КОНСТРУКЦИЯ КОЛОДКИ С ОПТИМИЗИРОВАННЫМ ИЗНОСОМ
DESIGN OF SHOE WITH OPTIMIZED WEAR

Область техники
Изобретение относится к дисковым тормозам транспортных средств, в частности, к тормозным колодкам дисковых тормозов, таких как пневматические дисковые тормоза грузовых транспортных средств.
Уровень техники
На фиг. 1 показан пример пневматического дискового тормоза грузового транспортного средства. Дисковый тормоз 1 содержит тормозной диск 2, вращающийся в направлении A вокруг его оси вращения B. Тормозная скоба 3, охватывающая тормозной диск 2, прикреплена к держателю 4, который зафиксирован на оси транспортного средства, обычно посредством несущей пластины или тормозного кронштейна (не показан). В этом изобретении держатель 4 принимает и удерживает как скобу 3, так и тормозные колодки 6. Тормозной суппорт 3 приводится в действие пневмоприводом (не показан), установленным на установочной поверхности 5 этого суппорта. При замедлении транспортного средства привод действует на механизм прикладывания тормозных колодок, содержащегося внутри тормозного суппорта 3, для прижатия тормозных колодок 6 к тормозному диску 2. Заявленное изобретение не ограничено определенным типом тормозного привода, например, может быть использован пневматический привод или электрический приводом. Изобретение также не ограничено определенным типом установочной конструкции тормозного суппорта. Например, тормозной суппорт может быть неподвижно установлен на кронштейне или может быть раздвижным суппортом.
В дисковом тормозе, например, грузового транспортного средства тормозные колодки обычно имеют по существу прямоугольную форму, частично из-за ограничений, связанных с размером и конфигурацией компонентов дискового тормоза (дискового тормоза, который должен находиться в сильно ограниченном пространстве, образованно ободом колеса), и частично из-за стоимости и конструктивных ограничений, дополнительно рассмотренных ниже. Пример такой тормозной колодки показан на фиг. 4.
Общая особенность известной тормозной колодки 20 заключалась в том, что она содержит по существу параллельные боковые стороны 22, 23, т.е. стороны тормозной колодки, обращенные в окружном направлении тормозного диска к смежным упорным поверхностям держателя тормозной колодки, параллельны друг другу. По существу прямоугольная форма может подразумевать, что радиально внутренняя и радиально наружная стороны 24, 25 тормозной колодки могу быть слегка изогнуты так, чтобы они в целом следовали кривизне тормозного диска, как показано на фиг. 4, или радиально наружная сторона следовала форме смежной наружной области тормозного суппорта (не показано). В тормозных дисках грузовых транспортных средств обычно используют параллельные боковые стороны тормозной колодки, частично из-за практических соображений изготовления (например, благодаря более дешевой механической обработке упорных поверхностей тормозной колодки и параллельных сторон опорных пластин тормозных колодок) и частично из-за конструктивных причин обеспечения адекватных характеристик прочности, износа и поглощения силы торможения.
По существу прямоугольная форма известных колодок дискового тормоза грузовых транспортных средств имеет в целом постоянную ширину и высоту профилей от одной боковой стороны до другой боковой стороны этой тормозной колодки. Такая форма тормозной колодки обладает некоторыми недостатками, проявляющимися при торможении. Среди них - тот факт, что удельная энергия торможения, передающаяся от тормозного диска к тормозной колодке, является непостоянной по высоте в радиальном направлении тормозной колодки. Передача энергии изменяется в зависимости от высоты в радиальном направлении относительно оси вращения тормозного диска (т.е. тормозной момент изменяется в зависимости от расстояния до оси вращения тормозного диска, т.к. сила, умноженная на расстояние, равна крутящему моменту), и в зависимости от длины поверхности трения фрикционного материала тормозной колодки при различных высотах в радиальном направлении. В результате этого передача энергии к тормозной колодке и получающийся в результате локальный износ тормозной колодки являются непостоянными вдоль лицевой поверхности фрикционного материала. Это может приводить к преждевременному износу фрикционного материала в некоторых областях тормозной колодки и, следовательно, сокращать время до того момента, когда тормозная колодка должна быть заменена.
