RU2846309C1 - Способ отвода теплоты от рабочих поверхностей составного тормозного диска транспортного средства - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к способу отвода теплоты от рабочих поверхностей составного тормозного диска транспортного средства. Способ отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства, включающего в себя фрикционные кольцевые диски 6, функциональный каркас 7, ступичный фланец 8 и функциональные корпуса теплоконденсаторов 3, реализуется за счет того, что каждый отдельный функциональный корпус теплоконденсатора 3, используемого в устройстве составного тормозного диска 2, изготавливается полым, при этом выполненные рубашки охлаждения 4 сначала заполняются жидкометаллическим теплоносителем, а затем герметизируются путем установки пробок 5, которые затем фиксируются методами сварки. Технический результат - отвод теплоты от рабочих поверхностей 1 фрикционных кольцевых дисков 6 составного тормозного диска 2, снижение рабочей температуры составного тормозного диска 2 и его массы, повышение эффективности торможения транспортного средства и безопасность дорожного движения. 4 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано при изготовлении и эксплуатации составных тормозных дисков дисково-колодочных тормозных устройств транспортных средств.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Тормозные диски, в целом, используются в тормозных системах транспортных средств для их замедления, остановки или удержания в неподвижном состоянии при задействовании тормоза путем прижатия к фрикционных кольцевым дискам фрикционных накладок тормозных колодок. В связи с увеличением максимальной скорости движения и снаряженной массы транспортных средств существует проблема недостаточной эффективности торможения транспортных средств, связанная с высокими температурами, возникающими в паре трения тормозного узла диск-колодка при торможении. Например, экстренное торможение, торможение на затяжном спуске или высокая скорость начала торможения могут приводить к перегреву тормозного диска транспортного средства, что в свою очередь приводит к возникновению окисных пленок на рабочих поверхностях тормозного диска, к короблению тормозного диска, а в некоторых случаях к необратимым деформациям и возникновению трещин, к ускоренному износу пары трения диск-колодка, обусловленного, в том числе необратимыми изменениями физико-механических свойств материалов при перегреве, из которых изготовлены детали пары трения диск-колодка, что при проявлении как в отдельности, так и в совокупности, приводит к снижению коэффициента трения пары трения диск-колодка, к неравномерному распределению удельного давления в пятне контакта пары трения диск-колодка, и, как следствие, к ухудшению эффективности торможения и безопасности движения транспортных средств.

Среди известных в настоящее время устройств, применяемых в тормозных системах транспортных средств, и явным образом вытекающих из них способов снижения рабочей температуры тормозного узла, и тормозного диска в частности, являются:

- увеличение размера тормозного диска, то есть его диаметра, толщины, и, как следствие, массы, что в свою очередь позволяет увеличить количество используемого для изготовления тормозного диска материала, который, в свою очередь, обладает некоторой теплоемкостью. Таким образом, увеличение размеров тормозного диска, приводящее к увеличению его массы, позволяет повысить его удельную теплоемкость, ввиду чего тормозной диск большей массы способен поглотить (воспринять) большее количество теплоты, генерируемой парой трения тормозного узла при торможении, чем тормозной диск, имеющий аналогичную конструкцию, но меньшие размеры и массу. При этом, тормозной диск, имеющий большую массу и, как следствие, большую удельную теплоемкость, способен выдерживать большие термомеханические нагрузки, по сравнению с его более легким аналогом. Однако, решение проблемы перегрева тормозных дисков за счет увеличения их размеров и массы имеет свои ограничения и недостатки. К ним относятся, например, ограничения размеров, в частности диаметра тормозного диска, в случае колесных транспортных средств, связанные с диаметром колесного диска, поскольку внешний диаметр тормозного диска не может превышать или быть равным диаметру колесного диска. В свою очередь, увеличение диаметра, и, как следствие массы тормозного диска, может приводить и к ухудшению управляемости транспортного средства. Кроме того, большая масса тормозного диска увеличивает неподрессоренные массы транспортного средства, что в свою очередь повышает механическую нагрузку на элементы ходовой части и подвески колес транспортного средства, приводя к их ускоренному износу и снижая комфортабельность транспортного средства. Также стоит отметить, что повышенная масса тормозного диска снижает эффективно используемую мощность двигателя транспортного средства, которая расходуется, в том числе, на вращение тормозного диска, что в свою очередь приводит к повышенному количеству вредных выбросов в окружающую среду, образующихся, например, при сгорании топлива, в случае двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, способ снижения рабочей температуры тормозного диска за счет увеличения его размеров и массы является не перспективным, в том числе и из-за высокой материалоемкости такого решения;

