制動盤熱裂紋問題分析及優(yōu)化設計

夏清飛

上海匯眾汽車制造有限公司 上海市 200122

1 引言

制動盤是盤式制動器重要的部件，制動盤的可靠性幾乎決定了整個基礎制動系統(tǒng)的可靠性水平。因剎車過程中的摩擦阻力絕大部分轉(zhuǎn)換成為熱量，制動盤盤面溫度較高，當出現(xiàn)較大的溫度梯度時，就會產(chǎn)生熱應力，當應力超過材料強度時就會在盤體表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，并不斷擴展，最終形成貫穿裂紋。制動盤出現(xiàn)貫穿裂紋時，將嚴重影響試驗及車型量產(chǎn)的進度，因此對于制動盤熱裂紋問題的研究極為重要。

隨著電動車整備質(zhì)量的提升，制動盤的尺寸也越來越大，為了滿足輕量化要求，電動車制動盤的設計趨向于大而薄，這對制動盤各項性能指標是很大的考驗，尤其是疲勞性能。本文針對制動盤熱裂紋問題進行8D 分析及優(yōu)化設計，從而確定了熱裂紋問題的解決措施。

2 熱裂紋產(chǎn)生機理

盤式制動器的摩擦系統(tǒng)是由摩擦片、制動盤及摩擦界面第三體（界面膜、磨粒等）組成，摩擦副表面為粗糙表面，微觀上實際接觸面積遠小于名義接觸面積，而且分布是極不均勻的。制動器在制動過程中，由于接觸不完全，導致摩擦片表面溫度不一致，引起兩接觸體的熱彈性變形，從而影響接觸面之間的壓力分布。同時，接觸界面之間的壓力分布不平衡，也會導致制動器溫度場分布更加不均勻，從而形成了一種惡性循環(huán)，這種現(xiàn)象稱為熱彈性不穩(wěn)定（Temperature Elasticity Instability），簡 稱TEI。TEI 的后果是在摩擦面局部產(chǎn)生熱應力，熱應力不僅導致摩擦表面形成熱裂紋，還會加速材料的氧化和組織改變，進而降低鑄件強度和導熱系數(shù)，導致熱疲勞。

熱應力是導致制動盤產(chǎn)生疲勞裂紋的根本原因，熱應力的影響因素復雜，不僅與材料特性有關，還與制動盤的結(jié)構(gòu)形狀、使用條件緊密相關。制動盤熱裂紋最常見的表現(xiàn)型式為徑向裂紋和周向裂紋，本文主要討論的是周向裂紋。

3 熱裂紋原因分析及優(yōu)化設計

本文運用了8D（Eight Disciplines）工具，對熱裂紋問題進行分析與解決。

D0 階段：準備。某車型制動盤在慣量臺進行熱裂紋試驗時，出現(xiàn)早期失效，試驗不合格，嚴重影響項目的進度。因此，公司成立了小組，對該問題進行攻關。

D1 階段：成立小組。成立了由產(chǎn)品、質(zhì)量、工藝、材料、試驗、銷售、采購等成員組成的小組。

D2 階段：問題描述。試驗日期：2022.1.25 ～1.27，試驗地點：試驗室慣量臺，熱裂紋試驗要求：工況要求以0.62g 的減速度從160km/h 減到0，連續(xù)制動將盤溫升至550℃為1 個循環(huán)，＞300 循環(huán)不出現(xiàn)貫穿裂紋。試驗結(jié)果：160 循環(huán)，外制動面出現(xiàn)周向貫穿性裂紋，如圖1，試驗不合格。

圖1 制動盤熱裂紋

通過熱裂紋處的金相分析，得出裂紋的型式有三種，A：通風槽圓角根部有裂紋，對應外制動面無裂紋；B：通風槽圓角根部有裂紋，對應外制動面有微裂紋；C：從通風槽圓角根部到外制動面的貫穿裂紋，因此，明確了裂紋起始位置為通風槽加強筋圓角根部。

通過對制動盤單個加強筋應力循環(huán)次數(shù)的計算，按照熱裂紋試驗規(guī)范，完整300 個循環(huán)時單個加強筋的應力循環(huán)次數(shù)為9 萬次，160 循環(huán)時受到的應力循環(huán)次數(shù)是4.8 萬次，因此屬于疲勞裂紋。

D3 階段：臨時圍堵措施。DV 樣件已交付客戶裝車，與客戶溝通裂紋出現(xiàn)的時間、部位、嚴重程度。此批件不能進行惡劣工況的制動試驗。

D4 階段：確定并驗證根本原因。該階段是問題解決的核心部分。通過對該問題進行分解，從人、機、料、法、環(huán)和測多方面進行逐步分析，逐步排查，得出該問題的根本原因。

潛在根源分析1：制動盤尺寸問題。通過實際測量，制動面厚度、通風筋的尺寸及溝槽的尺寸均合格。因此排除尺寸問題。

潛在根源分析2：鑄造內(nèi)部缺陷。X 光探傷同批次10 個制動盤，無內(nèi)部缺陷。并對失效件進行斷口分析，試驗件斷口附近組織為細片狀珠光體和少量細小分散的鐵素體，鐵素體含量＜5%且分布正常，無明顯夾雜物，斷口處金相正常，因此排除鑄造問題。

