КОЛЕСНЫЙ ТОРМОЗНОЙ ДИСК
WHEEL BRAKE DISC

Изобретение относится к колесному тормозному диску в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения.
Такие колесные тормозные диски, используемые, например, в рельсовых транспортных средствах, известны из уровня техники.
В DE 4417813 оба фрикционных кольца центрированы действующими в радиальном направлении с геометрическим замыканием сухарями, так что центрирование фрикционных колец сохраняется даже при нагреве в процессе торможения. Чтобы деформация фрикционных колец из-за термической нагрузки не привела к их конической деформации, на них размещены охлаждающие ребра, посредством которых фрикционные кольца опираются на колесный диск рельсового транспортного средства. Сухари имеют встроенные радиальные шпонки в виде призматических шпонок. Последние обеспечивают смещения вследствие теплового расширения в процессе торможения. Для повышения упругости и для уменьшения степени осадки винтовые соединения, с помощью которых фрикционные кольца закреплены на колесном диске, выполнены с конусообразными зажимными шайбами.
Также публикация DE 4211847 посвящена тематике компенсации тепловых напряжений, вызванных вводом тепла в процессе торможения. Для этого предложено между соединительными средствами и стенками отверстий располагать вставленные с радиальным натяжением центрирующие кольца из упругого материала, который при нагревании в соответствии с рабочей температурой тормозного диска теряет свою консистенцию. При этом центрирующее кольцо расположено в детали, которая при нагревании расширяется. Это происходит и у фрикционных колец.
В DE 10047980 также указано на требуемое радиальное смещение соединительных болтов относительно расположенных концентрично им сухарей для компенсации обусловленного теплом расширения и сжатия.
За счет конструкции тормозного диска, образованного свинчиванием двух фрикционных колец со ступицей, расположенной симметрично между обоими фрикционными кольцами, на винтовое соединение обоих фрикционных колец тормозного диска в процессе торможения действует возникающая в результате теплового расширения тормозного диска термическая и механическая дополнительная сила.
В результате этого тормозной диск деформируется, он «пузырится» и растягивает за счет этого винт на соответствующую величину. Дополнительно тормозной диск скользит на ступице в радиальном направлении наружу.
Из-за этой дополнительной силы и связанного с ней относительного смещения диска с винтовым соединением возникают соответствующие пределы соответствующего тормозного диска в отношении интенсивности и мощности торможения. Эти параметры должны лежать в соразмерном сроку службы тормозного диска диапазоне.
Например, за счет действующего прижимного усилия винта и возникающего в результате термической нагрузки расширения тормозной диск может врезаться в колесо или ступицу. За счет этого возникает опасность износа ступицы, приводящего к полной потере натяжения винтового соединения, так что соединение больше не может выполнять свою функцию.
Кроме того, из-за дополнительного периодического растяжения винта в результате термомеханического нагружения фрикционных колец может произойти его усталостное разрушение.
В основе изобретения лежит задача создания колесного тормозного диска, который позволил бы избежать названных недостатков уровня техники.
Эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что каждое фрикционное кольцо содержит несколько расположенных по его окружности пружинящих элементов, причем в смонтированном состоянии тормозного диска пружинящие элементы расположены соответственно между фрикционными кольцами и ступицей.
В основе изобретения лежит, следовательно, идея выполнения колесного тормозного диска так, чтобы первичные винтовые соединения, т.е. то винтовое соединение, с помощью которого фрикционные кольца соединены со ступицей, были свободны от относительных движений, возникающих в результате термомеханического нагружения, а пружинящие элементы компенсировали тем самым деформацию.
Согласно изобретению пружинящий элемент выполнен так, что все возникающие относительные движения лежат по величине в диапазоне упругой деформации пружинящих элементов. Это приводит к тому, что первичное винтовое соединение тормозного диска и тем самым также пружинящие элементы не совершают никаких относительных движений в направлении ступицы за пределы зоны соединения с ней.
Кроме того, пружинящие элементы выполнены так, что момент инерции площадей может действовать в направлении окружности, в результате чего соединительные элементы за счет влияния тормозного момента деформируются лишь незначительно, однако, тем не менее, допускают радиальное расширение, т.е. параллельное смещение поверхности трения относительно колеса в результате термической нагрузки.
Другие предпочтительные выполнения предложенного тормозного диска приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Примеры выполнения предложенного тормозного диска изображены на чертежах и ниже описаны более подробно.
