無人駕駛汽車制動摩擦片背板材料分析及輕量化設計

周 正

（遼寧省交通高等?？茖W校， 遼寧 沈陽 110122）

目前， 國內外對于無人駕駛汽車制動系統的研究雖然已經有所進步， 但是都偏重于系統性、智能化、 電氣化方向研究。 由于無人駕駛汽車制動頻繁且要求制動精度高的特點， 在車輪制動器上， 需要使用更輕量化且滿足高頻制動特性的新型材質， 以替代普遍采用的鑄鐵材質。 該領域研究目前基本空白， 距離技術成熟還比較遠， 亟待進一步研究。

1 設計的意義與必要性

隨著無人駕駛汽車核心技術的不斷發展和突破， 可能在不久的將來， 人類就會面臨著無人駕駛與有人駕駛的混合交通， 乃至最終發展成完全無人駕駛交通。 而在這樣的交通狀況下， 大量無人駕駛車輛在運行過程中， 如何保證智能、 安全、 有效、 舒適的制動， 這對于無人駕駛車輛是否能順利完成既定的行駛任務， 以及對于所有交通參與者， 如行人、 有人駕駛車輛、 其他無人駕駛車輛、 路面交通設施等的安全性來說， 就顯得尤為重要。

因此， 如何能夠保證無人駕駛車輛智能、 安全且較小制動力的高頻制動， 如何在滿足剛性的前提下更輕量化設計制動器， 是我們特別需要關注的一個技術問題。 目前， 國內外對于此類問題的研究比較少， 很有必要進行相關問題的研究。

2 對于無人駕駛汽車制動特點的分析

無人駕駛汽車與有人駕駛汽車的制動需求，主要有以下幾個重要區別：

（1） 行駛特點不同。 無人駕駛汽車基本不會出現急加速、 急減速、 快速變換車道等行駛狀況。 因此， 需要的制動力可以較小。

（2） 制動頻率不同。 無人駕駛汽車基于安全考慮會比有人駕駛汽車更加嚴格， 因此進行制動的次數和頻率也會大幅增加。

（3） 對道路需求不同。 無人駕駛汽車需要路況更好、 交通標識更加規范清晰、 外界干擾更小。 同時， 對于基礎交通中的駕駛輔助設備、 外圍設備、 路側設備要求更高。 以期更好的判斷和計算所需制動工況， 從而進行智能化制動。

（4） 無人駕駛車輛需要事先收集計劃路線的路況信息、 車輛信息、 天氣信息等多方面信息，行駛中不斷探測周圍交通狀況， 從而進行智能制動。 所以， 需要更多的云數據， 更精確的傳感器信號、 更快的計算和控制能力。

（5） 無人駕駛汽車需要采用智能制動系統，相比普通制動系統會更加復雜、 造價也更高。

3 無人駕駛汽車制動片背板材料需求分析

當前， 汽車制動片背板通常采用的是鋼鐵材質， 例如碳鋼、 合金鋼等。 這是因為汽車制動片背板需要具有較高的強度、 耐腐蝕性和抗磨損性能， 以保證剎車的安全性、 可靠性和耐用性。 此外， 制動片背板還需要進行熱處理等多道工藝，以提高其物理、 化學性能和微觀組織， 同時還需考慮其成本和制造工藝的可行性。 總的來說， 汽車制動片背板材質的選擇通常是綜合考慮材料的性能、 成本和制造工藝等因素， 并根據實際應用要求進行選擇。

輕量化材料就是既具備自重輕的特點又能滿足產品性能要求的材料， 輕量化材料制造的零部件可以減少產品整體重量， 達到節能減排的目的， 具備經濟和環保的雙重效益。

工業領域使用的輕量化材料包括金屬材料和非金屬材料， 按照減重效果由低到高來排序， 依次有高強鋼、 鋁合金、 鈦合金、 鎂合金、 工程塑料、 碳纖維復合材料。

3.1 高強鋼

鋼是工業產品的主要原材料， 現階段適用于3D 打印的鋼材主要有A100、 300M 等高強鋼，316L 和304L 不銹鋼、 18Ni-300 馬氏體鋼、 17-4PH 和15-5PH 沉淀硬化不銹鋼以及H13 工具鋼等。 其中鐵素體－貝氏體鋼強度級別為500MPa，雙相 （DP） 鋼和相變誘發塑性 （TRIP） 鋼強度級別為600～800MPa， 復相 （CP） 鋼強度級別在1000MPa 或更高。 這些鋼的成型性能也很好。 日本日產汽車公司進行了590MPa 級高強度鋼板在車身上的應用研究， 他們選用TRIP 鋼和DP 鋼裸板以及DP 鋼鍍鋅板并運用有限元分析技術解決了沖壓開裂和回彈問題， 優化了焊接工藝參數， 通過實車檢測， 剛度和碰撞性能滿足要求，比采用440MPa 級鋼板時降重10kg。 在同等的強度等級下， 使用高強度鋼可以最大限度減輕鋼板的厚度， 因此， 鋼的強度越高， 減重效果越好，相比較其他材料， 鋼材更具成本優勢， 目前， 鋼材的研究在不斷朝著質量輕、 強度高的方向演化， 如果能夠兼具輕量化與成本優勢， 那么依然會是工業產品的主流選擇。

