CN105065520A - 一种通过热管散热的鼓式制动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过热管散热的鼓式制动器，包括前制动蹄、后制动蹄、摩擦片、制动蹄回位弹簧、制动轮缸、扇叶、热管和支撑销；在前制动蹄和后制动蹄和摩擦片上间隔设有多根热管；制动鼓本体安装在摩擦片的外周；制动鼓本体通过制动鼓安装孔安装在车轮上；扇叶安装在制动鼓本体上；制动鼓本体上开设弧形通气槽。本发明在鼓式制动器制动蹄与摩擦片间嵌入热管阵列，在制动鼓中内设有扇叶，在车辆运行过程起到风扇的作用。这种结构特征可以在车辆制动时将摩擦片与制动鼓相互摩擦产生的大量的热量通过热管迅速传导到制动鼓室内，在制动鼓室内经流入的空气带出到外部环境中，从而减小制动鼓与摩擦片的温度，使制动器的制动性能更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆制动器(即刹车装置)，具体涉及一种通过热管快速导热，从而达到迅速散热，避免鼓式制动器部件温度上升过高，出现热衰退，导致出现刹车失效的问题,属于汽车零配件技术领域。
背景技术
使行驶中的汽车减速甚至停车,使下坡行驶的汽车速度保持稳定,以及使已经停驶的汽车保持不动,这些作用统称为汽车制动。制动器是汽车制动中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件。目前,各类汽车所用的制动器几乎都属于摩擦制动器,而汽车上所用的摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。其中,鼓式制动器制动效能较高,结构简单,空间布置比较灵活,而获得广泛的应用。
汽车鼓式制动器的工作原理:是利用制动蹄上的制动摩擦片的外表面与制动鼓的内圆柱面在制动时通过相互之间的摩擦来阻止车轮的转动或转动趋势。由此可知,汽车制动的过程是将动能转化为摩擦热能的过程,汽车在制动的过程中,尤其是高度运行紧急刹车以及重载条件下长时间下坡等情况时,由于摩擦会产生大量的热量,制动鼓内表面和摩擦片的瞬时温度会急剧升高,能达到300～400℃甚至更高的温度。制动鼓内表面和摩擦片在温度过高时，会引起摩擦片和制动鼓内表面摩擦系数的大幅度下降和波动，从而使得汽车的制动性能大大减弱。因为在制动过程中,摩擦材料与制动鼓内表面所产生的摩擦力可以使接触表面变形、粘着点撕裂，使硬质点或是磨屑产生犁削效应，其摩擦学性能和磨损机理与制动过程的各个参数、材料性质、表面形貌以及环境因素等有关。大量研究表明：对于干摩擦及边界摩擦，在一定压力条件下，摩擦系数和磨损率与最大表面温度之间有着明确的函数关系。而且，如果摩擦材料长期处于高温状态下，就会引起汽车的刹车失效，即出现所谓的“热衰退”现象。出现这种情况车辆的制动距离会大大增加，这是非常不利于行车安全的。此外，由于热量不能及时有效排除，热量都封闭在制动鼓外圈与钢圈内圈的环形空间内，所以钢圈温度也会随之升高并传递给安装在钢圈上的轮胎，使得橡胶内胎长期受热，会产生老化从而降低寿命。甚至产生爆胎，引发交通事故。