На чертежах представляют:
- фиг. 1: вид спереди тормозного диска из уровня техники, у которого фрикционные кольца свинчены, а для центрирования использованы сухари;
- фиг. 2: разрез тормозного диска из уровня техники на фиг. 1, у которого фрикционные кольца свинчены, а для центрирования вставлены сухари;
- фиг. 3: другой разрез тормозного диска из уровня техники на фиг. 1, у которого фрикционные кольца свинчены, а для центрирования вставлены сухари;
- фиг. 4: пространственный вид спереди фрикционного кольца с вставленными ленточными пружинящими элементами предложенного тормозного диска;
- фиг. 5: увеличенный фрагмент вида спереди из фиг. 4 фрикционного кольца с вариантом выполнения вставленных ленточных пружинящих элементов предложенного тормозного диска;
- фиг. 6: пространственный вид спереди варианта выполнения ленточного пружинящего элемента предложенного тормозного диска;
- фиг. 7: пространственный вид спереди фрикционного кольца с вставленными ленточными пружинящими элементами в другом варианте выполнения предложенного тормозного диска;
- фиг. 8: увеличенный фрагмент вида спереди из фиг. 7 фрикционного кольца с другим вариантом выполнения вставленных ленточных пружинящих элементов предложенного тормозного диска;
- фиг. 9: пространственный вид спереди другого варианта выполнения ленточного пружинящего элемента предложенного тормозного диска.
На фиг. 1-3 изображена принципиальная конструкция колесного тормозного диска 1 из уровня техники, как он используется, в частности, в рельсовых транспортных средствах. На ступице 2 колеса 3 рельсового транспортного средства симметрично ее оси симметрии расположены фрикционные кольца 4, 5. Они опираются на ступицу 2 через ребра 6. Фрикционные кольца 4, 5 свинчены со ступицей 2 винтами, выполненными в виде расширяющихся винтов. Чтобы минимизировать тепловое расширение винтового соединения, головка 7 винта опирается на втулку 8, которая через раззенковку вставлена во фрикционное кольцо 5. Гайка 9 также выполнена в виде втулки, которая через раззенковку вставлена во фрикционное кольцо 4. Геометрическое замыкание соединения создается отдельными сухарями 10.
На фиг. 4 и 5 в качестве примера изображен пространственный вид спереди фрикционного кольца 4, 5 со вставленными пружинящими элементами 13 предложенного тормозного диска 1. Фрикционное кольцо 4, 5 имеет со стороны ступицы ребра или кулачки 14-19 разной геометрической формы, которые по отношению к ступице возвышаются в радиальном направлении и проходят, в основном, в осевом направлении. Ребра или кулачки 14-19 расположены на фрикционном кольце 4, 5 двумя определенными повторяющимися узорами, которые выполнены по его окружности многократно с целочисленным шагом, преимущественно шесть раз. Первый узор образован ребрами 14-16, а второй - кулачками 17-19. Узоры отделены друг от друга пружинящим элементом 13, так что при 6-кратном шаге узоров равномерно по окружности фрикционного кольца 4, 5 расположены двенадцать пружинящих элементов 13. В принципе, согласно изобретению, по окружности фрикционного кольца 4, 5 можно также расположить меньше или больше двенадцати пружинящих элементов 13 и тем самым расположить также узоры больше или меньше шести раз.
Геометрическая форма ребер или кулачков 14-19 выбрана так, что деформация фрикционного кольца 4, 5 вследствие введенного в процессе торможения тепла в осевом по отношению к колесу 3 направлении по величине происходит максимально равномерно. Кроме того, геометрическая форма ребер или кулачков 14-19 выбрана так, что при вращении колеса 3 происходит максимально высокий теплоотвод за счет конвекции. Далее ребра или кулачки 14-19 выполнены, в принципе, так, что они прилегают к ступице 2 только своими обоими концами 20, благодаря чему за счет геометрического выполнения ребер или кулачков 14-19 до минимума уменьшается ввод тепла фрикционными кольцами 4, 5 в ступицу 2.