Задачей изобретения является решение этой и других проблем посредством создания тормозной колодки с более эффективным и равномерным распределением передачи энергии торможения по лицевой поверхности материала накладки тормозной колодки. Изобретение обеспечивает возможность более равномерного износа материала накладки колодки и, таким образом, продления тем самым срока службы тормозной колодки. Улучшенные характеристики тормозной колодки также обеспечивает уменьшение общего размера тормоза за счет использования тормозных колодок меньшего размера при обеспечении удовлетворительного торможения.
Раскрытие изобретения
Согласно изобретению, материал накладки тормозной колодки и удерживающая его опорная пластина имеют в целом дугообразную форму, согласно которой ширина радиально наружной части материала накладки в окружном направлении больше ширины радиально внутренней части материала накладки тормозной колодки. Предпочтительно ширина материала накладки тормозной колодки, определяемая в зависимости от радиального расстояния до оси вращения тормозного диска, ограничивается боковыми сторонами материала накладки, которые по существу проходят вдоль радиусов, пересекающихся на или около оси вращения тормозного диска. Боковые стороны тормозной колодки не обязательно должны быть точно совмещены с радиальными линиями, идущими от оси вращения; согласно изобретению в радиально наружной области тормозной колодки ширина материала накладки является наибольшей, а ширина в радиально внутренней области материала накладки - наименьшей. Чем ближе пересечение радиусов к центру тормозного диска, тем более эффективно распределение энергии по поверхности раздела между колодкой и диском.
Другим дополнительным преимуществом изобретения является то, что благодаря уменьшенной ширине радиально внутренней области тормозной колодки обеспечивается возможность столкновения поверхностей держателя тормозной колодки с боковыми сторонами тормозной колодки вдоль линии, наиболее близкой к перпендикуляру к радиусу, идущему от оси вращения. Такая конструкция обеспечивает возможность передачи тормозных усилий между боковой стороной тормозной колодки и упорной поверхностью держателя колодки вдоль или около нормали к опорной линии. Благодаря этому обеспечивается более равномерное распределение опорных сил по упорной поверхности, т.е. более равномерные (и, таким образом, меньшие) контактные давления, способствующие минимизации вибрации тормозной колодки и связанного с этим шума при торможении, повышению усталостной долговечности и уменьшению износа компонентов.
Кроме того, такая конструкция способствует уменьшению эффекта «отбрасывания колодки» в месте поворота тормозной колодки, который может вызывать при применении тормоза нежелательный шум из-за вибрации колодки, увеличение усталостного повреждения удерживающей детали стандартной тормозной колодки, (например, плоских пружин для прижатия колодки), увеличение износа и повреждение тормозной колодки и/или несущей конструкции тормозного суппорта. На фиг. 4 показано отбрасывание колодки. Когда тормозную колодку 101 прижимают к поверхности трения тормозного диска (не показано), вращающегося по направлению DR, такое вращение тормозного диска вызывает перемещение тормозной колодки 101 и появление сил реакции между ней и смежными несущими упорными поверхностями (не показаны). В ответ на действие сил трения вдоль поверхности тормозной колодки (показаны стрелками, обозначающими силы, действующие на поверхность тормозной колодки 101) передний край 102 тормозной колодки стремится переместиться вверх по направлению LUа задний край 103 тормозной колодки стремится переместиться вниз по направлению TD. Поскольку движение тормозной колодки 101 ограничено смежными несущими упорными поверхностями, общее перемещение тормозной колодки представляет собой в целом поворот относительно оси, параллельной оси вращения тормозного диска. Такое перемещение может быть односторонним во время торможения, или может проявляться в виде от умеренных до сильных колебаний тормозной колодки в ее месте крепления, что вызывает значительное увеличение износа тормозной колодки и прилегающих несущих поверхностей.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что несущая функция тормозной колодки может быть обеспечена посредством крепления тормозного суппорта, сконструированного с возможностью удерживания тормозных колодок, или посредством держателя тормозной колодки, который отделен от несущей конструкции суппорта. Для удобства в дальнейшем описании, термины «кронштейн суппорта», «опора суппорта» и «держатель тормозной колодки» могут быть взаимно заменены без ограничения несущей конструкции тормозной колодки какой-либо конкретной тормозной колодкой и несущей конструкцией тормозного суппорта.