目前国内外主要是通过提高增强材料的耐热性和热稳定性来降低摩擦片的热衰退，然而对于材料进行耐热处理不但增加成本，还不能从根本上解决制动时产生的能量聚集。因此，将制动过程中产生的大量热量及时而有效地传递出去才能降低摩擦片和制动鼓的温度。现有的鼓式制动器的散热降温是通过水冷的方式，是在车辆上安装一只容量很大的水箱，通过管路直接喷淋在制动鼓的外表面，以达到散热降温的目的。采用水冷却虽说是可以是制动鼓以及摩擦片的温度迅速降低，但是容易导致制动鼓和摩擦片产生变形，而且如果有水进出制动鼓与摩擦片之间，会容易发生打滑，并且可能产生制动器“水衰退”问题。此外，在寒冷的冬天，喷淋装置的管路因结冰无法使用，而且喷淋的水无法回收直接淋在公路路面上，造成局部结冰诱发交通事故，制动鼓也因淋水造成表面温度不一而产生裂纹甚至破碎，淋水方法无法从根本上解决制动鼓内部空间的高温。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中汽车鼓式制动器散热困难，提供一种散热效率高、可靠性好的通过热管散热的鼓式制动器。
针对制动时摩擦片与制动鼓内表面之间产生大量的热无法及时有效的排除而引发的热衰退问题。本发明提出一种鼓式制动器，该鼓式制动器通过(带翅片)热管，将制动时摩擦片与制动鼓相互摩擦产生的大量热量导出，同时利用通风散热，从而达到对制动鼓室内进行散热降温的目的。本发明具有结构紧凑、简单，安装方便，成本低，噪声小，散热能力强等优点，从而保证汽车在制动时的安全性，可靠性。同时也解决上述中鼓式制动器采用水冷方式带来的问题，并避免对水资源的浪费。
热管是一种具有极高导热性的传热元件。由管壳、吸液芯、端盖组成。管壳为金属管，内壁是具有芯吸效应的吸液芯，管壳两端封死形成全封闭管体，封闭之前将管内抽真空，然后注入工作液体(工作介质)。热管蒸发端吸收热量后，工作液蒸发成气体流向冷凝端，在冷凝端冷却凝结成液体并释放出热量传递至管外，由于吸液芯的芯吸效应，冷凝后的工作液经吸液芯由冷凝端流回蒸发端，周而复始，实现了热量的快速传递。由于导热性好，重量轻，无噪音，无机械传动部分，结构简单，在失重的条件下工作状态和效果依然良好，因此热管被广泛用于军工、石油、化工、电子电器、机械、通讯等领域。然而，目前热管在汽车制动器中的应用还是非常稀少的。
本发明将一定数量的热管的一端嵌入到鼓式制动器制动蹄两侧的腹板与摩擦片之中，作为热管的热端(蒸发端)；热管的另一端延伸至制动鼓室内，作为冷端(冷凝端)，并在冷凝段部分安装一定数量的翅片。当汽车制动时，鼓式制动器的制动蹄张开，使得与制动蹄通过铆钉链接的摩擦片与旋转的制动鼓紧密接触，两者之间发生相互摩擦，产生大量的摩擦热量。与此同时，装入到摩擦片内部的具有极高导热性能的热管能够快速的将热量传递到带有翅片的冷凝段，并通过这些翅片将热量传递给由内部装有扇叶的制动鼓吸入的空气，受热的空气通过制动底板中的通气孔流出制动鼓室。从而使得制动时产生的大量的热量能够及时有效的排除。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种通过热管散热的鼓式制动器，包括前制动蹄、后制动蹄、摩擦片、制动蹄回位弹簧、制动轮缸、扇叶、热管和支撑销；前制动蹄和后制动蹄的一端分别通过两个支撑销活动连接在制动底板上，前制动蹄和后制动蹄的另一端分别通过制动轮缸活塞销连接在制动轮缸活塞上，制动轮缸活塞设置在制动轮缸中；制动蹄回位弹簧分别与前制动蹄和后制动蹄连接；在前制动蹄和后制动蹄的外周连接摩擦片；在前制动蹄和后制动蹄和摩擦片上间隔设有多根热管；制动鼓本体安装在摩擦片的外周；制动鼓本体通过制动鼓安装孔安装在车轮上；扇叶安装在制动鼓本体上；制动鼓本体上开设弧形通气槽。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述摩擦片内侧间隔沿径向设有多个矩形安装槽，在前制动蹄和后制动蹄的腹板上对应矩形安装槽处设有通孔，热管为U型热管，多个热管分别穿过前制动蹄和后制动蹄腹板上的通孔固定在摩擦片的矩形安装槽内。
