现代汽车安全技术-7

2.7.1概述2.7.1.1制动装置中的纤维复合材料如今，在汽车技术中越来越多地采用纤维强化材料。原因在于，这种材料所具有的特殊属性使其特别适合特定的用途。尤其值得一提的是，这种材料重量轻、强度高、耐温性强、耐磨性优异。由碳素(C/C材料)纤维复合材料制成的制动盘和制动摩擦片多年以来一直被成功地应用于赛车领域，如图2-7-2所示。为了在汽车批量生产中用来制造制动器，这种材料被进一步开发成C/SiC陶瓷。后面将对这种材料作更加详细的介绍。与传统的金属制动器材料(例如灰铸铁)相比，制动盘材料采用C/SiC陶瓷具有以下明显优势，如图2-7-3所示:下一页返回2.7.1概述2.7.1.2C/SiC陶瓷材料C/SiC陶瓷是一种碳素纤维强化碳化硅。碳化硅的特性与金刚石相似，也就是说，它具有非常高的硬度，因此耐磨性非常好，同时还具有较好的耐化学和耐温特性。虽然拥有这些出色的特性，但这种材料脆弱易断，为了能够在制动盘上有目的地利用有益的特性，需要在碳化硅中加入碳素纤维，如图2-7-4所示，以强化它的结构矩阵。这样一来，材料的断裂韧度能够得到明显提高，并由这类塑性特性具备一种相当明显的耐损伤材料特性，进而使部件表现出同样的特性。上一页下一页返回2.7.1概述2.7.1.3陶瓷制动盘的生产过程陶瓷制动盘的生产过程极为复杂。许多工序仍以手工方式进行，并且非常耗时。为了达到较高的质量标准，还要分多个步骤对制动盘毛坯件进行成本高昂的后期加工。如果要对各个工序进行深入、详细地介绍，则会超出本章的范围。如图2-7-5所示列出了制造陶瓷制动盘所需经历的各工艺步骤的名称。生产SiC陶瓷制动盘的初始材料是一种混合物，它由长度各异的碳素纤维与酚醛树脂组成。这种混合物在高温高压条件下压缩和硬化，形成所谓的CFK材料。随后，这种毛坯件要经过900℃的高温脱氧处理，酚醛树脂在此过程中转化为碳，形成C/C材料。上一页下一页返回2.7.1概述然后，进行一次机械中间加工，接着，当真空炉内温度超过1500℃时，使硅溶液渗入C/C毛坯件(渗硅)。在此过程中，矩阵碳与硅溶液结合转化为碳化硅，得到强化的碳素纤维仍然存留在组织结构中。经过此工序后即制成摩擦环材料C/SiC陶瓷，接着进行后续加工，然后与金属制动盘毅旋接在一起，再进行最终打磨。2.7.1.4陶瓷制动盘的组织结构陶瓷制动盘有两个摩擦面，这两个面对制动系统的摩擦性能起决定性作用。摩擦面的材料成分与它下面的底板略有不同，底板负责构成零件强度和吸收制动能量，如图2-7-6所示。为了实现最佳的制动冷却效果，所有将在奥迪批量生产车型上使用的陶瓷制动盘都采用经过专门开发的内部风冷通道设计，如图2-7-7所示。上一页下一页返回2.7.1概述C/SiC制动盘摩擦环盘主要由三种材料构成。结构矩阵由碳化硅和游离硅构成，内嵌在其中的碳素纤维起强化作用。因为表面部分需要更强的硬度和耐磨性，所以摩擦面中的碳化硅陶瓷含量明显高于底板中的含量。与此相对的是，底板中含有更多的碳素纤维，以确保底板具有足够的零件强度，如图2-7-8所示。上一页返回2.7.2奥迪批量生产汽车中的陶瓷制动器2.7.2.1技术实现在赛车领域率先在制动盘中采用纤维复合材料。但是，对赛车上的C/C部件的要求明显不同于对批量生产汽车的要求。在赛车上关键要具备高温范围内的高制动性能，而在批量生产的汽车上，对耐磨性、受控性能、舒适性和成本具有同样的标准。在赛车上，要求C/C制动盘和制动摩擦片在达到足够大的摩擦系数和由此产生较大的摩擦性能之前，必须可以在特定的温度下进行“热制动”。这种特性在批量生产汽车上是无法接受的。因此，奥迪汽车采用的是C/SiC制动盘，这种制动盘可以在各种工作条件下提供最佳的延迟数值。下一页返回2.7.2奥迪批量生产汽车中的陶瓷制动器奥迪批量生产汽车上的陶瓷制动系统采用的是传统的有机连接制动摩擦片。与传统制动装置上的摩擦片材料相比，这种摩擦片混合物中含有较多的有色金属，以便尽可能获得更高的工作温度。这种摩擦片的寿命与传统制动摩擦片相同，如图2-7-9所示。由于制动盘和制动摩擦片可能会产生更高的温度，因此需要使用不同于传统制动装置的特制制动钳。而且必须防止制动摩擦片和制动活塞上的高温被传递到制动液中。一旦制动液沸腾，便会在制动系统中产生蒸汽泡和空气。