SE517680C2 - Skivbroms för ett tungt fordon innefattande en skivbroms - Google Patents

Description

2 Ytterligare ett problem vid användning av bromsskivor är Förekomsten av bandformigt slitage. Bandformigt slitage är ett fenomen som uppkommer på grund av att kontaktytan mellan belägg och rotor inte är fullkomligt plan. Detta fenomen förklaras närmare nedan i anslutning till ritningsfigurerna la - ld. I figur la visas en skivbroms l i genomskärning där 5 skivbromsen l innefattar ett bromsbelägg 32 och en skivformad rotor 8. Bromsbelägget 32 uppvisar en kontaktyta 38 vilken är vänd mot en motsvarande kontaktyta 39 hos rotorn 8. I figur la visas en skivbroms med idealt plana ytor. Alla friktionspar uppvisar dock vissa ojämnheter. I figur lb visas, med en överdriven skala, ett bromsbelägg och en rotor som uppvisar en ojämnhet varvid kontakt sker inom ett första område 40. Området bildar ett band 10 vilket löper runt skivan. När bromsning sker uppkommer ett högre tryck inom detta område varför huvuddelen av bromsenergin upptas inom området. Detta innebär att området uppvärms mer än angränsande områden. Denna uppvärmning medför att belägget och rotorn expanderar, varvid ett än högre tryck byggs upp och ojämnheten förstöras vilket visas i figur lc. Det första området kommer dock att slitas hårdare än omgivande områden, dels för att 15 friktionsparet är varmare i detta område, dels för att kontakttrycket är hårdare. Detta medför att ojämnheten kommer att nötas ned och kontaktstället förflyttas till ett annat ställe på bromsskivan, vilket visas i figur ld.

Förekomsten av band ger upphov till bildandet av lokala plastiserade zoner vilket ger upphov 20 till ökad risk för sprickbildning. Vidare ger det successiva bildandet av band av och an mellan centrala och perifera områden hos skivan upphov till risk för utmattningsbrott genom den ständigt förekommande lastväxlingen. Det har visat sig att bandet kan flyttas mellan ytterkanter och centrala partier av skivan även under en inbromsning. 25 Ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en bromsskiva med reducerad förekomst av sprickbildning hos skivan. Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en bromsskiva där växlingsfrekvensen mellan olika bandmoder reduceras.

:I :so KORT BESKRIVNING Av UPPFINNINGEN. .isla Nämnda ändamål med uppfinningen uppnås enligt en första utföringsform av uppfinningen g med en bromsskiva enligt den kännetecknade delen av patentkraven l och 9. 51 73 6 s o För förståelse av uppfinning ges följande teoretiska bakgrund: Försök har genomförts med bromsprov i en provbänk för bromsskivor och bromsbelägg med olika storleksförhållanden. Observationer visar att bromsskivor med en liten radiell 5 utsträckning, B , uppvisar mindre benägenhet för sprickbilding. En förklaring till detta är att förhållandet mellan bromsbeläggets vidd från bromsbeläggets inre kant i radiell utsträckning till bromsbeläggets yttre kant i radiell utsträckning och ett kontaktband vilket bildas på grund av skivan och beläggets ojämnhet är mer gynnsamt. Detta innebär att för en bestämd nivå på energiinmatning till skivbromsen finns det ett optimalt förhållande mellan bredden på nämnda 10 kontakt- eller slitageband w och bromsbeläggets radiella utsträckning B. Med radiell utsträckning menas här avståndet från bromsbeläggets inre rant i radiell utsträckning till den yttre kanten.

Vi introducerar ett förhållande 7 = B/R, där B utgörs av bromsbeläggets radiella utsträckning 15 och R är skivans radie. I de test som genomförts är y=0,42 för det breda belägget och y = 0,37 för det smala belägget. Testet visade att det smala belägget erhöll 33% längre livslängd, trots att skivan var 3,8 kg lättare vilket är negativt ur sprickhänseende efiersom skivan blir Vfifmflfe. 20 Testet visar att förekomsten av sprickbilding hos skivan till del kan förklaras av tidigare nämnda fenomen med bandformigt slitage. Sprickor bildas genom de spänningar som uppkommer vid varje skild bandmod som förekommer inom bromsbeläggets utsträckning.

