Integration of CMC Brake Disks in Automotive
Brake Systems
Ralph Renz* and Gerd Seifert
Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach 71287, Germany
Walter Krenkel
Ceramic Materials Engineering, University of Bayreuth, Bayreuth 95440, Germany
Since the introduction of the Porsche Ceramic Composite Brake (PCCB) in the Porsche 911 GT2 in 2001, ceramic brake systems provide an exceptional braking power not only in Porsche vehicles but also in high performance cars of other Original Equipment Manufacturers. The ceramic brake disks of these high performance brake systems are based on a special carbon short fibre-reinforced composite material, which is, after the manufacturing of the green body and the pyrolysis, exposed to liquid silicon in a high-temperature vacuum process at approx. 1700°C. The results of this in situ reaction of sili-con and carbon to silicon carbide are brake disks, which are significantly lighter, compared to conventional brake disks out of gray cast iron. These brake disks offer higher strength, higher thermal stability and thus lower wear such as higher fading sta-bility. This article discusses on the one hand the advantages of this lightweight brake system and on the other hand essential aspects concerning the integration of ceramic composite brake disks, resulting from vehicle-specific requirements, into the chassis. Furthermore, selected relationships between brake disk design, the manufacturing, the material composition, the assembly and the resulting component properties are explained.
Introduction
Carbon fiber reinforced silicon carbide composites (C/SiC or C/C–SiC) are, compared to conventional
*ralph.renz@porsche.de
copy; 2012 The American Ceramic Society
metallic gray cast iron brake disk materials, still a new class of materials. The development of frictional appli-cations began in the early 1990s,1,2 mainly supported by nationally funded projects in Germany. Today, about 20 years later, predominantly C/SiC materials, produced by Liquid Silicon Infiltration (LSI), have overcome the barrier for the introduction on the
www.ceramics.org/ACT CMC Brake Disks in Automotive Brake Systems 713
market in the industrial sector.3 Besides few niche applications in mechanical engineering,4,5 ceramic com-posite brake disks (Fig. 1) have already been established in the segment of sports cars, luxury sedans and sport utility vehicles (SUVs) despite their high costs,6–8 since their first use in 2001.9
The key to a further penetration of the market with ceramic composite brake disks in general and in the more cost-sensitive but quantity-attractive middle class segment in particular, is not only based on a sig-nificant reduction of manufacturing costs via simplified, optimized and automated process steps and their link-ing. There is a necessity for compiling and standardiz-ing engineering guidelines, computer-aided engineering and design methods as well as new concepts for effi-cient component testing and validation. This basis is established in the field of conflict of vehicle require-ments on the exact knowledge of specifications and
Fig. 1. Porsche ceramic composite brake with a short fiber-reinforced C/SiC friction rotor.
scientific study of the interactions between materials, manufacturing methods and brake disk construction.
This paper describes the integration of ceramic composite brake disks in the context of specific vehicle requirements, whereas numerous papers are mainly focused on fundamental developments on material or manufacturing processes and methods of characteriza-tion. Furthermore, selected aspects and connections between brake disk design, manufacturing, materials compound, and resulting component properties were explained from the view of an Original Equipment Manufacturer (OEM). Derived from the present state of knowledge, this paper points out some suggestions for future research.
Properties of Ceramic Brake Disks
Brake disk materials need to meet the high require-ments of modern vehicles. Cast iron with lamellar graphite (grey cast iron [GJL]) has proven of value for decades as a cost-efficient material with balanced prop-erties profile and is millionfold used in vehicle manu-facturing today. The high weight of brake disks out of gray cast iron results from the density of 7.1–7.2 g/cm3 (Table I) and therefore proves to be a disadvantage.
Lighter brake disks out of particle reinforced alu-minum Aluminum metal matrix composite [Al-MMC]) were used only sporadically to date in special vehicles (Lotus Elise, VW 3L-Lupo; Group Lotus, Orwich, U.K.; Volkswagen, Wolfsburg, Germany). Because of the limited temperature resistance of the aluminum matrix, they have no serious economic relevance any
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longer. Brake disks used in weight-sensitive areas, such as in aeronautical and racing applications, are made of temperature-resistant carbon fiber reinforced carbon (Carbon/Carbon, C/C). These are very light, but for road applications their wear resistance is too low, their coefficient of friction is highly temperature dependent and their braking characteristics are critical in wet con-ditions. These facts disqualify them for road vehicle applications.
