周 正

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校， 遼寧 沈陽(yáng) 110122）

目前， 國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)人駕駛汽車制動(dòng)系統(tǒng)的研究雖然已經(jīng)有所進(jìn)步， 但是都偏重于系統(tǒng)性、智能化、 電氣化方向研究。 由于無(wú)人駕駛汽車制動(dòng)頻繁且要求制動(dòng)精度高的特點(diǎn)， 在車輪制動(dòng)器上， 需要使用更輕量化且滿足高頻制動(dòng)特性的新型材質(zhì)， 以替代普遍采用的鑄鐵材質(zhì)。 該領(lǐng)域研究目前基本空白， 距離技術(shù)成熟還比較遠(yuǎn)， 亟待進(jìn)一步研究。

1 設(shè)計(jì)的意義與必要性

隨著無(wú)人駕駛汽車核心技術(shù)的不斷發(fā)展和突破， 可能在不久的將來(lái)， 人類就會(huì)面臨著無(wú)人駕駛與有人駕駛的混合交通， 乃至最終發(fā)展成完全無(wú)人駕駛交通。 而在這樣的交通狀況下， 大量無(wú)人駕駛車輛在運(yùn)行過(guò)程中， 如何保證智能、 安全、 有效、 舒適的制動(dòng)， 這對(duì)于無(wú)人駕駛車輛是否能順利完成既定的行駛?cè)蝿?wù)， 以及對(duì)于所有交通參與者， 如行人、 有人駕駛車輛、 其他無(wú)人駕駛車輛、 路面交通設(shè)施等的安全性來(lái)說(shuō)， 就顯得尤為重要。

因此， 如何能夠保證無(wú)人駕駛車輛智能、 安全且較小制動(dòng)力的高頻制動(dòng)， 如何在滿足剛性的前提下更輕量化設(shè)計(jì)制動(dòng)器， 是我們特別需要關(guān)注的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。 目前， 國(guó)內(nèi)外對(duì)于此類問(wèn)題的研究比較少， 很有必要進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題的研究。

2 對(duì)于無(wú)人駕駛汽車制動(dòng)特點(diǎn)的分析

無(wú)人駕駛汽車與有人駕駛汽車的制動(dòng)需求，主要有以下幾個(gè)重要區(qū)別：

（1） 行駛特點(diǎn)不同。 無(wú)人駕駛汽車基本不會(huì)出現(xiàn)急加速、 急減速、 快速變換車道等行駛狀況。 因此， 需要的制動(dòng)力可以較小。

（2） 制動(dòng)頻率不同。 無(wú)人駕駛汽車基于安全考慮會(huì)比有人駕駛汽車更加嚴(yán)格， 因此進(jìn)行制動(dòng)的次數(shù)和頻率也會(huì)大幅增加。

（3） 對(duì)道路需求不同。 無(wú)人駕駛汽車需要路況更好、 交通標(biāo)識(shí)更加規(guī)范清晰、 外界干擾更小。 同時(shí)， 對(duì)于基礎(chǔ)交通中的駕駛輔助設(shè)備、 外圍設(shè)備、 路側(cè)設(shè)備要求更高。 以期更好的判斷和計(jì)算所需制動(dòng)工況， 從而進(jìn)行智能化制動(dòng)。

（4） 無(wú)人駕駛車輛需要事先收集計(jì)劃路線的路況信息、 車輛信息、 天氣信息等多方面信息，行駛中不斷探測(cè)周圍交通狀況， 從而進(jìn)行智能制動(dòng)。 所以， 需要更多的云數(shù)據(jù)， 更精確的傳感器信號(hào)、 更快的計(jì)算和控制能力。

（5） 無(wú)人駕駛汽車需要采用智能制動(dòng)系統(tǒng)，相比普通制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)更加復(fù)雜、 造價(jià)也更高。

3 無(wú)人駕駛汽車制動(dòng)片背板材料需求分析

當(dāng)前， 汽車制動(dòng)片背板通常采用的是鋼鐵材質(zhì)， 例如碳鋼、 合金鋼等。 這是因?yàn)槠囍苿?dòng)片背板需要具有較高的強(qiáng)度、 耐腐蝕性和抗磨損性能， 以保證剎車的安全性、 可靠性和耐用性。 此外， 制動(dòng)片背板還需要進(jìn)行熱處理等多道工藝，以提高其物理、 化學(xué)性能和微觀組織， 同時(shí)還需考慮其成本和制造工藝的可行性。 總的來(lái)說(shuō)， 汽車制動(dòng)片背板材質(zhì)的選擇通常是綜合考慮材料的性能、 成本和制造工藝等因素， 并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求進(jìn)行選擇。

輕量化材料就是既具備自重輕的特點(diǎn)又能滿足產(chǎn)品性能要求的材料， 輕量化材料制造的零部件可以減少產(chǎn)品整體重量， 達(dá)到節(jié)能減排的目的， 具備經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的雙重效益。

