CN115750630A - 一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，包括芯板本体、冷却流道及隔热涂层；芯板本体为圆环形板体，圆环形板体的外圆周面设有一圈周向固定齿；芯板本体内部设有一个以上冷却流道，每个冷却流道均能流经芯板本体的板面，且每个冷却流道的入口和出口均位于芯板本体的周向固定齿处，且每个冷却流道的入口和出口分别贯穿芯板本体的外圆周面后，通过管路与冷却循环系统连接；冷却循环系统用于给冷却流道提供冷却液，冷却流道内部充满冷却液；冷却流道的内壁涂覆有隔热涂层；本发明在不改变芯板本体的外形尺寸的基础上，通过在冷却流道内设计隔热涂层，显著降低静摩擦片内冷却液最高温度，避免液体汽化，提升制动系统使用安全性。

Description

一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，具体涉及一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板。

背景技术

由于结构简单、调整方便，重型车辆制动系统普遍采用干片式制动器或盘式制动器加外部风冷方式进行制动和散热。由于空气的对流换热系数较低，是一种相对较差的冷却介质，且制动器处于相对密闭的空间内，外部不能提供足够的冷却气流，其散热能力有限，随着重型车辆车速和机动性需求的不断提升，车辆制动时制动能量可达10MJ以上，外部风冷制动器已经不能满足高能量制动需求。可以采用液体冷却提高散热能力，如采用湿式制动器，将摩擦片置于封闭箱体内，冷却液从摩擦片表面流过，带走大量热量，湿式制动器的优点是制动器不易受到外部环境污染，制动性能稳定，但缺点是不制动时由于冷却液的粘性剪切力产生的带排力矩，造成较大的空损功率损耗，特别是对于高速车辆会造成较高的功率损耗。此时使用液冷干片式制动器是一种较好的选择，在重型车辆制动系统中较多采用开放式液冷散热，向制动器摩擦表面喷淋冷却液，通过冷却液汽化带走大量热量，此种散热方式结构简单，散热快，但冷却液造成摩擦片表面剧烈降温，易导致摩擦材料出现裂纹，加剧磨损。封闭式液冷制动器，通过冷却液循环，持续带走热量，是较好的制动散热方式。一般冷却通道布置方式有两种，一种在动摩擦片上布置冷却流道，由于动摩擦片为旋转件，该方式对旋转密封要求高，存在冷却液泄露风险，一种方式是在静摩擦片上布置冷却通道，此时大大简化了冷却液入口和出口的连接方式。无论采用以上哪一种方式，对于连续制动工况总能量密度高的封闭式液冷制动器，短时间内热量频繁输入均会导致部件温度持续攀升，冷却液沸腾汽化，冷却液循环管路内的压力增大，导致循环不畅散热功能减弱或丧失。因此，迫切需要解决高能量密度使用条件下冷却液汽化导致管路循环不畅的问题。在液冷盘式制动器中，可通过在摩擦片与芯板之间形成空气隔热间隙来调节热量从摩擦表面到芯板内部冷却液的速度，为形成气隙结构，摩擦片轴向尺寸会增大，对结构尺寸受限的制动器可行性受限，此外，对于连续制动过程，热辐射作用会导致一部分热量通过辐射到达冷却液，导致气隙隔热可靠性下降。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，在不改变芯板本体的外形尺寸的基础上，通过在冷却流道内设计隔热涂层，显著降低静摩擦片内冷却液最高温度，避免液体汽化，提升制动系统使用安全性。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，包括芯板本体、冷却流道及隔热涂层；

外围设备为冷却循环系统；

所述芯板本体为圆环形板体，圆环形板体的外圆周面设有一圈周向固定齿；

所述芯板本体内部设有一个以上冷却流道，每个冷却流道均能流经芯板本体的板面，且每个冷却流道的入口和出口均位于芯板本体的周向固定齿处，且每个冷却流道的入口和出口分别贯穿芯板本体的外圆周面后，通过管路与冷却循环系统连接；所述冷却循环系统用于给冷却流道提供冷却液，冷却流道内部充满冷却液；

