一种高性能制动系统用轻量化的钛材合头及其制备方法技术方案

本发明专利技术涉及制动系统用的钛材合头及其制备方法。所述合头包括正反面：将合头划分成三个区域；第一区域为外圆环区域；第二区域为内圆周区域；连接第一区域和第二区域的部分为第三区域；所述第一区域上设有对称布置的固定凹槽(5)和第二类镂空(6)；所述第二区域上设有贯穿正、反面的中心孔(1)以及交替分布且分别对称分布于合头上大螺孔(2)和小螺孔(3)；在相邻的大螺孔和小螺孔之间设有对称分布的第一类镂空(4)；所述第三区域上设有对称布置的“Y”型加强筋(7)；所述第三区域与第一区域的连接部成水平整体布置；第三区域与第二区域的连接部成水平整体布置。本发明专利技术首次实现了钛合金在轻量化合头中的低成本高效能应用。

A lightweight titanium joint for high performance braking system and its preparation method

The invention relates to a titanium material joint for a braking system and a preparation method thereof. The joint includes the positive and negative sides: dividing the joint into three areas; the first area is the outer ring area; the second area is the inner circumference area; the part connecting the first area and the second area is the third area; the first area is equipped with symmetrically arranged fixed grooves (5) and the second type hollow out (6); the second area is equipped with central holes (1) running through the positive and negative sides and alternately distributed. \u4e14\u5206\u522b\u5bf9\u79f0\u5206\u5e03\u4e8e\u5408\u5934\u4e0a\u5927\u87ba\u5b54(2)\u548c\u5c0f\u87ba\u5b54(3)\uff1b\u5728\u76f8\u90bb\u7684\u5927\u87ba\u5b54\u548c\u5c0f\u87ba\u5b54\u4e4b\u95f4\u8bbe\u6709\u5bf9\u79f0\u5206\u5e03\u7684\u7b2c\u4e00\u7c7b\u9542\u7a7a(4)\uff1b\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e09\u533a\u57df\u4e0a\u8bbe\u6709\u5bf9\u79f0\u5e03\u7f6e\u7684\u201cY\u201d\u578b\u52a0\u5f3a\u7b4b(7)\uff1b\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e09\u533a\u57df\u4e0e\u7b2c\u4e00\u533a\u57df\u7684\u8fde\u63a5\u90e8\u6210\u6c34\u5e73\u6574\u4f53\u5e03\u7f6e\uff1b\u7b2c\u4e09\u533a\u57df\u4e0e\u7b2c\u4e8c\u533a\u57df\u7684\u8fde\u63a5\u90e8\u6210\u6c34\u5e73\u6574\u4f53\u5e03\u7f6e\u3002 The invention realizes for the first time the low cost and high efficiency application of titanium alloy in lightweight joint.

