CN111133216B - 盘式制动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种盘式制动器，所述盘式制动器具有由轻质金属形成的制动盘和至少一个作用于所述制动盘的制动衬片，其中所述制动盘在其制动轨道中的至少一个制动轨道上具有多个凹陷部、优选沟槽，所述凹陷部分布在所述制动轨道的整个区域上。根据本发明，所述制动盘由过共晶铝硅合金构成，所述合金具有含量为13至21重量％的硅和最大含量为0.3重量％的铜，其中所述制动衬片包含NAO摩擦材料。

Description

盘式制动器
技术领域
本发明涉及一种盘式制动器，所述盘式制动器具有由轻质金属形成的制动盘和至少一个作用于所述制动盘的制动衬片，其中所述制动盘在其制动轨道中的至少一个制动轨道上具有多个凹陷部、优选沟槽，所述凹陷部分布于所述制动轨道区域、优选所述制动轨道(Bremsbahn)的整个区域
Figure GDA0003294810730000011
背景技术
在车辆中，尤其在机动车辆中，盘式制动器形成了制动装置的最广泛使用的构造类型。盘式制动器基本上由制动盘和在边缘侧从周围抱紧制动盘的制动钳组装成。在此，制动盘通过可旋转地安装在转向节中的轮毂与车辆的待制动的车轮相连。与此相对，制动钳固定在转向节上。实际的减速通过贴靠到制动盘上的制动衬片来实现，制动衬片在制动盘两侧布置在制动盘与制动钳之间。
依据应用情景不同，制动盘可以由铁或由碳-陶瓷或铝组成。由铁、更确切地说由灰铸铁制造的制动盘虽然应用非常广泛，但是具有已知的在未被制动衬片覆盖的表面区域处的表面锈蚀的问题。这种表面锈蚀外观丑陋并且产生了低质量的视觉印象。受腐蚀侵袭的表面区域的摩擦性能与未受腐蚀侵袭的表面区域也不同，这导致不希望的“制动抖动(Bremsenrubbeln)”。还可能产生令人厌烦的噪音(NVH)。另外，在与铝轮辋组合时有时产生破坏性影响，在制动过程中脱落的高温铁颗粒可能将其形状烧入铝轮辋的表面中。众所周知，所有制动粉尘中的大约50-70％是由铁形成的制动盘的磨损所致。
总体上，制动盘应具有尽可能低的磨损以及少释放粉尘的制动表面。为了实现这一点，努力试图实现其尽可能坚硬的表面织造。由铝形成的制动盘必须满足高的、复杂的且相互影响的要求。在此，多种因素，例如，强度、耐腐蚀性、在对于车辆而言常见的工作状态(盐、冷、热、湿、水气等)下摩擦系数的稳定产生以及同时耐磨性扮演重要角色。铝自身并不适合应对这些因素，因此使用带有嵌入的硬质材料颗粒的铝基质复合合金。于是，例如在由铝构成的制动盘的情况下对应地添加了碳化硅(SiC)，碳化硅作为耐磨保护层沉积在表面上。然而，由不含铁的材料制造制动盘有时是困难的且很多时候成本高。但是，在所希望的CO2减排过程中，人们试图减轻重量，这可以通过用轻质金属替代铁来实现。另外，轻质金属实现了减少簧下质量以及旋转质量，这有利地影响机动车辆的操纵性和行驶阻力。
例如，在DE 10 2011 121 292 A1中描述了一种由铝基质复合合金形成的制动盘，其中铝基质复合合金具有至少40体积％的碳化硅粒子比例。在复杂的制造过程中，产生了碳化硅粒子富集的层和碳化硅粒子对应地贫化的层。碳化硅粒子贫化的层与碳化硅粒子富集的层分开。为了最终加工碳化硅粒子富集的层，设置了T6热处理，包括固溶退火和人工时效。用于制造在富集层中具有所希望的非常大的碳化硅粒子量的制动盘半成品的方法是非常复杂的，并且由于其耗时的方法步骤，该方法是非常昂贵的。另外，还需要一个后续的表面加工步骤，例如蚀刻，这对环境进一步造成污染。
普通的DE 20 2015 101 510 U1涉及一种由轻质金属形成的车辆盘式制动器，所述制动器在其制动轨道中的至少一个制动轨道中具有多个沟槽，所述沟槽分布在制动轨道(Bremsbahn)的整个区域
Figure GDA0003294810730000021
上。轻质金属是合金化的铝。
发明内容
本发明的基本目的在于，提供一种盘式制动器，所述盘式制动器在制动盘制造简单的同时在耐磨性和耐腐蚀性方面得以改善。
要注意的是，在下文的说明中单独详述的特征以及措施能够以任意的技术上有意义的方式彼此组合并且呈现本发明的其他实施方式。本说明书另外表征并详细解说本发明。
根据本发明，所述制动盘由过共晶铝硅合金构成，所述合金具有含量为13至21重量％的硅和最大含量为0.3重量％的铜，其中所述制动衬片包含NAO摩擦材料。
