SK9584Y1 - Kotúčová brzda s magneticky fixovanou brzdovou platničkou - Google Patents

Abstract

Kotúčová brzda s magneticky fixovanou brzdovou platničkou patrí do oblasti fyziky, strojárstva – automobilového priemyslu, kde sa vylepšuje konštrukcia systému kotúčových bŕzd. Využitím permanentného magnetu (4) sa zafixuje brzdová platnička (2) po odbrzdení na brzdový piestik (3) tak, aby sa nedotýkal brzdového kotúča (1), a tým neuberal vozidlu kinetickú energiu. Výhodou tohto riešenia je znížená spotreba pohonných hmôt, znížená uhlíková stopa, ako i znížené opotrebenie brzdových platničiek a kotúčov. Riešenie je využiteľné pri osobných i nákladných automobiloch, prípadne i motocykloch.

Description

Predmet úžitkového vzoru patrí do oblasti fyziky, strojárstva - automobilového priemyslu, kde vylepšuje konštrukciu systému kotúčových bŕzd.

Doterajší stav techniky

V súčasnom automobilovom priemysle prevažuje používanie kotúčových hydraulických bŕzd. Tieto môžu byť s plávajúcim strmeňom a jedným brzdovým valčekom alebo s pevným strmeňom a viacerými brzdovými valčekmi, umiestnenými v pároch proti sebe - v súčasnosti najúčinnejšie i najpoužívanejšie.

V ďalšom pokračovaní sa bude vychádzať z tejto alternatívy. Ich princíp spočíva v tom, že brzdový kotúč, ktorý je súčasťou nápravy, je brzdený brzdovými platničkami, ktoré sú umiestnené po bokoch kotúča v brzdových strmeňoch. Brzdová sila na platničky je generovaná a regulovaná cez hydraulické brzdové valčeky a piestiky v nich uložené pomocou stlačenia brzdového pedála. Tlak vygenerovaný touto silou sa prenesie cez celú brzdovú sústavu na brzdový piestik a platničky, čo spôsobí spomalenie vozidla tým, že časť kinetickej energie vozidla sa trením medzi brzdovými platničkami a brzdovým kotúčom premení na teplo a dôjde k jeho spomaleniu. Keď na brzdový pedál prestane pôsobiť tlak, prestane pôsobiť aj na brzdové platničky. V zmysle zákona akcie a reakcie pri odbrzdení brzdový kotúč odovzdá malé množstvo energie platničkám a tie sa od neho vzdialia o 0,1 až 0,2 mm. Taktiež v gumenej prachovke a gumenom tesniacom krúžku sa pri brzdení nahromadí predpätie, ktoré po odbrzdení posunie brzdový piestik opačným smerom do valčeka taktiež o cca 0,2 mm.

V niektorých prípadoch tomuto procesu pomáha ešte rozťažná pružina pôsobiaca na brzdové platničky a po odbrzdení ich posúva smerom k brzdovému piestiku. Z doterajšej praxe vyplýva, že i napriek cca 100-ročnému vývoju majú kotúčové brzdy zraniteľné miesta. Správna fixácia brzdových platničiek a zadretie brzdových piestikov sú najzraniteľnejšími ohnivkami celého systému.

Brzdové platničky majú po odbrzdení vôľu a môžu sa pohybovať medzi brzdovým piestikom a brzdovým kotúčom. Do medzery medzi piestik a platničku sa môžu dostať nečistoty a vplyvom gravitácie sa čiastočne nahromadiť na spodnom okraji. Dôjde k stavu, že piestik bude postupne viac pritláčať spodnú stranu platničky. Tento stav uspokojivo nerieši ani prítomnosť rozťažnej pružiny, svoju silu neuplatní na rovnomerný posun platničky po vodorovnej osi, ale spôsobí jej naklonenie a pákovým efektom cez hranu piestika pritláča platničku ku kotúču dolnou časťou. Využije sa tým iba časť sily pružiny na vrátenie platničky k brzdovému piestiku, aj to nie pod ideálnym uhlom. Druhá časť sily sa vyplytvá na pritlačenie spodnej časti platničky k brzdovému kotúču. Dostatočne tento problém neriešia ani vodidlá, nakoľko sú dimenzované s určitou vôľou. Naopak, pri ich zaoxidovaní a znečistení predstavujú ďalšiu prekážku pri vratnom procese platničky od kotúča. To spôsobuje, že značná časť platničiek pred exspiráciou je opotrebená viac z dolnej časti ako z hornej. Teoreticky by to z titulu vyššej obvodovej rýchlosti na vonkajšku brzdového kotúča malo byť naopak.

