ТОРМОЗНОЙ ДИСК
BRAKE DISK

Область техники
Изобретение относится к тормозному диску, используемому в дисковом тормозе, имеющем один или более скользящих или нескользящих дисков на ступице, центральной детали, соединенной со ступицей, или на любой аналогичной детали. Настоящее изобретение относится к тормозным дискам такого типа, которые имеют зубья или т.п. на внутренней периферии.
Уровень техники
При использовании дисковых тормозов, имеющих один или более скользящих дисков, диски обычно установлены на ступице или другой центральной детали, вращающейся совместно с сопряженным колесом. Для упрощения описания термин "центральная деталь" используется в широком смысле, и его следует понимать как охватывающий любую деталь (или часть), принимающую тормозной (-ые) диск (-и), включая ступицу. Центральная деталь обычно имеет шлицы, зубья или т.п. на наружной периферии, предназначенные для взаимодействия с зубьями, шлицами или т.п. на внутренней периферии тормозного диска. Таким образом, диски зафиксированы в направлении вращения относительно центральной детали, но могут перемещаться в осевом направлении на центральной детали. На одной и той же центральной детали один или несколько дисков могут быть установлены так, что они будут зафиксированы в осевом направлении, в то время как один или несколько дисков установлены с возможностью их перемещения в осевом направлении. Поверхности контакта зубьев, шлицев или т.п. могут быть прямолинейными или изогнутыми.
В данном описании выражения "радиальный", "осевой" и аналогичные выражения используются применительно к тормозному диску. Таким образом, "осевое" - это направление оси вращения тормозного диска. "Тангенциальное направление" в используемом здесь смысле относится к направлению вращения тормозного диска. Таким образом, "тангенциальное направление" перпендикулярно "радиальному направлению", а также "осевому направлению".
В дисковом тормозе одна или более тормозных накладок и один или более тормозных дисков поджимаются друг к другу при включении тормоза. Обеспечивается взаимосвязанное вращение центральной детали, принимающей диски, и сопряженного колеса. Таким образом, торможение вращения тормозных дисков будет передаваться, приводя к торможению сопряженного колеса.
При торможении соединения между центральной деталью и дисками подвергаются механическим напряжениям, которые вызваны большими тормозными усилиями, нагревом и т.д.
Тормозной диск сильно нагревается при торможении вследствие того, что он поглощает кинетическую энергию транспортного средства. Нагрев диска приводит к тепловому расширению. Однако диск может иметь разные степени теплового расширения из-за неравномерного нагрева. Внутренняя часть, то есть часть, расположенная ближе всего к центральной детали, может нагреваться в значительно меньшей степени по сравнению с основной частью, то есть остальной частью тормозного диска. Меньший нагрев внутренней части диска часто обусловлен зубчатым соединением с центральной деталью, которое предохраняет данную зону от фактического сдавливания, изгибания и нагрева, вызванных тормозными накладками. Неравномерный нагрев приводит к тангенциальному напряжению и возможному образованию трещин в тормозном диске.
Внутренняя часть диска, имеющая зубья, обеспечивает неравномерное сопротивление вынужденному тангенциальному напряжению, вызванному неравномерным нагревом диска. Это приводит к неравномерному распределению вынужденного напряжения таким образом, что материал, находящийся непосредственно по радиусу снаружи зазоров, получит большую долю общего тангенциального напряжения.
Большие изгибные напряжения возникают у оснований зубьев при торможении. Если тормоз используется для создания большого тормозного момента, когда в тормозном диске имеет место неравномерное распределение температур, описанное выше, изгибные напряжения могут добавить дополнительное напряжение материалу, находящемуся вблизи зазоров и по радиусу снаружи по отношению к ним. Данный материал уже подвергается сильному деформированию за счет теплового расширения материала в основной части диска, и дополнительное напряжение может создать очень высокое общее напряжение материала.
Сущность изобретения
Одна цель настоящего изобретения состоит в избежании трещин в тормозном диске, вызванных неравномерными характеристиками удлинения, в максимально возможной степени. Основная проблема, связанная с тормозным диском, заключается в том, что он будет неравномерно нагреваться при торможении. Эффекты от неравномерного нагрева усиливаются за счет неравномерных характеристик удлинения диска, при этом указанные неравномерные характеристики удлинения в большой степени обусловлены наличием зубьев. Для избежания трещин вышеуказанные негативные воздействия уменьшаются в максимально возможной степени.
Одна возможность уменьшения риска образования трещин заключается в обеспечении наличия сравнительно широких зазоров между соседними зубьями.