Carbon fiber reinforced silicon carbide combines the good properties of C/C with high wear resistance and constant frictional properties. Because of the com-plex manufacturing process and the high costs per piece, they have only been used in prestigious sports cars, in sportive upper-class vehicles and sports utility vehicles with high motorizations as yet.
Key characteristics of ceramic composite brake disks are high and widely constant coefficients of fric-tion, a long lifet
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CMC制动盘在汽车制动系统中的集成
作者：劳夫汉茨 和 戈尔德赛福特 单位：德国保时捷股份公司 瓦特可汉克 单位：拜罗伊特大学制陶材料工程
自2001年保时捷911 GT2中引入了陶瓷复合制动(PCCB)以来，陶瓷制动系统不仅为保时捷汽车提供了特殊的制动动力，而且也为其他原始设备制造商的高性能汽车提供了一种特殊的制动动力。这些高性能制动系统的陶瓷刹车盘是基于一种特殊的碳短纤维增强复合材料，它是在绿色体和热解的制造之后，在高温真空过程中接触到液态硅。1700°C。与传统的灰铸铁制动盘相比，硅碳和碳化硅原位反应的结果是刹车盘明显较轻。这些制动盘具有较高的强度、较高的热稳定性和较低的磨损，如较高的褪色性。本文一方面论述了这种轻型制动系统的优点，另一方面也讨论了陶瓷复合制动盘的集成，从车辆的具体要求，到底盘上的运用。此外，本文还解释了制动盘设计、制造、材料组成、装配和产生的部件性能之间的关系。
介绍
碳纤维增强碳化硅复合材料(C/SiC或C/C - SiC)与传统的金属灰色铸铁制动盘材料相比，仍然是一种新型材料。摩擦应用的发展开始于上世纪90年代初，主要由德国国家资助的项目所支持。今天，大约20年以后，由液态硅浸润(LSI)产生的主要C/SiC材料，克服了工业领域中引入市场的障碍。除了在机械工程方面的小应用外，在跑车、豪华轿车和运动型多用途车(suv)中已经建立了4、5个陶瓷复合制动盘(图1)，尽管它们的成本很高，自2001年首次使用以来已经达到6-8个。对市场进一步渗透的关键是陶瓷复合刹车盘，尤其是对成本敏感但数量可观的中产阶级，这不仅仅是基于通过简化、优化和自动化的工艺步骤和他们的链接来减少制造成本。有必要编译和标准化工程指南、计算机辅助工程和设计方法以及新概念，以实现无所不知的组件测试和验证。这一基础是建立在汽车需求的冲突领域，对材料、制造方法和制动盘结构之间的相互作用的精确知识和科学研究。本文描述了陶瓷复合制动盘在特定车辆需求背景下的集成，而大量论文主要集中在材料或制造过程的基本发展和特征的方法上。此外，从原始设备制造商(OEM)的角度，解释了制动盘设计、制造、材料化合物和结果部件特性之间的选择和连接。本文从知识的现状出发，对未来的研究提出了一些建议。
陶瓷制动盘的性能