【技术实现步骤摘要】
一种高性能制动系统用轻量化的钛材合头及其制备方法
本专利技术涉及制动系统用的钛材合头及其制备方法，特别涉及一种高性能制动系统用轻量化的钛材合头及其制备方法。
技术介绍
随着汽车和高速铁路工业的进一步发展和消费水平的提升，车辆高速、紧急，频繁制动和长距离制动等极端工况时常发生，这对整个车辆制动系统也提出了更高的要求。目前高端车辆领域使用的刹车片主要为碳碳和碳陶刹车片。这些刹车片质量轻、强度高、具有较好的摩擦系数、制动平稳且耐冲击，使用寿命几乎等同于车的寿命。如图1为常见的汽车碳陶刹车盘制动系统。完整的汽车刹车制动系统一共有7部分：刹车卡钳、刹车盘、刹车皮、刹车油管、合头、桥位、螺丝。合头是连接刹车盘和轴面的重要部件。在刹车时，刹车盘因高速摩擦产生高温，也会传导到合头上。合头的热传导速度与散热速度就显的尤为重要。一旦质量不过关，在行驶中很可能发生事故。目前车辆的制动系统用合头通常使用不锈钢材料，比较笨重。据统计，汽车所耗燃料60％源自于汽车自重，每减轻10％的重量，废气排放减少10％，同时降低油耗7％。汽车轻量化设计是目前全球汽车设计领域的一个重要的研发方向。钛合金高的比强度和比刚度使其具有明显的减重效果，并在航空航天领域得到广泛的使用。常见的钛合金密度在4.51g/cm3左右，仅为钢的60％，而且，钛合金韧性与钢铁相当，抗腐蚀性能更好。钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件，目前在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等领域得到广泛应用。开发低成本汽车用钛合金成分体系，并采用更为快捷和绿色的先进制造技术(如增材制造和拓扑优化设计技术等)获得更为精细的高性能钛合金零部件，具有重要的工程应用价值。碳纤维增强的碳化硅陶瓷刹车盘的热膨胀系数大概在2.2×10-6/℃左右。美国机械工程协会手册指出，常规的钛合金材料的热膨胀系数为8.3-9.0×10-6/℃左右，明显小于轻质铝合金的热膨胀系数(2.19-2.5×10-5/℃左右)。很明显，钛合金与碳陶刹车盘的热膨胀系数更加匹配，有助于在极端制动工况下，减少制动系统高温带来的内应力，并保持整个制动系统的稳定。而且耐热钛合金的工作温度可达550℃左右仍然保持较高的力学性能，也非常适合于车辆在高速、紧急或者频繁制动等极端工况下使用。因此，钛合金是理想的高性能制动系统用合头候选材料。另外，钛合金还具有优良的抗疲劳性能、无磁性等优点。目前制约钛合金合头广泛应用的主要因素为钛原材料成本较高的问题。同时现有合头的结构普遍如图1所示；这样的结构设计不仅耗费大量的钛材而且在高速条件下，快速制动时，极易因剪切力骤增导致零部件失效。因此很有必要结合钛合金材料的上述特性，根据车辆制动系统中合头的负载情况和性能指标，设计一种轻量化的优质钛材合头。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种高性能制动系统用轻量化钛材合头及其制备方法。本专利技术所设计和制备的钛合金合头，在减重的同时，还能实现快速的散热和避免应力集中。本专利技术一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；所述合头的材质选自纯钛、钛合金、钛基复合材料中的至少一种；所述合头包括正反面：将合头划分成三个区域；第一区域为外圆环区域；第二区域为内圆周区域；连接第一区域和第二区域的部分为第三区域；所述第一区域上设有固定凹槽(5)；第二类镂空(6)；所述固定凹槽(5)在合头上呈对称布置；所述第二类镂空(6)在合头上呈对称布置；所述第二区域上设有贯穿正、反面的中心孔(1)、大螺孔(2)、小螺孔(3)、大螺孔(2)对称分布于合头上；小螺孔(3)对称分布于合头上；两个相邻的大螺孔之间设有1个小螺孔；在相邻的大螺孔和小螺孔之间设有第一类镂空(4)；所述第一类镂空对称分布于合头上；所述第三区域上设有“Y”型加强筋(7)；所述“Y”型加强筋合头上呈对称布置；所述第三区域与第一区域的连接部成水平整体布置；第三区域与第二区域的连接部成水平整体布置。水平连接配合“Y”型加强筋的优化设计大大增强了高剪切力条件下部件的使用寿命。在本专利技术中，所述水平整体布置指的是：所连接两个区域的连接部位不存在倾斜角。且第三区域整体呈水平设置。在本专利技术中，中心孔(1)、大螺孔(2)、小螺孔(3)的尺寸按现有合头标准选择。本专利技术一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；垂直合头进行投影；定义合头的投影半径为R，合头与刹车盘接触面为A环形面(即第三区域的投影为A环形面)，A环形面尺寸为：外圆环半径为R，内圆环为半径(R-17)～(R-25)mm范围之间。本专利技术一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；垂直合头进行投影；定义合头的投影半径为R，第二区域投影面为C圆形面，C圆形面的半径在65-300mm之间，C圆形面上中心孔1的半径＝30-118mm；C圆形面的半径-中心孔1的半径≥35mm、优选为大于等于50mm。本专利技术一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；垂直合头进行投影；A环形面与C圆形面之间的区域定义为B环形面(即为第三区域的投影)；B环形面的外圆环半径即为A环形面的内圆环，B环形面的内圆环即为C圆形面的外圆环。作为优选方案，按投影面积比计；A环形面：B环形面：C圆形面＝3.2-4.5：3.1-4.4：4.5-5.6。本专利技术一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；固定凹槽(5)与第二类镂空(6)相互间隔呈交替分布；垂直合头进行投影；合头外边缘固定凹槽(5)与镂空(6)的投影面在A环形面上；其中第二类镂空(6)投影面积占A环形面投影面积的30-45％之间。第二类镂空(6)可以是贯穿式镂空，也可是非贯穿式镂空。第二类镂空的边缘到相邻固定凹槽的最短距离为10-100mm。该参数设计时，考虑到高载荷、高速运动的运输装置，在极短时间内要实现快速制动时，其会产生强大的剪切力；因此必须限定第二类镂空的边缘到相邻固定凹槽的最短距离为10-100mm、第二类镂空的边缘到合头外边缘的最小距离大于等于5-20mm第二类镂空的边缘到到第三区域的最短距离大于等于10-100mm。同时为了进一步提升产品的稳定，第二类镂空6的投影优选为“扇形”、“条状”、“排孔状”中的至少一种，进一步优选为扇形。加强筋的形状、相对位置以及尺寸的设计，不仅有利于减重，还有有利于增加零件的使用寿命。尤其是在避免剪切应力集中方面有很大的优势。本专利技术一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；垂直合头进行投影；“Y”形加强筋(7)的投影面在B环形面上，并均匀分布；加强筋(7)所投影面积占B环形面投影面积的16-35％之间。加强筋(7)的个数控制在10-40个之间、优选为20-35个。作为进一步的优选方案，单根Y型加强筋分别有三个接触端，其中两个接触端与第一区域相连；剩余的一个接触端与第二区域相连。作为进一步的优选方案，与第一区域相连的两个接触端，其构成夹角的度数为30-60°。作为优选方案，固定凹槽(5)的个数为8-16个；第二类镂空的个数为8-16个；第一类镂空优选为4N个；所述N为正整数。作为优选方案；单个第一类镂空和第二类镂空为对称结构。作为进一步的优选方案，第一可镂空中有一半的对称线过固定凹槽；剩余一半对称线过相邻两个固定凹槽之间的区域，更进一步优选为，该对称线还本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；其特征在于：所述合头的材质选自纯钛、钛合金、钛基复合材料中的至少一种；所述合头包括正反面：将合头划分成三个区域；第一区域为外圆环区域；第二区域为内圆周区域；连接第一区域和第二区域的部分为第三区域；所述第一区域上设有固定凹槽(5)；第二类镂空(6)；所述固定凹槽(5)在合头上呈对称布置；所述第二类镂空(6)在合头上呈对称布置；所述第二区域上设有贯穿正、反面的中心孔(1)、大螺孔(2)、小螺孔(3)。大螺孔(2)对称分布于合头上；小螺孔(3)对称分布于合头上；两个相邻的大螺孔之间设有1个小螺孔；在相邻的大螺孔和小螺孔之间设有第一类镂空(4)；所述第一类镂空对称分布于合头上；所述第三区域上设有“Y”型加强筋(7)；所述“Y”型加强筋合头上呈对称布置；所述第三区域与第一区域的连接部成水平整体布置；第三区域与第二区域的连接部成水平整体布置。