Другая возможность заключается в уменьшении толщины материала в каждом зубе и/или в зонах вблизи зуба. В качестве альтернативы, по меньшей мере, некоторые из зон с уменьшенной толщиной материала могут быть заменены отверстиями в каждом зубе и/или в зоне вблизи зуба. Отверстия могут иметь протяженность либо в осевом, либо в радиальном направлении. Отверстия, проходящие в любом направлении, и другие зоны с уменьшенной толщиной могут быть скомбинированы многими различными способами. За счет данных мер сопротивление вынужденному напряжению в зубьях и в материале, находящемся по радиусу снаружи зубьев, будет уменьшено, и это будет способствовать распределению вынужденного напряжения более равномерным образом между материалом, находящимся снаружи зубьев, и материалом, находящимся снаружи по отношению к зазорам между зубьями. Толщина материала определяется в направлении оси вращения диска. Кроме того, толщина материала определяется как полезная толщина, то есть размеры отверстий вычитаются из габаритных наружных размеров.
Дополнительная возможность заключается в оптимизации формы оснований зубьев и основания зазора между соседними зубьями. Если радиус [закругление] у основания зуба является сравнительно большим, и основание зазора имеет прямолинейный или почти прямолинейный участок, более равномерное распределение напряжений достигается в тормозном диске. На практике основание зазора часто может иметь небольшой изгиб, обусловленный, например, технологическими операциями. Посредством надлежащего расчета радиуса перехода с соотнесением его с размером прямолинейного участка основания зазора можно уменьшить риск образования трещин.
Еще одна дополнительная возможность заключается в выполнении тормозного диска с изменяющимися свойствами для повышения его способности выдерживать напряжения. Материал в зоне зубьев может быть обработан так, чтобы он выдерживал более высокое напряжение по сравнению с материалом в остальной части диска. Тормозные диски часто изготавливают из чугуна, поскольку он обеспечивает хорошую теплопроводность. Чугун в его наиболее распространенном виде с пластинчатым графитом представляет собой хрупкий материал с низкой способностью выдерживать вынужденное напряжение. Посредством использования определенных легирующих элементов и хорошо регулируемого процесса литья чугун может быть модифицирован для получения его графитовых частиц или в виде сфер, при этом полученный чугун называют чугуном с шаровидным графитом, или в червеобразном виде, при этом полученный чугун называют уплотненным серым чугуном. На практике регулируют охлаждение при литье или горячей объемной штамповке, что в сочетании с выбором материала позволяет получить желаемый эффект, проявляющийся в разных свойствах различных частей тормозного диска.
Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными для специалиста в данной области техники после прочтения нижеприведенного подробного описания предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано дополнительно посредством примеров и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид сбоку тормозного диска согласно настоящему изобретению;
фиг.2 - частичный вид внутренней периферии диска с фиг.1 и
фиг.3 - альтернативный вариант осуществления тормозного диска согласно настоящему изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Как показано на фиг.1, тормозной диск 1 имеет ряд зубьев 2, разделенных зазорами 3. Тормозной диск 1 является круглым с наружной периферией 4 и внутренней периферией 5. Зубья 2 расположены на внутренней периферии 5 тормозного диска 1. Тормозной диск 1 устанавливают на ступице или на другой центральной детали (не показана) дискового тормоза. Зубья 2 тормозного диска 1 предназначены для взаимодействия с зубьями, шлицами или т.п. центральной детали. Диск 1 устанавливают на центральной детали с фиксацией его в направлении вращения, причем устанавливают его либо с фиксацией в осевом направлении, или с возможностью перемещения в осевом направлении. Специалисту в данной области техники понятно то, что количество зубьев 2 и зазоров 3 может изменяться для разных тормозных дисков 1. Кроме того, форма, местоположение и размер зубьев 2 и зазоров 3 могут изменяться как между разными дисками 1, так и в одном диске 1. Группы зубьев 2 могут быть, например, разделены зазорами, имеющими больший размер по сравнению с зазорами между зубьями из группы в одном и том же тормозном диске.
Тормозные накладки 11 или т.п. взаимодействуют с тормозным диском при включении тормоза, как хорошо известно в данной области техники. Специалисту в данной области техники понятно, что конструкция остальных деталей дискового тормоза может изменяться. С учетом этого дисковый тормоз как таковой не будет описан здесь подробно.
Зубья 2 показаны как имеющие прямолинейные боковые поверхности 6 зубьев. Однако изобретение не ограничено прямолинейными боковыми поверхностями 6 зубьев, и оно применимо для боковых поверхностей зубьев, имеющих любую изогнутую форму. На фиг.2 показаны ширина s зуба и шаг р. В данном описании ширина s зуба для зубьев криволинейной формы определяется как ширина по хорде у начальной окружности. Шаг р для криволинейных зубьев, само собой разумеется, также взят по начальной окружности. Начальная окружность представляет собой воображаемую окружность с радиусом, равным средней величине из радиусов воображаемых окружностей у вершин зубьев диска и у оснований зазоров между зубьями диска. Значения шага р и ширины s зуба определяют размер зазоров 3 в тангенциальном направлении. Для уменьшения риска образования трещин шаг р должен быть заметно больше ширины s зуба. Это достигается, если выполняется следующая функциональная зависимость: p>1,6s, предпочтительно p>2s и наиболее предпочтительно p>2,5s. Это приведет к уменьшению эффекта, проявляющегося в том, что материал, находящийся по радиусу снаружи по отношению к зазорам 3, воспринимает чрезвычайно большую часть общего вынужденного тангенциального напряжения.