3.2 鋁合金

鋁的密度只有鋼的1/3， 具有密度小、 易加工、 耐腐蝕、 可回收的優點， 但眾所周知鋁的熔點低、 強度低， 耐高溫及承重能力不足， 針對這一特點， 在AL 中加入Si、 Fe、 Mn、 Cr、 Zn、 Ti等元素制成鋁合金來提升其強度和硬度， 使得以鋁代鋼可能性逐漸顯露。 現在已有一些高強鋁合金材料問世， 比如空客的Scalmalloy、 英國鑄造公司Aeromet International 的A20X、 長沙新材料產業研究院的AlMgSc 以及蘇州倍豐的Al250C等。

3.3 鈦合金

鈦及鈦合金具有密度小、 耐腐蝕、 耐高溫、強度高的特點， 從性能而言是最理想的輕量化材料但是相比較鋼和鋁成本過高， 目前主要用于高端制造領域如軍用飛機和醫療領域， 在汽車制造領域少量用于排氣系統相關組件， 3D 打印用鈦合金材料主要有Ti64。

3.4 鎂合金

鎂的密度是鋁的2/3， 鋼的2/9， 鈦的1/2，鎂的比強度高于鋁合金和鋼， 比剛度接近鋁合金和鋼， 能夠承受一定的負荷， 除此之外， 鎂合金重量輕， 具有優良的導電性、 導熱性、 減震性，我國的鎂資源豐富， 是最具潛力的輕量化材料之一， 現階段鎂合金在美、 日汽車工業領域的使用較為普遍但相對其他材料依然較少， 在我國處于起步階段， 整體而言呈增長態勢， 在車身、 發動機和內飾上都可見鎂合金的身影。

3.5 工程塑料

工程塑料， 與普通塑料相比具有更好的穩定性、 耐熱性和耐腐蝕性， 與金屬相比， 質量更輕、 易加工、 具有電絕緣性， 可以用作設計驗證， 縮短研發周期， 也可以用來制作功能部件，比如汽車的內飾件、 電器件、 控制面板等部件，既可以實現輕量化還可以節省成本， 工程塑料在輕量化制造方面的應用呈現增長趨勢， 材料種類也在不斷豐富。

3.6 碳纖維復合材料

碳纖維材料是由有機纖維經碳化處理及石墨化處理得到的一種含碳量高于90%的無機高性能纖維， 具有碳素材料的強抗拉力特性又兼具纖維材料的軟加工性， 其密度不到鋼的1/5， 但強度卻是鋼的8 倍。 用碳纖維代替鋼材可以減重50%作用， 輕量化潛力巨大， 但目前制造成本較高。

以上材料理論上可以應用于制動片背板的輕量化設計， 但是具體表現以及產品穩定性、 安全性還有待于實際驗證。 同時， 除了批量生產的經濟性問題， 還有背板與摩擦片的安裝與連接問題， 也是必須要考慮的。

4 輕量化制動摩擦片背板的設計

無人駕駛汽車輕量化制動片背板結構較為單一， 在使用時存在不足之處：

（1） 將制動摩擦片安裝在背板上時， 通常是利用熱量和壓力來黏合制動摩擦片的， 此方式使得制動摩擦片的穩定性差， 容易發生移位的現象， 進而影響使用效果；

（2） 制動摩擦片背板在實際使用時， 因耐磨性能較差而導致磨損嚴重， 降低使用壽命。

因此， 有必要設計出一種新的安裝方案來解決上述問題。

本文設計的無人駕駛汽車輕量化制動片背板，包括背板主體、 摩擦片主體和連接層。 背板主體的兩側均安裝有連接塊， 呈對稱分布， 且連接塊的內部均安裝有通孔， 一端設置有加強結構， 表面設置有防護結構， 另一端安裝有摩擦片主體。 摩擦片主體的兩側均安裝有減震面， 一端安裝有連接層， 連接層的一端設置有定位結構。 定位結構包括有防滑片、 定位孔、 定位塊和粗糙面。 防滑片安裝在背板主體的另一端， 內部均勻安裝有定位孔。 定位塊均勻安裝在連接層的一端， 表面安裝有粗糙面。 定位塊與定位孔大小相適配， 構成卡合結構。 定位塊處于同一水平面內， 在連接層的一端呈弧形排列。 這種定位結構可起到一定的定位作用， 提高摩擦片主體安裝的穩定性。 如圖1 所示。

圖1 制動背板主體結構

加強結構包括有限位槽、 第一加強桿、 第二加強桿和第三加強桿。 限位槽安裝在背板主體的一端， 內部均勻安裝有第三加強桿， 且第三加強桿的一端安裝有第一加強桿。 第一加強桿的一端安裝有第二加強桿。 設置的加強結構可起到一定的加強作用， 延長背板主體的使用效果。 第一加強桿與第二加強桿呈弧形設計， 平行設置。 第三加強桿與第一加強桿和第二加強桿呈垂直設計，并且在限位槽的內部呈等間距排列。 如圖2 所示。

圖2 制動背板加強結構

防護結構包括有保護涂層、 耐高溫層和耐磨層。 保護涂層安裝在背板主體的表面， 其表面安裝有耐高溫層， 且耐高溫層的表面安裝有耐磨層。 防護結構可對背板主體起到一定的防護作用， 延長其使用壽命。 耐磨層為陶瓷納米耐磨涂層， 耐高溫層為陶瓷納米耐高溫涂層。

5 結論

本文旨在提供無人駕駛汽車輕量化制動摩擦片背板， 用以解決現有的制動摩擦片背板上的制動摩擦片穩定性較差的缺陷問題。 為了解決上述技術問題， 本文分析了當前主流可選材料的優缺點， 并設計了安裝和連接的具體技術方案。 當然，具體實車性能、 穩定性、 安全性、 材料經濟性等問題， 還需要通過實車試驗數據， 進一步驗證。