CN101376417A - 用于自行车的制动垫片 - Google Patents
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Abstract
制动垫片(5)包括用来在制动期间被压向自行车(1)的车轮(2)的轮圈(3)的侧面(8)的制动表面(9)，以及适于从制动表面(9)传走热量的热传递装置(11)。因此将制动期间在制动表面(9)生成的热量从该区域带走并传入垫片(5)的其它区域。
Description
技术领域
本发明涉及用于自行车的制动垫片。
背景技术
在竞技自行车的领域，目前广泛使用了由合成材料制造的部件，该合成材料象例如由并入聚合物材料的基体中的碳纤维构成的材料。在以这些材料制成的部件中，自行车车轮的轮圈因其有可能在强度、弹性和轻度之间得到的最佳组合而颇受推崇。
然而，本发明的发明人已发现：像这样制成的轮圈在急刹车后会遇上危险点。制动垫片确实在轮圈上碰擦并于是生成热量；已发现：达到200℃的温度并非罕见。该热量改变了其中插入有碳纤维的聚合物基体的机械性质，具体来说，使其硬度和机械耐性甚至降低了3个数量级的幅度(即1000倍)并削弱了基体和其它成分之间的链。于是会发生轮圈的脱层。在极端情况下，轮圈甚至会断裂或不能制动，对骑车人的安全有严重后果。
在轮圈由金属材料制成的情况下，问题不会如此严峻，但轮圈的热量会导致制动效率下降。
发明内容
形成本发明基础的问题是要克服上述问题，以在所有制动状况下确保良好的可靠性和车轮强度，以及稳定的制动性能。
因此，在本发明的第一方面，本发明涉及一种根据权利要求1的制动垫片，在本发明的第二方面，本发明涉及一种根据权利要求25的车轮制动组件，在本发明的第三方面，本发明涉及一种根据权利要求30的用于制备制动垫片的混合物。
更具体地，根据本发明的制动垫片包括用来在制动期间被压向自行车的车轮的轮圈的侧面的制动表面，其特点在于，所述制动垫片包括适于从制动表面传走热量的热传递装置。
清楚的是任何材料都能通过传导来传热，并且在任何系统中热量还通过传导和辐射来传递；因此清楚的是在任何车轮制动组件中，在垫片的制动表面生成的热量并不停留在该区域，而是根据不同情况、随不同时间并以不同方式从其自发地向其它更冷的区域传递。在本发明的上下文中，表述“热传递装置”表示设置在制动垫片中的一种元件或材料的组件，所述组件的特别之处在于其以明显好于所述垫片中存在的所有其它元件或材料的方式传热的性能。
因这种热传递装置的存在，制动期间在制动表面生成的热量从该区域被带走并被传递到垫片的其它区域。传递至轮圈的热量因此减少，并且由于轮圈的过热而导致的危险因此被限制。
具体来说，已经观察到，利用传统的垫片，在制动表面上生成的热量停留在该表面上，并在制动结束后通过与周围空气的接触而散发。有利地是，由于本发明，热传递装置也在制动期间将热量从制动表面带走，因此即使在延长的制动期间也不存在使轮圈过度受热的风险。
优选地，该垫片包括与制动表面截然不同的、朝向垫片外部的热交换表面，其中热传递装置从制动表面将热量传递至热交换表面。由此，建立了一条优先的通路，由制动所产生的热量通过该通路传递至垫片外部；因此垫片的过度受热更少，而其从制动表面传走热量的性能更强。
优选地，该热交换表面适于与承载垫片的支撑体接触，否则与空气接触。在第一种情况下，该热交换表面应优选是平坦且规则的，以便促进通过接触的热量传递，并且承载垫片的支撑体应由热导率高的材料制成；在第二种情况下，热交换表面应尽量宽，优选地是具有散热片的，以便使与空气接触的延伸最大化。有利地是，由于在该垫片上已经存在的表面能被开发为热交换表面，因而该垫片也在制动期间被冷却而无需改变其传统尺寸。
根据优选实施例，该垫片包括高摩擦材料的基体，并且该热传递装置包括并入基体中的、具有比基体的材料更高的热导率的材料的细丝。优选地，所述细丝接近于制动表面但不在制动表面上显现，以便不干涉垫片和轮圈侧面之间的接触状态，因而不干涉制动性能。优选地，所述细丝由热导率高于50W/m°K或更合适地高于150W/m°K的材料制成；优选地，这种材料是金属性的，优选是锌、铁、钢、铝、铜或银。
