CN108884888B - 具有锥形补偿布置的制动盘 - Google Patents

Abstract

提供一种具有盘的锥形减小的布置的内部通风的制动盘，其中在制动盘的内侧和外侧之间的温差被最小化，以便减少锥形引起的差别的热膨胀。在包括制动盘至轴毂的安装特征的制动盘的径向内部区域和径向外部区域之间，制动盘的内侧的质量以减少制动应用期间在制动盘的内侧和外侧之间发生的差别的热膨胀的量的方式被分布，从而最小化热诱导的锥形效应。内侧盘板部分在从径向外部区域到径向内部区域的方向上可具有增加的轴向厚度，从而提供额外的材料质量以接收和耗散在制动事件期间接收的热能。

Description

具有锥形补偿布置的制动盘

本申请要求2016年4月7日提交的美国申请No.15/093,278的优先权，其内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的盘式制动器，尤其是涉及一种被布置成减小盘式锥形的盘式制动器的制动盘。

背景技术

盘式制动器越来越多地用于商用车辆，取代传统的鼓式制动器。商用车辆的制动盘(也称为“盘”)通常使用所谓的使用固定或浮动连接的花键布置安装到轴毂上，如美国专利No.6,626,273和7,410,036中所教导的。半浮动连接的一个例子是来自本迪克斯斯派塞基础制动有限责任公司的

制动组件。这些类型的制动器通常安装在轴毂上，该轴毂具有多个围绕毂的盘安装区域的外周布置的轴向定向的花键。该制动盘具有围绕制动盘的内周的相应的径向向内面对的凸片。通过将制动盘轴向滑动至毂的配合花键上，然后根据每个特定的花键盘的设计需要通过各种紧固件、支架等的插入和/或连接，盘被安装至轴毂上以便确保制动盘被防止轴向移动脱离毂。可选地，制动盘可以具有在盘的大致平行的摩擦环处从内部径向区域横向延伸的凸缘构件，其的示例可以在美国专利No.4,651,851中看到。

当盘式制动器的钳将制动片应用至制动盘以使这种重型车辆减速时，非常高的制动能量被产生。在制动过程中，车辆的动能被转换为热能，从而导致制动盘中的高温。

制动产生的热量通过传导和辐射至制动盘的其他部分和相邻部件，和/或通过冷却空气的对流被该盘吸收以及从该盘被驱散。通常，由于许多传热因素，例如自然和强制对流、辐射、制动盘材料中缺乏均匀性，以及盘的内径和盘的外径的不同发热速率，热量未被均匀地分布在制动盘上。此外，在内部通风的制动盘(即，具有在其间具有通风通道的内侧摩擦部分和外侧摩擦部分的盘)中，相邻的轮和轴结构的构造通常会导致内侧和外侧的不均匀散热，从而有助于进一步增加盘的内侧和外侧之间的温度梯度。

由于温度分布的梯度，盘的不同区域将呈现出不同的热膨胀量。在盘的内侧板和外侧板之间存在温度梯度的情况下，产生的热膨胀差异将导致一侧比另一侧膨胀更多。这种不同的膨胀以盘的“锥形”形式表现出来，在这种状态下盘在其外径处相对于盘的内径轴向移位。这是一种不希望的现象，因为锥形盘更容易受到热抖动和热裂纹的影响。

在大多数具有平行侧面的摩擦片、等厚的盘板，并且在其间具有等宽的空气冷却通道的摩擦盘的通风的制动盘中，锥形通常是不被直接解决的。在美国专利No.6,116,387中可以看到解决锥形的罕见尝试的例子，其教导了一种同时改变两个盘板的厚度的方法，即，在与另一个盘板相一致地改变一个盘板的厚度的同时，保持大致不变的冷却通道宽度。该方法保持大体相同的制动盘材料的总厚度，以便将每个盘板的最厚部分放置在锥形变形被预期是最差的径向相对的区域中(例如，在一个盘板的径向内部区域和在另一个盘板的径向外部区域)。这种方法的例子如美国专利No.6,116,387的图2-3中所示，其中由于两个盘板的厚度以相同的速率变化，因此冷却通道被保持在恒定的厚度，并且盘板材料的数量在任何给定半径下是恒定的。类似地，该文献的图1显示了两个盘板的内表面几何形状彼此相对地变化，以使得总的材料厚度基本恒定，最大盘板厚度区域在径向相对位置，并且冷却通道在宽度上基本是恒定的(除了在通道的极端内径和外径处的通道的轻微加宽)。

