CN110446876A - 磨损优化的垫设计 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于具有降低的磨损特性的盘式制动器的制动垫。该制动垫构造成具有朝向制动垫的径向外区域配重的制动垫摩擦材料的分布，而制动材料的横向侧与起源于盘式制动器的制动盘的旋转轴线的径向线大体对齐。制动垫摩擦材料分布导致制动垫和制动盘之间的制动施加压力降低，同时获得通过可比较的大体矩形制动垫提供的制动力相同的制动力，导致在相同制动力水平下制动垫磨损更低。

Description

磨损优化的垫设计

技术领域

本申请要求2017年2月8日提交的美国申请No.15/427,726的优先权，该申请是美国申请No.14/844,813的部分继续申请，现在为美国专利No.9,605,721，该公开内容以其整体并入文中。

本发明涉及用于车辆的盘式制动器，特别地，涉及盘式制动器中的制动垫，诸如在商用车辆上运用的气动盘式制动器。该背景下的商用车辆包括具有实质上比一般汽车(即，乘用车)制动器大的盘式制动器的车辆，诸如公共汽车、5级及以上的卡车以及道路上、道路之外的实用车辆(诸如，建筑装备、铁路车辆和飞行器)。

背景技术

商用车辆气动盘式制动器的示例在图1中示出。在图1实施例中，盘式制动器1包括制动盘2，制动盘2绕着其旋转轴线B在方向A上旋转。跨在制动盘2两侧的制动卡钳3固接到载体座4，载体座4转而(一般经由转矩板或制动器三角架(未图示))固定到车辆轮轴。在该实施例中，载体座4接收并支撑制动卡钳3和制动垫6。在该实施例中，制动卡钳3通过安装在卡钳的致动器安装面5处的气动致动器(未图示)致动。致动器作用在容纳在卡钳3内的制动垫施加机构上，以抵靠制动盘2按压制动垫6，以减缓车辆。本发明不限于特定类型的制动致动器，例如，可以使用气动致动器或电驱动致动器。本发明也不限于特定类型的制动卡钳安装布置。例如，制动卡钳可以以固定方式安装在载体上，或者，可以是滑动卡钳。

在盘式制动器应用(诸如，商用车辆盘式制动器)中，制动垫一般具有大体矩形形状，部分地由于盘式制动器部件的大小和构造的限制(盘式制动器必须存在于通过轮缘提供的高度空间约束的包络内)，部分地由于下面进一步论述的成本和结构限制。这种先前的制动垫的示例在图4中示出。

先前的制动垫20的常见特征是它们具有基本上平行的横向侧22，23，即，在制动盘的周向方向上朝向相邻制动垫抵接表面面对的制动垫侧彼此平行。大体矩形形状可以包括制动垫24,25的径向内侧和径向外侧，其略微弯曲以大体遵循制动盘的曲率，如图4所示，或者，在径向外侧的情况下，遵循制动卡钳的相邻外区域的形状(未图示)。使用制动垫的平行横向侧已部分地成为商用车辆盘式制动器的业界标准，部分地出于实际制造考量(例如，制动垫抵接表面和平行侧制动垫背板的较低成本加工)，部分地出于确保足够的制动垫抵接强度、磨损和制动力吸收性能的结构原因。

由于他们的大致矩形形状，先前的商用车辆盘式制动器垫已呈现为制动盘从制动垫的一个横向侧到另一个基本上恒定的宽度和高度轮廓。这种制动垫形状在制动操作期间具有若干缺点。在这些之中的一个事实是，从制动盘到制动垫传递的具体制动能量在制动垫的径向高度上不是恒定的。相反，能量传递作为相对制动盘的旋转轴线的径向高度的函数而变化(即，制动转矩作为离制动盘旋转轴线的距离的函数而变化，其中，力×距离＝转矩)，并且作为在不同径向高度处的制动垫摩擦材料的摩擦表面的长度的函数而变化。结果，到制动垫的能量传递以及导致的制动垫的局部磨损在制动垫摩擦材料的表面上是不一致的。这可以造成摩擦材料在制动垫的某些区域中过早磨损，以此缩短必须更换制动垫之前的时间。