Узор, образованный ребрами 14-16, является симметричным узором, линия симметрии которого образована линией симметрии ребра 15. Ребро 15 является прямым ребром, проходящим в лучеобразно-радиальном по отношению к колесу 3 направлении. Ребро 15 имеет на своем среднем участке меньшую высоту, чем на своих обоих концах 20, так что ребро 15 касается ступицы 2 только своими концами 20. С обеих сторон на расстоянии от ребра 15 проходят ребра 14 и 16. Оба ребра 14, 16 имеют дугообразный средний участок меньшей высоты, чем их соответствующие концы 20. Углубленный средний участок ребер 14, 16 продолжается в направлении их концов 20 за пределы дуги. Вершина дуги среднего участка ребер 14, 16 обращена к ребру 15, в результате чего образуется симметричный узор, линия симметрии которого образована линией симметрии ребра 15.
Узор, образованный кулачками или ребрами 17, 18 и 19, является симметричным узором, линия симметрии которого образована линией симметрии ребра 18. Ребро 18 имеет средний кулачковый участок, причем ребро 18 проходит, в целом, в лучеобразно-радиальном по отношению к колесу 3 направлении. Ребро 18 имеет на своем среднем участке меньшую высоту, чем на своих обоих концах 20, так что ребро 18 касается ступицы 2 только своими концами 20. Углубленный средний участок ребра 18 проходит при этом ступенчато, так что средний участок в кулачковой средней части ребра 18 имеет меньшую глубину, чем обе его части, лежащие вне кулачкового среднего участка ребра 18. При этом через кулачковую среднюю часть проходит пазообразное углубление, ширина которого соответствует ширине частей ребра 18, находящихся вне его кулачковой средней части. С обеих сторон ребра 18 на расстоянии от него проходят пары 17, 19 кулачков. Обе пары 17, 19 имеют основную геометрическую форму, соответствующую ребру 15, причем высота среднего участка пар 17, 19 совпадает с высотой обращенной к ступице плоскости фрикционных колец 4, 5, от которой возвышаются ребра или кулачки 14-19, так что образуются не сплошные ребра, а по две пары 17, 19 кулачков. Соответствующий внутренний участок кулачков одной пары 17, 19 имеет меньшую высоту, чем концевой участок 20 соответствующего кулачка, так что в смонтированном состоянии фрикционных колец 4, 5 на ступицу 2 опирается только соответствующий концевой участок 20 кулачка.
Углубленная средняя часть ребер 14-16, углубленный участок обеих частей ребра, лежащих вне его кулачкового среднего участка ребра 18, и углубленные участки пар 17, 19 кулачков имеют соответственно одинаковую глубину по отношению к плоскости контакта фрикционного кольца 4, 5 со ступицей 2 и одинаковую с фрикционным кольцом 4, 5 ширину в радиальном по отношению к ступице 2 направлении. При этом углубление выполнено соответственно симметричным относительно ширины фрикционного кольца 4, 5, так что площадь соприкосновения соответствующих ребер или кулачков 14-19 минимальная, однако достаточно велика, чтобы поддерживать приемлемым удельное давление между фрикционным кольцом 4, 5 и ступицей 2.
Между ребрами или кулачками 16, 17 и между ребрами или кулачками 19, 14 в варианте, представленном на фиг. 4-6, на фрикционных кольцах 4, 5 попарно расположены кулачки 21, 22. Кулачок 21 обработан на своей радиальной по отношению к колесу 3 внешней стороне, а кулачок 22 - на своей радиальной по отношению к колесу 3 внутренней стороне, причем осевое ограничение обработки образовано массивной частью фрикционного кольца 4, 5, в результате чего в осевом направлении возникает соответствующий уступ обработанной поверхности.
Пружинящий элемент 13 в этом варианте, отдельно изображенный на фиг. 6, является изготовленной из плоского или полосового материала согнутой деталью и имеет геометрическую форму, образованную, в основном, тремя «плато» 23-25, соединенными между собой двумя «долинами» 26, 27, причем оба конца пружинящего элемента 13 образованы двумя коленами 28, 29. «Плато» 23-25 лежат в одной горизонтальной плоскости и в смонтированном состоянии тормозного диска 1 прилегают тем самым к ступице 2. Колена 28, 29 за счет отгиба на 90° примыкают к соответствующим внешним «плато» 23, 25 и имеют по отношению к колесу 3 осевую длину, которая больше глубины t «долин» 26, 27. За счет этого дно каждой «долины» не прилегает к фрикционному кольцу 4, 5. Благодаря геометрической форме пружинящего элемента 13 возникает ось симметрии, проходящая вертикально через «плато» 24, причем возможно также несимметричное выполнение пружинящего элемента 13. Через отверстие 30, ось симметрии которого на фиг. 4 и 5 совпадает с осью симметрии пружинящего элемента 13, в смонтированном состоянии фрикционных колец 4, 5 проходит винт (не показан), с помощью которого фрикционные кольца 4, 5 закреплены на ступице 2, в результате чего образуется первичное винтовое соединение фрикционных колец 4, 5 со ступицей 2. В соответствии с этим фрикционные кольца 4, 5 также имеют коаксиальное отверстию 30 отверстие 31.