优选地，在摩擦片的内表面沿周向间隔设有多条弧状的半圆形热管安装槽，在前制动蹄和后制动蹄对应摩擦片的半圆形热管安装槽处的腹板外表面间隔开设有多条弧状的半圆形热管安装槽，多条热管分别设置在摩擦片和后制动蹄腹板上开设的半圆形热管安装槽中。
优选地，所述在热管的冷端设有多个翅片。优选地，所述翅片的厚度为2‐4mm，呈矩形状。所述热管与翅片之间采用压铆式或锡焊式固定连接。
优选地，在前制动蹄和后制动蹄设有螺栓孔，通过螺栓将前制动蹄和后制动蹄连接摩擦片。
优选地，所述热管的管体材料为铜，其两端密封、内部充装的工质为去离子水、萘以或者N‐甲基吡硌烷酮。
优选地，所述扇叶通过花键键齿与花键键槽的花键配合安装在制动鼓本体上。
本发明热管的冷热端布置共有两种设计方案。方案一，摩擦片内表面开有矩形槽，对应矩形槽的制动蹄腹板位置上开有圆形通孔。U形热管的底部嵌入摩擦片的矩形槽中，两端通过制动蹄腹板上的圆孔伸出。热管的冷端是与圆弧形制动蹄和摩擦片的半径方向是一致的，也即冷端是径向布置的；方案二，在摩擦片的内表面沿圆周方向开有半圆形槽，同时在制动蹄腹板外缘面对应位置上也沿圆周方向开有半圆形槽。热管的热端弯成圆弧状，并嵌入由摩擦片和制动蹄腹板所构成的圆孔中，热管的冷端为垂直方向布置，也即冷端为垂向布置。两种方案的冷端都布置由一定数量的翅片。而根据是否需要增加散热面积可以将两种设计方案分为加翅片和不加翅片两种。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
1)本发明在鼓式制动器制动蹄与摩擦片间嵌入热管阵列，其中与摩擦片接触的热管部分为蒸发段(热端)，热管的冷凝段(冷端)伸入到制动鼓室内。同时，本发明在制动鼓中通过花键连接的方式安装内有花键槽的扇叶，在车辆运行过程起到风扇的作用。这种结构特征可以在车辆制动时将摩擦片与制动鼓相互摩擦产生的大量的热量通过热管迅速传导到制动鼓室内，在制动鼓室内经流入的空气带出到外部环境中，从而减小制动鼓与摩擦片的温度，使制动器的制动性能更加稳定。
2)本发明采用热管作为热传导装置，无需额外辅助动力源来维持热管的运行，且充分利用已有鼓式制动器的结构，通过对摩擦片及制动蹄腹板中开设热管槽或通孔，无需对鼓式制动器整体结构进行改变，适应性强，结构稳定，工艺简单，成本低。采用热管作为热量的传递元件。热管是一种传热效率极高的换热元件，冷、热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程来实现的，它的当量热导率可达金属的103～104倍。与传统散热设备相比，热管无需消耗动力、空间尺寸小、冷却能力高，单位面积的传热量高。热管作为一种高效的导热元件，适合高热流密度情况下的散热。此外，热管还具有重量轻，无噪音，无机械传动部分，结构简单等特点。本发明的热管管壳主要采用的是铜材料。因为铜是常见的金属，且机械性能良好，线性热膨胀系数为17.5*10‐6/K,故选用铜作为管壳材料。
3)本发明在制动鼓部分，通过花键连接的方式安装内有花键槽的扇叶，当制动鼓随车辆运动而不断旋转时，外部环境的空气会通过制动鼓上的通气槽进入制动鼓室内，从制动底板的散热槽中回归外部环境，从而带走传导到制动鼓室内的热量。
4)热管采用U字形，U字形热管的底部嵌入到开有矩形槽的摩擦片中，作为热端(蒸发段)，而两端通过开有圆孔的制动蹄腹板中伸出，作为冷端(冷凝段)。一方面这样的热管非常便于在鼓式制动器中安装，从而使得安装以及拆卸更加方便；另一方面，U型热管的U字底部作为热端(蒸发段),两侧作为冷端(冷凝段)，这使得热量传递给周围的空气更加高效。