根据另一优选实施例，该垫片包括高摩擦材料的基体，并且该热传递装置包括并入基体中的、具有比基体的材料更高的热导率的材料的微粒。优选地，由于微粒结构不会不令人满意地干涉制动垫片和轮圈侧面之间的接触状态，所述微粒分布在包括制动表面的整个基体中；由于在制动表面上已存在微粒，因而使散热效率最大化；而且，通过向用以形成基体的混合物中添加足够的微粒，这种垫片结构特别简单且有成本效益。优选地，所述微粒是热导率高于50W/m°K或更合适地高于150W/m°K的材料。
优选地，所述微粒具有小于500μm或更合适地低于200μm的平均尺寸。利用该尺寸得到在橡胶中的令人满意的分散，防止轮圈磨损，同时又不妨碍橡胶颗粒之间的聚集。
优选地，基体由橡胶制成，并且微粒由石墨制成，优选由膨胀的天然石墨制成。通过使用这种微粒，的确发现与其它类型的微粒比较，橡胶颗粒之间有更好的聚集，并且对轮圈的磨损更轻。在这种情况下，微粒具有介于10μm至100μm之间的平均尺寸；的确，与更小尺寸的微粒相比，这些微粒挥发更少，并便于管理用于制作垫片的工艺，同时与更大尺寸的微粒相比，它们在混合物中分布得更均匀。
作为选择，基体由橡胶制成，并且微粒由二硫化钼制成。在这种情况下，优选地，微粒具有小于20μm的平均尺寸，以便以最佳方式与橡胶基体融合。
仍作为选择，微粒由金属材料制成，优选由锌、铁、钢、铝、铜或银制成。在这种情况下，微粒具有小于1μm的平均尺寸，以避免对轮圈的磨损。
优选地，垫片由包括以重量计30-60％的橡胶和4-50％的微粒的混合物制成；更大量的微粒会危及制动性能，而更小的量则不足以确保理想的散热。
优选地，该混合物包括以重量计30-40％的橡胶、40-60％的软木和4-20％的微粒，并且更优选地，软木和微粒的百分比重量的总和小于或等于65％。已发现在混合物中存在软木特别有利于减少特别是纤维轮圈的轮圈以及垫片自身的损耗，而不降低制动力。该混合物还被证明特别适于减少制动时的噪声，并适于在潮湿和干燥时具有良好的制动性能。以所指出的量，不会遇到与橡胶聚集的困难。
优选地，软木是平均尺寸为0.3-1mm、优选0.5-0.7mm的微粒。在这种情况下，比软木的微粒尺寸更小的高热导率材料的微粒是优选的，以能够插入软木微粒之间的空隙并促进聚集。
优选地，所述微粒是以重量计等于4-15％的量的膨胀的天然石墨。
在本发明的第二方面，本发明更具体地涉及一种用于自行车的车轮制动组件，包括：
车轮，包括具有两个相对侧面的轮圈；和
制动器，包括两个制动垫片，用来于在将相应的垫片的制动表面压向轮圈侧面意义下的制动期间被启动；
并且其特点在于，各垫片包括从制动表面带走热量的热传递装置。
优选地，轮圈由合成材料制成，因为本发明的优点通过这种类型的轮圈最能体现。
优选地，各垫片通过承载垫片的支撑体装配在各制动器上；更优选地，各垫片包括与各承载垫片的支撑体接触的、朝向垫片外部的热交换表面，并且热传递装置将热量从制动表面传递至热交换表面、并从此处传递至承载垫片的支撑体。
优选地，各承载垫片的支撑体设有散热片，以促进散热。
在本发明的第三方面，本发明更具体地涉及一种混合物，该混合物用于制备用于自行车的制动器的制动垫片，该混合物包括橡胶、交联剂和具有比橡胶更大的热导率的材料的微粒。
附图说明
从以下参照附图对本发明的一些优选实施例所做的描述中，本发明进一步的特征和优点将变得清楚。在附图中：
图1示出了包括前轮制动组件和后轮制动组件的自行车；
图2以透视图示出了图1的自行车的制动器；
图3示出了以空闲配置表示的图1的自行车的车轮制动组件；
图4和5示意性地示出了根据本发明的用于自行车制动器的垫片的两个实施例。
具体实施方式