Дополнительным преимуществом изобретения является то, что уменьшенная ширина радиально внутренней области тормозной колодки позволяет сместить ближе друг к другу удерживающие элементы тормозной колодки, такие как в заявке US 14/640152, для обеспечения дополнительного сокращения размеров компонентов дискового тормоза. При этом из-за увеличения площади поверхности накладки тормозной колодки сохраняется и/или усиливаются необходимые тормозные характеристики с сохранением общего размера тормоза внутри пространства, ограниченного ободом колеса и другими расположенными поблизости компонентами.
Другие особенности и преимущества изобретения станут более понятными из дальнейшего описания со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан известный тормозной диск, вид в перспективе;
на фиг. 2 - тормозная колодка согласно изобретению, вид в перспективе;
на фиг. 3 - тормозная колодка по фиг. 2, вид спереди;
на фиг. 4 - известная по существу прямоугольная тормозная колодка с пометками, иллюстрирующими ее перемещение при торможении, вид спереди;
на фиг. 5 - вариант выполнения держателя тормозной колодки по фиг. 2, вид спереди.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 2, тормозная колодка 10 согласно изобретению содержит опорную пластину 11 с прикрепленным к ней фрикционным материалом 19. Как показано на фиг. 3, боковые стороны 12 и 13 тормозной колодки 10 по существу проходят по радиусам, проведенным от оси вращения тормозного диска 2 (не показан). Радиально внутренняя сторона 14 и радиально наружная сторона 15 тормозной колодки 10 слегка изогнуты, в целом следуя кривизне тормозного диска.
В этом варианте выполнения опорная пластина тормозной колодки содержит боковые выступы 16, выполненные с возможностью сцепления с соответствующими удерживающими элементами в держателе 4 тормозной колодки, подробно описанным в заявке US 14/640152, таким образом, чтобы даже при отсутствии каких-либо дополнительных удерживающих тормозную колодку средств однажды зацепленная с приемными элементами держателя тормозная колодка жестко удерживалась бы внутри дискового тормоза. Опорная пластина 20 в этом варианте выполнения также содержит радиально наружные элементы с крючками 17, выполненными для приема концов приспособлений подавления вибрации тормозной колодки и/или реагирующих приспособлений, таких как плоские пружины (не показаны), и прорезь 18 для приема датчика износа (не показан) тормозной колодки. Боковые выступы опорной пластины тормозной колодки, крючки и прорезь для датчика износа относятся к этому варианту выполнения, но они не являются обязательными для изобретения.
B
1
2
1
2
B1
B2
На фиг. 3 схематично показана тормозная колодка по варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 2. Как показано на фиг. 3, угол, охватываемый дугой материала 30 колодки с центром на оси вращения O, представляет собой угол φ тормозного диска. Наружным и внутренним радиусами материала колодки являются r и r, соответственно. Приращение площади, используемое в интегральных вычислениях ниже, на которую оказывают давление P (P), составляет dA (dA).
При использовании этих условных обозначений, передача энергии к тормозной колодке от тормозного диска в каждом приращении площади dA выражается:
где , а
Удельная энергия при любом радиусе r составляет:
Приращение площади составляет:
и, таким образом, передача удельной энергии составляет:
где K является константой.
Известно, что скорость износа материала тормозной колодки и давление, создаваемое между тормозным диском и материалом колодки, соотносятся как 1:1:
где h - износ колодки;
P - прикладываемое давление;
K - коэффициент износа (зависит от материала);
v - скорость.
Давление и износ, таким образом, прямо пропорциональны.