Vanligtvis uppkommer en central mod då slitage sker i ett central beläget band och en perifer mod då slitage sker nära beläggets kanter. Spänningarna från dessa två moder är motriktade 25 och ger därför upphov till en belastning vilken växlar i riktning. Modväxlingarna kan uppstå även under en lång inbromsning. Risken för utmattningsbrott är därför stor. Ett ändamål för uppfinningen är sålunda att reducera vidden av bromsbelägget så att sannolikheten för uppkomst av två skilda bromsmoder. Om den radiella utsträckningen av belägget är av samma storleksordning som bandet reduceras risken for uppkomst av två skilda bandmoder. Om å 11:30 andra sidan den radiella utsträckningen av bromsbelägget är för litet kommer slitaget på . . belägg och bromsskiva bli alltför stort varför livslängden blir lidande. -_...§ Ett ändamål för uppfinningen är sålunda att minska förekomsten av sprickbildning på bromsskivorna. Detta genomförs genom att reducera sannolikheten för uppkomst av 517 680 1/ bandformigt slitage i flera moder. Detta uppnås genom att maximera vidden av den banclformiga slitagezonen i förhållande till den radiella utsträckningen B hos bromsbelâgget.

Att maximera vidden w av den bandformiga slitagezonen är ekvivalent med att maximera tidsderivatan av vidden. Vi har sålunda följande två ekvationer: 1) max (W/B) 2) max((öw/ât)/B) 10 Vidden w av den bandformiga slitagezonen är beroende av följande materialparametrar: E modulen hos belägget, termisk utvidgning av belägg och skiva, värmeledning hos belägg och skiva samt nötningsbeständighet hos belägg och skiva. Dessa parametrar hålls konstanta under följande analys där geometriegenskaperna hos belägg och skiva utreds. 15 För ett givet material är vidden w av den bandformiga slitagezonen beroende av tillförd energi till skivbromsen vid en given radie hos bromsskivan. Analysen nyttjar följande två hypoteser: Tillväxthastigheten hos bandet är proportionell mot inmatad effekt: 20 H1) âw/ât ~ P Tillväxthastigheten hos den aktiva arean Am där kontakt finns mellan belägg och bromsskiva är proportionell mot effekten 25 H2) ÛAaa/Öt ~ P Vi har följande samband mellan aktiv area och bandbredden _ Aaq1=2flfW I-'I 2-20 . . vl erhåller sålunda följande; l; 4) ÖAacl/Öt = Zlrröw/ât u u uuu u u uu u uu u u uu u u u u u u u u u u uu u u u uu u u uu uu u u u u u u u u u u u u u u u u u u u .uu uuu u. u u u uu uuuuuu u u u u u u u u uu u u u u u u u u u u u u u u uu uuu uu u uuu uu u Vilket medför att 5) âw/öt ~ P/R 5 Som en konsekvens av de ovan angivna hypoteserna erhålles tillsammans med ekvation 2), max((âw/öt)/B) och hypotes H1 vid en konstant bromseffekt: 6) max(1/B) 10 Tillsammans med hypotes H2 erhålles: 7) , max(l/RB) 15 Analysen ger sålunda att för att erhålla en minimal risk för uppkomst av växlingar mellan bandmoder skall enligt hypotes H1 den radiella utsträckningen B av belägget göras så liten som möjligt och för hypotes H2 skall den radiella utsträckningen B av belägget och bromsskivans radie R göras så liten som möjligt. 20 Bromsskivor utformas för att kunna uppta och avleda den värme som bildas vid inbromsning.

Detta innebär att volymen hos bromsskivan är huvudsakligen proportionell mot axeltrycket hos fordonet. Detta innebär att mindre skivor krävs för lägre axeltryck och att vidden w av den bandformiga slitagezonen minskar för minskat axeltryck. 25 FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer nedan att närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningsñgurer, där :Ä 2-30 tig. la visar schematiskt genomskärningen av en bromsskiva och ett bromsbelägg med , idealt plana ytor, :ucuz o n o u u o o v ø v u u n o n en 517 680 e: fig.1b visar schematiskt genomskärningen av en bromsskiva och ett bromsbelägg med en ojämnhet där initial kontakt sker, fig. lc visar schematiskt tillväxten av ojämnheten under termisk expansion av skiva 5 och belägg, fig. ld visar schematiskt ett bandformat nednött område av ojämnheten, fig. 2 visar en delvis snittad sidovy av en hjulspindel med en nav- och 10 bromsskiveanordning, fig. 3 visar en ändvy av bromsskivan i fig. 2, fig. 4 visar en schematisk ändvy av en del av navet och skivans radiellt inre del, och 15 fig. 5 visar schematiskt en ändvy av belägg och bromsskiva. 20 UTFÖRINGSEXEMPEL I figur 2 - 4 visas en föredragen utföringsform av uppfinningen under hänvisning till på bifogade ritningar visade utforingsexempel, där fig. 2 visar en delvis snittad sidovy av en hjulspindel med en nav- och bromsskiveanordning enligt uppfinningen, fig. 3 en ändvy av 25 bromsskivan i fig. 2 och fig. 4 en schematisk ändvy av en del av navet och skivans radiellt inre del.

