CN1309249A - 湿式盘式制动器 - Google Patents

Abstract

一种制动装置包括一单个的制动转盘和一个或多个适于在转盘的环形表面或表面上进行制动的制动块,还包括一用于在使用时包含液体介质的包围的外壳,这种装置的制动块的构成为在其制动面上有多个沟槽,使该沟槽相对于转盘的旋转向后地倾斜,通至制动块的前缘的这些沟槽有一拓宽的口状区,沟槽最好还被做成是弯曲的,其凸出侧朝着制动块的前缘,其曲率与一圆弧接近,以使沟槽前端的切线与制动块的内周缘所成的角等于沟槽尾端的切线与制动块外周缘所成的角。

Description

湿式盘式制动器

本发明涉及对盘式制动器部件和零件的改进，特别是对转盘和摩擦块的构形的改进。

多数传统的车辆制动器通常包括一个具有一对摩擦材料块的转盘，该摩擦材料块在干燥的环境下分别作用在转盘的相对的制动面上。这种系统有许多明显的缺点，即转盘且特别是摩擦材料块在使用时会被磨损，并使磨粒释放到大气中，这种情况是有污染的而且很可能危及健康。此外，这种制动器的性能不均匀并且在经过一段时间后会产生显著的改变，这尤其是由于摩擦块磨损和诸如雨雪或其它液体在使用时落到制动面上等外界因素而引起的。

已知湿式盘式制动器有这样一些形式，其中在装有油的密封的制动器外壳中设有多个摩擦材料盘。这种湿式盘式制动器通常使用在100℃时粘度为7～8cst(mm²/s)或更大的油。这种油通常还具有为100的低粘度指数，这样在油温变化时使粘度有较大的变化。将摩擦材料盘做成使某些带有沟槽的摩擦材料盘旋转，而其它表面平滑的盘则静止，并通过沿轴向将盘推在一起而实现制动作用。油主要用作冷却剂，为此，使油循环通过旋转的盘上的沟槽。但是，为了促进流体动力润滑和增大在互相接合的摩擦区抵抗压力“挤出”的能力，以抑制制动器摩擦盘和板的粘滑、磨损和局部过热，认为7-8厘沲或更高的油是必须的。利用流体动力润滑方式的缺点为在互相接合区产生较低的摩擦系数。这样，由于这些油对摩擦强度产生了不利的影响，必须具有由多个盘提供的大得多的制动面面积。此外，这些系统的构形通常与上段内容中所描述的干摩擦系统的构形明显不同，因此难于实现互换相应的部件。

在一个早先申请的国际专利申请No.PCT/AU92/00540中还公开了这样一种类型的用于车辆的制动器组件，它包括一个适于与轴端一起旋转的单个转盘和一个具有一个或多个密封的包围转盘的静止外壳，该密封的作用为形成一个至少包围上述转盘的制动作用区的基本上是密封的但是压力平衡的区域。至少设置一对摩擦块，以与转盘周向区的相对的制动面接合，同时还如此地形成所述外壳，以致它能至少在一部分制动区中包含有液体。在其公开内容的一部分中，上述国际专利申请指出，液体可被保持在超过密封的水平高度处，以便防止污染物侵入外壳的内部，特别是侵入制动面和摩擦块的区域内。上述国际专利申请还公开了包括在其上固定有摩擦材料的底板的摩擦块，摩擦材料有与转盘接合的面，在该面上形成具有特殊的结构形状的一个或多个沟槽。但是，与其中设置沟槽以协助油循环的其它浸油式制动系统相反，上述制动装置只从液体或润滑中得到极少的好处并且沟槽是为了将油从制动面上刮下并排出而设置的。

本发明的目的为提供一种改进的摩擦材料产品，尤其是制动块和其它零件，它们可以用在上述国际专利申请中所示的那种制动组件中。

就摩擦材料产品而言，必须认识到，在前述国际专利申请中，摩擦材料需要设有刮油槽和排放槽，以使液体能从制动面上被除去。但是已经发现，对于制动性能来说，这些沟槽的总体位置的确定是重要的。此外，已经发现，最佳性能通常是在沟槽的宽度和数目相对于剩下的位于沟槽间的摩擦表面区域或地带的平衡。也就是说，必须留下足够的槽脊面积，以达到所要求的制动特性。在整个说明书中所用的“前”和“尾”或类似措词都和制动块与转盘的旋转方向有关。