【技术特征摘要】
1.一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；其特征在于：所述合头的材质选自纯钛、钛合金、钛基复合材料中的至少一种；所述合头包括正反面：将合头划分成三个区域；第一区域为外圆环区域；第二区域为内圆周区域；连接第一区域和第二区域的部分为第三区域；所述第一区域上设有固定凹槽(5)；第二类镂空(6)；所述固定凹槽(5)在合头上呈对称布置；所述第二类镂空(6)在合头上呈对称布置；所述第二区域上设有贯穿正、反面的中心孔(1)、大螺孔(2)、小螺孔(3)。大螺孔(2)对称分布于合头上；小螺孔(3)对称分布于合头上；两个相邻的大螺孔之间设有1个小螺孔；在相邻的大螺孔和小螺孔之间设有第一类镂空(4)；所述第一类镂空对称分布于合头上；所述第三区域上设有“Y”型加强筋(7)；所述“Y”型加强筋合头上呈对称布置；所述第三区域与第一区域的连接部成水平整体布置；第三区域与第二区域的连接部成水平整体布置。2.根据权利要求1所述的一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；其特征在于：垂直合头进行投影；定义合头的投影半径为R，合头与刹车盘接触面为A环形面，A环形面尺寸为：外圆环半径为R，内圆环为半径(R-17)～(R-35)mm范围之间。3.根据权利要求1所述的一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；其特征在于：垂直合头进行投影；定义合头的投影半径为R，第二区域投影面为C圆形面，C圆形面的半径在65-300mm之间，C圆形面上中心孔1的半径＝30-118mm；C圆形面的半径-中心孔1的半径≥35mm。4.根据权利要求2或3所述的一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；其特征在于：垂直合头进行投影；A环形面与C圆形面之间的区域定义为B环形面(即为第三区域的投影)；B环形面的外圆环半径即为A环形面的内圆环，B环形面的内圆环即为C圆形面的外圆环。5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种高性能制动系统用轻量化设计钛材合头；其特征在于：固定凹槽(5)与第二类镂空(6)相互间隔呈交替分布；垂直合头进行投影；合头外边缘固定凹槽(5)与第二类镂空(6)的投影面在A环形面上；其中第二类镂空(6)投影面积占A环形面投影面积的30-45％之间；第二类镂空(6)可以是贯穿式镂空，也可是非贯穿式镂空；第二类镂空的边缘到相邻固定凹槽的最短距离为10-100mm；第二类镂空的边缘到合头外边缘的最小距离大于等于5-20mm、第二类镂空的边缘到到第三区域的最短...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，刘军，邱敬文，潘迪，
申请(专利权)人：中南大学，深圳勒迈科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43