- увеличение эффективной площади теплообмена поверхностей тормозного диска с воздухом окружающей среды, за счет использования вентиляционного аппарата, которой создается при изготовлении тормозного диска или его ротора по средствам перегородок, соединяющих два взаимно параллельных фрикционных кольца. Указанные перегородки могут быть выполнены, например, в виде лопастей, ребер, перемычек, столбов, гребней, различного профиля. Указанные перегородки вместе с внутренними поверхностями фрикционных колец образуют каналы (вентиляционный аппарат) по которым при вращении тормозного диска интенсифицируется процесс прохождения потоков воздуха, омывающих стенки вентиляционного аппарата, что в свою очередь способствует конвективному охлаждению тормозного диска. Использование вентиляционного аппарата, обладающего повышенной эффективной площадью теплообмена с воздухом, в конструкции тормозных дисков является достаточно эффективным способом охладить тормозной диск, который был нагрет до высоких температур в процессе торможения, однако, данный способ имеет один существенный недостаток, заключающийся в том, что вентиляционный аппарат, встроенный в тормозной диск, работает по принципу центробежного насоса, следовательно, чем меньше скорость вращения тормозного диска, тем ниже производительность вентиляционного аппарата и ниже эффективность охлаждения вентилируемого тормозного диска. Следовательно, при торможении, когда рабочие поверхности тормозного диска нагреваются и требуют наибольшей интенсивности отвода тепла от них, эффективность вентиляционного аппарата тормозного диска, вне зависимости от конфигурации вентиляционного аппарата, падает при снижении скорости его вращения, то есть в момент, когда, наоборот, от вентиляционного аппарата требуется его наибольшая эффективность. Таким образом, хотя способ увеличения эффективной площади теплообмена поверхностей вентилируемого тормозного диска с воздухом окружающей среды, за счет использования вентиляционного аппарата и имеет свои преимущества, необходимые для охлаждения тормозного диска, при этом он имеет и существенный недостаток;

- изменение механизма трибологического взаимодействия пары трения диск-колодка, достигаемое за счет использования новых материалов для изготовления тормозных дисков, например, таких как керамические композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, вместо традиционных материалов на основе железа, например, серого чугуна, позволяет создать тормозной диск, способный выдерживать длительные циклы высокотемпературного воздействия, возникающего при торможении, и в значительной степени снизить массу тормозного диска, однако, данный способ имеет ряд существенных недостатков, к числу которых относятся: во-первых, гигроскопичность материала, приводящая к растрескиванию и последующему разрушению тормозного диска в условиях реальной эксплуатации при отрицательных температурах окружающей среды; во-вторых, хрупкость таких материалов, вследствие чего при попадании даже мелких твердых посторонних частиц в зазор между парой трения дик-колодка, высока вероятность их повреждения; в-третьих, высокая трудоемкость и длительность процесса изготовления; в-четвертых, высокая стоимость конечного продукта (тормозного диска), кратно превышающая стоимость аналогов, изготовленных из традиционных материалов, например, из чугунов или сталей; в-пятых, такой способ в значительной степени не влияет на снижение рабочей температуры тормозного диска, а лишь позволяет ему выдерживать более длительные циклы высокотемпературного воздействия, что в свою очередь сохраняет необходимость предъявлять более высокие требования к термостабильности тормозной жидкости, резинотехнических изделий и фрикционного материала тормозных колодок, применяемых в тормозных узлах; в-шестых: наилучшая эффективность торможения пары трения диск-колодка, изготовленных из керамических композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, достигается только после предварительного «прогрева» тормоза, при этом «холодные» тормоза имеют меньший коэффициент трения, чем «горячие» тормоза, больший тормозной путь и могут издавать шумы.