发明内容

与现有技术缺乏关注于锥形阻力(即，直边平行的盘板)或如美国专利No.6,116,387中的恒定材料宽度方法相比，本发明通过利用制动盘内侧和外侧的板的材料以及二者之间的通风通道的尺寸和形状以差别的方式布置来在内侧和外侧的盘板之间实现更均匀的温度分布，来最小化锥形以及解决其它问题，并且没有提供径向内部区域盘板减薄的需要(以及随之发生的可制造性困难)。

本发明的布置导致改变不同盘区域中的热量接收和耗散的盘部分的材料的体积和几何形状的差异，以使得热量以最小化内侧和外侧的盘板之间的温度梯度的方式消散。在优选实施例中，内侧和外侧的板的彼此面对的表面的几何形状可以被布置成通过产生更大的“喷嘴效应”来提供增强的冷却气流，以通过制动盘从其内径向外径吸取额外的冷却空气。

在最高温度出现在内侧和外侧的盘板的外径处(并且因此两个板之间的温差相对小)的情况下，可以仅改变盘的内径的区域中的盘材料的体积分布，以充分补偿盘的锥形。

本发明也可以通过最小化盘的轮毂对接齿或附接紧固件的根部处的角位移来降低由盘连接到车轴的毂的区域处的盘的锥形而产生的应力的降低。

本发明的另一个优点是优化的盘的材料的使用，潜在地允许减少盘的质量，这可以降低材料成本和车辆燃料消耗，例如在制动盘的径向外部区域中的材料由于较低预计温度和关联的较低磨损率而可以被减少的情况下。

在一个实施例中，一种制动盘包括具有被构造为在轴毂上接合对应的花键的径向内部突出部的第一侧盘板以及不具有该径向内部突出部(例如，主要由被制动片接合的材料的“摩擦环”构成的一侧)的第二侧盘板。通常，第一侧盘板是制动盘的内侧，即，远离车轮的一侧，并且由于在邻近轴毂的拥挤区域的内侧上有较少的热传导和热辐射，第一侧盘板达到比面向车轮的第二侧更高的温度。

在本实施例中，第一侧板的轴向厚度可以大于第二侧板的轴向厚度，并且更进一步地可以在径向向内的方向上增加厚度。在这种布置中，盘板之间的内部通风通道在径向向外的方向上扩大轴向宽度。与通道内径处的区域相比，这种结构在通风通道的外径处提供了更大的冷却气流的横截面积，产生了“喷嘴效应”，其增强了径向向外的冷却气流并增加了盘的冷却。

从温差的角度来看，制动盘的两侧之间的质量和几何形状的差异导致两侧之间的温差减小，从而减小了制动盘的锥形。在制动事件中，制动片和它们各自的盘摩擦表面之间的摩擦将大致相同的热量存入制动盘的两侧。在传统的制动盘中，由于与相对露出的外侧相比，从盘的内侧到其环境的较少传热，内侧的温度上升到比盘的外侧更高的温度。

在本发明中，第一侧的较大质量允许储存在盘的该侧上的热量被分布在比第二侧更多的材料上，并且因此第一侧不会与传统制动盘一样达到相对于第二侧的高温。此外，内部通风通道中的冷却气流的增加，以及暴露于增加的冷却气流的盘的第一侧的内表面上的更大表面积，进一步增强了从第一侧的散热，从而进一步有助于减少制动盘的内侧和外侧之间的温差。制动盘的第一和第二侧之间的温差的减小直接导致被制动盘的两侧经历的热膨胀量的差异的减小，并且由此盘的锥形量随两侧更均匀的扩大而减小。