在图1中示出的自行车1包括一对车轮2，各车轮包括轮圈3。为各车轮2设置制动器4，制动器4包括至少一个制动垫片，更优选地包括一对制动垫片5，用来作为由制动控制系统(为现有技术而未示出)发出的命令的结果而由摩擦作用在轮圈3的侧面8上，从而进行车轮的制动。
轮圈3由合成材料制成，该类型的合成材料的例如包括并入聚合物材料中的结构纤维。典型地，结构纤维选自由碳纤维、玻璃纤维、芳香尼龙纤维、陶瓷纤维、硼化纤维及其组合构成的组。碳纤维是特别优选的。
聚合物材料中的所述结构纤维的排列可以是结构纤维块或片的随机排列、纤维基本单向的有序排列、纤维基本双向的有序配置，或以上的组合。
优选地，聚合物材料是热固性的，并优选包括环氧树脂。然而，这并不排除使用热塑性材料的可能性。
轮圈3一般是通过将由普通树脂粘在一起的一系列合成材料片重叠而制成。
轮圈3和垫片5是自行车1的车轮制动组件6的基本元件。
图2更详细地示出了制动器4，制动器4包括承载垫片的支撑体7，通过该支撑体将各垫片5安装在制动器4上。
图3示意性地示出了在空闲状态下，即当垫片5未作用在轮圈3的侧面8上时，自行车1上的制动器4和车轮2的相互组装位置。
图4更详细地示出了根据本发明制成的制动垫片5。垫片5包括用来在制动期间与轮圈3的侧面8接触的制动表面9，以及用来不与侧面8接触的多个其它表面10。制动表面9和其它表面10限定了垫片5的主体12，具体来说，表面10包括垫片5除了制动表面9之外的所有外表面，包括从制动表面伸向垫片5内部的锯齿状缺口表面、以及有可能用来接触承载垫片的支撑体7的表面。
垫片5的主体12包括高摩擦材料的基体13，基体13中并入热传递装置，热传递装置适于将热量从制动表面9传递至其它表面10。
更具体地，主体12由包括橡胶、交联剂以及形成所述热传递装置的、具有比橡胶更高的热导率的材料的粉末的混合物制成。
该粉末由微粒11构成，该微粒11优选地均匀地分布在整个垫片5的主体12中，且其用量优选但非必需地允许至少一些相邻微粒11之间的接触，以便构成从垫片5内部的制动表面9朝向其它表面10的随机热传递通道。应当注意图4仅是示意性的，关于微粒11的分布并不重要。
表面10是朝向垫片5外部的热交换表面。热交换表面10能与承载垫片的支撑体7接触，或者其能与空气直接接触。有利地是，微粒11的随机分布确保除制动表面9以外的垫片5的其它各表面是与空气或与比如承载垫片的支撑体的另一主体的交换热量的热交换表面10，因此是冷却表面。热交换的效率与传统制动器比较极大地增加了；实际上，垫片5的全部热交换表面是所有表面10的总和，并且比生成热量的制动表面9大得多。
反过来垫片承载体7能安装有冷却散热片20(图3)以进一步增加热交换表面。
在图4中，箭头示意性地标明垫片内部和外部的热传递流。为了使热流最大化，有利的是使用热传递系数高于50W/m°K、甚至更优选高于150W/m°K的材料的微粒11。
为了做比较，认为用于当前垫片的基体优选具有小于0.5W/m°K的热传递系数，因此应认为其是绝热材料。
优选地，微粒11具有小于500μm、甚至更优选低于200μm的平均尺寸。在优选情况下，使用由石墨特别是由膨胀的天然石墨制成的微粒11，其还因不增加垫片5的重量的较低比重而特别合适，优选将微粒11的尺寸选择为介于10μm至100μm之间。
根据一种可能的变形，微粒11能由二硫化钼制成，并具有小于20μm的平均尺寸。
根据另一种可能的变形，微粒11能由金属材料制成，例如锌、铁、钢，但更优选为铝，甚至更优选为银或铜；实际上，这些材料具有特别高的热传递系数。在这些情况下，微粒11的尺寸低于1μm。
一般地，制成制动垫片5的混合物必须遵循以下以成分的百分比重量给出的配方：30％-60％的橡胶和4％-50％的微粒11。
遵循一般配方的第一优选混合物由30％-40％的橡胶、40％-60％的软木和4％-20％的微粒11所给出。在这种情况下，应当注意所允许的微粒11的百分比被减小，以避免因同时存在软木而导致的聚集的问题。特别地，能将软木引入微粒，该软木的平均尺寸在0.3-1mm之间，优选在0.5-0.7mm之间；比软木的尺寸更小的高热导率材料的微粒11是优选的，因为它们可插入软木的微粒之间的空隙。