按照本发明的第一个方面，提供了一种包括具有一制动面的摩擦材料的制动块，该制动面在使用时适于与制动器组件的转盘接触，上述制动面有一个相对于上述转盘的旋转的前缘、一个相对的尾缘以及连接上述前缘与尾缘的沿周向延伸的外周缘和内周缘，上述摩擦材料进一步包括多个在上述摩擦材料中形成的沟槽，而且上述沟槽通向上述制动面并从沟槽的前端开始相对于一条径向直线向后地倾斜，上述沟槽中的至少一个通向上述制动面的前缘，上述沟槽还进一步地从其前端向其尾端弯曲，并且上述沟槽的凸出侧朝向制动面的前缘，当从一个垂直于制动面的方向看去时，上述沟槽还大致形成一个圆弧。比较合适的是，沟槽的在进口端和出口端的切线分别与内周缘和外周缘形成基本上相等的角。最好，沟槽是基本上平行的。前述基本上相等的角最好在30°至40°之间。比较有利的是，该角度为35°左右。最好，所有的沟槽都使其入口端在摩擦材料的前缘或内周缘上，并使其出口端在摩擦材料的外周缘或尾缘上。比较适合的是，前缘在使用时基本上沿径向布置。为了便于制造，尾缘在使用时也可以沿径向布置。最好，至少两个上述沟槽设有一个通向摩擦材料的前缘的前端。比较合适的是，具有一通向前缘的前端的每个上述沟槽有从上述宽度减小的区域到其离开摩擦材料处基本上均匀的宽度。有利地是，沿制动块的长度，从前缘至尾缘地设置互相隔开的多个上述沟槽，而且上述沟槽等距离地隔开。在一个优选的布置中，具有位于制动块前缘后方的前端的沟槽的前端沿径向位于摩擦材料的内周缘之外，这些沟槽中的每一个都具有通向制动块摩擦材料的外周缘或尾缘的尾端。在一第二优选的布置中，具有位于制动块的摩擦材料前缘后方的前端的沟槽的前端被设置成通向摩擦材料的内周缘。

通过布置一个或多个从制动块摩擦材料的前缘开始延伸并最好离开外周缘的沟槽可得到的好处为，可以实现改进液体离开制动面区域的流动，从而改进尤其是在低夹紧压力时的制动性能。通常都认为，当距旋转轴线的径向距离加大时，转盘上的油量将增加。因此，当前缘基本上沿径向布置时，具有最大液体标高的区域(即离旋转轴线较远处)有最短的沟槽，由此液体将流得更快些，从而使液体的任何增加的体积被较短的排出通道或沟槽平衡。如果沟槽不通向内周缘，则其磨损碎粒可能会被离心力沉积在此边缘上，并刮伤转盘制动面。允许液体流过这个边缘会消除转盘刮伤并提高制动器组件的使用寿命，同时使制动更有预测性。

按照一特别优选的实施例，制动块具有多个如前所述地形成的带有一个或多个副沟槽的主沟槽，副沟槽与主沟槽以锐角相交。比较合适的是，副沟槽的入口端开在摩擦材料的前缘上。比较有利的是，至少要部分地去掉在前缘处主沟槽和副沟槽的入口端之间的摩擦材料，以在它接近主沟槽和副沟槽之间的第一交点时形成一个宽度减小的口状区域。比较合适的是，前述第一交点具有大于由主沟槽和副沟槽间的交点形成的宽度的入口宽度。

前述主沟槽的宽度优选地为1.5～4mm，最好为2mm。比较合适的是，在形成沟槽后剩下的摩擦材料槽脊的面积为没有沟槽的制动面面积的60％～80％。槽脊面积最好约为没有沟槽的制动面面积的75％左右。比较合适的是，主沟槽之间的槽脊宽度约为5～6mm，这保证有足够的机械强度。

按照本发明的一个优选方面，本发明提供了一种用于车辆的制动装置，它适于与一轴端相连，所述装置包括一单个的适于在使用时与上述轴端一起旋转的转盘和一包住上述转盘的静止外壳，该外壳具有一个或多个在所述静止外壳的至少一部分中形成一基本上密封的区域的密封，从而所述转盘的至少一个制动作用区在使用时通过上述基本上密封的区域，在所述制动作用区中至少有一个摩擦块位于上述转盘的一个制动面的附近，以便在进行车辆的制动操作时可操作地与所述制动面接合，而且所述的静止外壳至少在所述基本上密封的区域内装有一种液体介质，所述制动装置的特征为，所述液体介质具有在100℃时小于7cst(mm²/s)的粘度。最好，所述液体介质的粘度在100℃时在2～5cst(mm²/s)范围内。优选的是，上述液体介质具有在135至145之间、最好为140左右的粘度指数，由此可将其粘度随温度的改变而发生的变化减至最小。利用低粘度油并且优选的是利用低粘度的合成矿物油作为液体介质的优点为抑制了流体动力润滑作用，有利于混合润滑方式。混合润滑方式可提供比流体动力润滑高得多的摩擦强度，从而改善制动器的性能。制动器组件能使摩擦块部分地按油纹(oil stripping)模式工作，部分地按剪切油模式工作，从而将厚油膜状态与超薄油膜状态结合起来。摩擦块对制动盘的接合压力非常高、摩擦块的刮油、做出沟槽和超低的润滑剂粘度结合在一起产生了混合油膜润滑，它使流体动力润滑被抑制，从而有利于摩擦较高的微弹性流体动力润滑与边界润滑方式。