附图说明

通过以下参考附图对本发明的详细描述，本发明的其它目的、优势和新颖特征将变得更加明显。

图1是传统盘式制动器的截面视图。

图2是传统制动盘的正截面图。

图3是传统制动盘的正截面图，其中示出了温差引起的锥形变形。

图4是根据本发明的部分制动盘的斜视图。

图5是图4的制动盘的部分放大图。

图6A-6D是现有技术的制动盘和根据本发明的制动盘的热分析的斜视图和截面视图。

具体实施方式

图1示出了商用车辆的盘式制动器1。盘式制动器1位于车轴的端部区域，该车轴具有连接到车辆3的固定轴部分2。具有车轮安装螺柱9的旋转轴毂4、以非旋转方式连接到轴毂4的制动盘5和制动钳6以本领域众所周知的方式被示出安装在固定轴部分2上，因此，没有进一步示出。毂4包括围绕其圆周的多个花键10，其接收制动盘的径向向内的突出部(如下图所示)，并且制动盘5以本领域公知的方式通过紧固件12以固定或浮动的方式保持在毂4上。

图2示出了传统制动盘100的正截面图，该制动盘100具有当处于轴毂上的安装位置时面向内侧的第一盘板部分110(为清楚起见未示出)、以及朝向安装在轴毂上的车轮面向外侧的第二盘板部分120。外侧的第二侧板包括摩擦环130，该摩擦环130通常在摩擦环130的径向内侧的区域中大致敞开。内侧的第一侧板包括摩擦环140和从摩擦环140的内径朝向轴毂的旋转轴线向内突出的径向向内的突出部150。径向向内的突出部150成形为接合轴毂的相应花键，以将制动盘以非旋转的方式定位在轴毂上，以使得通过盘式制动器的制动片的应用而产生的制动力可以被传递到轴毂上以使车辆减速。第一和第二盘板通过冷却通道叶片160而被保持分开，冷却通道叶片160在其间形成冷却通道170，用于使冷却空气从制动盘的径向内部区域通向径向外部区域。

图2的传统的制动盘具有厚度相等的第一和第二盘板110、120，以及传统的平行侧冷却通道170。盘100的两侧的材料质量和几何形状基本相同。当制动片被应用于该盘的两侧时，大约相同量的热能被输入到盘的两侧。然而，因为内侧的第一侧板110不能像外侧的第二侧那样快速地散热，所以第一侧板110的温度上升到比第二侧板120的温度更高的水平，导致第一侧的热膨胀相对于第二侧更大。当第二侧试图通过盘板110、120之间的冷却空气叶片160约束第一侧的膨胀时，这种差别的膨胀倾向于使制动盘“弯曲”成稍微锥形的形状。图3示出了这种差别的热膨胀的实例，其中将制动盘100连接到轴毂的径向向内的突出部150相对于径向摩擦环140被轴向移位。

图4是根据本发明的制动盘的实施例的倾斜截面视图。在该实施例中，第一和第二盘板210、220包括各自的摩擦环240、230，并且第一盘板210包括与其摩擦环240的内径相邻的径向向内的突出部250。在该实施例中，内侧盘板210在其径向外部区域290中具有轴向厚度，该轴向厚度大致与外侧盘板220的对应区域一样厚。盘板210的厚度在向内突出部250处朝向其径向内部区域280，即朝向轴毂增加。这种布置在制动盘的内侧的第一侧上提供额外的材料质量，在该第一侧上分配通过制动片的应用而产生的热能，从而与现有技术的恒定宽度的盘板相比降低了内侧的盘板峰值温度。这种质量分布还导致冷却叶片260之间的冷却通道270具有从摩擦环210、220的内径到其外径的扩展的截面积，从而形成“喷嘴”，这有助于增加通过制动盘的冷却空气流以及相关的热能传递远离制动盘。