所述冷却流道的内壁涂覆有隔热涂层。

进一步的，所述冷却流道采用环形。

进一步的，所述冷却流道的横截面形状为圆形、或带有圆角的矩形。

进一步的，所述冷却流道的入口和出口布置在不同的周向固定齿上，且冷却流道入口和出口均在制动器上方。

进一步的，内部设有冷却流道的芯板本体，采用铸造、分体式焊接或增材制造的方式制备。

进一步的，所述芯板本体的材料选用碳素钢或合金钢。

进一步的，所述隔热涂层的材料为橡胶或环氧树脂。

进一步的，根据制动器达到最高温升后，冷却液温度低于液体沸点5摄氏度～10摄氏度的要求，确定隔热涂层所需的热导率和涂层厚度。

进一步的，所述芯板本体上加工有摩擦块铆接孔，摩擦块通过摩擦块铆接孔固定到芯板本体的一侧或两侧。

进一步的，冷却流道1的数量为1～3个。

有益效果：

(1)与现有技术相比较，本发明针对风冷干片式制动器散热较慢，在连续制动能量输入时各部件积累温升明显，受热严重，严重影响制动器使用寿命及性能的问题，根据隔热材料应用特性和热量传递机理，构建关键部件的制动过程热分布模拟模型，采用有限元分析技术研究了静摩擦片芯板热传导和散热过程，明确了静摩擦片芯板的冷却流道的形状设计、隔热设计的具体要求，形成一种带液冷结构的干片式制动器静摩擦片芯板，该静摩擦片芯板基于原有干片式制动器静摩擦片芯板外形，通过在芯板本体的内部制备带有隔热涂层的冷却流道，利用隔热涂层的热阻特性，延缓干片式制动器制动过程中热量传导至冷却流道内的冷却液的速度，通过芯板本体的材料、隔热涂层的材料的选取和冷却流道的设计与布置，使得冷却流道内的冷却液温度始终低于沸点，解决频繁制动时制动器温升持续增高造成的冷却液汽化而导致管路循环不畅的问题，降低制动器静摩擦片温升，确保制动器有效地工作。

(2)本发明的冷却流道采用环形，以增加冷却流道长度，可保证冷却液与芯板本体的充分换热。

(3)本发明的冷却流道的横截面形状为圆形、或带有圆角的矩形，以便于隔热涂层均匀覆盖到冷却流道的内壁面。

(4)本发明的冷却流道的入口和出口布置在不同的周向固定齿上，保证冷却流道与冷却循环系统的连接空间不干涉，便于冷却流道与冷却循环系统的连接。

(5)本发明的芯板本体的材料选用碳素钢或合金钢，有利于制动时摩擦片表面热量在芯板本体内的均匀传递，从而降低芯板本体的冷却流道处的最高温度。

(6)本发明的隔热涂层的材料为橡胶或环氧树脂，使得隔热涂层能够在冷却液长期作用下不发生形状改变，且隔热涂层的材料的耐温范围，能够全面涵盖冷却流道所在部件的工作过程温度变化范围，且根据制动器达到最高温升后，冷却液温度低于液体沸点5摄氏度～10摄氏度的要求，确定隔热涂层所需的热导率和涂层厚度，能够保证冷却液在冷却流道内不发生汽化，进而防止冷却液循环不畅的问题。

综上，本发明针对以往干片式制动器主要通过空气对流与辐射的方式与外界进行换热，散热较慢，采用外置喷水冷却则对制动器摩擦部件寿命影响较大，采用封闭液冷方式在连续制动高温状态下冷却液易发生汽化导致冷却液循环压力过大，系统失效或冷却液损失的问题，提出了一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，在原有制动器静摩擦片芯板结构的基础上，应用流体对流换热技术和隔热材料技术，进行了干片式制动器静摩擦片芯板的冷却流道结构设计及排布设计，和芯板材料、隔热涂层材料的选择。因此，本发明可有效抑制高温状态下冷却液汽化现象，降低制动器连续制动时静摩擦片芯板部件的最高温升。

附图说明

图1是带液冷结构的干片式制动器静摩擦片芯板结构示意图

图2是冷却流道细节放大图

图3是连续制动工况静摩擦片芯板与隔热涂层温升对比图

图4是连续制动工况有、无液冷结构静摩擦片芯板温升对比图

其中：1：冷却流道；2：芯板；3：隔热涂层；4：周向固定齿；5：冷却流道入口；6：冷却流道出口；7：冷却液；8：冷却循环系统；9：摩擦块铆接孔

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

针对现有制动器中，由于其工作环境温度较高且相对封闭，制动器散热能力较差，连续制动后制动器温度快速积累，超过使用极限的问题，本实施例提供了一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，参见附图1，包括芯板本体2、冷却流道1及隔热涂层3；

外围设备为冷却循环系统8；

所述芯板本体2为圆环形板体，圆环形板体的外圆周面设有一圈周向固定齿4；所述芯板本体2上加工有摩擦块铆接孔9，摩擦块通过摩擦块铆接孔9固定到芯板本体2的一侧或两侧，摩擦片制动时热量经由摩擦块(图中未示出)传递到芯板本体2；

所述芯板本体2内部设有一个以上冷却流道1，每个冷却流道1均能流经芯板本体2的板面，且每个冷却流道1的入口5和出口6均位于芯板本体2的周向固定齿4处，且每个冷却流道1的入口5和出口6分别贯穿芯板本体2的外圆周面后，通过管路与冷却循环系统8连接；所述冷却循环系统8用于给冷却流道1提供设定温度的冷却液，冷却流道1内部充满冷却液7，冷却液从冷却流道1的入口5流动到出口6的过程中，吸收芯板本体2的制动热量并升温，升温后的冷却液再次返回到冷却循环系统8中，冷却循环系统8对升温后的冷却液进行降温后，再次提供给冷却流道1；因此，冷却流道1内的冷却液7的循环流动持续带走芯板本体2的制动热量；为保证冷却液7与芯板本体2的充分换热，冷却流道1采用环形或其他曲线冷却流道，以增加冷却流道长度；