I fig. 2 betecknar 1 en ytterände av en stel framaxel till en lastbil. Axeländen uppvisar en konisk borrning 2, i vilken en spindelbult 3 är fixerad. På spindel-bulten 3 är en spindelenhet 4 svängbart lagrad. Spindelenheten 4 innefattar en axel-tappenhet 5, på vilken ett hjulnav 6 är , lagrat via ett unitlager 7. Navet 6 uppbär en bromsskiva 8 och spindelenheten 4 ett bromsok 30. Bromsoket 30 är av konventionellt slag och innefattar ett bromsbelägg 32 och organ 34 -¿ för ansättning av bromsbelägget 32 mot bromsskivan. Dessa organ utformas på ett for fackmannen välkänt sätt, exempelvis med hjälp av hydrauliskt drivna bromscylindrar vilka 517 sso 7* verkar direkt mot bromsbeläggets bakplåt eller en excentrisk kam vilken verkar mot bromsbeläggets bakplåt.

Bromsskivan uppvisar en aktiv diameter D vilken sträcker sig från bromsskivans centrum till 5 den kontaktpunkt mellan belägg och bromsskiva som ligger på störst avstånd från nämnda centrum. Bromsbelägget uppvisar en radiell utsträckning B, vilket är avståndet från de kontaktpunkter mellan belägg och skiva som ligger närmast centrum till de som ligger längst från centrum, Vid bestämning av bromsbeläggets radiella utsträckning B bestäms detta mått till medelvärdet av avståndet mellan beläggets inre och yttre radiella periferi 36 , 37 längs 10 50% av bromsbeläggets utsträckning i vinkelled (p.

I stället för att, såsom hittills varit vanligast, fixera bromsskivan på navet genom att skruva fast skivan på en fläns på navet är vid utförandet enligt den i figur 2 - 4 visade utföringsformen skivan 8 förbunden med navet 6 genom formlåsning. För detta ändamål är 15 navet 6 utformat med ett centralt parti, som har ett från en jämn cirkel avvikande tvärsnitt.

Närmare bestämt är partiet utformat med tätt efter varandra följande bommar 10 och spår 11, vilka är V-formiga. Bromsskivans 8 radiellt inre navdel 12 är utformad med motsvarande spår 13 och bommar 14, som passar till navets bommar 10 och spår 1 1. 20 Såsom särskilt framgår av fig. 3 är spårens 11, 13 djup något större än bommarnas 10, 14 höjd. Spåren har en avrundad botten 15 medan bommarna har en plan ovansida 16, som ansluter till dess plana flanker 17. Genom detta utförande säkerställes ytanliggning över bommarnas hela flankyta. Skivan 8 och navet 6 är så dimensionerade, att i avlastat tillstånd ett spel av O,2-0,3 mm råder mellan samverkande flankytor 17 och i skivan och navet. I det 25 visade utforingsexemplet upp-visar navet och skivan vardera arton spår och bommar. Spårens djup uppgår till cirka 15 % av radien hos öppningen 16 i skivan. Vid ett så stort antal spår och bommar som trettio uppgår spårens djup till 5 % av radien. Utförda försök har avslöjat att böj- och skjuvpåkänningarna på bommarna 10, 14 är som lägst inom intervallet 42° -55° hos b _ flankvinkeln ß. Påkänningarna ökar progressivt allteftersom flankvinkel ß sjunker under 42°, _' så att påkänningarna vid ß=30° är cirka 30 % högre än vid ß=42°-55° och vid ß=10°cirka 200% högre. 'z Vid den i fig. 2 och 3 visade utforingsformen är bromsskivan 8 utformad med axiella oo o unna-ao 517 680 8” borrningar 18, vilka är belägna radiellt innanför vartannat spår 13 och övergår i slitsar 19, som mynnar i botten 15 av respektive radiellt innanförliggande spår 13. Den visade skivan är av s.k. ventilerad typ och borrningarna 18 med slitsarna 19 kommunicerar med närliggande ventilationskanaler 20 i skivan. Mellan borrningarna 18 är axiella borrningar 21 upptagna, 5 vilka emellertid saknar motsvarighet till slitsarna 19. Det beskrivna arrangemanget med borrningar och slitsar har till uppgifl att minska risken för sprängning av skivans navparti vid den uppvärmning av skivans friktionsparti 22 mer än dess radiellt inre navparti, som uppstår vid brömsning. För att vid uppvärmning av bromsskivan 8 begränsa värmeövergången från skivan till andra mer värme-känsliga komponenter än själva navet, tex. lagret 7, är en mot en 10 sida öppen ringkanal 23 utformad i navet 6 radiellt innanför bommarna 10. Härigenom förlängs värmeöverförings-vägen genom navmaterialet från skivan 8 till det på lagret 7 fastpressade navpartiet 24.