制动盘材料需要满足现代汽车的高要求。铸铁与层状石墨(灰口铸铁[GJL])已被证明几十年的价值，作为一种成本效益的材料，具有平衡的螺旋桨外形和在今天的汽车制造中使用的百万倍。灰铸铁的高质量制动盘是由7.1-7.2 g/cm3(表I)的密度造成的，因此证明是不利的。在特殊车辆(莲花Elise, VW 3L-Lupo)中，用颗粒增强铝金属基复合材料[Al-MMC]中较轻的刹车盘，仅在零星使用。莲花,Orwich,英国;大众,沃尔夫斯堡,德国)。由于铝基体的温度电阻有限，它们不再具有重要的经济相关性。在重量敏感区域使用的刹车盘，如航空和赛车应用，是由耐高温碳纤维增强碳(碳/碳，C/C)制成的。这些都是非常轻的，但对于道路应用来说，它们的耐磨性过低，摩擦系数是高度依赖的，它们的制动特性在湿调中至关重要。这些事实使他们取消了道路车辆的申请资格。碳纤维增强碳化硅结合了C/C的优良性能，具有高耐磨性和恒定的摩擦性能。由于复杂的制造工艺和每件高成本，它们只被用于著名的跑车、运动型高级轿车和高机动性的运动型多功能车。陶瓷复合制动盘的关键特性是高、广常系数、寿命长、响应特性明显、稳定性高、减重约50%。与灰铸铁制动盘相比，该制动技术的优点在于其硬度高、温度稳定性好、密度低、陶瓷复合制动盘材料的声阻尼性能较高。与传统的灰铸铁制动盘相比，由于制动盘的重量较低，从而大大降低了非簧载质量，从而提高了驾驶动力学、驾驶舒适性，特别是在短波和不平坦的道路上，在高速或交替曲线下的处理，以及加速度。摩擦配对的高摩擦力会导致更多的自发反应特性，并导致明显的下踏板力和持续减速的方式。由于制动盘材料的耐高温性能，加上适当的刹车片，使其稳定性降低，即使在大量的高水平制动停止或使用后，也能保证持续的剂量。除了在制动性能上的优势外，陶瓷复合制动盘可以显著提高制动舒适性。由于陶瓷复合制动盘材料的热膨胀系数较低，热阻的趋势明显降低。甚至极端的制动，800°C不会导致永久损伤制动盘的热不可逆。高耐磨性可防止局部磨损或瓦罐，并可最大限度地降低冷挤压的风险，这就意味着冷刹车盘的抖动。在短时间的潮湿后，红色铁锈开始在灰色的铸铁刹车片上建立一个开放的车轮设计，这是一个光学缺陷的那些金属刹车盘。
相比之下，陶瓷复合刹车盘不会产生任何红色锈迹。制动盘环(碳、碳化硅、硅)的组成部分即使在冬季道路条件下也不显示任何光学变化。这种无腐蚀的行为甚至可以保证良好的刹车和噪音。此外，不能观察到摩擦垫的损坏。主要缺点是由于复合材料制造和制动盘转子的高原料成本而造成的陶瓷复合制动盘的高成本。
集成陶瓷刹车盘
一般要求
现代的制动系统是高度复杂的，并会产生交替的影响。制动盘的发展要求对车辆的概念和诸如车轮大小等具有建设性的条件有很大的影响。轴的设计主要由运动学和动态需求决定。制动盘的可用空间被定义并限制在指定的安装点上，保证许多相关的子系统-tems(图2)和公差。
图2
除了基本的建设性的、机械的和摩擦学的要求和对高稳定度的渴望，对于顾客满意和市场接受，舒适的需求也是必不可少的。此外，相对昂贵的产品需要一个技术印象和高质量的光学作为卖点。如果把刹车盘作为额外的选择，那么对于市场的成功来说，对车辆价格的额外附加费是至关重要的。为了在长期的市场上生存，需要开发价格合理且经济的技术来制造陶瓷复合制动盘。在这种情况下，遵守环境规范是强制性的。
尺寸比例和刹车
刹车系统的设计总是在限制性条件下，以减少车辆的独立性。操作或天气状况和磨损，例如确保在紧急情况下的完全制动和最小停车距离。然而，发展的单一标准的权重取决于车辆的类型。虽然制动舒适性和高耐磨性对舒适型车辆的发展很重要，但赛车在高热压下仍然需要高强度的性能。总的来说，制动盘需要设计的最大的机械和热制动载荷，例如适应和测试不同的车辆。圆盘尺寸，本质上是外直径，其厚度和摩擦路径的宽度是由产生的热机械应力和制动时的动能决定的，在这里，前后轴之间的制动力的分布需要考虑。
图2
通常情况下，在汽车工业中，静态制动力是按比例分配给轴载荷的。根据静轴载荷，车辆的重力和制动的减速会导致轴载荷的动态位移，在前轴上增加一个动态载荷，并使其放电。后轴，如方程式所示。(1)和(2)。因此,对于制动盘的尺寸，从Eq.(3)和后制动器支持部分(4)的制动力分配系数是相关的。