发明内容

本发明通过提供具有跨越制动垫衬里材料的表面的更有效和均匀的制动能量传递分布的制动垫，解决了这个问题和其它问题。本发明的方法提供更均匀的垫衬里材料磨损，以此延长制动垫的使用寿命。改进的制动垫性能还使能够通过允许使用更小的制动垫同时仍然提供令人满意的制动性能以减少整体制动器大小。

在本发明的实施例中，制动垫衬里材料(优选地，承载衬里材料的制动垫背板)具有大体弧形轮廓，并且衬里材料的径向外部的宽度在周向方向上比在制动垫的径向内部处的衬里材料的宽度更长。优选地，作为离制动盘旋转轴线的径向距离的函数的制动垫衬里材料的宽度通过沿着在制动盘的旋转轴线处或附近相交的径向线大体对齐衬里材料的横向面而被建立。制动垫的横向侧不需要与来自旋转轴线的径向线精确地对齐；而是，本发明考虑在制动垫的径向外区域处的最大衬里材料宽度，而在衬里材料的径向内区域处宽度较小。相交点越靠近制动盘转子的中心，垫-盘界面处的能量分布越有效。

本发明还包括变化，其中制动垫摩擦材料仍具有大体弧形轮廓，但由于特定装配的需求(例如，应用时需要特定制动卡钳和/或卡钳座的尺寸或者热和磨损性能)，弧形摩擦材料和背板的横向侧的角度被调整以适配。这可以导致背板和摩擦材料的各侧以现有技术的平行横向侧与制动盘旋转轴线的半径之间的角度布置。因而，虽然根据本发明的制动垫的典型制动垫摩擦材料的夹角可以是近似60°，但是，随着相应地调整制动垫的上区域和下区域处的弧长，可以设想具有大约30°或70°的角度的变化。

本发明的另一进一步优点是，在制动垫的径向内区域的减少的宽度准许制动垫载体的抵接表面和制动垫的横向侧沿着与旋转轴的半径更接近垂直的线相遇。该布置允许制动垫的横向侧和垫载体的垫抵接表面之间的传递制动力在抵接线处或接近垂直于抵接线。这提供抵接力在抵接表面上的更均一分布，即，更均匀(因而更低)的接触压力，有助于使制动垫振动和相关制动噪声最小化，改善疲劳寿命性能并且减少部件磨损。

此外，这些布置可以帮助减少“垫碰撞”的影响，减少制动垫的就地旋转，这些影响可能由于垫振动而产生不期望的制动施加噪声，增加对典型制动垫保持硬件(如，垫上片簧)的疲劳损坏以及增加制动垫和/或制动卡钳安装结构的磨损和损坏。图4中提供垫碰撞的图示。在制动垫101被施加抵靠在方向DR上旋转的制动盘(未图示)的摩擦表面时，制动盘的旋转引起制动垫101和其相邻安装抵接表面(未图示)之间的运动和反作用力。在制动垫的前缘102处，制动垫试图响应于沿着制动垫的表面的摩擦力而在方向LU上向上移动(这里通过在制动垫101的表面上的力箭头图示)。在制动垫的尾缘103处，制动垫试图在方向TD上向下移动。然而，因为制动垫101通过相邻的安装抵接表面约束，所以制动垫的整体运动大体是围绕平行于制动盘旋转轴线的轴线的旋转。该运动在制动施加期间可以是单方的，或者可以显现自身为制动垫在其座中的中度到剧烈的振荡，显著增加抵接制动垫和安装表面的磨损。

本领域的普通技术人员将认识到，制动垫支撑功能可以通过设计成支撑制动垫的制动卡钳座，或者通过与卡钳安装结构分离的制动垫载体提供。为了在该描述中方便，术语卡钳载体、卡钳座和制动垫载体可以互换，而不意在将制动垫支撑结构限制到任何具体制动垫和制动卡钳承载结构。