5)本发明在热管的冷端布置一定数量的翅片，从而增大了散热面积，使热量更加高效的向空气中传递。此外，热管的数量以及翅片的数量和形状可以根据制动器的实际情况进行布置。
6)本发明摩擦片的内表面都开有槽(矩形槽或半圆弧形槽)，一方面有利于热管的布置，另一方面增加了自身的表面积，有利于摩擦片自身的散热。此外，槽道还能起到热流导向作用。
7)本发明采用了内置有扇叶的制动鼓。当制动随着车轮转动时，制动鼓就起到一台风扇的作用，可以将外部空气吸入的制动鼓室内，使其与热管冷凝段的翅片进行热交换。同时能将加热后的空气从制动鼓室内通过制动底板上的通风槽及通风孔排除，从而起到散热降温的作用。并且本发明中的制动鼓所使用的扇叶为可拆卸的，扇叶与制动鼓之间通过花键连接。这样扇叶和制动鼓可以分别进行制造和加工，既方便加工和安装，同时能根据需要进行拆卸。
8)本发明中可采用导热性能较好(导热性能远高于制动鼓的导热性能)的材料作为摩擦片，同时在摩擦片与热管之间涂上导热硅胶，可以消除摩擦片与热管之间的空气热阻。采用导热性能较好的摩擦片可以使得摩擦片与制动鼓相互摩擦产生的大量热能够传递到摩擦片中，再经摩擦片中嵌入的热管传递出去，从而避免摩擦所产生的热绝大部分传给制动鼓。
附图说明
图1为实施例1热管冷端径向布置的鼓式制动器的立体示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的后视图；
图4为实施例1中带翅片的U型热管的排列示意图；
图5为实施例1中带有U型热管的制动蹄示意图；
图6为图5的爆炸示意图
图7为实施例1热管冷端径向布置的鼓式制动器摩擦片示意图；
图8为U型热管及带翅片的U型热管示意图；
图9为实施例1热管冷端径向布置但不带翅片的鼓式制动器的示意图；
图10为实施例2热管冷端垂向布置的鼓式制动器的立体示意图；
图11为实施例2中鼓式制动器的制动蹄的示意图；
图12为实施例2中鼓式制动器摩擦片的示意图；
图13为实施例2热管冷端垂向布置但不带翅片的鼓式制动器的立体示意图；
图14为实施例1和实施例2的制动鼓的立体示意图；
图15b为图14的右视图；
图15a为图15b的A‐A向剖视图；
图16为实施例1和实施例2的扇叶的示意图；
图中示出：制动蹄回位弹簧1、前制动蹄2、制动蹄腹板3、摩擦片4、矩形安装槽5、制动底板6、制动轮缸7、制动轮缸活塞销8、制动轮缸活塞9、翅片10、热管11、摩擦片安装孔12、后制动蹄13、支撑销14、弧形安装槽15、制动底板安装孔6.1、制动底板通气槽6.2、制动鼓本体16、扇叶17、制动鼓安装孔18、弧形通气槽19、花键键齿20、花键键槽21。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。
实施例1
如图1至图9及图14至图16所示，一种通过热管散热的鼓式制动器，包括前制动蹄2、后制动蹄13、摩擦片4、制动蹄回位弹簧1、制动轮缸7、热管11和支撑销14；前制动蹄2和后制动蹄13的一端分别通过两个支撑销14活动连接在制动底板6上，前制动蹄2和后制动蹄13的另一端分别通过制动轮缸活塞销8连接在制动轮缸活塞9上，制动轮缸活塞9设置在制动轮缸7中；制动蹄回位弹簧1分别与前制动蹄2和后制动蹄13连接；