FBV =前轴的理想制动力[N]，
FBH =后轴的理想制动力[N]，
m =车辆质量(公斤),g =重力加速度(m / ssup2;),Z =车辆减速(g)的倍数(——),v =重心的位置比[-],垂直方向的轴距,w =重心的位置比[-],在纵向取向的轴距、DB =刹车力平衡[-],u =后制动比例
不同车辆制动力的典型分布和对车辆类型的依赖性如表2所示。在车辆前面引擎,重心高,短轴距,制动力的位移的前轴得多比跑车与低重心和有利的重量分布,因为中间或后方引擎的设计。这些方面，一个变化的负荷状态，因此一个变化的重心将被考虑在尺寸。总的来说，考虑到与灰铸铁(比较表I)相同大小的刹车盘相比，与灰铸铁(比较表I)相同大小的制动盘相比，在使用C/SiC制成的刹车片的尺寸时，不允许进行1:1的替换。基于这个原因，高性能的陶瓷刹车盘直径约为1英寸。
尽管如此，我们还是可以节省大约50%的重量。根据车型的不同，每辆车可以减少20公斤的重量。刹车片的尺寸是保证部件的必要安全性和实现高制动性能的关键。由于前轴上的制动负荷较高，前轴的制动盘需要比后轴上的制动盘更大。根据制动力的分布情况，主要是利用越野车在前后刹车片之间实现大尺寸的双f-铁。具有高质量和速度的车辆需要大的制动盘直径，由于高的机械和热负荷，其摩擦路径的宽度和适当的厚度是合适的。虽然，车轮尺寸，使用的制动卡尺，和车轮的包装直接影响最大制动盘直径。
通常情况下，在高性能车辆中，有尝试尽可能多地利用高负载前轴的车轮尺寸。这一尝试不是很有先见之明，刹车盘直径和刹车卡尺可以确定最小车轮大小，以防万一。对于可用的空间利用，外制动卡规轮廓线在内轮轮廓附近运行。从机械强度、蓄热能力、冷却通道的必要高度等方面确定了制动盘的厚度和冷却通道高度的定义。在这种情况下，制动卡尺的设计和必要的刹车片厚度是限制因素。制动盘的尺寸大小直接影响制动系统的重量。由于制动盘是车辆的非簧载质量的一部分，因此需要将制动盘的重量降到最低，以便更好地驱动动力和舒适性。这个事实与热力和机械设计是不一致的。对制动盘进行尺寸标注时，减速时最大吸收能量起着至关重要的作用。今天，必须为特殊车辆提供最大的制动功率(如布加迪威龙;布加迪(Bugatti)汽车，Molsheim，法国)以及高性能SUV和运动型轿车(如Cayenne Turbo和Panamera Turbo);保时捷,德国斯图加特)。为了更好的道路抓地力和有效的电子备份系统，在开发轮胎方面取得的进展导致了1.1 g以上的高减速值，其制动距离小于35米，从100公里到0公里/小时。因此，制动盘吸收的制动功率高且显著高于今天的汽车性能。这主要是在较高的速度。所描述的需求直接影响到制动盘所满足的功能。动能，转化为热能，需要被制动盘吸收和储存。为了避免过度磨损和降低制动性能，需要在制动过程后尽可能有效地释放吸收的热量。通过先进的控制系统，在刹车盘上也增加了对磨损的要求，这提高了驾驶的安全性和动力和各种各样的短刹车的干预。
此外，应该考虑到制动表面的尺寸必须足够大，以保证所选择的刹车片质量的使用。
对于可接受的制动垫的磨损率，这些需要考虑到热通量密度的可承受极限。
刹车冷却
为了尽可能快地释放热量，用于高性能车辆的制动盘通风的有效冷却概念。通过对制动系统的系统通风，可以显著改善其冷却效果。因此，可以提高其性能，避免过热，延长制动盘和刹车片的寿命。例如，一个特定的底层设计允许在车辆前部的风管和相应的冷却空气的扰流器(图3)中有选择性的刹车片流，而在开轮设计中，加热的空气几乎可以不受阻碍地排出。