Наиболее близким аналогом к настоящему заявляемому изобретению можно принять способ охлаждения полого тормозного диска с жидким полярным теплоносителем известный из описания изобретения к авторскому свидетельству СССР SU1408134A1 (заявка 3817224 от 26.11.1984 г., автор Краснослободцев Валерий Яковлевич). Согласно указанного наиболее близкого аналога, известно, что способ охлаждения полого тормозного диска с жидким полярным теплоносителем путем циркуляции теплоносителя при воздействии на него в зоне испарителя электрическим полем, фазового превращения теплоносителя от тепла, выделяемого при трении, и его конденсации, отличается тем, что, с целью улучшения эксплуатационных качеств путем повышения безопасности, за счет уменьшения значения используемого напряжения, циркуляцию теплоносителя осуществляют в направлении от поверхности трения к испарителю, электрическое поле формируют однородным с регулируемой величиной и с вектором напряженности, расположенным в указанном направлении, при этом воздействие электрическим полем на теплоноситель осуществляют через пористый наполнитель. Недостатком указанного способа является использование жидкого теплоносителя, который в процессе нагрева переходит в следующее агрегатное состояние - пар. Паровая фаза превращений теплоносителя подразумевает наличие зоны конденсации в устройстве тормозного диска, то есть пустого, незаполненного теплоносителем объема, что в свою очередь неизбежно приводит к дисбалансу (биению) тормозного диска при его эксплуатации из-за перемещений теплоносителя, в особенности при переходных режимах эксплуатации, к которым, в частности, относится изменение частоты вращения тормозного диска. Кроме того, для создания электрического поля, воздействующего на теплоноситель через пористый наполнитель, необходимо использование стороннего (внешнего) источника электропитания и сопутствующих элементов передачи и регулирования электроэнергии, что в совокупности с указанным выше усложняет реализацию данного способа охлаждения тормозного диска при его изготовлении и тем более его последующую нормальную эксплуатацию в составе тормозных устройств тяжело нагруженных вращающихся валов, машин и механизмов.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Под способом интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства в настоящем изобретении следует понимать процесс осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств, заключающийся в том, что каждый отдельный функциональный корпус теплоконденсатора 3, используемого в конструкции составного тормозного диска 2, изготавливается полым, при этом, образовавшаяся полость (рубашка охлаждения) 4 заполняется жидкометаллическим теплоносителем. После заполнения полости (рубашки охлаждения) 4 жидкометаллическим теплоносителем она герметизируются известными методами, например, закупоривается путем установки крышки (пробки) 5, которая затем фиксируются методами пайки/сварки. В качестве жидкометаллического теплоносителя могут использоваться такие вещества, как, например, К, Na, Li, которые обладают значительно более высокой теплоемкостью и теплопроводностью, чем такие конструкционные материалы, как чугуны и стали. При этом, жидкометаллические теплоносители обладают низкой плотностью и массой, что позволяет снизить массу составного тормозного диска 2.

Техническая задача заявляемого изобретения состоит в том, чтобы интенсифицировать отвод теплоты от рабочих поверхностей 1 фрикционных кольцевых дисков 6 составного тормозного диска 2 дисково-колодочного тормоза транспортных средств.

Техническим результатом, проявляющимся при осуществлении заявляемого способа интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 дисково-колодочного тормоза транспортных средств, является: интенсификация отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2, снижение массы составного тормозного диска 2, повышение эффективности торможения.