图5是图4的制动盘的实施例的右手侧的局部放大截面视图，其更详细地示出了盘的材料质量分布和几何形状。在该图中，内侧的第一侧盘板210的内表面215的锥形的角度α、第一侧盘板210的从径向外部区域290到径向内部区域280的厚度、以及外侧第二侧盘板220的内径的区域中的盘板的内表面之间的距离265可以通过使用已知的有限元热分析程序的参数学习来被确定。这种分析的目的之一是确定盘板质量的数量和分布(例如，锥角)以及冷却通道的形状和宽度(以及由此，冷却空气流的量)，这导致在制动盘的寿命，即从其初始厚度到其使用寿命结束的最小厚度期间，第一和第二盘板210、200之间的最小温差量。

根据本发明的实例的制动盘将是具有约14mm的恒定的外侧盘板厚度的盘，当新的时与内侧盘板配对时，可在其寿命期间提供最佳的防锥形热性能，该内侧盘板以从新的8毫米的外径到新的18毫米的内径的大约6.5°的拔模角度、以及入口处为17.5mm且出口处卫29.0mm的最小冷却通道的轴向宽度逐渐变细，寿命结束的厚度将分别为3mm至14mm。优选地，该拔模角度范围为2度至10度。

在本发明的一个方面中，一旦期望的最小使用寿命结束的盘厚度被定义，热分析就可以被施行以确定内侧的第一盘侧210和外侧的第二盘侧220之间的温差可以被最小化的程度。可以被改变的参数包括内侧盘板的最小厚度、从径向外部区域到径向内部区域的内侧盘板的锥角，内侧和外侧盘板之间的冷却通道的最小宽度，以及在其冷却通道侧上的内侧盘板的表面的几何形状。可选地，不同的质量分布的优化可以基于在制动盘的使用寿命中的不同时间使温度差异最小化，例如在初始使用时或在盘磨损的中点处。

在图4-5所示的实施例中，内侧盘板的冷却通道侧的锥度是线性的，然而，非线性表面几何形状，例如凸形或凹形曲线或多弯曲表面，可以在这种材料质量的分布对内侧和外侧盘板之间的温差提供预期的减少的情况下被使用。普通技术人员可以通过优化计算来确定最佳内侧盘板和冷却通道几何形状，例如，通过采用可从Canonsburg PA的Ansys Inc.获得的热分析计算软件。

图6A-6D提供了将现有技术的制动盘的热性能与根据本发明的制动盘的热性能进行比较的改进的内侧和外侧盘板之间的温差最小化的图示。轴毂300被示出邻近制动盘。

图6A示出了在平行的直边盘板110、120的外径处存在的温度的实质差异，其中，板120在其外径处达到接近160℃的温度，而板110处于大约145℃，这种差异可以导致制动盘锥形。另一方面，图6B图示了本发明的质量分布方法如何导致盘板210、220中几乎相等的外半径温度，并且重要的是，由于被重新构造的盘板形状提供的增强的散热，所以最高温度(约35℃冷却器)低得多。图6C和6D是图6A和6B的制动盘的正截面视图，其进一步示出了本发明提供的实质性热性能改进。在该示例中，在外径处的第一板和第二板之间的温度差小于5℃，特别是在这里，小于1℃，从而有效地消除了不同的温度驱动的制动盘的锥形。

前述公开已经被陈述以仅仅说明本发明而且并不意指限制本发明。例如，上述实施例在制动盘的上下文中讨论本发明，该制动盘在制动盘的内侧具有与轴毂的接触的面积，并且外侧的径向内部区域通常是敞开的，然而，本发明的构思同样适用于在两个制动盘板部分之间获得质量分布和传热差异的其他布置，例如制动盘/轴毂接口位于外侧的径向内部区域或其它地方(例如，在制动盘的轴向中心处或从内侧的盘板部分向内轴向移位)。因为对于本技术领域人员而言可以想到并入该发明精神和实质的公开实施例的这种修改例，所以，该发明应当被诠释为包括在附加权利要求和其等效物范围内的一切。