O nedokonalom odbrzdení svedčí i skutočnosť, že pri väčšine automobilov pri otáčaní odbrzdeného kolesa počuť šuchot vychádzajúci z kontaktu medzi kotúčom a platničkami. Pri uvedení nezaťažených kolies do pohybu silou bežného človeka nie je možné dosiahnuť viac ako 1 až 2 voľnobežné otáčky o 360°. Po odstránení celého brzdového systému je na tom istom kolese možné dosiahnuť rovnakou silou 6 i viac otáčok.

Z toho vyplýva, že kontakt medzi kotúčom a platničkami nebol úplne prerušený. Toto všetko je pozorovateľné na stojacom vozidle. V bežnej premávke bude tento efekt podstatne väčší vďaka vibráciám a otrasom pri pohybe vozidla po vozovke. Ďalším testom je jazda automobilu bez zabrzdenia počas cca 10 km a zastavenie samovoľne proti svahu. Teplota brzdových kotúčov po takejto jazde je podstatne vyššia ako teplota prostredia. Brzdná sila je síce minimálna, ale pôsobí počas celej prevádzky vozidla, a tak uberá z jeho kinetickej energie. Pri predpoklade, že spôsobuje stratu kinetickej energie do 1 % a účinnosť motora je cca 40 %, by spotreba stúpla o viac ako 2 %, zároveň s ňou i uhlíková stopa, opotrebenie kotúčov i platničiek, a tým aj prašnosť a hlučnosť. Možno sa uvedená hodnota javí ako nepodstatná, pokračovanie je však nasledujúce: Jedno auto strednej triedy so spotrebou 0,07 I benzínu na 1 km najazdí počas svojej životnosti v priemere 250 000 km, a tým spotrebuje 17 500 I benzínu, 2 % z toho predstavujú 350 litrov, čomu zodpovedá primeraná uhlíková stopa. Aj v prípade, že by uvedená hodnota bola polovičná, má zmysel to riešiť, keďže ročne sa vo svete vyrobí nad 70 mil. osobných automobilov a náklady na vyriešenie tohto problému by boli nepomerne nižšie. Pri nákladných automobiloch je to ešte výraznejšie, nakoľko ich životnosťje cca 4-násobná a pomer medzi odjazdeným časom a brzdením je väčší. Z uvedených skutočností je zrejmé, že v tejto problematike je priestor na zlepšenie opísaného stavu.

SK 9584 Υ1

Podstata technického riešenia

Problém kotúčovej brzdy s brzdovou platničkou uvedený v doterajšom stave techniky je riešený jej magnetickou fixáciou na brzdový piestik. Tým sa dosiahne stav, že platnička je na piestik magneticky fixovaná a pohybuje sa súbežne spolu s piestikom. Kovová časť platničky je tvorená magnetickým materiálom reagujúcim na magnetické pole permanentného magnetu. Existencia permanentných magnetov je známa už z čias antiky a je spojená so vznikom kompasu. Magnetizmus je fyzikálny jav, ktorý je definovaný nasledujúcimi zákonitosťami: Hmota, ako je známa, je zložená z protónov, neutrónov a elektrónov. Tieto častice majú jednu spoločnú vlastnosť, a tou je kvantový mechanický spin, ktorý dodáva každej častici určité magnetické pole. Tie sa však pri väčšine materiálov navzájom rušia. Permanentné magnety majú tú zvláštnosť, že ich častice majú vysokú mieru usporiadanosti do magnetických domén. To spôsobuje, že keď sa ocitnú v magnetickom poli, stávajú sa magnetickými trvalo aj potom, čo vonkajšie magnetické pole zanikne. Každý permanentný magnet je polarizovaný a má dva póly, kladný (+) a záporný (-). Póly opačného znamienka sa navzájom priťahujú. Naopak póly rovnakého znamienka sa navzájom odpudzujú. Najznámejšie sú feritové permanentné magnety na báze keramiky - oxidov železa, najsilnejšie sú neodymové a samariové, tie sú na báze kovových zliatin. Jednou z hlavných vlastností permanentných magnetov je magnetická sila, ktorá predstavuje hmotnosť predmetu, ktorú je magnet schopný zdvihnúť proti zemskej gravitácii. Funkčnosť magnetov je tepelne limitovaná podľa jednotlivých druhov, od 90 °C do 550 °C pri ALNICO magnetoch. Pre potreby úžitkového vzoru je podstatné uviesť, že materiály možno rozdeliť do dvoch hlavných skupín, magnetické - permanentné magnety na tieto skupiny pôsobia, sú to prevažne kovy podskupiny železa a ich zliatiny, nemagnetické - permanentné magnety na tieto skupiny nepôsobia. Magnetická sila je maximálna v kontakte magnetu s magnetickou látkou, so zvyšovaním ich odstupu exponenciálne klesá.