遵循一般配方的第二优选混合物包括：30％-40％的橡胶、40％-60％的软木和4％-15％的膨胀的天然石墨的微粒11。由于微粒和软木都是与橡胶的相异的元素，因而其使橡胶的聚集恶化，尽管在所有提到的微粒11的类型中，膨胀的天然石墨是使其恶化最少的。为了限制这种影响，当具有例如从45％到55％的高百分比的软木时，优选使微粒的百分比处在范围的低端，例如从4％到10％。
在任何情况下，优选地，软木和微粒11按百分比重量计的总量在65％以下。
所有混合物还含有橡胶的交联剂，所述交联剂优选地由从丙烯腈丁二烯、氢化丙烯腈丁二烯、苯乙烯丁二烯、乙烯-丙烯、氯丁二烯或其组合中选择的聚合物构成。
图5示出了根据本发明的可选择实施例的垫片105，其中热量从垫片105内部的制动表面109通过并入垫片105的主体112的基体113中的导热细丝111向热交换表面110传递。例如距制动表面约3mm距离的直接设置在制动表面109下方的铜细丝是特别优选的；以该距离，它们保持了从制动表面109收集热量的良好能力，同时还避免使它们随垫片105的磨损而在制动期间能到达制动表面109并磨损轮圈3的侧面8。
以上所示的垫片当然也可与由象铝合金的金属制材料制成的轮圈配合使用，只不过冷却效果较为不明显。
Claims (40)
1.用于自行车(1)的制动器(4)制动垫片(5，105)，包括用来在制动期间被压向自行车(1)的车轮(2)的轮圈(3)的侧面(8)的制动表面(9，109)，其特征在于，所述制动垫片包括适于从制动表面(9，109)传走热量的热传递装置(11，111)。
2.根据权利要求1所述的垫片，包括与所述制动表面(9，109)截然不同的、朝向垫片(5，105)外部的热交换表面(10，110)，其中，所述热传递装置(11，111)从制动表面(9，109)将热量传递至热交换表面(10，110)。
3.根据权利要求2所述的垫片，其中，所述热交换表面(10，110)适于与承载垫片的支撑体(7)或空气接触。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的垫片，包括高摩擦材料的基体(113)，其中所述热传递装置包括并入所述基体(113)中的、具有比所述基体(113)的材料更高的热导率的材料的细丝(111)。
5.根据权利要求4所述的垫片，其中，所述细丝(111)接近于制动表面(109)但不在所述制动表面(109)上显现。
6.根据权利要求4或5所述的垫片，其中，所述细丝(111)由热导率高于50W/m°K、优选高于150W/m°K的材料制成。
7.根据权利要求6所述的垫片，其中，所述细丝(111)由金属材料制成，优选地由锌、铁、钢、铝、铜或银制成。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的垫片，包括高摩擦材料的基体(13)，其中所述热传递装置包括并入所述基体(13)中的、具有比所述基体(13)的材料更高的热导率的材料的微粒(11)。
9.根据权利要求8所述的垫片，其中，所述微粒(11)分布在包括所述制动表面(9)的整个基体(13)中。
10.根据权利要求8或9所述的垫片，其中，所述微粒(11)由热导率高于50W/m°K的材料制成。
11.根据权利要求10所述的垫片，其中，所述微粒(11)由热导率高于150W/m°K的材料制成。
12.根据权利要求8所述的垫片，其中，所述微粒(11)具有小于500μm的平均尺寸。
13.根据权利要求12所述的垫片，其中，所述微粒(11)具有小于200μm的平均尺寸。
14.根据权利要求8所述的垫片，其中，所述基体(13)由橡胶制成，并且所述微粒(11)由石墨制成，优选由膨胀的天然石墨制成。