为了避免出现这种情况，一些制造商制动活塞与制动摩擦片之间加入了二氧化错陶瓷隔热件，如图2-7-10所示。上一页下一页返回2.7.2奥迪批量生产汽车中的陶瓷制动器受材料特性的影响，在潮湿状况下，陶瓷制动盘的制动特性与传统制动盘的不同。所有配备陶瓷制动盘的奥迪汽车都具有ESP中的已有功能—“制动盘刮水器”，如图2-7-11所示。在执行该功能时，刮水器会来回地靠近制动摩擦片，反复烘干和清洁制动盘的表面。另外，在配备陶瓷制动装置的汽车上还使用更大尺寸的隔板，如图2-7-12所示。2.7.2.2车型一览根据2008年12月的最新供货情况，如表2-7-1所列的奥迪车型上装配陶瓷制动装置。上一页下一页返回2.7.2奥迪批量生产汽车中的陶瓷制动器2.7.2.3陶瓷制动盘的结构与名称陶瓷摩擦环与金属制动盘毅通过金属连接件牢固地连接在一起。制动盘毅和连接件由防腐金属合金制成。在一些车型中，制动盘毅还带有一层特殊的涂层。摩擦环上设有开孔和冷却通道，如图2-7-13所示。只有在制动盘被安装在汽车特定位置的情况下，才可以确保实现正常冷却。因此，运行方向具有相应的规定，汽车左右两侧使用不同的制动盘。陶瓷制动盘的结构与名称如图2-7-13所示。陶瓷制动盘毅上刻有各种重要的产品数据，如图2-7-14所示。上一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围2.7.3.1陶瓷制动盘的一般保养在进行陶瓷制动盘保养时，应注意以下事项:—避免在制动盘上施加机械冲击作用(例如，从轮毅上拆卸制动盘时请勿用锤子敲击)。—不允许在陶瓷表面施加机械作用。在清洁固着污垢时，应使用专用工具小心地敲击穿透制动盘的开孔。—使用普通的制动器清洁剂、高压喷射器或压缩空气清洁制动盘。损坏或磨损的制动盘必须寄回奥迪公司。提示:使用压缩空气进行清洁时，务必注意呼吸防护规定!下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围2.7.3.2更换车轮的操作步骤为了防止在拆卸车轮时将轮惘敲击到陶瓷制动盘上，车载工具中附带了一个装配辅助工具。它是一根芯棒，在拆卸车轮时可以使车轮与制动盘之间保持足够的距离，避免撞击制动盘，如图2-7-15、图2-7-16所示。2.7.3.3新陶瓷制动盘的外观特征为了判断是否必须更换制动盘，需要对制动盘的磨损和损坏情况进行客观评价。为了对此作出判断，一定要了解新制动盘的外观。下面将为您介绍几个最重要的特征。上一页下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围1.摩擦面上的松弛裂纹组织在新制动盘的摩擦面上，覆盖着明显的、不规则的松弛裂纹组织。某些裂纹部分围绕着开孔分布。这些裂纹在局部非常明显，制动盘毅一侧的裂纹与对面一侧的明显不同。这些松弛裂纹组织是在生产时产生的，并非故障特征。陶瓷摩擦盘的表面与传统制动盘的截然不同。当传统制动盘出现该情况时，必须更换，而对于陶瓷制动盘，不必将其看作缺陷。摩擦面与底板间的交界面成型结构在局部表面上呈现出明显的网格结构，如图2-7-17所示。上一页下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围2.摩擦面的磨损记号每个摩擦面上都有三个环形的磨损记号，以相互错开120。的方式分布。这些记号用于在经过较长的行驶里程或在经受较强的陶瓷制动盘应力后对磨损状态进行评估，如图2-7-18所示。后面将对磨损记号的评估方法进行探讨。3.冷却通道棱条上的表面裂纹冷却通道棱条上的表面裂纹也是由于生产技术原因产生，并非缺陷特征，如图2-7-19所示。2.7.3.4磨损标准通常，在陶瓷制动盘上会出现两种磨损。上一页下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围1.厚度磨损由于制动摩擦片与摩擦环之间的机械摩擦，制动盘的厚度会减小。但摩擦面的硬度较高，这种磨损比传统摩擦盘上出现的情况要少很多。2.氧化重量损耗陶瓷制动盘会受到热机械磨损和氧化磨损。当制动盘受热升温超过400℃后，碳素纤维就会与空气中的氧气发生氧化作用。