潛在根源分析3：材料性能問題。分別在制動盤表面不同位置及裂紋區(qū)進行布氏硬度測試，試樣布氏硬度分布均勻，裂紋區(qū)與其他位置硬度相差不大，滿足設計要求，楔壓強度也滿足材料標準要求。對失效制動盤進行化學成分測試，各個化學成分數(shù)值均在參考值范圍之內(nèi)。對失效制動盤進行晶向分析，石墨類型為A 型，石墨尺寸IA4-5 級，視場中未見B，D，E 型石墨，無初生C 型石墨，金相組織滿足材料標準要求，因此排除制動盤材料問題。

潛在根源分析4：摩擦片偏磨。對摩擦片磨損量進行測量，摩擦片徑向偏磨，外側(cè)摩擦片偏磨量5‰（標準3‰），偏大；內(nèi)側(cè)摩擦片偏磨量2.3‰（標準3‰），正常。摩擦片偏磨會導致制動盤受力不均，對熱應力的形成會有一定的影響，但不是主要因素。

潛在根源分析5：試驗夾具問題。通過對比夾具圖紙與實際測量，卡鉗與制動盤位置符合設計要求，沒有干涉，因此排除試驗夾具問題。

潛在根源分析6：試驗臺架溫控設置問題。該試驗是在link 臺架上進行的，分析試驗過程中臺架的數(shù)據(jù)，見表1，制動壓力、摩擦系數(shù)、制動力矩與設計值對比無差異，溫度采取貼片式，且進行過零位標定，與熱電偶進行比對，臺架顯示的溫度正常，因此排除臺架溫控問題，見表1。

表1 熱裂紋臺架部分數(shù)據(jù)

潛在根源分析7：制動盤局部熱應力過大，受疲勞載荷時，導致熱裂紋。通過CAE模擬制動盤臺架試驗的工況，計算制動盤的熱應力，當溫度為543℃時，內(nèi)側(cè)加強筋末端最大熱應力為292Mpa，超過材料極限（180Mpa），見圖2，受疲勞載荷時導致熱裂紋。制動盤有限元仿真分析中得的最大熱應力點的位置與臺架試驗裂紋的位置非常接近，因此，制動盤局部熱應力過大是熱裂紋的根本原因。

圖2 失效制動盤熱應力分析

D5 階段：選擇并驗證永久糾正措施。

經(jīng)過CAE 模擬分析，該制動盤需進行優(yōu)化設計，通過加長內(nèi)側(cè)加強筋的長度及優(yōu)化倒角，加強開裂處的強度，同時為了保證重量滿足要求，將溝槽深度變淺，熱變形會稍變大，但能滿足設計要求。通過分析比較，確定該優(yōu)化方案成本最低，更改周期最短，能滿足項目節(jié)點要求。

優(yōu)化方案進行熱應力分析，最大熱應力169Mpa，見圖3，相對初始值降低了42%，滿足設計要求（<180Mpa）。

圖3 優(yōu)化后制動盤熱應力分析

制動盤設計變量及性能參數(shù)優(yōu)化前后對比見表2 和表3。

表2 制動盤設計變量優(yōu)化前后對比

表3 制動盤性能參數(shù)優(yōu)化前后對比

本次試驗驗證是在同一個慣量試驗臺上進行的，根據(jù)試驗要求，每次循環(huán)結(jié)束的盤溫為550℃，熱裂紋試驗用貼片式溫度傳感器監(jiān)測制動盤的表面溫度，制動盤溫升和熱變形由預埋的位移傳感器以及熱電偶測量。試驗臺架具體如圖4 所示。

圖4 制動盤臺架試驗

熱裂紋驗證300 循環(huán)無裂紋，驗證通過，同時，制動盤的其余臺架性能單次溫升、熱變形及熱抖動性能也滿足設計要求。

D6 實施永久糾正措施：按照D5 階段的方案，對制動盤發(fā)起EWO 變更，對毛坯模具進行修改，重新生產(chǎn)制動盤樣件，并更新相關的PPAP 資料。

D7 預防再發(fā)生措施：更新DFMEA、制動盤開發(fā)指導書和培訓計劃等相關資料，增加CAE 制動盤熱應力的分析方法，從而預防類似的問題再次發(fā)生。

D8 總結(jié)表彰：此項目獲得成功，保證了項目按節(jié)點順利進行，并贏得了客戶及公司領導的認可。產(chǎn)品工程師通過該項目也對產(chǎn)品有了深刻的認識和開發(fā)能力的提升，為后續(xù)項目成功開發(fā)奠定了良好的基礎。

通過8D 分析，我們可以更加全面、系統(tǒng)、有效的分析驗證問題，準確的地得出了解決問題的方向，提高了工作效率，減少了企業(yè)的損失。

4 結(jié)語

制動盤的熱裂紋臺架失效在新能源車中出現(xiàn)的比例較高，當問題發(fā)生時，本文利用8D 法進行了系統(tǒng)的研究和闡述，首先要對制動盤進行失效斷口分析，同步進行尺寸、硬度、化學成分、金相組織檢測，分析開裂的原因是熱疲勞失效還是其他的因素不合格導致的提前失效。如果是熱疲勞失效，再對臺架數(shù)據(jù)進行分析，考察試驗過程是否有異常情況，分析對象包括制動初溫、制動末溫、制動力矩、制動壓力及摩擦系數(shù)。如果臺架試驗過程沒有異常，那么需要對制動盤進行設計優(yōu)化。熱裂紋的發(fā)生取決于制動面所受熱應力的程度，可以通過增加制動面的厚度、調(diào)整通風筋的形狀、改變溝槽的深度等措施，減小溫度梯度，從而降低熱應力，最后進行臺架驗證。該文描述的方法對熱裂紋問題的分析及解決有很好的借鑒作用。