重型汽车用双层金属结构汽车制动毂研究

谭富春
重庆省心汽车配件有公司

[摘要] 提出重型汽车制动毂用双层金属构造，解决制动毂的安全、寿命和使用成本问题，同时通过受力及设计计算分析，找出突破的方向和途径。

[主题词] 双层金属 汽车制动毂 安全 寿命 成本

0 前言

汽车制动毂及其制动器是汽车的关键零部件，在汽车行驶中起着减速和停车的作用，它承担着汽车安全行驶的重要责任。目前，无论是国内还是国外，数十年来汽车制动毂制造技术中一直是采用单一材料，在材质和结构上几十年来都没有大的突破，只是在灰铸铁的化学成份和金相组织上作了许多研究，改变化学成份，添加一些有益合金元素。在制动毂防破裂、摩擦系数、耐磨性、热稳定性（高温机械性能和热变形）、制造成本相互矛盾中，一直没有找到合理的结合点，已成为制约制动毂使用寿命和行车安全的重大技术问题。双层金属结构汽车制动毂就是将制动毂的工作面容易破裂部份采用两种材料双层构造，利用两种材料的优点，互相补充，克服两种材料的不足，彻底解决制动毂的行车安全保障问题。

全面解决汽车制动毂的问题，其核心是行车安全、使用寿命和制造成本三个方面的工作，因此，双层金属结构汽车制动毂就是选择灰铸铁和中碳钢两种材料制造，将灰铸铁作为制动毂的内层和主体，中碳钢在制动毂工作面的外面为外层和保护层。灰铸铁保证了制动毂的摩擦性能、耐磨性能、热传导性能。中碳钢的弹性和韧性以及高的抗拉强度，保证了制动毂的安全，同时又增加了使用寿命，而制造成本远低于其他合金材料，这是目前较好的解决方案。

3 双层金属材料汽车制动毂的构造方案

双层金属材料汽车制动毂是由两种不同的金属材料分内外两层组合在一起，组合的方案有两种，铸造组合和机械加工组合。

3.1 铸造组合方案

铸造组合称为嵌入法，就是先将一层铸造或机械加工好，再浇注另一层材料，经过理论和实践研究证明存在以下几个问题：

⑴ 铸件收缩和应力问题。铸造时金属融化的温度很高，在凝结和冷却过程中，铸件的收缩很大，如果将内层铸造好再浇注外层，因内层收缩小，外层收缩大，两层的内应力也很大，容易破裂，如果将外层机械加工好，再浇注内层，两层结合不牢容易分离。

⑵ 组织疏松和强度问题。铸件没有经过轧制和锻造组织是不很紧密的，强度比锻件要低得多，因此外层不能用铸造方法制造。如果将外层加工好再浇注内层，因外层的强制冷却，速度很快，影响内层的组织，影响内层强度、硬度等使用性能。

⑶ 制造设备和成本问题。外层或内层在浇注前需要预热，要有专用的设备，能源消耗大，制造成本高，不利于批量生产。

3.2 机械加工组合方案

机械加工组合方案是将内外两层分别铸造和机械加工好，内外两层配合面留有一定过盈量，将外层加热到一定温度，再用压力机压装到内层的外表面上。

对比两个方案可知，机械加工组合方案是可行的，比较好的方案，因此是研究的主要和重点方案。

通过计算对比可知，制动毂与制动蹄的相对滑动速度，制动毂材料的导热系数及制动模量对制动毂工作壁厚的影响较小。制动毂材料的许用拉应力对制动毂工作壁厚的影响最大，特别是当许用拉应力降低时，工作壁厚急剧增加，当工作壁厚增加时，制动毂工作表面与外表面的温度差也加大，热应力随之增大，又影响材料的热疲劳强度，进而降低许用应力，形成恶性循环。因此，制动毂材料的性能是最重要、最关键的因素。提高灰铸铁材料的抗拉强度、热疲劳强度和耐热性能，是保证制动毂使用寿命，降低成本的首要和重点工作。

通过制动毂内工作表面温度计算可知，在空气冷却的条件下，制动毂工作强度大，其温度是很高的，并且容易超过制动毂允许的正常工作温度350℃，因此高强度工作的制动毂应当考虑外表面采用水冷却，保证制动毂工作正常不被损坏失效。

5 结束语

汽车制动毂是汽车行车安全的重要零件，也是一个非常简单的零件。但要使制动毂满足汽车的整体性能要求，也是一件困难的事情，因为制动毂的安全、寿命、成本三者之间很难寻求一个合理的结合点。通过对制动毂比较全面的研究及计算分析，解决方法主要有三点：

⑴ 双层金属结构。外层是保护层，采用中碳钢或中碳合金钢制造，抗拉强度高，韧性好，承担制动毂的拉应力；内层是工作层，采用铜铬高硅合金灰铸铁制造，导热性好，耐磨损，有良好的热稳定性，抗拉强度高，抗热疲劳性能好，承担制动毂的制动扭矩。内、外两层金属材料合理分工，发挥两种材料的优点，避免两种材料的不足，保证制动毂使用安全。

⑵ 研究合金灰铸铁。灰铸铁是制动毂的内层材料，其机械性能对制动毂的寿命和成本是很关键的，在灰铸铁中添加一些有益的低廉合金元素，增加韧性，提高抗拉强度和导热性及抗热疲劳性能，以最小壁厚满足制动毂的强度和寿命要求，尽量降低制动毂的制造成本，找到一种廉价的汽车制动毂专用灰铸铁，是实现制动毂安全、寿命、成本三者合理结合的关键。

⑶ 制定标准。将汽车制动毂制动模量，产品质量检测评定方法，疲劳寿命试验方法标准化。