本发明的进一步优点是，制动垫的径向内区域中的减少的宽度准许制动垫保持特征(诸如在共同未决申请序列号14/640,152中公开的那些)移动靠近一起，以使盘式制动器部件的大小能够进一步减少同时维持制动性能的期望水平，和/或通过增加制动垫衬里表面面积增加制动性能同时仍保持整体制动器大小在轮缘和其他附近部件的空间约束的包络内

当与附图结合考量时，本发明的其它目的、优点和新颖特征将变得从本发明的以下详细描述中显而易见。

附图说明

图1是盘式制动器的斜视图。

图2是根据本发明的实施例的制动垫的斜视图。

图3是图1中的制动垫的正视图。

图4是已知的大体矩形制动垫的正视图，注释出图示的响应于制动施加的垫运动。

图5是构造成补偿图2的制动垫的载体座的实施例的正视图。

图6是根据本发明的制动垫的替代实施例的正视图。

图7是根据本发明的制动垫的进一步实施例的正视图。

具体实施方式

图2是本发明的实施例的斜视图，其中制动垫10包括背板11，制动垫的摩擦材料19固接在其上。如图3所示，制动垫10的横向侧12，13沿着从制动盘2的旋转轴线(未图示)延伸的半径大体对齐。制动垫10的径向内侧14和径向外侧15略微弯曲，大体遵循制动盘的曲率。

本实施例中的制动垫背板包括横向突起16，其形成为与共同未决申请序列号14/640,152中公开的方式中的载体座4中相应的制动垫保持特征接合，使得甚至在缺少任何附加的制动垫保持装置的情况下，一旦接合在载体座的接收特征中，制动垫就可靠地保持在盘式制动器内。该实施例中的背板20还包括径向外特征，径向外特征包括钩部17和凹口18，钩部17适于接收制动垫振动抑制和/或反作用装置(诸如片簧)(未图示)的各端，凹口18构造成接收制动器磨损传感器(未图示)。制动垫背板横向突起、钩部和磨损传感器凹口是该实施例的特征，但是本发明不需求。

本发明在制动能量、制动施加压力和减少的制动垫材料磨损方面的优点在图3和以下公式的帮助下示出。

图3是本发明制动垫的图2实施例的示意性注释正视图。如该图所示，以旋转轴线O为中心的垫材料30的弧所跨的角度是制动盘的角度垫材料的内半径和外半径分别为r₁和r₂。在下面的积分计算中使用的压力P₁(P₂)施加在其上的增量面积是dA_B1，(dA_B2)。

使用该定义，在每个增量面积dA中的从制动盘到制动垫中的能力传递符合：

其中：

在任何半径r处的具体能量是

增量面积是：

dA_S(r)＝2πrdr [3]

因此，具体能量传递是：

其中，K是常数。

已知，在制动盘和垫材料之间施加的制动垫材料磨损率和压力具有1：1的关系：

Δh＝KPvt [5]

其中，h是垫磨损，P是施加压力，k是磨损系数(取决于材料)，v是速度。因此，压力和磨损具有直接关系。

压力分布函数(因此，垫材料磨损)可以从具体能量传递方程获得：

该关系准许评估两个制动垫形状之间的磨损性能的相对变化。保持其他变量恒定，两个垫形状之间的压力(和磨损)比率为：

在根据本发明的制动垫的情况下，与具有相同内径向高度和外径向高度的大体矩形制动垫比较，当两个制动垫都被施加以产生相同量的制动力时，本发明制动垫在制动垫的径向外区域处的较大弧长导致与大体矩形制动垫比较在较低局部压力下产生较大制动力，同时降低在制动垫的径向内区域处来自垫材料所需要的制动力的量。