Переход 8 у основания каждого зуба, где один зуб 2 переходит в зазор 3, имеет вид дуги с радиусом R. Основание зазора 3 между переходами 8 образует прямолинейный участок 7. Для того, чтобы получить положительный эффект от конструкции переходов 8 и прямолинейного участка 7, прямолинейный участок 7 должен иметь длину, меньшую чем 1,5R, предпочтительно меньшую чем 1,0R и наиболее предпочтительно - меньшую чем 0,6R. Даже несмотря на то, что основание зазора показано как имеющее прямолинейный участок 7, как указано выше, основание может быть слегка изогнутым.
Как показано на фиг.2, проемы или отверстия 9 могут быть образованы в зубьях 2, в зоне, находящейся непосредственно по радиусу снаружи зубьев 2 и/или в переходной зоне между зубьями 2 и основной частью тормозного диска 1. Тот же эффект достигается, если толщина материала будет уменьшена, без образования сквозного отверстия, в зоне 10 в зубьях 2, непосредственно по радиусу снаружи зубьев 2 или в переходной зоне между ними. Используемое в данном описании выражение "зона уменьшенной толщины материала" и аналогичные выражения обычно относятся как к зонам 10, не имеющим никакого сквозного отверстия, так и к зонам, имеющим отверстия 9.
На фиг.3 показаны дополнительные альтернативы, относящиеся к отверстиям. Показанные отверстия имеют протяженность в радиальном направлении. Отверстия 13 могут представлять собой сквозные отверстия, проходящие на всем расстоянии от наружной периферии 4 сквозь один зуб 2 и образующие проем 15 на стороне, обращенной внутрь. Другие отверстия 14 представляют собой глухие отверстия, проходящие по радиусу от соответствующего зуба 2 тормозного диска 1 и имеющие проем 15 на стороне, обращенной внутрь. В некоторых вариантах осуществления отверстие 13, 14 заканчивается на небольшом расстоянии от стороны, обращенной внутрь, и в этом случае зуб будет иметь непрерывную внутреннюю поверхность зуба, как показано ссылочной позицией 16. Существует возможность выполнения отверстий 13, 14 различной длины в одном и том же тормозном диске 1, не увеличивая риска образования трещин. Независимо от протяженности отверстий 13, 14 и независимо от того, заканчиваются ли они до наружной или до внутренней периферий 4, 5, они должны всегда проходить через воображаемую окружность 12 на радиусе, проходящем через низ (участок 7) зазоров, 3 между зубьями диска. Отверстия 13, 14 могут иметь круглое, овальное, квадратное или любое многоугольное поперечное сечение. Радиальные отверстия 13, 14 расположены в зубьях 2 и никогда в зазорах 3 тормозного диска 1.
Даже небольшие уменьшения толщины материала в осевом направлении являются предпочтительными. Специалисту в данной области техники понятно, что точная форма зон с уменьшенной толщиной материала может изменяться независимо от того, являются ли зоны отверстиями 9, 13, 14 или зонами 10, не имеющими сквозного отверстия. Независимо от того, используются ли отверстия 9, 13, 14 или зоны 10 уменьшенной толщины или используется комбинация отверстий 9, 13, 14 и зон 10 уменьшенной толщины, вынужденное напряжение распределяется более равномерно. Зоны 10 с уменьшенной толщиной или отверстия 9, 13, 14 обычно образуют при литье или горячей объемной штамповке диска 1, но, само собой разумеется, они могут быть получены отдельно механической обработкой. Отверстия 9, 13, 14 или зоны 10 с уменьшенной толщиной предпочтительно расположены частично на воображаемой окружности 12 на радиусе, проходящем через низ (участок 7) зазоров 3 между зубьями диска.
За счет придания материалу тормозного диска 1 различных свойств в различных частях повышается способность выдерживать нагрузку. В результате этого риск образования трещин уменьшается. У тормозных дисков 1, изготовленных из чугуна, графит может быть переведен в сферическую или червеобразную форму в зоне зубьев 2, в то время как графит основной части диска 1 имеет хлопьевидную форму. Данный эффект может быть достигнут посредством использования регулируемого охлаждения при литье в сочетании с использованием соответствующего состава материала, возможно с тщательно проверенными долями магния.
Уменьшения толщины или разные свойства материала в тормозном диске 1 должны быть предусмотрены в таком количестве и должны быть заданы и "размещены" таким образом, чтобы было достигнуто заданное преимущество в отношении расширения. В то же время не должно быть оказано слишком сильного отрицательного влияния на прочность зубьев 2 на изгиб и их способность выдерживать давление в зоне контакта.
Принимая одну или несколько из вышеперечисленных мер, значительно уменьшают риск образования трещин. Специалисту в данной области техники понятно, что вышеуказанные меры могут быть использованы в любом сочетании.