下面将参考附图描述本发明的几个实施例，这些附图是：

图1是按照本发明的可用在制动装置中的转盘的优选形式的平面图；

图1A是制动器组件外壳的局部剖视图，它示出了本发明的优选特征；

图1B是沿图1A的C-C线截取的剖视图；

图2是沿图1的X-X线的剖视图，它还示出了过滤装置的一种可能的优选形式；

图3是第一优选实施例的制动块结构的平面图；

图4是与图3相似的平面图，示出了第二个优选实施例；

图5是沿图3或4的A-A线的剖视图；

图6是与前面的附图相似的平面图，示出了制动块的第三优选实施例；

图7是与前面的附图相似的平面图，示出了制动块的第四优选实施例；

图8是与图7相似的平面图，示出了另一个可能的实施例；

图9是与图8相似的平面图，示出了再一可能的实施例；

图10是沿图8或10的B-B线截取的剖视图；以及

图11是一曲线图，它示出了以100km/h行驶的车辆的停止距离与所施加的摩擦块压力的关系，它将按照本发明的带沟槽的浸入液体中的摩擦块与做成其它相似构形的无沟槽摩擦块作了比较。

现在参看图1和2，其中示出了一个适于通过任何合适的装置固定在汽车轴端上的转盘50。该转盘具有成径向环状的相对的制动面51、52。一静止的外壳53(在图2中只示出了局部)限定了一个基本上密封的包围制动面51、52的制动作用区54，该制动作用区是由未示出的密封形成的。外壳53在使用时盛装有像低粘度油这样的液体。在PCT/AU92/00540中建议，油量应当比较多，但是现在已经发现这是不必要的，而且最好，所需要的只是使液体足以保持密封在使用时是湿润的，也就是通过飞溅或类似方法做到上述要求。已经发现，液高大约为制动器组件的垂直高度的四分之一已经足够。适于与相对的制动面51、52接合的制动块的定位可以按标号67,68所示(大约到制动器组件高度的一半处)或可以按其它方式位于上面的四分之一区80、81中(图1)。

如图1和图2所示，制动面51、52的径向内边缘55最好被根切，从而形成周向的液体收集区56、57，以收集在边缘55之内的表面上离心地流动的液体。然后，此被收集的液体可流经径向通道58，以使表面51、52上的液体量减为最少。

通常都希望使在转盘的制动面和摩擦块的制动面之间的界面上的液体量最少化。上述内容就是有关这方面的说明。其它因素包括在外壳中采用低粘度油作为液体，这是因为保持低粘度可使在未施加制动力时在制动件之间有低的摩擦系数，但在制动期间当向制动块上施加制动力时允许有高的摩擦系数。虽然可以采用在40℃时粘度高达ISO15的油，但是比较优选的还是采用能提供改进的性能的在ISO3至ISO7范围内的油。更具体一些，优选粘度在100℃时小于7(最好为2～5)cst(mm²/s)的合成矿物油。过去所采用的像2cst这样的超低粘度油的缺点为，传统的超低粘度油有高的挥发性和低的闪点。现在，这一问题已经通过所谓的合成矿物油，如基于壳牌石油公司的商标为超高粘度指数油，即XHVIⅠ和XHVIⅡ油的油而得到解决。这些油能提供这样的闪点和挥发性，即它们能在现有的制动系统中由于其所具有的超低粘度而被采用，但又没有闪点与挥发性方面的问题。