参考标记的列表：

1 制动盘

2 固定轴部分

3 车辆

4 轴毂

5 制动盘

9 车轮安装螺柱

10 花键

12 紧固件

100 制动盘

110 第一盘板部分

120 第二盘板部分

130 第二侧摩擦环

140 第一侧摩擦环

150 径向向内的突出部

160 冷却通道叶片

170 冷却通道

210 第一盘板

215 第一侧盘板内表面

220 第二盘板

230 第二侧摩擦环

240 第一侧摩擦环

250 径向向内的突出部

260 冷却通道叶片

265 盘板的内表面之间的距离

280 径向内部区域

290 径向外部区域

Claims (17)

1.一种内部通风的制动盘，其特征在于，包括：

至少两个制动盘板，所述至少两个制动盘板被布置为垂直于所述制动盘的旋转轴线，所述至少两个制动盘板包括：

第一板部分，所述第一板部分具有第一摩擦环和连接至所述第一摩擦环的径向内部区域，和

第二板部分，所述第二板部分具有第二摩擦环；

多个冷却叶片，所述冷却叶片形成相邻叶片之间的冷却通道，所述多个冷却叶片位于第一盘板部分和第二盘板部分之间，并被布置成将冷却空气从所述径向内部区域导向所述第一摩擦环的径向外部区域；和

轴毂安装特征，所述轴毂安装特征在所述第一盘板部分的径向内部区域处，所述轴毂安装特征被构造成，当所述制动盘处于轴毂上的安装位置时，与所述轴毂的相应特征配合，

其中

所述第一摩擦环和所述第二摩擦环具有平行的外表面，并且所述第二摩擦环具有平行的内表面和外表面，

所述第一摩擦环在平行于所述制动盘的旋转轴线的方向上的轴向厚度从所述径向外部区域的最外端到所述第一摩擦环的径向内部区域的最内段连续增加，并且

所述第一盘板部分的径向内部区域的质量和所述第一摩擦环的质量之和比所述第二盘板部分的质量大一定量，以使得在所述制动盘被安装在车辆上的制动事件期间，所述第二盘板部分和所述第一盘板部分之间的温差小于在具有与所述第二摩擦环相同的轴向厚度的摩擦环之间的相同的制动事件期间可能发生的温差。

2.如权利要求1所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述第二摩擦环具有平行的内表面和外表面。

3.如权利要求2所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述第一摩擦环在所述第一摩擦环的径向外部区域的所述轴向厚度与所述第二板部分的所述径向外部区域的轴向厚度相同。

4.如权利要求1所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

从所述径向外部区域到所述径向内部区域的所述第一摩擦环的轴向厚度的锥角为2°至10°。

5.如权利要求1所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述第一摩擦环的所述轴向厚度以导致制动期间所述第一板部分和所述第二板部分之间的温差低于5℃的比率增加。

6.如权利要求5所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述温差低于1℃。

7.一种内部通风的制动盘，其特征在于，包括：

至少两个制动盘片，所述至少两个制动盘片垂直于所述制动盘的旋转轴线而被布置，所述至少两个制动盘片包括：

第一板部分，所述第一板部分具有第一摩擦环和连接至所述第一摩擦环的径向内部区域，和

第二板部分，所述第二板部分具有第二摩擦环；

多个冷却叶片，所述冷却叶片形成相邻的叶片之间的冷却通道，所述多个冷却叶片位于第一盘板部分和第二盘板部分之间，并且被布置成将冷却空气从所述径向内部区域导向所述第一摩擦环的径向外部区域；和

