率，減少了企業(yè)的損失。

4 結(jié)語(yǔ)

制動(dòng)盤(pán)的熱裂紋臺(tái)架失效在新能源車中出現(xiàn)的比例較高，當(dāng)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，本文利用8D 法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和闡述，首先要對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行失效斷口分析，同步進(jìn)行尺寸、硬度、化學(xué)成分、金相組織檢測(cè)，分析開(kāi)裂的原因是熱疲勞失效還是其他的因素不合格導(dǎo)致的提前失效。如果是熱疲勞失效，再對(duì)臺(tái)架數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，考察試驗(yàn)過(guò)程是否有異常情況，分析對(duì)象包括制動(dòng)初溫、制動(dòng)末溫、制動(dòng)力矩、制動(dòng)壓力及摩擦系數(shù)。如果臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有異常，那么需要對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。熱裂紋的發(fā)生取決于制動(dòng)面所受熱應(yīng)力的程度，可以通過(guò)增加制動(dòng)面的厚度、調(diào)整通風(fēng)筋的形狀、改變溝槽的深度等措施，減小溫度梯度，從而降低熱應(yīng)力，最后進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證。該文描述的方法對(duì)熱裂紋問(wèn)題的分析及解決有很好的借鑒作用。