Технический результат, которым является интенсификация отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 достигается за счет того, что в конструкции составного тормозного диска 2, включающего в себя фрикционные кольцевые диски 6, функциональный каркас 7, ступичный фланец 8 и функциональные корпуса теплоконденсаторов 3, последние выполняются полыми, например, с применением технологий сталелитейного производства. При этом, образовавшаяся полость (рубашка охлаждения) 4 в каждом отдельном функциональном корпусе теплоконденсатора 3 заполняется жидкометаллическим теплоносителем, а затем надежно герметизируется известными методами, например, закупоривается путем установки крышки (пробки) 5, которая затем фиксируются методами пайки/сварки. Эффект от реализации способа интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства проявляется следующим образом: в процессе задействования дисково-колодочного тормоза, то есть в процессе торможения транспортного средства, на рабочих поверхностях 1 фрикционных кольцевых дисков 6 составного тормозного диска 2 аккумулируется теплота, которая по средствам теплопроводности сначала передается в тело функционального каркаса 7 и в тела функциональных корпусов теплоконденсаторов 3, а затем поглощается жидкометаллическим теплоносителем, находящимся внутри полостей (рубашек охлаждения) 4, выполненных в функциональных корпусах теплоконденсаторов 3, после чего теплота, аккумулированная жидкометаллическим теплоносителем, передается в стенки вентиляционного аппарата 9, выполненного в функциональных корпусах теплоконденсаторов 3, которые охлаждаются за счет конвективного теплообмена с потоками воздуха окружающей среды. Необходимо отметить, что при нормальных условиях окружающей среды жидкометаллический теплоноситель находится в кристаллическом агрегатном состоянии, а при нагреве претерпевает фазовый переход, переходя в жидкое агрегатное состояние, затрачивая на фазовый переход тепловую энергию, генерируемую тормозом. Кроме того, жидкометаллический теплоноситель обладает более высокой теплопроводностью и теплоемкостью, по сравнению с обычно применяемыми в тормозных дисках материалами, такими, как чугун и сталь, что в свою очередь позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи от нагретых до высоких температур рабочих поверхностей 1 фрикционных кольцевых дисков 6 составного тормозного диска 2 в стенки вентиляционного аппарата 9. По окончании торможения транспортного средства действие эффекта интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 на термомеханическое состояние составного тормозного диска 2 не прекращается до тех пор, пока тепловой баланс элементов его устройства, представленных на фиг. 1-2, и жидкометаллического теплоносителя, находящегося в полостях (рубашках охлаждения) 4, не стабилизируется. В результате стабилизации теплового баланса составного тормозного диска 2 циклы фазовых переходов жидкометаллического теплоносителя из жидкого агрегатного состояния в кристаллическое и обратно могут многократно повторяться, то есть указанные циклы являются возобновляемыми.

Технический результат, которым является снижение массы составного тормозного диска 2 достигается за счет того, что использование в его конструкции жидкометаллического теплоносителя, например, на основе K, Na или Li, позволяет снизить массу составного тормозного диска 2, поскольку плотность и масса жидкометаллических теплоносителей на несколько порядков ниже плотности и массы основного материала, используемого при изготовлении функциональных корпусов теплоконденсаторов 3, например, такого, как высокоуглеродистая сталь.

Технический результат, которым является повышение эффективности торможения, является благоприятным следствием технического результата, которым является интенсификация отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2, поскольку снижение температуры при торможении на рабочих поверхностях 1 пары трения диск-колодка снижает износ пары трения диск-колодка и их термическую деградацию, стабилизирует коэффициент трения пары трения диск-колодка, повышает тормозной момент, что в совокупности позволяет уменьшить тормозной путь и время остановки транспортного средства.

Краткое описание чертежей.

Сущность заявленного изобретения в достаточной степени поясняется в описании и на чертежах, на которых представлен пример предпочтительного его воплощения только для обозначения, а не для ограничения, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых представлено следующее:

на фиг. 1 - вид в перспективе на элементы составного тормозного диска 2 в разрозненном состоянии, (элементы крепежа, например, клепки, болты, винты, гайки - не представлены);

на фиг. 2 - вид в перспективе на составной тормозной диск 2 в сборе, (элементы крепежа, например, клепки, болты, винты, гайки - не представлены);

на фиг. 3 - вид в перспективе на элементы функционального корпуса теплоконденсатора 3, по средствам которого реализуется предлагаемый способ интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства;

на фиг. 4 - вид в перспективе на функциональный корпус теплоконденсатора 3, по средствам которого реализуется предлагаемый способ интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства.