可以充分地认识到，油的粘度是随温度的降低而增大的，并随温度的升高而减小。为了克服那些可能由于在严峻的温度条件下(热或冷)运行而产生的问题，建议如图1和2所示，在制动器外壳的油中装设一热交换器70。热交换器70可以由适于输送发动机冷却水(通常约为50℃)通过其中的金属管(如不锈钢管)制成，以在必需时加热外壳中的油。可以设置合适的阀门与温度传感器，以便只在需要将制动器组件中的油温保持在允许的范围内时才提供此种加热能力。如果要在特别热的环境中使用制动器组件，也可能需要通过热交换器70输送冷却液体。此液体可以由任何合适的装置(包括诸如可能已经装在车辆上的空调设备或是根据某种用途而固有的装置)冷却。如果需要，热交换器70可以用铸在制动器组件外壳中的通道形成。

因为制动器组件是密封的，所以从制动块与转盘上掉落下来的磨损碎粒将保留在外壳中。包含在油中的这种碎粒可在转盘制动面上产生磨损碎粒/油的涂抹膜，并可产生不良的制动特性。因此，希望至少从制动块和转盘的配合面的区域中去掉这种碎粒。低粘度油比高粘度油还能更容易地和更快地使这种磨损碎粒沉淀出来。

可通过整体的比重沉降澄清和整体的离心技术将制动块的磨损碎粒有效地分离到允许接受的水平。因此，外壳53可在制动器外壳的油池中包括一个或几个“沉淀室”59。沉淀室59可以铸在内壳体部分60或外壳体部分61中，或由在标号64处用螺栓固定在壳体部分上的壁形构件62、63形成。如果需要，壁形构件62、63的底缘可通过设置经过机加工的或铸造的凹陷部分而密封在相应的壳体部分的底壁表面上。也可以使用磁性塞65、66以将金属颗粒吸入沉淀室59中并在取下磁性塞时可将磨损碎粒从这些沉淀室中去掉而不废弃大部分油。如果沉淀室通过选择其位置以与制动块的排油沟槽一致而形成强制流动的油流，则各个室将始终保持充满油，而且在制动盘回转的时候，将有一股缓慢但是连续的油流经过沉淀室。当转盘处于静止或旋转时，根据制动器的使用模式，使油池中的大部分油在各种时候都被捕获在沉淀室中。

在“缓慢”油流经过沉淀室59的情况下，使较大的和较重的颗粒被收集。在诸如夜晚或其它闲置期间，当转盘不动时，制动块磨损碎粒的重力沉淀继续进行，特别是那些否则就会以悬浮状态停留的细颗粒。为了进一步促进磨损碎粒的滞留，沉淀室59中可包括一个或多个用像钢棉这样的材料做的分隔块69。在使用制动器之后制动器没有经历有规律的闲置期的情况下，可以用一个固有的或外接的泵循环含有磨损碎粒的油，使之经过一个外接的过滤器。这种结构也可以包括在净化过程中同时冷却或加热废油的构件。

现在参看图1A和1B，它们示出了制动器外壳53的下部。在外壳53的每一侧，刚好在液体介质表面标高86的上方，设有一对挡板82、83和84、85。要将每个挡板82、83、84、85设置成使挡板与转盘制动面51、52之间有最小的间隔，从而极大地减少液体介质的大量飞溅，或通过在使用时转盘50的作用而被迫进入外壳53的上部区域的液体介质。此外，每个具有适于接纳将壳体部分60、61固定在一起的螺栓87的孔90的螺栓安装凸台88设有至少一个曲面89，它适于在使用制动器组件时在液体介质中促成紊流条件。

现在将参考图3至10描述摩擦块结构的几个优选实施例。这些摩擦块在图1和2所示的制动装置中可以定位在例如67和68处，而且它们可以用任何已知的传统致动系统操作。首先参看图3，制动块10包括一具有传统构形的底板11和固定在其上的摩擦材料12。摩擦材料12有一前缘13、一尾缘14、一内周缘15和一外周缘16。在摩擦材料上形成有多个主沟槽17，其出口端18通向外周缘16或尾缘14。许多主沟槽17的入口端19直接位于前缘13处，这些入口端19中的每一个都具有宽度减小的适于将液流聚集在沟槽17中的口状区20。这种结构提供了一种在制动操作中收集并除去互相接合的制动表面上的大量液体的有效装置。上述一组沟槽后面的沟槽17有位于内周缘15外边的入口端21，从而如本说明书前面部分中所讨论的那样形成一摩擦材料的密封地带22。每个沟槽17的宽度为1.5至4mm并具有一宽约5～6mm的中间槽脊24。比较合适的是，每个沟槽都是直的并且互相平行。图4示出了图3所示构形的一个改型，其中设置了副沟槽25，每个副沟槽与主沟槽17形成一锐角。比较合适的是，至少某些副沟槽25的入口端在前缘13处与主沟槽17的入口端重合。如果需要的话，也可以将这个交点的入口区域扩大，以改善液体的流动方式。