Функция распределения давления (и, таким образом, износ материала колодки) может быть получена из уравнения передачи удельной энергии:
Использование этих зависимостей позволяет определить относительную разницу в износе двух форм тормозных колодок. Сохраняя другие переменные постоянными, соотношение давлений (и износа) между двумя формами колодки может быть представлено в виде:
Сравнение тормозной колодки согласно изобретению с тормозной колодкой по существу прямоугольной формы показывает, что, при одинаковых внутренней и наружной радиальных высотах, когда обе тормозные колодки обеспечивают одинаковое усилие торможения, за счет большей длины дуги в радиально наружной области тормозной колодки согласно изобретению обеспечивается создание большей силы торможения при меньшем локальном давлении по сравнению с по существу прямоугольной тормозной колодкой, при этом одновременно уменьшается усилие торможения, требующееся от материала колодки в радиально внутренней области тормозной колодки.
B
1
2
Например, при сравнении известной по существу прямоугольной тормозной колодки с тормозной колодкой согласно изобретению выявлено, что у тормозной колодки согласно изобретению длина дуги в радиально наружной области тормозного диска больше на 20 см (угол φ дуги составлял приблизительно пять градусов, что определено радиусом тормозного диска и исходной длиной дуги известной прямоугольной тормозной колодки). Несмотря на 4%-ное уменьшение общей площади поверхности тормозной колодки «клинообразной формы» согласно изобретению, происходит перераспределение прикладываемого давления торможения, а усилие торможения, получающееся в результате изменения распределения материала по высоте в радиальном направлении тормозной колодки, в результате приводит при одинаковых силах торможения к сокращению отношения P/P давлений торможения в соотношении 1,31:1. Другими словами, несмотря на уменьшение площади материала тормозной колодки, при использовании конструкции тормозной колодки согласно изобретению скорость износа уменьшается на 31% по сравнению с известной по существу прямоугольной тормозной колодкой.
На фиг. 5 показан предпочтительный вариант выполнения держателя 26 для тормозной колодки по фиг. 2. Держатель имеет упорные поверхности 27 для поддерживания тормозной колодки 10 в окружном направлении при воздействии возникающих при торможении между тормозным диском и тормозными колодками сил реакции. Этот вариант выполнения является предпочтительным, однако не обязательно менять держатель для получения преимуществ настоящего изобретения. В результате того, что боковые стороны 12 и 13 тормозной колодки 10 (и, следовательно, упорные поверхности 27) по существу проходят по радиусам, проведенным от оси вращения тормозного диска, передача тормозных усилий между задним краем тормозной колодки 10 и держателем 26 происходит по существу параллельно касательной к направлению вращения тормозного диска (т.е. поперек поверхности, перпендикулярной к направлению вращения), таким образом минимизируя силы, стремящиеся сдвинуть задний край тормозной колодки радиально наружу относительно смежной упорной поверхности 27 держателя. Как показано на фиг. 5, держатель также содержит приемные элементы 28, имеющие форму дополняющую форму боковых выступов 16 тормозной колодки 10 для их размещения и жесткого удержания тормозной колодки внутри дискового тормоза.
Описание представлено для пояснения изобретения и не ограничивает его. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в описанных вариантах выполнения возможны различные изменения, которые не выходят за объем изобретения, определяемый его формулой.
Ссылочные позиции
1 - Дисковый тормоз
2 - Тормозной диск
3 - Суппорт
4 - Держатель
5 - Лицевая поверхность кронштейна исполнительного механизма скобы
6 - Тормозные колодки
10 - Тормозная колодка
11 - Опорная пластина тормозной колодки
12, 13 - Боковые стороны тормозной колодки
14 - Радиально внутренняя сторона тормозной колодки
15 - Радиально наружная сторона тормозной колодки
16 - Боковые выступы опорной пластины
17 - Радиально наружные удерживающие крючки
18 - Прорезь для датчика износа в радиально наружной стороне опорной пластины
19 - Фрикционный материал тормозной колодки
20 - Тормозная колодка
22, 23 - Боковые стороны тормозной колодки
24 - Радиально внутренняя сторона тормозной колодки
25 - Радиально наружная сторона тормозной колодки
26 - Держатель
27 - Упорные поверхности держателя тормозной колодки
28 - Приемные элементы держателя
101 - Тормозная колодка
102 - Передний край тормозной колодки
103 - Задний край тормозной колодки