NAO摩擦材料(非石棉有机物，Non Abestos Organic)在本发明的意义上是不含石棉的。NAO摩擦材料可以是含铜的或不含铜的。摩擦片自然也可以具有不同于NAO摩擦材料的材料。
因而通过本发明提供了一种由制动盘和制动衬片组成的改善的盘式制动器，其中，布置在制动轨道中的沟槽提高了摩擦系数并降低了磨损。湿制动性能同样得到了明显改善。
在制动轨道上布置有凹陷部(Vertiefungen)，所述凹陷部可以设计为沉孔(gesenkte Bohrungen)。凹陷部优选地设计为沟槽(Rillen)。
为了将沟槽布置和设计在至少一个制动轨道或两个制动轨道上，参照DE 20 2015101 510 U1，所述专利在此方面的全部内容以及关于其中的图1至3(包括其说明)均为本发明的组成部分。
所述制动盘的过共晶铝-硅合金在有利的实施方案中具有以下成分：
13至21重量％的硅，优选16至20重量％的硅，
0.2至0.7重量％的镁，
最大0.001重量％的锶，
最大0.2重量％的铁，
0.06至0.1重量％的钛，
最大0.3重量％的铜以及
余量的铝。
由于铜的最大含量为0.3重量％，所述制动盘几乎是不含铜的，其中由于取消了铜而实现了耐腐蚀性。由于过共晶铝-硅合金，摩擦***、即盘式制动器的耐腐蚀性得以提高，其中可以省去后续的、高成本的表面层技术。改善的耐腐蚀性的效果可以通过制动衬片的无铜NAO摩擦材料进一步增强。即使在例如400℃至500℃、优选400℃至450℃的高温范围内，也可以通过高硅含量实现制动盘的合适的硬度和强度。
在此理想的是，硅粒子均匀分布，其中被认为特别有益的是，硅粒子具有30至100μm、优选最大50μm、进一步优选30至50μm的一次硅粒径
Figure GDA0003294810730000041
有利的是，以生成含量为15至30ppm的磷的方式向合金中添加AlCuP元素(铝-铜-磷)，从而实现对一次硅的粒子细化和均匀分布。在此，AlCuP元素作为棒材来合金化，并使得在最终的过共晶铝-硅合金中最大铜含量保持为0.3重量％。
制动盘在已知的实施方式中具有摩擦环(Reibringe)，在所述摩擦环处布置有彼此相对的制动轨道。制动帽连接到摩擦环处，通过制动帽借助于螺钉将制动盘固定在轮毂处。在本发明的意义上有利的是，完全一体式地制造、优选铸造制动盘。适宜作为铸造方法的是低压铸造工艺(LPDC方法＝Low Pressure Die Cast)。通过完全一体式铸造制动盘，实现了显著的成本节省，因为除了切削后处理之外不需要另外的处理。制动盘既可以设计为实心制动盘也可以设计为通气制动盘。制动盘自然还可以多件式、即两件式地(制动帽、摩擦环)制造。
替代于LPDC方法，制动盘还可以用其他铸造方法、例如重力铸造(GDC＝GravityDie Casting)或其他铸造工艺来制造。然而低压铸造工艺是有意义的，因为其进给装置允许均匀填充铸造模具，并且通过加热和保温，铸造模具具有有利的热平衡，因此存在最佳的硬化条件。这实现了过共晶铝-硅合金具有所希望的微观结构以及降低了微孔隙度。通过本发明的方式实现了在制动轨道上小于14HB(Brinell硬度)的硬度偏差。制动轨道的硬度直接影响其耐磨损性，其中耐磨性能取决于制动轨道的表面的硬度。制动轨道的硬度和均匀性对于在制动衬片的摩擦材料与制动盘之间形成适当的转移膜而言是决定性的，优选实施方式中在此在作为凹槽(Nuten)或沟槽(Rillen)布置在制动轨道上的凹陷部同样是合适的。制动轨道的所需的硬度和均匀性通过特别的低压铸造工艺用经加热和保温(isolierten)的铸造模具实现。当然，这些性能(也可以说硅粒子的均匀分散)不仅存在于制动轨道，而且由于制动盘的一体式制造而存在于整个制动盘。
虽然由几乎不含铜的过共晶铝-硅合金形成的制动盘不要求进一步的后处理(除了任选的切削处理)，但是仍然可以设置硬质阳极氧化或激光氧化，通过硬质阳极氧化或激光氧化可以实现对耐腐蚀性的进一步改善并且可以改善制动盘还有制动衬片的耐磨性能。
制动盘优选至少用以下步骤制造：
生产具有高硅含量的过共晶铝-硅合金，然后
使用15至30ppm比例的磷将一次硅的粒子细化，然后
低压铸造，从而实现均匀的微观结构和小的微孔隙度，其中制造过程直接取决于铸造参数，例如铸造温度和冷却措施。