轴毂安装特征，所述轴毂安装特征在所述第一盘板部分的径向内部区域处，所述轴毂安装特征被构造成，当所述制动盘处于轴毂上的安装位置时，与轴毂的相应特征配合，

其中

所述第一摩擦环和所述第二摩擦环具有平行的外表面，并且所述第二摩擦环具有平行的内表面和外表面，

所述第一摩擦环和所述第二摩擦环具有不同的质量，并且

所述第一盘板部分的轴向厚度从所述第一摩擦环的径向外部区域的最外端到所述第一摩擦环的径向内部区域的最内段连续增加，并且

所述第一盘板部分的径向内部区域的质量和所述第一摩擦环的质量之和比所述第二盘板部分的质量大一定量，以使得在所述制动盘被安装在车辆上的制动事件期间，所述第二盘板部分和所述第一盘板部分之间的温差小于在具有与所述第二摩擦环相同的轴向厚度的摩擦环之间的相同的制动事件期间可能发生的温差。

8.如权利要求7所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述第一摩擦环的质量大于所述第二摩擦环的质量。

9.如权利要求7所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述冷却通道的轴向宽度从所述第一摩擦环的所述径向内部区域到所述径向外部区域增加。

10.如权利要求7所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述第一摩擦环的所述轴向厚度以导致制动期间所述第一板部分和所述第二板部分之间的温差低于5℃的比率增加。

11.如权利要求10所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述温差低于1℃。

12.一种内部通风的制动盘，其特征在于，包括：

至少两个制动盘片，所述至少两个制动盘片垂直于所述制动盘的旋转轴线而被布置，所述至少两个制动盘片包括：

第一板部分，所述第一板部分具有第一摩擦环和连接至所述第一摩擦环的径向内部区域，和

第二板部分，所述第二板部分具有第二摩擦环；

多个冷却叶片，所述冷却叶片形成相邻的叶片之间的冷却通道，所述多个冷却叶片位于第一盘板部分和第二盘板部分之间，并且被布置成将冷却空气从所述径向内部区域导向所述第一摩擦环的径向外部区域；和

轴毂安装特征，所述轴毂安装特征在所述第一盘板部分的径向内部区域处，所述轴毂安装特征被构造成，当所述制动盘处于轴毂上的安装位置时，与轴毂的相应特征配合，其中

所述第一摩擦环和所述第二摩擦环具有平行的外表面，并且所述第二摩擦环具有平行的内表面和外表面，

所述第一摩擦环在平行于所述制动盘的旋转轴线的方向上的轴向厚度从所述径向外部区域的最外端到所述第一摩擦环的径向内部区域的最内端连续增加，

所述冷却通道在轴向方向上的轴向宽度从径向内部冷却通道入口端至径向外部冷却通道出口端增加，并且

所述第一盘板部分的径向内部区域的质量和所述第一摩擦环的质量之和比所述第二盘板部分的质量大一定量，以使得在所述制动盘被安装在车辆上的制动事件期间，所述第二盘板部分和所述第一盘板部分之间的温差小于在具有与所述第二摩擦环相同的轴向厚度的摩擦环之间的相同的制动事件期间可能发生的温差。

13.如权利要求12所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述冷却通道的所述轴向宽度在所述入口端和所述出口端之间以线性方式增加。

14.如权利要求12所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述冷却通道入口端的所述轴向宽度和所述第一摩擦环从所述径向外部区域到所述径向内部区域的所述轴向厚度的锥角被选择成使得从所述第一摩擦环到通过喷嘴效应加速穿过冷却通道的空气的对流热传递导致所述第一摩擦环和所述第二摩擦环的最高温度相等。

15.如权利要求12所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述第二摩擦环具有平行的内表面和外表面。

16.如权利要求15所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

所述第一摩擦环在所述第一摩擦环的径向内部区域的所述轴向厚度对应于所述第二板部分的所述径向内部区域的轴向厚度。

17.如权利要求16所述的内部通风的制动盘，其特征在于，

从所述径向外部区域到所述径向内部区域的所述第一摩擦环的轴向厚度的锥角为2°至10°。

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