现在参看图6至10的实施例进行说明。在图6中，主沟槽17的设置与图3的实施例相似，只是沟槽从其入口端向出口端弯曲，而且每个沟槽17的入口端都通向摩擦材料12的边缘。比较优选的是，每个沟槽的曲率与圆弧接近，同时，每个沟槽的曲率半径基本上相等。比较有利的是，每个沟槽17彼此平行。此外，希望在通向内周缘15的每个沟槽17的入口26处的角度α对所有这种沟槽都基本上相等，此角度α为入口26处沟槽曲线的切线与边缘15的曲线的切线之间的夹角。另外，在通向外周缘16的沟槽的出口端，如上所述地形成的对应的角度也基本上为同一角度。比较合适的是，此角度可为20°～40°，但最好为30°左右，对于最初以允许的道路速度极限即100～110km/h行驶的传统车轮而言，它是产生最佳性能时所要求的。这对应于转盘转速约为800～1000rpm左右。

图7和8所示的实施例包括有副沟槽27，每个副沟槽都与主沟槽17以锐角相交。副沟槽可以如图所示的弯曲或是可以如图5所示的那样成直线延伸。此外，副沟槽27可如图7所示基本上穿过所有的摩擦材料，或是如图8所示在其与一中间主沟槽17的相交处终止。

比较合适的是，在每种情况下，通至摩擦材料的前缘13的主沟槽有较宽的口状区28，这个区28便于将液流集中到相邻的沟槽17中。沟槽17的径向内壁最好形成一个具有拓宽的口状区的壁29。如图8所示，沟槽17与27在口状区的交点的入口30可以例如通过去掉用虚线31表示的摩擦材料而予以加宽，从而改善液体向从此入口延伸的两条沟槽17和27的流入。

图9示出了沿图8和10的B-B线的剖视图。图10示出了与图9相似的实施例，只是沟槽17朝载荷的末端互相隔开得更宽。

图11的曲线图示出了采用前述湿式盘式制动器的2.5吨丰田越野车的车辆停止距离与制动压力的关系，它将不带沟槽的制动块与此处按照图8所示的构形生产的制动块作了比较。从此比较中可以明显地看出，制动系统且特别是按照本发明的制动块的性能超过了其它构形相似的未带沟槽的制动块。

Claims (8)

1．一种包括一种具有一制动面的摩擦材料的制动块，该制动面适于在使用时与制动器组件的转盘接触，上述制动面有一相对于上述转盘的旋转的前缘、一相对的尾缘以及连接上述前缘与尾缘的沿周向延伸的外周缘和内周缘，上述摩擦材料进一步包括多个在上述摩擦材料中形成的沟槽，上述沟槽通向上述制动面，并从沟槽的前端开始相对于一条径向直线向后地倾斜，上述沟槽中的至少一个通向上述制动面的前缘，而且上述沟槽进一步地从其前端至其尾端地弯曲，并以上述沟槽的凸出侧朝向制动面的前缘，当从垂直于制动面的方向看去时，上述沟槽还基本上形成一个圆的圆弧、

2．如权利要求1所述的制动块，其特征为，至少某些上述沟槽具有一通向制动面的内周缘的前端和一通向制动面的外周缘的尾端，要将这些沟槽的形状构造成使沟槽的在前端处的切线与制动面的内周缘所形成的角等于沟槽在尾端处的切线与制动面的外周缘所形成的角。

3．如权利要求1或2所述的制动块，其特征为，上述沟槽基本上彼此平行。

4．如权利要求2所述的制动块，其特征为，上述相等的角为30～40°。

5．如权利要求1至4中的任何一项所述的制动块，其特征为，每个上述沟槽的宽度在1.5mm和4mm之间。

6．如权利要求1至5中的任何一项所述的制动块，其特征为，沟槽占据没有上述沟槽的制动面面积的20％～40％。

7．如权利要求1至6中的任何一项所述的制动块，其特征为，上述相邻沟槽之间的制动面的宽度为5mm～6mm。

8．如权利要求1所述的制动块，进一步包括多个在上述摩擦材料中形成的副沟槽，而且上述副沟槽通向上述制动面，每个上述的副沟槽相对于一条径向直线从沟槽的前端起向后倾斜，将上述沟槽构造成彼此以锐角相交，而且至少一些上述沟槽通向上述制动面的前缘。

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