Краткое описание обозначений, представленных на фиг. 1 - фиг. 4, где:

1 - рабочая поверхность;

2 - составной тормозной диск;

3 - функциональный корпус теплоконденсатора;

4 - полость (рубашка охлаждения);

5 - крышка (пробка);

6 - фрикционный кольцевой диск;

7 - функциональный каркас;

8 - ступичный фланец;

9 - стенки вентиляционного аппарата;

10 - сквозные вентиляционные каналы.

Осуществление изобретения:

Согласно изобретению, способ интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства осуществляется следующим образом: каждый отдельный функциональный корпус теплоконденсатора 3, используемого в конструкции составного тормозного диска 2, изготавливается полым, при этом, выполненная полость (рубашка охлаждения) 4 заполняется жидкометаллическим теплоносителем. После заполнения полости (рубашки охлаждения) 4 жидкометаллическим теплоносителем она герметизируются известными методами, например, закупоривается путем установки крышки (пробки) 5, которая затем фиксируются методами пайки/сварки. В качестве жидкометаллического теплоносителя могут использоваться такие вещества, как, например, К, Na или Li.

Таким образом, в процессе эксплуатации составного тормозного диска 2, в котором реализован предлагаемый способ интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного 2 диска транспортного средства, при задействовании тормозного узла и прижатии тормозных колодок к рабочим поверхностям 1 фрикционных кольцевых дисков 6 происходит их нагрев, при этом теплота, генерируемая парой трения диск-колодка, поглощается жидкометаллическим теплоносителем, который находится внутри каждого отдельного функционального корпуса теплоконденсатора 3. При этом, жидкометаллический теплоноситель при нагреве может переходить из кристаллического агрегатного состояния в жидкое, затрачивая на процесс фазового перехода теплоту, выделившуюся при торможении, снижая тем самым температуру составного тормозного диска 2, отдавая теплоту в стенки вентиляционного аппарата 9. По окончании торможения жидкометаллический теплоноситель вместе с составным тормозным диском 2 остывают, в том числе в результате конвективного теплообмена составного тормозного диска 2 с воздухом окружающей среды, в результате чего жидкометаллический теплоноситель возвращается в исходное кристаллическое агрегатное состояние.

В ходе испытаний установлено, что:

- реализация предлагаемого способа интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства способна обеспечить снижение его рабочей температуры на ~28%, по сравнению со стандартным тормозным диском того же типа-размера. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что реализация предлагаемого способа интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства позволяет снизить требования к термомеханическим свойствам материалов фрикционных накладок тормозных колодок, использовать более экологичные вещества и материалы в их составе, снижая тем самым негативное воздействие продуктов износа тормозного узла на окружающую среду при эксплуатации транспортных средств;

- предлагаемый способ интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства позволяет тормозному узлу воспринимать повышенные термомеханические нагрузки, снизить вероятность возникновения перегрева тормоза, повысить эффективность тормозного узла при циклическом задействовании тормоза в эксплуатационных режимах по типу «разгон-остановка-разгон-остановка».

Таким образом, разработанный способ интенсификации отвода теплоты от рабочих поверхностей 1 составного тормозного диска 2 транспортного средства позволяет интенсифицировать отвод теплоты от рабочих поверхностей 1 фрикционных кольцевых дисков 6 составного тормозного диска 2, снизить рабочую температуру составного тормозного диска 2 и его массу, повысить эффективность торможения транспортного средства и безопасность дорожного движения. Следует учитывать, что описанное здесь техническое решение может изменяться в объеме формулы изобретения и комбинироваться с другими вариантами выполнения.

Claims (1)

1. Способ отвода теплоты от рабочих поверхностей (1) составного тормозного диска (2) транспортного средства, включающего в себя фрикционные кольцевые диски (6), функциональный каркас (7), ступичный фланец (8) и функциональные корпуса теплоконденсаторов (3), отличающийся тем, что каждый отдельный функциональный корпус теплоконденсатора (3), используемого в устройстве составного тормозного диска (2), изготавливается полым, при этом выполненные рубашки охлаждения (4) сначала заполняются жидкометаллическим теплоносителем, а затем герметизируются путем установки пробок (5), которые затем фиксируются методами сварки.