如果工作温度持续超过400℃，就会由此导致制动盘的重量持续降低，同时由于材料烧蚀和烧孔而导致在材料表面出现明显的组织变化，如图2-7-20、图2-7-21所示。上一页下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围2.7.3.5磨损测定哪种磨损标准先出现，这主要取决于陶瓷制动盘的工作条件。1.厚度磨损的测量陶瓷制动盘的盘毅上刻着允许的摩擦环最小厚度，用“Min.Th.”(最小厚度)字样标记，如图2-7-22所示。使用适当的千分尺或制动盘量规，在内侧或外侧摩擦面环带上测量制动盘厚度尺寸X(见图2-7-23中箭头)。每次更换制动摩擦片时都要测量制动盘的厚度，并对测量值作相应记录如图2-7-24所示。当X达到"Min.Th."+0.2mm时，每次还要称量陶瓷制动盘的重量(操作步骤参见第3点)。上一页下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围如果在制动盘的摩擦面上存在一层明显的污垢，应进行前文中提到的“清洁制动”。如果达到重量损耗极限值，应更换制动盘，不允许再继续使用!换下的制动盘要寄回奥迪公司!3.磨损记号的评估这些记号的颜色与周围摩擦面的颜色略有不同。颜色不同是因为此处的碳含量较高，因此，这些部位的磨损比其余的摩擦面更严重。记号磨损表现为深色凹陷的材料烧蚀。如果发现存在明显的磨损，应测量制动盘的厚度(操作步骤参见第1点)。只要6个记号中有一个出现这种磨损，就应该进行测量，如图2-7-25所示。上一页下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围2.7.3.6陶瓷制动盘的损坏在进行定期常规保养和出现投诉时，也要进行目检，查找损坏部位。目检范围包括摩擦环和制动盘毅的连接件、螺栓、螺母和压盘。如发现零件缺失或松动，应更换制动盘。绝对不允许“重新拧紧”连接件。1.连接部位裂纹通常，如果在陶瓷制动盘上出现由连接部位(盘毅的螺栓连接部位)延伸至摩擦面的裂纹，应更换制动盘!如图2-7-26所示。2.边缘破裂产生于边缘部位的机械损坏。可接受的范围:—最大允许宽度/深度=2mm;上一页下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围—最大允许的长度=10mm;—每个制动盘最多三处边缘损坏。当损坏程度超过上述任一标准时，必须更换制动盘!如图2-7-27所示。3.摩擦面破裂如果摩擦面上的材料破裂连带面积大于1cm2，应更换制动盘!如图2-7-28所示。陶瓷制动盘的摩擦面比传统制动盘更耐磨。对于新的制动盘，盘面与摩擦片必须先进行相互“磨合”。受负荷情况影响，此过程比传统的制动装置需要更长的行驶里程。如果未按规定对制动器进行磨合，可能会引起舒适感故障(摩擦、噪声)，并导致出现更严重的磨损。上一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围2.7.3.7制动规定在更换陶瓷制动盘和/或制动摩擦片后，必须执行下列制动规定:1.新摩擦片，新制动盘10次制动，在30~80km的时速区间内以较小的制动力完成(相当于采取近似制动动作的、小心谨慎的行驶方式，制动过程中不会感觉到汽车出现前后颠簸，安全带未扣入)。20次制动，在50~100km的时速区间内以适中的制动力完成(可以感觉到汽车出现柔和的前后颠簸)。避免进行连续制动。要在每次制动之间给制动器留出冷却的时间。行驶过程需耗时约30min。下一页返回2.7.3陶瓷制动盘的保养范围2.新摩擦片，旧制动盘5次制动，30~80km的时速区间内以较小的制动力完成(相当于采取近似制动动作的、小心谨慎的行驶方式，制动过程中不会感觉到汽车出现前后颠簸，安全带未扣入)。10次制动，在50~100km的时速区间内以适中的制动力完成(可以感觉到汽车出现柔和的前后颠簸)避免进行连续制动。避免连续制动要在每次制动之间给制动器留出冷却的时间。行驶过程需耗时约20min。上一页返回图2-7-2在奥迪R10TDI中采用C/C制动盘返回图2-7-3制动盘材料采用C/SiC陶瓷具有的优势返回图2-7-4初始材料:碳素纤维与酚醛树脂和硅颗粒的混合物返回图2-7-5制造陶瓷制动盘所需经历的各工艺步骤