参见附图2，所述冷却流道1的内壁涂覆有隔热涂层3，隔热涂层3用于阻隔所述静摩擦片芯板制动过程中产生的大量热能，延缓制动热量传导至冷却液7的速度，从而抑制冷却液7的汽化；

所述冷却流道1的横截面形状一般为圆形、或带有圆角的矩形，以便于隔热涂层3均匀覆盖到冷却流道1的内壁面；冷却流道1的横截面尺寸、冷却流道1的数量取决于芯板本体2的尺寸和冷却条件和需求，一般冷却流道1的数量为1～3个，如芯板本体2的径向宽度较大或制动能量大，可以继续增加冷却流道1的数量；为保证带冷却流道1的芯板本体2的强度满足承力要求，冷却流道1距离芯板本体上下表面以及摩擦块铆接孔9内表面的距离大于2mm；为保证冷却流道1与冷却循环系统8的连接空间不干涉，冷却流道1的入口5和出口6可以布置在不同的周向固定齿4上，但应保证冷却流道入口5和出口6均在制动器上方；

所述芯板本体1的材料选用碳素钢或合金钢等金属材料，有利于制动时摩擦片表面热量在芯板本体2内的均匀传递，从而降低芯板本体2的冷却流道1处的最高温度；对于内部带冷却流道1的芯板本体2，可采用铸造、分体式焊接或增材制造技术制备；

所述隔热涂层3材料为橡胶或环氧树脂等隔热涂层材料；隔热涂层3的材料应能够在冷却液7长期作用下不发生形状改变，隔热涂层3的材料的耐温范围，应全面涵盖冷却流道1所在部件的工作过程温度变化范围；根据制动器达到最高温升后冷却液7温度低于液体沸点5摄氏度～10摄氏度的要求，即不发生汽化的要求，确定隔热涂层3所需的热导率和涂层厚度。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，冷却液7采用水，汽化温度为100摄氏度；芯板本体2内布置的冷却流道1的数量为2个，冷却流道1的内壁覆盖有隔热涂层3，能够延缓制动热量进入到冷却液7的速度，冷却流道1的入口5和出口6布置在芯板本体2的周向固定齿4上，位于制动器上方；冷却流道1内的冷却水将制动过程中产生的一部分热量带走，经过冷却循环系统8散热后，较低温度的冷却水重新进入芯板本体；循环往复，实现降低制动器静摩擦片芯板温度、静摩擦片温度以及配合的动摩擦片的温度；

参照附图3、图4，初步选择隔热涂层3的材料确定热导率和涂层耐温范围和厚度后，绘制带液冷结构即带冷却流道1和冷却液7的静摩擦片芯板与无液冷结构的静摩擦片芯板温度对比图，校验隔热涂层3的材料选择以及厚度选择的适用性；通过对比图可以看到，隔热涂层3的应用，可以控制芯板本体2内的冷却流道1内的冷却液7温度低于90摄氏度，有效抑制冷却液7的汽化，确保冷却系统正常工作，芯板带液冷结构设计对制动器循环制动过程中有明显温降作用，在连续多次制动过程中，可以明显降低摩擦片表面温度。

本实施例中，冷却流道1的数量可以根据需要减少为1个，或为更多，同样，隔热涂层的材料和厚度等也可根据散热要求相应调整。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，包括芯板本体、冷却流道及隔热涂层；

外围设备为冷却循环系统；

所述芯板本体为圆环形板体，圆环形板体的外圆周面设有一圈周向固定齿；

所述芯板本体内部设有一个以上冷却流道，每个冷却流道均能流经芯板本体的板面，且每个冷却流道的入口和出口均位于芯板本体的周向固定齿处，且每个冷却流道的入口和出口分别贯穿芯板本体的外圆周面后，通过管路与冷却循环系统连接；所述冷却循环系统用于给冷却流道提供冷却液，冷却流道内部充满冷却液；

所述冷却流道的内壁涂覆有隔热涂层。

2.如权利要求1所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，所述冷却流道采用环形。

3.如权利要求1所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，所述冷却流道的横截面形状为圆形、或带有圆角的矩形。

4.如权利要求1所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，所述冷却流道的入口和出口布置在不同的周向固定齿上，且冷却流道入口和出口均在制动器上方。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，内部设有冷却流道的芯板本体，采用铸造、分体式焊接或增材制造的方式制备。

6.如权利要求1-4任一项所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，所述芯板本体的材料选用碳素钢或合金钢。

7.如权利要求1-4任一项所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，所述隔热涂层的材料为橡胶或环氧树脂。

8.如权利要求1-4任一项所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，根据制动器达到最高温升后，冷却液温度低于液体沸点5摄氏度～10摄氏度的要求，确定隔热涂层所需的热导率和涂层厚度。

9.如权利要求1-4任一项所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，所述芯板本体上加工有摩擦块铆接孔，摩擦块通过摩擦块铆接孔固定到芯板本体的一侧或两侧。

10.如权利要求1-4任一项所述的一种带液冷散热结构的干片式制动器静摩擦片芯板，其特征在于，冷却流道1的数量为1～3个。

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