На обработанные поверхности кулачков 21, 22 в осевом по отношению к колесу 3 направлении опираются колена 28, 29 пружинящего элемента 13, которые образуют его внешнее ограничение в радиальном по отношению к колесу 3 направлении. Пружинящий элемент 13 через колена 28, 29 и соответствующие отверстия 32, 33 с помощью подходящих соединительных элементов (не показаны) соединены с кулачками 21, 22.
Пружинящие элементы 13 выполнены, согласно изобретению, так, что любые возникающие относительные движения лежат по величине в области их упругой деформации. Это приводит к тому, что первичные винтовые соединения тормозного диска 1 не совершают никакого относительного движения в направлении параллельно ступице 2, а это полностью предотвращает ее износ.
Кроме того, пружинящие элементы 13 выполнены, согласно изобретению, так, что их максимальный момент инерции площадей может действовать в направлении окружности, в результате чего пружинящие элементы 13 за счет влияния тормозного момента деформируются лишь незначительно, однако, тем не менее, допускают радиальное расширение, т.е. параллельное смещение поверхности трения относительно колеса в результате термической нагрузки.
На фиг. 7 изображен другой вариант фрикционного кольца 4, 5 со вставленными пружинящими элементами 34 тормозного диска 1.
В отличие от варианта, представленного на фиг. 4-6, пружинящий элемент 34, также являющийся изготовленной из плоского или полосового материала согнутой деталью, также имеет «плато» 24-26, однако «плато» 25 лежит выше «плато» 24, 26, так что в смонтированном состоянии тормозного диска 1 пружинящий элемент 34 прилегает к ступице 2 только с помощью «плато» 25. Кроме того, «плато» отделены друг от друга не «долинами» 26, 27, а переходами 35, 36, которые соединяют между собой разные уровни «плато» 25 и оба «плато» 24 и 26.
«Плато» 24, 26 имеют на концах по меньшей мере по два свободных гармоникаобразных витка 37 полосовой стали, которые проходят в осевом по отношению к колесу направлении и действуют в качестве пружины. Витки 37 заканчиваются свободными концами 38, 39, которые залиты во фрикционное кольцо 4, 5 и, таким образом, соединены с ним с материальным замыканием. Благодаря этому отпадает необходимость отдельного закрепления пружинящего элемента 34 через кулачки 21, 22, как в случае пружинящего элемента 13.
В другом варианте (не показан) пружинящие элементы 34 отлиты за одно целое с фрикционными кольцами 4, 5 посредством соответствующих сердечников. Это возможно, в частности, при изготовлении фрикционных колец 4, 5 из пластичного литого материала, например чугуна с шаровидным графитом.
Для улучшения шумопоглощающих свойств фрикционных колец 4, 5 пружинящие элементы 13, 34 могут быть выполнены, согласно изобретению, также двухслойными. Возникающие в процессе торможения колебания фрикционных колец 4, 5 и появляющийся в результате этого корпусной шум эффективно поглощаются за счет трения двух слоев пружинящих элементов друг о друга.
Перечень ссылочных позиций
1 - колесный тормозной диск
2 - ступица колеса
3 - колесо
4 - фрикционное кольцо
5 - фрикционное кольцо
6 - ребро
7 - головка винта
8 - втулка
9 - гайка
10 - сухарь
11 - паз
12 - кольцо
13 - пружинящий элемент
14 - ребро
15 - ребро
16 - ребро
17 - пара кулачков
18 - ребро
19 - пара кулачков
20 - конец
21 - кулачок
22 - кулачок
23 - плато
24 - плато
25 - плато
26 - долина
27 - долина
28 - колено
29 - колено
30 - отверстие
31 - отверстие
32 - отверстие
33 - отверстие
34 - пружинящий элемент
35 - переход
36 - переход
37 - виток
38 - свободный конец
39 - свободный конец