在前制动蹄2和后制动蹄13的外周连接摩擦片4，优选在前制动蹄2和后制动蹄13设有螺栓孔12，通过螺栓将前制动蹄2和后制动蹄13连接摩擦片4；摩擦片4与前制动蹄2和后制动蹄13之间通过螺栓孔12采用螺栓固定的方式连接，采用该方式可对摩擦片与制动蹄进行反复的拆卸。摩擦片4内沿径向侧间隔设有多个矩形安装槽5，在前制动蹄2和后制动蹄13的腹板上对应矩形安装槽5处设有通孔，热管11为U型热管，多个热管11分别穿过前制动蹄2和后制动蹄13腹板上的通孔固定在摩擦片4的矩形安装槽5内，优选在热管11上设有多个翅片10。
制动轮缸7安装在制动底板6上；热管11与摩擦片4的固定方式可采用压铆式(实现过盈配合)，采用该连接方式其可靠性高；此外两者的连接也可采用锡焊的方式，该连接方式的热阻较小。U型热管的两端通过制动蹄腹板中的通孔伸入制动鼓室内。
如图4、5、6、8所示，实施例1中的热管阵列是由多根U型热管11组成。且可根据需要在热管管体上设置一定数量的翅片10，翅片厚度一般为3mm左右，呈矩形状。U形热管11与翅片10之间采用压铆式或锡焊式固定连接。
热管11的管体材料优选为铜，其两端密封、且内部充装的工质为去离子水、萘以或者N‐甲基吡硌烷酮。热管的管体内周壁具有烧结层，增加传热效率。
本实施例热管冷端呈径向布置的鼓式制动器，该方案可根据实际的需要分为在热管冷端设置有翅片(如图1所示)和无翅片(如图9所示)。
如图3所示，在制动底板6上设有制动底板安装孔6.1，并开设有制动底板通气槽6.2；制动底板6通过制动底板安装孔6.1固定在车架上。如图14‐16所示，制动鼓本体16通过制动鼓安装孔18安装在车轮上；扇叶17通过花键键齿20与花键键槽21的花键配合安装在制动鼓本体16上；制动鼓本体16上开设弧形通气槽19。制动鼓本体16安装在摩擦片4的外周。气流经过弧形通气槽19进入到制动鼓本体16内，并经过通过热管散热的鼓式制动器，通过制动底板通气槽6.2流出。
实施例2
如图10至图13所示，一种通过热管散热的鼓式制动器，包括前制动蹄2、后制动蹄13、摩擦片4、制动蹄回位弹簧1、制动轮缸7、热管11和支撑销14；前制动蹄2和后制动蹄13的一端分别通过两个支撑销14活动连接在制动底板6上，前制动蹄2和后制动蹄13的另一端分别通过制动轮缸活塞销8连接在制动轮缸活塞9上，制动轮缸活塞9设置在制动轮缸7中；制动蹄回位弹簧1分别与前制动蹄2和后制动蹄13连接；
在前制动蹄2和后制动蹄13的外周连接摩擦片4，优选在前制动蹄2和后制动蹄13设有螺栓孔12，通过螺栓将前制动蹄2和后制动蹄13连接摩擦片4；摩擦片4与前制动蹄2和后制动蹄13之间通过螺栓孔12采用螺栓固定的方式连接，采用该方式可对摩擦片与制动蹄进行反复的拆卸。如图12所示，在摩擦片4的内表面沿周向间隔设有多条弧状的半圆形热管安装槽，如图11所示，在前制动蹄2和后制动蹄13对应摩擦片4的半圆形热管安装槽处的腹板3外表面间隔开设有多条弧状的半圆形热管安装槽15，多条热管11分别设置在摩擦片4和后制动蹄13腹板上开设的半圆形热管安装槽中，优选在热管11冷端设有多个翅片10。安装于摩擦片4和摩擦片4和后制动蹄13腹板中热管的热端也呈弧状，其长度(弧长)可根据实际情况进行调整。
实施例2的基本工作原理与实施例1完全相同，仅热管冷端的布置形式不同。如图10和图13所示，实施例2中热管的冷端为垂向布置，其中图10为在热管冷端中设置有翅片10，而图13为热管冷端未设置翅片。同样可以根据实际情况来确定是否需设置翅片以及翅片的数量和大小。
本实施例其他未说明部分与实施例1相同。
安装过程包括如下步骤：
