Carbon-ceramic-brake disk for the automotive industry

碳陶刹车片

优点

在1999 年法兰克福国际汽车交易会(IAA)上,碳陶刹车片首次被揭开了神秘的面纱。高科技材料的使用彻底颠覆了传统的刹车片技术:与传统的灰铸铁刹车片相比,碳 陶刹车片的重量减轻了大约50%,非悬挂质量减轻了近20千克。碳陶刹车片更显著的优点还有:刹车反应速度提高且制动衰减降低、热稳定性高、无热振动、踏 板感觉极为舒适、操控性能提升、抗磨损性高等等。因此,碳陶刹车片的使用寿命更长,而且几乎不会产生灰尘。最初,保时捷公司于2001年将碳陶刹车片作为 配套设备装配在911 GT2型跑车上。此后,其他知名品牌汽车也陆续开始通过采用这一创新型刹车技术来提高车辆安全性并改善踏板舒适度。其中包括汽车制造商生产的奥迪、宾利、 布加迪和兰博基尼等跑车与豪华汽车。

尺寸与设计

整个汽车刹车制动系统的设计需要符合汽车整体布局要求并且充分利用了碳陶刹车片材料卓越的材料性能。西格里刹车片公司主要从事刹车片的设计、刹车片 的制造以及摩擦层和卡钳的选用、及使刹车片与汽车整车的设计理念完美融合。刹车制动系统的设计取决于汽车的最高时速、使汽车从最高时速的行驶状态变为瞬间 停止的静止状态的全制动时序、所需制动的质量以及轴载分布和汽车的空气动力等主要参数。确定刹车片尺寸和设计的主要目的是确保汽车能够在任何可能的行驶条 件下安全刹车。刹车制动系统的设计还应确保刹车片本身或刹车片附近的其他任何部件都不会过热。每个汽车模型冷却叶片的最佳几何形状通过数值方法(计算流体 力学)确定。设计计算中还将积聚在汽车下方和轮罩拱内部的气压作为汽车空气动力设计和行驶速度的函数。

材料

碳陶刹车片的一个显著特征是它是采用陶瓷复合材料制造而成。碳陶刹车片本身及两侧的摩擦层均由碳纤维增强碳化硅材料制成。主要基体成分有碳化硅 (SiC)和工业硅(Si)。碳纤维(C)增强了材料的强度。主要基体成分碳化硅决定着复合材料的硬度。碳纤维的作用是提高材料的机械强度并为材料提供技 术应用中所需的断裂韧度。陶瓷复合材料的同韧性剪切断裂特性为其抗高热负载和机械负载性能提供了保障。因此,碳纤维增强碳化硅材料完美结合了碳纤维增强碳 (C/C)和多晶碳化硅陶瓷这两者的物理特性。C/SiC 材料的拉断伸长率从 0.1% 到 0.3% 不等。这对于陶瓷材料而言是极高的数值。正因为具有这些特征,碳纤维增强碳化硅才成为高性能刹车制动系统的首选材料:尤其是较轻的重量、良好的硬度、高压 和高温条件下的稳定性、抗热冲击性和同韧性剪切断裂特性等特点延长了碳陶刹车片的使用寿命,并避免了传统灰铸铁刹车片因负载而产生的所有问题。

物理特性单位材料  
    一般为 C/SiC 材料 碳陶刹车片用 C/SiC 灰铸铁(GG-20)
密度 g cm-3 1,8 ... 2,9 2,45 7,25
抗张强度 MPa
(=N mm-2)
10 ... 240 20 ... 40 200 ... 250
弹性模量 GPa 20 ... 240 30 90 ... 110
挠曲强度弹性模量 MPa
(=N mm-2)
20 ... 210 50 ... 80 150 ... 250
断裂伸长率 % 0.05 ... 0.8 0.3 0.3 ... 0.8
抗热震性
(第二导热系数K')
W m-1 26.500 ... 46.000 > 27.000 < 5.400
热稳定性 °C 1350 1350 约 700
最高工作温度
(刹车片)
°C 1400
非氧化
900 700
线性热膨胀系数 K-1 1.0 ... 3.5 2.6 ... 3.0 9 ... 12
导热性 W m-1K-1 20 ... 150 40 54
比热 (cp) kJkg-1K-1 0.6 ... 1.7 0.8 0.5

生产

碳陶刹车片拥有如此 多的优点,其秘诀就在于采用了独特的生产工艺。西格里刹车片公司(SGL BRAKES)在生产碳陶刹车片时使用涂有一定特殊保护层的碳纤维,然后将这些纤维切割成一定厚度和长度的纤维段。该生产工艺包括纤维混合准备工作、刹车 片的生产过程、刹车铃安装以及刹车片的最终加工。在整个生产过程中要进行多项测试,以便对整个生产工艺进行密切监控,最后还要进行一项最终测试。然后,在 高真空条件下通过900 °C时的碳化和1700 °C时的硅化后将粘合树脂预成型件在陶瓷组件中转换成所谓的生坯。该生产工艺中还使用了“熔芯”技术(该技术使用塑料模具确定冷却叶片的几何形状,该塑料 模具在碳化时完全燃烧不留残渣)以及不同纤维成分的刹车片、环外侧的摩擦层和嵌在摩擦层上的点状磨损标志。

产品开发

为与汽车独特的整车布局相协调,碳陶刹车片的开发主要分三个阶段进行:数字建模、原型设计和测试以及在实车上进行测试。首先,使用汽车的详细模型数 据在计算机上进行刹车片数字模拟。有关碳陶刹车片的直径、厚度和摩擦轨迹高度只是在计算机上计算的一部分参数。碳陶刹车片的装配计算还包含了连接带束层的 设计。这一设计任务非常艰巨,因为需要在任何可能的工作温度下抵消热膨胀系数的差异。数字模型还对冷却叶片进行了合理的设计配置,从而优化流体动力。在开 发的第二阶段,根据数字模型的结果来设计碳陶刹车片原型并在工作台上进行测试,同时配备相应的刹车垫和卡钳。在第三阶段即最后一个阶段,在汽车上对刹车片 原型进行测试。测试不仅包括在测试路线上高速行驶,还包括山口减速和公路测试。在这些测试过程中,驾驶员对刹车制动系统,尤其是刹车制动性能和刹车舒适度 进行评估,而计算机则对测量结果进行详细分析。根据汽车试运行和工作台的测试结果确定刹车片原型是否通过测试。

质量保证和测试

刹车制动系统对于任何一辆汽车而言都是至关重要的安全系统。因此,碳陶刹车片的制造也应符合相应的高质量标准。这也正是西格里刹车片公司引入符合 VDA 6.1 和 ISO 9001:2000 的“综合质量管理体系”的原因所在。该体系对所有生产和操作的工艺进行了详细说明并对产品质量(从所用的原料到成品)进行监控和记录。采用“生产执行系 统”和“计算机辅助质量系统”来实施“综合质量管理体系”。西格里刹车片公司记录了每一个单独碳陶刹车片的所有生产数据和测试结果。这样就能在生产过程中 及安装到汽车上以后对每一单个刹车片加以识别。所有相关操作以及所有测试和检验、相关人员和设备以及测试结果都记录在“企业资源计划系统”和“CAQ系 统”中。因此,每一个碳陶刹车片的整个生产过程就会产生约600个数据项。

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