Brzdový piestik kotúčovej brzdy je dutý kovový valček na jednej strane otvorený a na opačnej uzavretý. Je jedným z medzičlánkov, pomocou ktorého sa prenáša tlak z brzdového pedála až na brzdový kotúč. V prevažnej miere je otvorený smerom dovnútra brzdového valčeka a v prípade funkčného brzdového systému je jeho vnútro vyplnené brzdovou kvapalinou. Brzdová platnička je komponent kotúčovej brzdy, ktorým sa brzdová sila prenáša na brzdový kotúč a pozostáva z dvoch častí, kovovej a trecieho kompozitu.

Magnetická fixácia brzdovej platničky na piestik sa dosiahne niekoľkými spôsobmi:

1. Umiestnenie permanentného magnetu dovnútra brzdového piestika, čo najbližšie ku kontaktu s brzdovou platničkou (pozri schému na obrázku č. 1).

2. Zmagnetizovanie celého brzdového piestika tak, aby on sám bol permanentným magnetom.

3. Umiestnenie permanentného magnetu na kovovú časť brzdovej platničky alebo zmagnetizovanie kovovej časti brzdovej platničky tak, aby sa fixovala na brzdový piestik.

V prípade potreby je možné kombinovať 1. spôsob s 3. spôsobom, prípadne 2. spôsob s 3. spôsobom. Optimálny sa javí 1. spôsob. Magnet umiestnený dovnútra piestika je chránený proti nežiaducim vonkajším vplyvom. Použije sa magnet s magnetickou silou dosahujúcou cca trojnásobok hmotnosti brzdovej platničky, čo pri rozmeroch piestika s rezervou spĺňa väčšina magnetov, rovnako ako i tepelnú odolnosť. Oveľa efektívnejší je však v obrátenej polohe, keď sa magnet nachádza na vonkajšku piestika v dutine na ten účel vytvorenej a je s platničkou takmer v kontakte. Sila takto uloženého magnetu nie je ničím tienená a pôsobí maximálne presne a efektívne v ťažisku platničky, dokáže ju fixovať za cenu 0,1 €.

Všetky uvedené spôsoby môžu byť použité súbežne spolu s rozťažnou pružinou alebo ju úplne nahradiť. V prípade, že vratná energia získaná z brzdového kotúča spolu s predpätím gumených častí by sa javila ako nedostatočná, je možné ju zvýšiť miernym zosilnením gumených prvkov alebo použiť brzdový valec so zníženým odporom. Odpudivá energia sa navyše získa tým, že kontakt valčeka s brzdovou doštičkou bude mať rovnaký pól ako jeho náprotivok z opačnej strany brzdového kotúča a navzájom sa budú od kotúča odtláčať. Týmto sa získa ďalší prínos tohto technického riešenia. Vzdialenosť medzi nimi bude cca 50 mm, takže uvedená sila čiastočne nahrádza silu pružiny, a tým ju robí nadbytočnou. Zjednoduší aj zlacní brzdové platničky bez úchopov na rozťažnú pružinu. Navyše bude možné túto silu ovplyvňovať silou použitých magnetov. Pri ich dostatočnej sile postačí zmagnetizovanie brzdových doštičiek stojacich proti sebe. Treba však v tomto prípade počítať s vyššou teplotou ako pri piestikoch. V prípade, že je žiaduce eliminovať vplyv magnetického poľa na okolie brzdového piestika, použije sa na fixáciu magnet v tvare miniatúrnej podkovy smerujúcej otvorenou časťou - pólmi smerom k brzdovej platničke, odpadne tým taktiež problém so sledovaním polarizácie magnetov. Optimálnym stavom v danom systéme by bolo, keby všetky komponenty boli nemagnetické, okrem piestika a platničky, čím sa minimalizuje rozptyl magnetickej sily. Magnetická fixácia optimalizuje bezstratový prenos energie z brzdového kotúča a rozťažnej pružiny na brzdový piestik, ako i naopak, energiu z predpätia gumičiek na brzdovú platničku, zabezpečí ich synchronizáciu, a tým eliminuje nežiaduce brzdenie. Pre jeho efektívne nasadenie však treba brať do úvahy zákonitosti magnetizmu