步骤一：采用机床加工设备对摩擦片4内表面开好矩形槽5或弧状半圆形槽15，同时加工好用于同制动蹄腹板固定连接的摩擦片安装孔12。另一方面，在制动蹄腹板相应位置上加工好用于热管安装的圆孔或在其外表面加工出与摩擦片4内表面相同的弧状半圆形槽。
步骤二：将成型后的热管11的蒸发段(热端)压入已开好矩形槽5或弧状半圆形槽15的摩擦片4中，同时可在热管热端与摩擦片凹槽中涂上适当的导热硅胶，用以消除空气热阻。同时将热管的冷端通过制动蹄腹板上的通孔伸入到制动鼓室内。热管与摩擦片之间的固定方式可采用压铆式或者锡焊的方式。热管的管体材料为铜，其两端密封、且内部充装的工质为去离子水、萘以或者N‐甲基吡硌烷酮。
步骤三：将摩擦片4与带腹板的前制动蹄2和后制动蹄13通过通过螺栓固定好。如需要可在热管的冷凝段安装一定数量的翅片10。热管11与翅片10之间采用压铆式或锡焊式固定连接。翅片10的数量和大小可根据制动鼓室内实际空间进行调整。
步骤四：将已安装有热管的制动蹄通过支撑销14安装在制动底板6上，并用螺栓将制动底板与后驱动桥壳半轴套管上的凸缘链接(若是作为前轮制动器，则将制动底板同前桥转向节的凸缘相连接)。
步骤五：将内部装有扇叶17的制动鼓同车轮轮毂连接，同时与制动底板部分相匹配，从而形成带有热管散热的鼓式制动器。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种通过热管散热的鼓式制动器，包括前制动蹄、后制动蹄、摩擦片、制动蹄回位弹簧、制动轮缸、扇叶、热管和支撑销；前制动蹄和后制动蹄的一端分别通过两个支撑销活动连接在制动底板上，前制动蹄和后制动蹄的另一端分别通过制动轮缸活塞销连接在制动轮缸活塞上，制动轮缸活塞设置在制动轮缸中；制动蹄回位弹簧分别与前制动蹄和后制动蹄连接；在前制动蹄和后制动蹄的外周连接摩擦片；其特征在于，在前制动蹄和后制动蹄和摩擦片上间隔设有多根热管；制动鼓本体安装在摩擦片的外周；制动鼓本体通过制动鼓安装孔安装在车轮上；扇叶安装在制动鼓本体上；制动鼓本体上开设弧形通气槽。
2.根据权利要求1所述的通过热管散热的鼓式制动器，其特征在于，所述摩擦片内侧间隔沿径向设有多个矩形安装槽，在前制动蹄和后制动蹄的腹板上对应矩形安装槽处设有通孔，热管为U型热管，多个热管分别穿过前制动蹄和后制动蹄腹板上的通孔固定在摩擦片的矩形安装槽内。
3.根据权利要求1所述的通过热管散热的鼓式制动器，其特征在于，在摩擦片的内表面沿周向间隔设有多条弧状的半圆形热管安装槽，在前制动蹄和后制动蹄对应摩擦片的半圆形热管安装槽处的腹板外表面间隔开设有多条弧状的半圆形热管安装槽，多条热管分别设置在摩擦片和后制动蹄腹板上开设的半圆形热管安装槽中。
4.根据权利要求1‐3任一项所述的通过热管散热的鼓式制动器，其特征在于，所述在热管的冷端设有多个翅片。
5.根据权利要求4所述的通过热管散热的鼓式制动器，其特征在于，所述翅片的厚度为2‐4mm，呈矩形状。
6.根据权利要求4所述的通过热管散热的鼓式制动器，其特征在于，所述热管与翅片之间采用压铆式或锡焊式固定连接。
7.根据权利要求1所述的通过热管散热的鼓式制动器，其特征在于，在前制动蹄和后制动蹄设有螺栓孔，通过螺栓将前制动蹄和后制动蹄连接摩擦片。
8.根据权利要求1所述的通过热管散热的鼓式制动器，其特征在于，所述热管的管体材料为铜，其两端密封、内部充装的工质为去离子水、萘以或者N‐甲基吡硌烷酮。
9.根据权利要求1所述的通过热管散热的鼓式制动器，其特征在于，所述扇叶通过花键键齿与花键键槽的花键配合安装在制动鼓本体上。
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