Såsom framgår av fig. 2 och 3 är skivan 8 helt symmetrisk. Den är fixerad på navet 6 medelst 15 en i ett spår 24 i bommarna 10 upptagen låsring 25, en fjäder-bricka 26 och en i ett spår 27 i navets innerände upptagen låsring 28. Den symmetriska utformningen och den symmetriska fastsättningen tillsammans med de rörelser tjäderbrickan medger på navet resulterar i symmetrisk termisk deformation, jämnt slitage av skivans friktionsytor, liten risk för bromsmomentvariationer, enkel montering och liten risk för sprickbildning. Till det senare 20 bidrar även borrningarna 18 med slitsarna 19.

I figur 5 visas schematiskt del av bromsskivan 8 och bromsbelägget 32. Bromsskivan 8uppvisar en aktiv radie R vilken sträcker sig från bromsskivans centrum C till den kontaktpunkt mellan belägg och bromsskiva som ligger på störst avstånd från nämnda 25 centrum. Bromsbelägget 32 uppvisar en radiell utsträckning B, vilket är avståndet från de kontaktpunkter mellan belägg och skiva som ligger närmast centrum till de som ligger längst från centrum. Vid bestämning av bromsbeläggets radiella utsträckning B bestäms detta mått till medelvärdet av avståndet mellan beläggets inre och yttre radiella periferi 36 , 37 längs 50% av bromsbeläggets utsträckning i vinkelled.

För tunga fordon har det visat sig att följande mått på den radiell utsträckningen är lämpliga , ~¿ för att undertrycka bildandet av bandformiga slitagezoner i flera moder: |r»1» 51Z?680 Bromsande moment [kNm] Axeltryck [ton] Radiell utsträckning av bromsbelägget [mm] 20-25 11-14 16-2o s,5-11 <7s 12-16 6-s,5 <7o Det har även visat sig att for tunga fordon, dvs for fordon med ett bromsande moment mellan 12 - 25 kNm och/eller ett axeltryck mellan 6 - 14 ton att förhållandet mellan radiell utsträckning av bromsbelägget och den aktiva radien R hos bromsskivan B/R skall understiga 5 0,38.

Bromsskivorna utformas lämpligen med en storlek enligt följande tabell: Bromsande moment [kNm] Axeltryck [ton] Bromsskivans vikt [kg] 20-25 11-14 22-40 16-20 8,5-Il 18-36 12-16 6-8,5 15-31 10 Enligt sedvanlig konstruktion av bromsskivor skall vikten av bromsskivan vara proportionell mot axellasten.

Bromsbelägget är företrädesvis utformat i ett styvt material med en tangentiell elasticitetsmodul E = 600Mpa vid ett kontakttryck om 2 MPa och rumstemperatur for 15 bromsskivor avsedda for ett bromsande moment om 20 - 25 kNm; en tangentiell elasticitetsmodul E = 500Mpa vid ett kontakttryck om 2 MPa och rumstemperatur for bromsskivor avsedda for ett bromsande moment om 16 - 20 kNm och en tangentiell elasticitetsmodul E = 400Mpa vid ett kontakttryck om 2 MPa och rumstemperatur for bromsskivor avsedda for ett bromsande moment om 12 - 16 kNm. -.-« ";20 Bromsskivorna uppvisar företrädesvis en diameter överstigande 370 mm.

