Material Selection Method in Design of Automotive Brake Disc

M.A. Maleque, S.Dyuti and M.M. Rahman (Member, IAENG)

Abstract — An automotive brake disc or rotor is a device for slowing or stopping the motion of a wheel while it runs at a certain speed. The widely used brake rotor material is cast iron which consumes much fuel due to its high specific gravity. The aim of this paper is to develop the material selection method and select the optimum material for the application of brake disc system emphasizing on the substitution of this cast iron by any other lightweight material. Two methods are introduced for the selection of materials, such as cost per unit property and digital logic methods. Material performance requirements were analyzed and alternative solutions were evaluated among cast iron, aluminium alloy, titanium alloy, ceramics and composites. Mechanical properties including compressive strength, friction coefficient, wear resistance, thermal conductivity and specific gravity as well as cost, were used as the key parameters in the material selection stages. The analysis led to aluminium metal matrix composite as the most appropriate material for brake disc system.

Index Terms— Brake disc; Material selection; Cost per unit strength method; Digital logic method.

I. INTRODUCTION

In automotive industries, to achieve reduced fuel consumption as well as green house gas emission is a current issue of utmost importance. To reduce automobile weight and improve fuel efficiency, the auto industry has dramatically increased the use of aluminum in light vehicles in recent years. Aluminium alloy based metal matrix composites (MMCs) with ceramic particulate reinforcement have shown great promise for such applications [1, 2]. These materials having a lower density and higher thermal conductivity as compared to the conventionally used gray cast irons are expected to result in weight reduction of up to 50 – 60 % in brake systems [3]. Moreover, these advanced materials have the potential to perform better under severe service conditions like higher speed, higher load etc. which are increasingly being encountered in modern automobiles. Since brake disc orrotor is a crucial component from safety point of view, materials used for brake systems should have stable and reliable frictional and wear properties under varying conditions of load, velocity, temperature and environment, and high durability. There are several factors to be considered when selecting a brake disc material. The most important consideration is the ability of the brake disc material to withstand high friction and less abrasive wear. Another requirement is to withstand the high temperature that evolved due to friction. Weight, manufacturing process ability and cost are also important factors those are need to be considered during the design phase. In material selection stage, the recyclability of cast iron is advantageous but the evolution of CO2 during re-melting has to be taken in consideration. The brake disc must have enough thermal storage capacity to prevent distortion or cracking from thermal stress until the heat can be dissipated. This is not particularly important in a single stop but it is crucial in the case of repeated stops from high speed.

The materials selection chart is a very useful tool in comparing a large number of materials at the concept design phase which could be reflected the fundamental relationships among particular material properties and be used to find out a range of materials suitable for a particular application [4]. In general, the material selection process is performed based on performance indices in chart [5]. As an alternative approach, digital logic methods have been occasionally used in material selection for certain engineering application [6]. In order to select an appropriate material for a particular application the designer can use materials handbook, or international standard sources. However, knowledge-based system for selecting and ranking the materials for a particular application are also available in some literature [7, 8]. The information on the development and application of the materials selection method for the design of automotive brake disc is scare in literature. The main purpose of the present work is to develop a suitable material selection method and apply that for the selection of best candidate material for brake disc application using Ashbyrsquo;s chart and finally rank the materials according to the performance indices using digital logic method.

II. STAGES OF MATERIAL SELECTION

For material selection there are small numbers of methods that have evolved to a position of prominence [9]. Material selection process is an open-ended and normally lead to several possible solutions to the same problem. This can be illustrated by the fact that similar component performing similar function, but produced by different manufacturers, are often made from different materials and even by different manufacturing processes [10]. However, selecting the optimum combination of material and process is not a simple task rather gradually evolved processes during the different stages of material selection. In this investigation, the stages of material selection method are shown using a flow chart in Fig. 1.

Fig. 1 Flow chart of material selection method.

III. GENERAL MATERIAL PERFORMANCE REQUIREMENTS

Disc brake systems generate braking force by clamping brake pads onto a rotor that is mounted to the hub. A schematic view of the brake system is shown in Fig. 2. The high mechanical advantage of hydraulic and mechanical disc brakes allows a small lever input force at the handlebar to be converted into a large clamp force at the wheel. This large clamp force pinches the rotor with friction material pads and generates brake power. The higher the coefficient of friction for the pad, the m