15.根据权利要求14所述的垫片，其中，所述微粒(11)具有介于10μm至100μm之间的平均尺寸。
16.根据权利要求8所述的垫片，其中，所述基体(13)由橡胶制成，并且所述微粒(11)由二硫化钼制成。
17.根据权利要求16所述的垫片，其中，所述微粒(11)具有小于20μm的平均尺寸。
18.根据权利要求8所述的垫片，其中，所述微粒(11)由金属材料制成，优选由锌、铁、钢、铝、铜或银制成。
19.根据权利要求18所述的垫片，其中，所述微粒(11)具有小于1μm的平均尺寸。
20.根据权利要求8所述的垫片，由包括以重量计30-60％的橡胶和4-50％的微粒(11)的混合物制成。
21.根据权利要求20所述的垫片，其中，所述混合物包括以重量计30-40％的橡胶、40-60％的软木和4-20％的微粒(11)。
22.根据权利要求21所述的垫片，其中，软木和微粒(11)的百分比重量的总和小于或等于65％。
23.根据权利要求21所述的垫片，其中，所述软木是平均尺寸为0.3-1mm、优选0.5-0.7mm的微粒。
24.根据权利要求21所述的垫片，其中，所述微粒(11)由以重量计等于4-15％的量的膨胀的天然石墨制成。
25.用于自行车(1)的车轮制动组件(6)，包括：
车轮(2)，包括具有两个相对侧面(8)的轮圈(3)；和
制动器(4)，包括两个制动垫片(5，105)，用来于在将相应的垫片(5，105)的制动表面(9，109)压向轮圈(3)的侧面(8)意义下的制动期间被启动；
其特征在于，各垫片(5，105)包括从制动表面(9，109)带走热量的热传递装置(11，111)。
26.根据权利要求25所述的组件，其中，所述轮圈(3)由合成材料制成。
27.根据权利要求25所述的组件，其中，各垫片(5，105)通过承载垫片的支撑体(7)装配在各制动器(4)上。
28.根据权利要求27所述的组件，其中，各垫片(5，105)包括与各承载垫片的支撑体(7)接触的、朝向垫片(5，105)外部的热交换表面，其中所述热传递装置(11，111)将热量从制动表面(9，109)传递至热交换表面(10，110)，并从此处传递至承载垫片的支撑体(7)。
29.根据权利要求28所述的组件，其中，各承载垫片的支撑体(7)设有散热片(20)，以促进散热。
30.混合物，用于制备用于自行车(1)的制动器(4)的制动垫片(5，105)，所述混合物包括橡胶、交联剂和具有比橡胶更大的热导率的材料的微粒(11)。
31.根据权利要求30所述的混合物，其中，所述微粒(11)为热导率高于50W/m°K、优选高于150W/m°K的材料。
32.根据权利要求31所述的混合物，其中，所述微粒(11)具有小于500μm、优选低于200μm的平均尺寸。
33.根据权利要求32所述的混合物，其中，所述微粒(11)是平均尺寸介于10μm至100μm之间的石墨，优选是平均尺寸介于10μm至100μm之间的膨胀的天然石墨。
34.根据权利要求32所述的混合物，其中，所述微粒(11)是平均尺寸小于20μm的二硫化钼。
35.根据权利要求32所述的混合物，其中，所述微粒(11)是平均尺寸小于1μm的金属材料，优选是平均尺寸小于1μm的锌、铁、钢、铝、铜或银。
36.根据权利要求30-35中的任一项所述的混合物，包括以重量计30-60％的橡胶和4-50％的微粒(11)。
37.根据权利要求36所述的混合物，包括以重量计30-40％的橡胶、40-60％的软木和4-20％的微粒(11)。
38.根据权利要求37所述的混合物，其中，软木和微粒(11)的百分比重量的总和小于或等于65％。
39.根据权利要求37所述的混合物，其中，所述软木是平均尺寸为0.3-1mm、优选为0.5-0.7mm的微粒。
40.根据权利要求37所述的混合物，其中，所述微粒(11)是以重量计等于4-15％的量的膨胀的天然石墨。
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