Bromsskivorna är företrädesvis tillverkade av ett material med folj ande egenskaper. 11:16 mm: 10 o s »en n. 517 680 /0 Young's modulus 100 - 150 Gpa Poissons förhållande 0,22 -0,32 Densitet 6900 _7600 kg/m” Värmekapacivitet 450 - 550 J/kgK Värmeledningsformåga 35 - 55 W/mK Värmeutvidgningskoefficient 10 - 14 l/K Bromsarna är utformade med skivvikter enligt nedanstående tabell for att uppnå en temperatur understigande 700° C under en 40 s lång bromscykel vid en fordonshastighet på 85 km/h Bromsande moment [kNm] Axeltryck [ton] Bromsskivans vikt [kg] 20 -25 11 - 14 35 16 - 20 8,5 - 11 30 12 - 16 6 - 8,5 25 Uppfmningen skall inte begränsas till ovan angivna utforingsform utan lämpar sig väl vid skivbromsar av allehanda typer, exempelvis vis sådana skivbromsar där rotorns centrum är infast till hjulaxeln via ett axiellt löpande cylindriskt utskott, dvs en cylinderhattsformad bromsskiva.

Claims (5)

1. 517 680 I/ PATENTKRAV l Skivbroms för ett tungt fordon uppvisande ett axeltryck mellan 6 och 14 ton innefattande en skivformad rotor (8) bestående av en gjutjärnslegering och uppvisande en radie R och ett ok (32) uppbärande ett bromsbelägg (32) vilket är avsett att under inbromsning pressas mot nämnda rotor (8), där nämnda rotor (8) och bromsbelägg (32) är anordnade för att uppta en bromseffekt motsvarande ett bromsande moment mellan 12 och 25 kNm där nämnda bromsbelägg (32) uppvisar en radiell utsträckning B kännetecknad av att förhållandet B/R mellan den radiella utsträckningen B av belägget (3 2) och rotorns (8) radie R understiger 0,38.

2. Skivbroms enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda bromsbelägg (3 2) är anordnat för att uppta en bromseffekt motsvarande ett bromsande moment uppgående till 25 kNm och att nämnda bromsbelägg (3 2) uppvisar en radiell utsträckning understigande 80 mm.

3. Skivbroms enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda bromsbelägg (3 2) är anordnat för att uppta en bromseffekt motsvarande ett bromsande moment uppgående till 20 kNm och att nämnda bromsbelägg (32) uppvisar en radiell utsträckning understigande 75 mm.

4. Skivbroms enligt krav 1, k ä n n et e c k n a d a v att nämnda bromsbelägg (32) är anordnat för att uppta en bromseffekt motsvarande ett bromsande moment uppgående till 16 kNm och att nämnda bromsbelägg (32) uppvisar en radiell utsträckning understigande 70 mm.

5. Skivbroms enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att nämnda rotor (8) är huvudsakligen symmetriskt utformad med avseende på ett plan vinkelrätt genom rotationsaxeln och uppvisar en central genomföring (12) avsedd för infastning till en hjulaxel (6) varvid bromsskivans slitytor förblir 10 11 12 517 680 /l plana vid uppvärmning. Skivbroms enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att radien hos rotorn (8) överstiger 185 mm. Skivbroms enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att bromsbelägget (32) är utformad med en tangentiell elasticitetsmodu1E överstigande 400Mpa vid ett kontakttryck om 2 MPa vid rumstemperatur. Skivbroms enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att nämnda ok (30) uppbär två bromscylindrar vilka är ämnade att pressa bromsbelägget mot rotorn. Fordon uppvisande ett axeltryck mellan 6 och 14 ton innefattande en skivformad rotor (8) bestående av en gjutjärnslegering och uppvisande en radie R och ett ok (30) uppbärande ett bromsbelägg (3 2) vilket är avsett att under inbromsning pressas mot nämnda rotor (32), där nämnda bromsbelägg (32) uppvisar en radiell utsträckning B, kännetecknad av att förhållandet B/R mellan den radiella utsträckningen B av belägget (32) och rotorns (8) radie R understiger 0,38. Fordon enligt krav 9, kännetecknad av nämnda axeltryck uppgår till mellan 11 och 14 ton och att nämnda bromsbelägg (3 2) uppvisar en radiell utsträckning understigande 80 mm. Fordon enligt krav 9, kännetecknad av nämnda axeltryck uppgår till mellan 8,5 och ll ton och att nämnda bromsbelägg (32) uppvisar en radiell utsträckning understigande 75 mm. Fordon enligt krav 9, kännetecknad av nämnda axeltryck uppgår till mellan 6 och 8,5 ton och att nämnda bromsbelägg (32) uppvisar en radiell utsträckning understigande 70 mm.