除此之外，在运动体育方面，人们还注意到有系统的对轴心的去气。空气出口到后方，由类似百叶窗的开口，它面对后方，并放置在顶部的车轮外壳和空气轴。然而，在车辆前部的整个可配置空气也需要发动机冷却。此外，还应考虑复杂的刹车冷却和出现的摩擦和通风损失可能增加阻力系数。此外，制动冷却气流可能影响升力系数，并可能对车辆的驱动动力学产生负面影响。在与有效制动冷却相冲突的情况下，在潮湿的情况下，摩擦表面的湿度会影响刹车性能。因此，优化制动冷却总是与汽车工业的不同要求和其他重要目标相冲突，需要特殊的结构、车辆特定的混合米，以及适当的重要性权重。加入方面，为了将刹车力传递给轮毂，需要设计连接区域和制动盘钟，以达到最大制动力矩负荷和舒适性要求。制动盘钟的设计也取决于车轴的设计和车轮的连接。材料强度和塑性变形不足引起沉降，最终导致车轮连接松动。为了保证C/SiC摩擦转子与金属钟的连接，采用特殊形状的套筒，保证了不受阻碍的热膨胀的cera-mic转子和金属钟(图4)。除此之外，另外安装弹簧可以用于改善噪声和振动的行为。根据停车制动的种类，制动盘钟的设计也受到了影响。
图3
制动盘钟内集成了鼓式制动器，对摩擦系数和磨损有附加的功能要求，保证了停车制动的永久功能。在法律要求的基础上，需要考虑动态负载情况，以实现手动操作设备的静态保存功能。
制动盘的设计
制动盘的要求，特别是制动盘环的要求，如前言部分所示，是多方面的，受功能之间相互关系的影响。为了解决制动盘的现有冲突，一个由摩擦学适应的摩擦层和承载体组成的总成已经被证明是有价值的。该程序集如图所示。视觉磨损指示器。这些指示器显示，根据行驶里程和氧化和磨损的情况，刹车盘的磨损情况以一种视觉的方式出现。所有成分的相似材料的使用C、SiC和Si，以及使用原位接合技术，从材料和制造的角度来看，很方便的粘附和材料结合。冷却通道承担热量排放的任务，取决于其数量和大小(冷却通道的宽度和高度)。在这种情况下，最重要的是在一个特定的速度范围内设计冷却通道的尺寸，而这又取决于车辆的设计。为陶瓷复合制动盘径向钻孔或研磨，渐开线或优化冷却通道设计是已知的。在运动车段中，右侧的冷却通道形状如图6所示。
图5
图4
现今，冷却通道的性能可以通过计算流体动力学模拟(CFD)和特殊座椅的流量测试来研究，通过在飞轮测试站或车辆内部进行温度测量。一般情况下，随着冷却通道高度的增加，一个有效的冷却通道支持文件和额外的穿孔训练，永久制动载荷的温度可以显著降低。制动盘内部轮廓的设计直接影响到其强度和冷却空气的供给。虽然开放式设 计提高了流量，但封闭的室内设计有利于强度优化的施工。除了制动的速度水平外，在切向的方向和由热输入产生的力也有摩擦力。有限元分析(FEA)的结果表明，在制动盘转子的内径(图7a)中可以发现制动时机械最大负荷点(由离心力和刹车力产生)。
图6
由于旋转运动与文具垫的位置有关，一个膨胀的荷载作用于内径的关键部位(图7b)。
制动时的机械和热负荷取决于车辆质量、动力轴载荷分布、减速和几何参数，例如动态滚动半径。
由于C/SiC的材料特性，温度和机械负荷的影响是主要的破坏因素。
图7
除了壁厚的尺寸外，内轮廓的形状，以及插入孔钻，影响了制动盘转子的强度。
尽管使用短纤维，材料的性能可能类似于无极或纤维增强材料，强烈的各向异性和定向依赖(图9)。这两者都影响，拉伸强度，应变，拉伸模量，17以及热导率和扩张行为等热传导系数。
图8
制动盘的参数通常由径向(r)、切向(t)和厚度方向决定，这意味着制动盘的轴向(a)。 全文共8311字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[9757]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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