工業(yè)領(lǐng)域使用的輕量化材料包括金屬材料和非金屬材料， 按照減重效果由低到高來(lái)排序， 依次有高強(qiáng)鋼、 鋁合金、 鈦合金、 鎂合金、 工程塑料、 碳纖維復(fù)合材料。

3.1 高強(qiáng)鋼

鋼是工業(yè)產(chǎn)品的主要原材料， 現(xiàn)階段適用于3D 打印的鋼材主要有A100、 300M 等高強(qiáng)鋼，316L 和304L 不銹鋼、 18Ni-300 馬氏體鋼、 17-4PH 和15-5PH 沉淀硬化不銹鋼以及H13 工具鋼等。 其中鐵素體－貝氏體鋼強(qiáng)度級(jí)別為500MPa，雙相 （DP） 鋼和相變誘發(fā)塑性 （TRIP） 鋼強(qiáng)度級(jí)別為600～800MPa， 復(fù)相 （CP） 鋼強(qiáng)度級(jí)別在1000MPa 或更高。 這些鋼的成型性能也很好。 日本日產(chǎn)汽車公司進(jìn)行了590MPa 級(jí)高強(qiáng)度鋼板在車身上的應(yīng)用研究， 他們選用TRIP 鋼和DP 鋼裸板以及DP 鋼鍍鋅板并運(yùn)用有限元分析技術(shù)解決了沖壓開裂和回彈問(wèn)題， 優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)， 通過(guò)實(shí)車檢測(cè)， 剛度和碰撞性能滿足要求，比采用440MPa 級(jí)鋼板時(shí)降重10kg。 在同等的強(qiáng)度等級(jí)下， 使用高強(qiáng)度鋼可以最大限度減輕鋼板的厚度， 因此， 鋼的強(qiáng)度越高， 減重效果越好，相比較其他材料， 鋼材更具成本優(yōu)勢(shì)， 目前， 鋼材的研究在不斷朝著質(zhì)量輕、 強(qiáng)度高的方向演化， 如果能夠兼具輕量化與成本優(yōu)勢(shì)， 那么依然會(huì)是工業(yè)產(chǎn)品的主流選擇。

3.2 鋁合金

鋁的密度只有鋼的1/3， 具有密度小、 易加工、 耐腐蝕、 可回收的優(yōu)點(diǎn)， 但眾所周知鋁的熔點(diǎn)低、 強(qiáng)度低， 耐高溫及承重能力不足， 針對(duì)這一特點(diǎn)， 在AL 中加入Si、 Fe、 Mn、 Cr、 Zn、 Ti等元素制成鋁合金來(lái)提升其強(qiáng)度和硬度， 使得以鋁代鋼可能性逐漸顯露。 現(xiàn)在已有一些高強(qiáng)鋁合金材料問(wèn)世， 比如空客的Scalmalloy、 英國(guó)鑄造公司Aeromet International 的A20X、 長(zhǎng)沙新材料產(chǎn)業(yè)研究院的AlMgSc 以及蘇州倍豐的Al250C等。

3.3 鈦合金

鈦及鈦合金具有密度小、 耐腐蝕、 耐高溫、強(qiáng)度高的特點(diǎn)， 從性能而言是最理想的輕量化材料但是相比較鋼和鋁成本過(guò)高， 目前主要用于高端制造領(lǐng)域如軍用飛機(jī)和醫(yī)療領(lǐng)域， 在汽車制造領(lǐng)域少量用于排氣系統(tǒng)相關(guān)組件， 3D 打印用鈦合金材料主要有Ti64。

3.4 鎂合金

鎂的密度是鋁的2/3， 鋼的2/9， 鈦的1/2，鎂的比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼， 比剛度接近鋁合金和鋼， 能夠承受一定的負(fù)荷， 除此之外， 鎂合金重量輕， 具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、 導(dǎo)熱性、 減震性，我國(guó)的鎂資源豐富， 是最具潛力的輕量化材料之一， 現(xiàn)階段鎂合金在美、 日汽車工業(yè)領(lǐng)域的使用較為普遍但相對(duì)其他材料依然較少， 在我國(guó)處于起步階段， 整體而言呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)， 在車身、 發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)飾上都可見鎂合金的身影。

3.5 工程塑料

工程塑料， 與普通塑料相比具有更好的穩(wěn)定性、 耐熱性和耐腐蝕性， 與金屬相比， 質(zhì)量更輕、 易加工、 具有電絕緣性， 可以用作設(shè)計(jì)驗(yàn)證， 縮短研發(fā)周期， 也可以用來(lái)制作功能部件，比如汽車的內(nèi)飾件、 電器件、 控制面板等部件，既可以實(shí)現(xiàn)輕量化還可以節(jié)省成本， 工程塑料在輕量化制造方面的應(yīng)用呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)， 材料種類也在不斷豐富。