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汽车制动盘设计中的材料选择方法

摘要 - 汽车制动盘是一种使车轮以特定速度运行时减缓或停止车轮运动的装置。广泛使用的制动盘材料是铸铁，由于其密度大而消耗大量燃料。本文的目的是寻找材料选择方法，并选择适用于制动盘系统的最佳材料，用其他轻质材料代替这种铸铁。用以下两种方法来选择材料，单位成本法和数字逻辑法。对铸铁，铝合金，钛合金，陶瓷和复合材料的材料性能要求进行了分析并评估了替代解决方案。机械性能包括抗压强度，摩擦系数，耐磨性，导热性和比重以及成本，是材料选择阶段的关键参数。分析铝基复合材料作为制动盘系统的最合适材料的原因。

关键词 - 制动盘; 材料选择; 单位成本法; 数字逻辑法。

导言

在汽车行业，减少燃料消耗以及温室气体排放是当前最重要的问题。为了减少汽车重量并提高燃油效率，近年来汽车行业大幅度增加了轻型车辆中铝的使用。具有陶瓷颗粒增强体的铝基复合材料（MMCs）显示出了很好的应用前景。与传统的灰铸铁相比，这些材料具有更低的密度和更高的热导率，预计会使制动系统的重量减少高达50-60％。此外，这些先进材料在现代汽车遇到的速度更高，负载更大等严苛使用条件下具有更好的性能表现。由于制动盘是安全性能的关键部件，制动系统所使用的材料在负载，速度，温度和环境等各种条件下以及高耐久性下应具有稳定可靠的摩擦和磨损特性。选择制动盘材料时需要考虑几个因素。最重要的考虑因素是制动盘材料承受高摩擦和磨损的能力。另一个要求是承受因摩擦而产生的高温。重量，制造工艺和成本也是设计阶段需要考虑的重要因素。在材料选择阶段，铸铁的可回收性是有利的，但必须考虑回收过程中CO₂的演变。制动盘必须具有足够的蓄热能力，以防止热应力产生变形或破裂，直到热量消散。普通情况下这并不是特别重要，但在高速反复停车的情况下，这一点至关重要。

材料选择图是在概念设计阶段比较大量材料的一个非常有用的工具，它可以反映特定材料特性之间的基本关系，并找出适用于特定应用的一系列材料。一般来说，材料选择过程是根据图表中的性能指标进行的。作为一种替代方法，数字逻辑法偶尔会用于某些工程应用的材料选择。为了为特定应用选择合适的材料，设计人员可以使用材料手册或国际标准来源。然而，一些文献也提供了基于知识的系统来选择和排列特定应用的材料。关于汽车制动盘设计材料选择方法的开发和应用的信息在文献中是很多的。目前工作的主要目的是开发一种合适的材料选择方法，并将其应用于使用Ashby图表选择制动盘应用的最佳候选材料，并最终使用数字逻辑法根据性能指数对材料进行排序。

选材阶段

对于材料的选择，有少数方法已经发展的很突出了。材料选择过程是开放式的，通常会使针对同一问题有几种可能的解决方案。 这可以通过以下事实来说明：类似的部件执行类似的功能，但是由不同的制造商生产，通常由不同的材料制造，甚至通过不同的制造工艺制造。然而，选择材料和工艺的最佳组合不是一项简单的任务，而是在材料选择阶段的不同的过程中逐渐演变的过程。 在这项调查中，材料选择方法的阶段使用图1中的流程图显示。

图1材料选择方法流程图

一般材料性能要求

盘式制动系统通过将制动衬块夹紧安装在轮毂上的制动盘上产生制动力。 制动系统的示意图如图2所示。液压和机械盘式制动器的高机械优势可以将踏板处的小杠杆输入力转换为车轮处的大夹紧力。 这个大的夹紧力用摩擦衬片夹住制动盘并产生制动功率。 摩擦衬片的摩擦系数越高，制动力就越大。 摩擦系数可以根据用于制动盘的材料的类型而变化。 通常，制动器制动效率与动态摩擦系数或车辆行驶时测量的摩擦系数有关。

图2实际尺寸制动系统（制动盘和刹车片）的示意图

所有现代盘式制动系统都依靠刹车片压在制动盘两侧，以增加滚动阻力并减慢汽车的行驶速度。 摩擦力的大小是通过将摩擦衬片推向制动盘的力乘以摩擦系数而得到的。 所以，减速制动盘的力是

=2------------(1)

制动系统是地面运输系统的重要安全部件; 因此用于制动器的结构材料应该具有一些性能的组合，例如良好的抗压强度，较高的摩擦系数，耐磨损，重量轻，良好的热容量和经济可行性。