SK 9584 Υ1 a prispôsobiť tomu geometriu i použité materiály. Opísaný princíp platí aj na kotúčové brzdy s plávajúcim strmeňom s tým rozdielom, že jedna platnička sa fixuje magnetom priamo na strmeň.

Uvedené technické riešenie nemá vplyv na celkovú charakteristiku a účinnosť kotúčových bŕzd, jeho životnosť presahuje životnosť automobilu a je 100 % recyklovateľné. Systém je bezproblémovo funkčný iba v prípade, že brzdový piestik je schopný vratného pohybu aspoň 0,02 mm. Problematika zadierania brzdových piestikovje riešená samostatným úžitkovým vzorom.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obrázok č. 1. Opis: 1 - brzdový kotúč kotúčovej brzdy, 2 - brzdové platničky, 3 - brzdové piestiky, 4 - permanentné magnety.

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

Do celého brzdového systému kotúčovej brzdy sa oproti štandardnému stavu urobí jediný zásah: do vnútornej dutiny brzdového piestika 3 (obr. č. 1 - vľavo od brzdového kotúča 1) alebo do vonkajšej dutiny brzdového piestika 3 (obr. č. 1 - vpravo od brzdového kotúča 1) sa vloží permanentný magnet 4 s teplotou použitia minimálne 90 °C a magnetickou silou rovnajúcou sa cca trojnásobku hmotnosti brzdovej platničky 2 tak, aby svojou magnetickou silou spájal brzdovú platničku 2 s brzdovým piestikom 3 a celý systém sa zloží štandardným spôsobom.

Príklad 2

Na kovovú časť brzdovej platničky 2 kotúčovej brzdy sa upevní permanentný magnet tak, aby svojou magnetickou silou spájal brzdovú platničku 2 s brzdovým piestikom 3. Celý systém sa potom zloží štandardným spôsobom.

Príklad 3

Brzdový piestik 3 i kovová časť brzdovej platničky 2 sa vyrobia z materiálu, ktorý javí vlastnosti permanentného magnetu, alebo sa na brzdový piestik 3 aj brzdovú platničku 2 pripevní permanentný magnet. Takto vyrobené materiály sa použijú na zostavu kotúčovej brzdy tak, aby sa piestik 3 a platnička 2 navzájom priťahovali a aby sa brzdové platničky 2 z opačných strán brzdového kotúča 1 navzájom odpudzovali.

Priemyselná využiteľnosť

Kotúčová brzda s magneticky fixovanou brzdovou platničkou je využiteľná hlavne v automobilovom priemysle rovnako pri osobných, ako i nákladných automobiloch a taktiež pri motocykloch.

Claims (2)

1. Kotúčová brzda s magneticky fixovanou brzdovou platničkou pozostávajúca z brzdového kotúča (1), brzdových platničiek (2), brzdového strmeňa a brzdových valčekov s brzdovými piestikmi (3), 5 vyznačujúca sa tým, že aspoň jedna jej časť obsahuje permanentný magnet (4) alebo sama časť je permanentným magnetom.

2. Kotúčová brzda s magneticky fixovanou brzdovou platničkou podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že časťami, ktoré obsahujú permanentný magnet (4) alebo samy sú magnetom, sú brzdová platnička (2) alebo brzdový piestik (3) alebo brzdová platnička (2) i brzdový piestik (3) súčasne.