3.6 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維材料是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化處理及石墨化處理得到的一種含碳量高于90%的無(wú)機(jī)高性能纖維， 具有碳素材料的強(qiáng)抗拉力特性又兼具纖維材料的軟加工性， 其密度不到鋼的1/5， 但強(qiáng)度卻是鋼的8 倍。 用碳纖維代替鋼材可以減重50%作用， 輕量化潛力巨大， 但目前制造成本較高。

以上材料理論上可以應(yīng)用于制動(dòng)片背板的輕量化設(shè)計(jì)， 但是具體表現(xiàn)以及產(chǎn)品穩(wěn)定性、 安全性還有待于實(shí)際驗(yàn)證。 同時(shí)， 除了批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題， 還有背板與摩擦片的安裝與連接問(wèn)題， 也是必須要考慮的。

4 輕量化制動(dòng)摩擦片背板的設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛汽車輕量化制動(dòng)片背板結(jié)構(gòu)較為單一， 在使用時(shí)存在不足之處：

（1） 將制動(dòng)摩擦片安裝在背板上時(shí)， 通常是利用熱量和壓力來(lái)黏合制動(dòng)摩擦片的， 此方式使得制動(dòng)摩擦片的穩(wěn)定性差， 容易發(fā)生移位的現(xiàn)象， 進(jìn)而影響使用效果；

（2） 制動(dòng)摩擦片背板在實(shí)際使用時(shí)， 因耐磨性能較差而導(dǎo)致磨損嚴(yán)重， 降低使用壽命。

因此， 有必要設(shè)計(jì)出一種新的安裝方案來(lái)解決上述問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)人駕駛汽車輕量化制動(dòng)片背板，包括背板主體、 摩擦片主體和連接層。 背板主體的兩側(cè)均安裝有連接塊， 呈對(duì)稱分布， 且連接塊的內(nèi)部均安裝有通孔， 一端設(shè)置有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)， 表面設(shè)置有防護(hù)結(jié)構(gòu)， 另一端安裝有摩擦片主體。 摩擦片主體的兩側(cè)均安裝有減震面， 一端安裝有連接層， 連接層的一端設(shè)置有定位結(jié)構(gòu)。 定位結(jié)構(gòu)包括有防滑片、 定位孔、 定位塊和粗糙面。 防滑片安裝在背板主體的另一端， 內(nèi)部均勻安裝有定位孔。 定位塊均勻安裝在連接層的一端， 表面安裝有粗糙面。 定位塊與定位孔大小相適配， 構(gòu)成卡合結(jié)構(gòu)。 定位塊處于同一水平面內(nèi)， 在連接層的一端呈弧形排列。 這種定位結(jié)構(gòu)可起到一定的定位作用， 提高摩擦片主體安裝的穩(wěn)定性。 如圖1 所示。

圖1 制動(dòng)背板主體結(jié)構(gòu)

加強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括有限位槽、 第一加強(qiáng)桿、 第二加強(qiáng)桿和第三加強(qiáng)桿。 限位槽安裝在背板主體的一端， 內(nèi)部均勻安裝有第三加強(qiáng)桿， 且第三加強(qiáng)桿的一端安裝有第一加強(qiáng)桿。 第一加強(qiáng)桿的一端安裝有第二加強(qiáng)桿。 設(shè)置的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可起到一定的加強(qiáng)作用， 延長(zhǎng)背板主體的使用效果。 第一加強(qiáng)桿與第二加強(qiáng)桿呈弧形設(shè)計(jì)， 平行設(shè)置。 第三加強(qiáng)桿與第一加強(qiáng)桿和第二加強(qiáng)桿呈垂直設(shè)計(jì)，并且在限位槽的內(nèi)部呈等間距排列。 如圖2 所示。

圖2 制動(dòng)背板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

防護(hù)結(jié)構(gòu)包括有保護(hù)涂層、 耐高溫層和耐磨層。 保護(hù)涂層安裝在背板主體的表面， 其表面安裝有耐高溫層， 且耐高溫層的表面安裝有耐磨層。 防護(hù)結(jié)構(gòu)可對(duì)背板主體起到一定的防護(hù)作用， 延長(zhǎng)其使用壽命。 耐磨層為陶瓷納米耐磨涂層， 耐高溫層為陶瓷納米耐高溫涂層。

5 結(jié)論

本文旨在提供無(wú)人駕駛汽車輕量化制動(dòng)摩擦片背板， 用以解決現(xiàn)有的制動(dòng)摩擦片背板上的制動(dòng)摩擦片穩(wěn)定性較差的缺陷問(wèn)題。 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題， 本文分析了當(dāng)前主流可選材料的優(yōu)缺點(diǎn)， 并設(shè)計(jì)了安裝和連接的具體技術(shù)方案。 當(dāng)然，具體實(shí)車性能、 穩(wěn)定性、 安全性、 材料經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題， 還需要通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 進(jìn)一步驗(yàn)證。