例如，在现有大体矩形制动垫与本发明制动垫形状的一个比较中，如通过制动盘的半径和现有矩形制动垫的原始弧长确定的，本发明制动垫在制动盘的径向外区域中具有20cm的较大弧长(弧角度近似5度)。尽管本发明“楔形”形状制动垫的整个制动垫表面面积减少4％，但是由垫材料沿着制动垫的径向高度的分布变化而导致的制动施加压力和制动力的重新分布导致1.31：1的P1/P2制动施加压力比率减少的减少，同时仍获得相同制动力。换言之，尽管制动垫材料面积降低，但是用本发明制动垫布置，磨损速率比现有的大体矩形制动垫低31％。取决于特定盘式制动器应用的需要，可以调整夹角以及上弧长和下弧长，以获得更高或更低的压力比率。然而，例如，在特别地空间约束制动环境中，可以限制弧角度，使得压力比率的降低和导致的摩擦材料磨损性能的改善被限制，而优选地，磨损性能的增加超过10％。另一变化可能是制动压力如何施加到背板的卡钳活塞侧的差异的结果，例如与具有两个相邻压力活塞的卡钳设计比较，在制动卡钳具有单个压力活塞和摩擦材料面积比同等平行侧制动垫小10％的应用中，制动垫磨损性能的增加由于制动施加力集中到垫背板的中心而可能有点低(例如，10％或更小)。通过提供更厚的背板，可以至少部分地减轻制动施加力集中到制动垫中心的影响。

图5是优选的载体座26的正视图，载体座26构造成与图2的制动垫互补，使载体座制动垫抵接表面27构造成响应于制动盘和制动垫之间产生的制动反作用力在周向方向上支撑制动垫10。这是一个优选的实施方案，然而不必改变载体以获得本发明的许多益处。作为制动垫10的横向侧12，13(于是，垫抵接表面27)大体沿着从制动盘旋转轴线延伸的半径对齐的结果，制动垫10的尾缘和载体座26之间的制动力的传递出现实质上平行于制动盘旋转的切向方向(即，在垂直于旋转方向的表面上)，以此使倾向于使制动垫的尾缘相对于其相邻载体座抵接表面27径向向外移位的力最小化。图5还示出该载体座实施例的制动垫横向突起接收特征28，其形状互补地形成为接收制动垫10的横向突起16，以将制动垫可靠地保持在盘式制动器内。

图6示出本发明的制动垫的替代实施例的正视图，其中制动垫摩擦材料19具有大体弧形轮廓，但是相对于制动垫的径向高度的垫摩擦材料的上区域的相对长的弧长29导致在半径r₂处的摩擦材料的下区域弧长31横向延伸明显地远远超出从旋转轴线O到上弧长29的横向端的半径r₁。在该实施例中，对应于72°的相对于制动盘的旋转轴线的夹角制动垫摩擦材料的上区域弧长是250mm，同时下区域弧长在150mm处，横向地延伸超出该夹角的半径。在该情况下，在摩擦材料的下区域弧长31延伸超出从上区域弧长29的各端到旋转轴线O的半径r₁的情况下，从制动垫摩擦材料的非平行横向侧延伸的线32不在旋转轴线O处相交，而是在旋转轴线O的远侧的位置I处相交。因而，在本发明中，下区域弧长不需要精确地对应于从旋转轴线O到上区域弧长的各端的半径，只要大部分摩擦材料位于制动垫的径向上区域中以便提供在上区域中增加的转矩产生和更低的整体制动垫磨损的益处即可。

图7相似地示出进一步实施例的正视图，其中，在半径r₁之间的夹角是30°的情况下，大体弧形轮廓具有104mm的相对于制动垫的径向高度相对短的长上区域弧长29。该实施例的下区域弧长31是62.4mm，导致位于下区域弧长31的横向端的摩擦材料的横向侧比图6实施例更靠近径向线。

虽然制动垫的横向侧的实质部分平行于制动垫载体的相邻面，但是摩擦材料的弧长的相对小的部分可以视具体应用的期望而变化。例如，在径向外区域中，摩擦材料可以遵循横向地超出制动垫的实质线性侧的制动垫背板，例如，沿着横向延伸的垫引导凸耳(以此在制动垫的最外区域提供甚至更大量的摩擦材料)。替代地，背板和摩擦材料的径向外区域可以“被裁剪”，即，从制动垫的实质线性侧向内转动，以确保制动垫的整体宽度不会太宽而不能在特定制动应用中插入到垫载体中。

在所有的实施例中，本发明的方法保持从制动垫的径向内区域到其径向外区域“移位材料”，以便更有效和均匀地使用摩擦材料，它在制动期间将会更有效。例如，一个实施例可以使上区域弧长、夹角和下区域弧长在图6至图7的示例的那些之间，诸如，分别具有210mm和126mm的上弧长和下弧长的60°垫。夹角优选地是30°至75°，并且尤其优选地是50°至60°。