优选的低压铸造允许从制动盘的毂侧填装并且能够实现360°填装。这是特别有利的，因为如此实现了硅粒子在整个制动盘中、即不仅是在制动轨道的区域中的均匀分布。合金的铸造温度应在700℃至800℃，从而可以实现所要求和所希望的制动盘性能。与所述铸造温度的偏差可以是±10％。有利的是，不仅在铸造模具的上部区域中而且还在下部区域中设置空气冷却器，以便从内侧来冷却制动盘，这在通气式制动盘的情况下也是有意义的。与布置在铸造模具的填装***处的液体冷却箱***一起，实现了所需要和所希望的制动盘性能。
此前从未使用几乎不含铜的过共晶铝-硅合金来制造与不含铜或含铜的NAO摩擦材料(制动衬片)抱紧的制动盘，其中在制动轨道中布置有多个凹陷部、优选多个沟槽。如本发明人出人意料地发现的，由过共晶(优选16-20重量％的硅含量)的几乎不含铜的合金实体浇铸的铝-硅合金制动盘的功能仅通过与开槽的制动轨道和所述不含铜或含铜的NAO摩擦材料的组合来实现。替代于沟槽，还可以设置沉孔或类似的凹陷部。在此，凹陷部、优选凹槽或沟槽与不含铜或含铜的NAO摩擦材料共同使用，不仅起到摩擦增强部件的作用，而且在产生形成于摩擦材料与制动盘之间的转移层时与“光滑的”制动轨道相比有助于降低磨损。湿制动性能同样得到了明显改善。通过具有几乎为“零”的铜含量、即最大0.3重量％的铜的过共晶铝-硅合金实现了制动盘的耐腐蚀性。即使在400℃-500℃、优选400℃-450℃的温度范围内，也通过高硅含量实现了适合的硬度、强度，其中可以省去后续的温度处理和/或添加纤维。一次硅粒子在此是小的(优选30-50μm)，其中硅粒子在过共晶铝-硅合金中的分布是均匀的。这种技术的经济性有保证，因为在此***中涉及实体浇铸的制动盘。制动盘除了切削后处理之外不要求其他的处理即可在所述摩擦***中用作制动器。任选的“硬质阳极氧化”或借助于激光的表面氧化改善了盘和片的耐磨性能另外还有耐腐蚀性。为了提高强度和改善耐磨性能，还可以向过共晶铝-硅合金中加入碳化铌。

Claims (12)

1.一种盘式制动器，具有由轻质金属形成的制动盘和至少一个作用于所述制动盘的制动衬片，其中，所述制动盘由过共晶铝硅合金构成，所述合金具有含量为13至21重量％的硅，
其特征在于，
所述制动盘在其制动轨道中的至少一个制动轨道上具有多个凹陷部，所述凹陷部分布于所述制动轨道区域，其中，所述过共晶铝硅合金具有最大含量为0.3重量％的铜，其中所述制动衬片包含NAO摩擦材料，其中，所述过共晶铝硅合金的硅粒子具有30至100μm的一次硅粒径，并且其中，所述过共晶铝硅合金被添加AlCuP元素，从而产生含量为15至30ppm的磷。
2.根据权利要求1所述的盘式制动器，
其特征在于，
所述共晶铝硅合金具有以下成分：
13至21重量％的硅，
0.2至0.7重量％的镁，
最大0.001重量％的锶，
最大0.2重量％的铁，
0.06至0.1重量％的钛，
最大0.3重量％的铜以及
余量的铝。
3.根据权利要求1所述的盘式制动器，
其特征在于，
所述共晶铝硅合金具有以下成分：
16至20重量％的硅，
0.2至0.7重量％的镁，
最大0.001重量％的锶，
最大0.2重量％的铁，
0.06至0.1重量％的钛，
最大0.3重量％的铜以及
余量的铝。
4.根据权利要求1所述的盘式制动器，
其特征在于，
所述过共晶铝硅合金的硅粒子具有30至50μm的一次硅粒径。
5.根据权利要求1所述的盘式制动器，
其特征在于，
所述过共晶铝硅合金的硅粒子具有最大50μm的一次硅粒径。
6.根据权利要求1所述的盘式制动器，
其特征在于，
所述制动盘被一体式制造。
7.根据权利要求6所述的盘式制动器，
其特征在于，
所述制动盘被一体式铸造。
8.根据权利要求1所述的盘式制动器，
其特征在于，
所述制动盘用低压铸造工艺制造。
9.根据权利要求8所述的盘式制动器，
其特征在于，
铸造模具被加热并且是绝热的。
10.根据权利要求1所述的盘式制动器，
其特征在于，
在铸造过程之后，所述制动盘被硬质阳极氧化或激光氧化。
11.根据权利要求1所述的盘式制动器，
其特征在于，
所述NAO摩擦材料是不含石棉的并且是不含铜或含铜的。
12.过共晶铝硅合金用于制造制动盘的用途，所述制动盘用作摩擦***、即根据权利要求1所述的盘式制动器的组成部分，其中在所述制动盘上布置有制动轨道，在所述制动轨道上布置有多个凹陷部，并且其中制动衬片抱紧所述制动轨道，所述制动衬片包含NAO摩擦材料，并且其中所述过共晶铝硅合金具有含量为13至21重量％的硅和最大含量为0.3重量％的铜。
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