候选材料的初始筛选

汽车制动盘的传统材料是铸铁。由于高惯性，铸铁的密度更高，消耗大量燃料。以下部分将介绍可用于制动盘应用的潜在候选材料。铸铁：由于其特有的颜色，在其基质中含有超过2％溶解碳的金属铁（与含有少于2％的钢相反）但低于4.5％的金属铁被称为灰铸铁。考虑到其成本，相对容易的制造和热稳定性，这种铸铁（特别是灰铸铁）实际上是制动系应用的更广泛的材料，是几乎所有汽车制动盘的首选材料。为了正确工作，零件必须在铸造厂生产，并严格监控化学和冷却循环，以控制过量碳沉淀的形状、分布和形式。这样做是为了尽量减少加工失真，提供良好的磨损特性，抑制振动并抵抗后续使用中的开裂。钛合金：钛合金及其复合材料有可能减少制动盘组件的重量，与传统铸铁的尺寸相同，并且具有良好的高温强度和更好的耐腐蚀性，其重量减少约37％。铝基复合材料（AMC）：具有陶瓷颗粒增强材料的铝基复合材料（MMCs）在制动盘的应用中显示出巨大的前景。与常规使用的灰铸铁相比，这些材料具有更低的密度和更高的热导率，预计会使制动系统的重量降低高达50-60％。 AMC制动盘的反复制动降低了摩擦系数mu;并导致制动衬块的显着磨损。因此AMC制动盘的摩擦性能比传统制动盘的摩擦性能差得多。增加硬质颗粒含量后，结果表明重复制动操作不会降低摩擦系数。威尔逊等人在短距离滑动测试（约20m）中研究了20vol％SiCp增强复合材料AA6061的耐磨性。添加20vol％SiC颗粒大大提高了耐磨性，提高了室温强度和刚度，并提高了高温强度。这种铝复合材料制动盘存在三个主要问题。首先，由于铝和SiC之间的密度差异，固化过程中SiC颗粒的分离或不均匀分布是不可避免的。另外，在铝基体中添加SiC颗粒会显着降低材料的延展性，导致产品韧性较低。第三个问题是缺乏固体润滑剂，如石墨。系统中缺少石墨导致低制动效率，粘合剂磨损和磨损。在铸铁转子中，铁中总是存在石墨，随着断裂的磨损，石墨从铁基体中释放出来，用作磨损表面上的固体润滑剂。一个由铝、碳化硅和石墨复合制动盘比铸铁制动盘具有更好的耐磨性。该材料在铝 - 硅合金基体中含有10体积％的SiC颗粒和5体积％的镍涂覆的石墨颗粒增强材料。这些类型的制动盘是通过铸造生产的。尽管纳入石墨颗粒改善了耐磨性，但也造成严重的制造困难。 SiC颗粒增强Al-Cu合金的耐磨性和摩擦性能优于铸铁制动转子。此外，较低密度的铝基复合材料在高效使用燃料和制造费用方面与铸铁相比具有经济优势。基于这些性质，汽车制动盘的潜在候选材料被选择为：

bull;灰铸铁（GCI）

bull;钛合金（Ti-6Al-4V）

bull;7.5重量％的WC和7.5重量％的TiC增强的Ti-复合材料（TMC）

bull;20％碳化硅增强铝复合材料（AMC 1）

bull;20％碳化硅增强铝铜合金（AMC 2）

使用数字逻辑（DL）方法的材料选择

数字逻辑方法可以用于使用排序的最佳材料选择。作为第一步，制动盘的性能要求是根据前面的讨论确定的。表1中给出了属性和决策总数，即N（N-1）/ 2 = 10。每个属性的加权因子表示一个属性相对于其他属性的重要性，通过给每个属性的正面决定的数量除以决定的总数。计算每个属性的总正面决定和相应的权重因子，并列于表2中。从表2中可以看出，摩擦系数和耐磨性具有最高的权重因子，其次是热容量，而最不重要的属性是抗压强度和比重因此获得较低的加权因子。

表格1 数字逻辑方法在制动盘选材中的应用

表2 制动盘的加权因子

表3显示了用于排名目的的候选材料的特性。 为了完成DL方法，下一步是根据各自的权重因子来调整材料的性能，尺度值如表3所示。对于目前的应用，材料具有较高的抗压强度，摩擦系数和热容量更合乎需要，最高值被评为100.它们的缩放值使用以下等式（2）计算。

比例属性=（属性的数值* 100）/（列表中的最大值）--------（2）

因为较低的磨损率和密度对于汽车制动盘是理想的，所以它们的最低值被认为是100，并且使用等式（3）来计算比例值。

比例属性=（列表中的最小值times;100）/（属性的数值）--------（3）

表4中的其他值按比例评估。 表5中给出了缩放值和性能指数（gamma;），其使用等式（4）

材料性能指数，gamma;=

其中beta;是缩放属性，alpha;是加权因子，i在所有n个相关属性上求和。

表3 制动盘候选材料的性能

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