已阐述前述公开，以仅仅图示本发明，并且不意在限制。因为本领域技术人员可以想到对并入本发明的精神和实质的公开实施例的这种修改，所以本发明应该被解释为包括所附权利要求及其等同物的范围内的全部内容。

附图标记列表

1 盘式制动器

2 制动盘

3 制动卡钳

4 载体座

5 卡钳致动器安装面

6 制动垫

10 制动垫

11 制动垫背板

12，13 制动垫横向侧

14 制动垫径向内侧

15 制动垫径向外侧

16 背板横向突起

17 径向外保持钩

18 径向外垫磨损传感器凹口

19 制动垫摩擦材料

20 制动垫

22，23 制动垫横向侧

24 制动垫径向内侧

25 制动垫径向外侧

26 载体座

27 载体座制动垫抵接表面

28 载体座制动垫横向突起接收特征

29 摩擦材料上区域弧长

30 摩擦材料弧长

31 摩擦材料下区域弧长

32 从非平行摩擦材料横向侧延伸的线

101 制动垫

102 制动垫前缘

103 制动垫尾缘

Claims (15)

1.一种商用车辆盘式制动器的制动垫，包含：

制动垫背板和固接到所述背板的制动垫摩擦材料，

其特征在于，其中，

所述制动垫摩擦材料具有径向高度、非平行横向侧和在所述制动盘的周向方向上的弧长，所述弧长在所述制动垫的径向外侧比在所述制动垫的径向内侧大，

从所述非平行摩擦材料横向侧中的每一个延伸的线以夹角彼此相交，所述夹角比从所述制动垫的所述径向外侧的周向端延伸到所述盘式制动器的旋转轴线的线之间的夹角小，

所述制动垫摩擦材料的摩擦表面面积小于或等于具有平行横向侧、相同径向高度和小于或等于所述非平行侧制动垫摩擦材料的所述径向外侧的所述弧长的径向外侧弧长的制动垫的摩擦材料的摩擦表面面积，并且

在制动事件期间在相同能量吸收速率下，施加到所述非平行侧制动垫摩擦材料的制动施加压力低于所述平行侧制动垫摩擦材料的制动施加压力。

2.如权利要求1所述的制动垫，其特征在于，其中：

所述制动垫摩擦材料的非平行横向侧中的每一个包括线性侧部分，并且

所述线沿着所述线性侧部分中的相应一个延伸。

3.如权利要求2所述的制动垫，其特征在于，其中：

具有平行横向侧的所述制动垫摩擦材料的所述制动施加压力和具有非平行横向侧的所述制动垫摩擦材料的所述制动施加压力之间的压力比率至少是1.1：1。

4.如权利要求3所述的制动垫，其特征在于，其中：

所述压力比率至少是1.3：1。

5.如权利要求1所述的制动垫，其特征在于，其中：

所述制动垫背板包括制动垫保持特征，所述制动垫保持特征从所述制动垫横向侧横向突出，构造成当所述制动垫处于所述盘式制动器中的装配位置时与制动垫载体座的互补形状的制动垫抵接表面的制动垫保持特征接收特征配合，以在制动操作期间将所述制动垫保持在所述盘式制动器中，并且

所述制动垫保持特征从所述制动垫背板的所述横向侧横向突出不远于所述制动垫背板在径向外区域中的最大横向范围，所述最大横向范围不包括所述制动垫保持特征的横向突出部分。

6.一种商用车辆盘式制动器，其特征在于，包含：

制动卡钳；

制动垫，所述制动垫包括制动垫背板和固接到所述背板的制动垫摩擦材料，以及

载体座，所述载体座具有构造成接收所述制动垫的制动垫抵接表面，

其中，

所述制动垫摩擦材料具有径向高度、非平行横向侧和在所述制动盘的周向方向上的弧长，所述弧长在所述制动垫的径向外侧比在所述制动垫的径向内侧大，

从所述非平行摩擦材料横向侧中的每一个延伸的线以夹角彼此相交，所述夹角比从所述制动垫的所述径向外侧的周向端延伸到所述盘式制动器的旋转轴线的线之间的夹角小，

所述制动垫摩擦材料的摩擦表面面积小于或等于具有平行横向侧、相同径向高度和小于或等于所述非平行侧制动垫摩擦材料的所述径向外侧的所述弧长的径向外侧弧长的制动垫的摩擦材料的摩擦表面面积，并且

在制动事件期间在相同能量吸收速率下，施加到所述非平行侧制动垫摩擦材料的制动施加压力低于所述平行侧制动垫摩擦材料的制动施加压力。

7.如权利要求6所述的盘式制动器，其特征在于，其中：

在与面对所述制动盘的所述旋转轴线的一侧相对的所述制动垫的旋转轴线的一侧的区域中，从每个摩擦材料横向侧线性部分延伸的所述线彼此相交。

8.如权利要求7所述的盘式制动器，其特征在于，其中：

所述摩擦材料非平行横向侧中的每一个具有线性部分，

当所述制动垫处于所述盘式制动器中的装配位置时，从每个摩擦材料横向侧线性部分延伸的线在所述制动盘的摩擦表面径向内侧的区域中彼此相交。

9.如权利要求8所述的盘式制动器，其特征在于，其中：

所述摩擦材料横向侧线性部分之间的夹角在30°和75°之间。

10.如权利要求9所述的盘式制动器，其特征在于，其中：

所述夹角在50°和60°之间。

11.如权利要求6所述的盘式制动器，其特征在于，其中：

所述制动垫背板非平行横向侧包括从所述制动垫横向侧横向突出的制动垫保持特征，

所述载体座制动垫抵接表面构造为与所述制动垫背板横向侧的形状互补的形状，并且包括制动垫保持特征接收特征，

所述制动垫保持特征从所述制动垫背板的所述横向侧横向突出不远于所述制动垫背板在径向外区域中的最大横向范围，所述最大横向范围不包括所述制动垫保持特征的横向突出部分。

12.一种盘式制动器的制动垫，其特征在于，包含：

制动垫背板和固接到所述背板的制动垫摩擦材料，

其中，

所述制动垫摩擦材料具有径向高度、非平行横向侧和在所述制动盘的周向方向上的弧长，所述弧长在所述制动垫的径向外侧比在所述制动垫的径向内侧大，

从所述非平行摩擦材料横向侧中的每一个延伸的线以夹角彼此相交，所述夹角比从所述制动垫的所述径向外侧的周向端延伸到所述盘式制动器的旋转轴线的线之间的夹角小，

所述制动垫摩擦材料的摩擦表面面积小于或等于具有平行横向侧、相同径向高度和小于或等于所述非平行侧制动垫摩擦材料的所述径向外侧的所述弧长的径向外侧弧长的制动垫的摩擦材料的摩擦表面面积，并且

在制动事件期间在相同能量吸收速率下，施加到所述非平行侧制动垫摩擦材料的制动施加压力低于所述平行侧制动垫摩擦材料的制动施加压力。

13.如权利要求12所述的制动垫，其特征在于，其中：

具有平行横向侧的所述制动垫摩擦材料的所述制动施加压力和具有非平行横向侧的所述制动垫摩擦材料的所述制动施加压力之间的压力比率至少是1.1：1。

14.如权利要求13所述的制动垫，其特征在于，其中：

所述压力比率至少是1.3：1。

15.如权利要求12所述的制动垫，其特征在于，其中：

所述制动垫背板包括制动垫保持特征，所述制动垫保持特征从所述制动垫横向侧横向突出，构造成当所述制动垫处于所述盘式制动器中的装配位置时与制动垫载体座的互补形状的制动垫抵接表面的制动垫保持特征接收特征配合，以在制动操作期间将所述制动垫保持在所述盘式制动器中，并且

所述制动垫保持特征从所述制动垫背板的所述横向侧横向突出不远于所述制动垫背板在径向外区域中的最大横向范围，所述最大横向范围不包括所述制动垫保持特征的横向突出部分。