ТОРМОЗНОЙ ДИСК С ПОКРЫВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ, ОХЛАЖДАЕМЫЙ В ОСЕВОМ И РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИЯХ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Данное техническое решение относится к конструкции тормозного диска с покрывным элементом, охлаждаемого в осевом и радиальном направлениях, особенно подходящего для автомобилей гонок формульного типа, гоночных и спортивных автомобилей, летательных аппаратов и другой техники, содержащей дисковые тормоза с крайне высокой необходимостью в охлаждении.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В тормозных системах транспортных средств и другой техники с вращающимися колесами в настоящее время широко используются тормозные диски (в американском варианте называемые также тормозными роторами), которые располагаются с задней стороны колесного диска, где они присоединяются к ступице колеса и согласуются с тормозными колодками. Во время торможения, интенсивное трение между тормозным диском и соответствующими фрикционными колодками создает значительное количество тепловой энергии, которая вызывает существенное увеличение температуры, особенно температуры тормозного диска. Чрезмерное увеличение температуры может вызывать серьезные неполадки тормозной системы, а также снижать безопасность эксплуатации транспортного средства или работы соответствующего оборудования. В частности, это может привести к искажению формы и даже искривлению тормозного диска, к пробою тормозного диска или его оплавлению. Устранение этих дефектов или их предотвращение связано с необходимостью замены тормозных дисков, тормозных колодок и т.д., что представляет значительные расходы, затраты времени и потребность во временном выводе оборудования из эксплуатации. В связи с этим, проблемам охлаждения тормозного диска уделяется значительное внимание.
Автомобили Формулы-1, гоночные автомобили, спортивные автомобили и самолеты представляют собой устройства, для которых эта проблема является особенно важной. Для этих типов транспортных средств рабочая температура при торможении на высокой скорости достигает 1000°C, и, таким образом, потребность в быстром и высококачественном охлаждении тормозных дисков крайне актуальна. Эти транспортные средства представляют собой специализированное оборудование, и в этом случае ремонт может быть выполнен только в специализированных и специально оборудованных мастерских, поэтому необходимо либо доехать до подходящего сервисного центра, либо транспортировать оборудование для ремонта на большие расстояния, что увеличивает стоимость и затраты времени для владельца или водителя этих транспортных средств. Перерывы в работе для этого случая весьма нежелательны, а потребность в надежности, даже при экстремальных нагрузках, особенно высока.
Охлаждение тормозных дисков обычно достигается посредством направленных потоков охлаждающего воздуха. Подача воздуха к диску производится через воздухозаборник, который содержит систему воздушных каналов, которые выходят в ступицу колеса. Ступица колеса содержит по меньшей мере один воздушный канал для прохода воздуха, который ведет в центр тормозного диска. Конструкция тормозных дисков выбирается так, чтобы обеспечивать возможность протекания охлаждающего воздуха через тело диска. Существующие тормозные диски не имеют каких-либо покрывных элементов, и поэтому охлаждающий воздух протекает через них непосредственно в пространство колесного диска, откуда он имеет свободный выход в окружающее пространство. Пропускаемость (проходимость) дисков для воздуха в настоящее время достигается посредством осевых (расположенных в осевом направлении) систем воздушных каналов, проходящих через цельное тело тормозного диска, либо посредством радиальных (расположенных в радиальном направлении) лопаток, созданных в полом диске, когда для прохода воздуха используется только пространство между этими лопатками. Радиальные лопатки являются прямыми или изогнутыми.
Упомянутый выше уровень техники кратко описан, например, в заявке CZ PV 2006-202 компании Skoda Auto a.s. В этой заявке предложено достигать внутреннего охлаждения тормозного диска посредством трех типов каналов, которые выполняются в являющемся в обратном случае цельном массиве диска в форме кольца, а именно, осевых каналов, радиальных каналов, и каналов в форме спирали, закрученной вокруг радиальной оси o. В этом случае тормозной диск принимает форму кольца, в виде кольцеобразного тела, находящегося между двумя цилиндрическими поверхностями, то есть между входной цилиндрической поверхностью и выходной цилиндрической поверхностью. Боковые стенки диска называют в данном случае боковыми фрикционными поверхностями. Входная цилиндрическая поверхность, выходная цилиндрическая поверхность, и боковые фрикционные поверхности ограничивают тело тормозного диска. Тормозной диск закрепляется в рабочем положении посредством буртика. Входная цилиндрическая поверхность и выходная цилиндрическая поверхность соединены осью o, вокруг которой закручена спираль, причем на этой спирали расположен центр тяжести поперечного сечения радиального охлаждающего канала. Осевые каналы соединены с радиальными каналами посредством упомянутой спирали. Недостаток этого решения состоит в упомянутом выше взаимном соединении всех типов каналов, поскольку это вызывает смешивание потоков охлаждающего воздуха, горячих с холодными, что значительно уменьшает эффективность охлаждения.
Конструкция известного лопаточного тормозного диска описана, например, в патенте CZ 140297. Этот тормозной диск выполнен в виде двух пластин, имеющих форму круговых колец, которые соединены посредством по существу радиальных ребер, формирующих лопатки, между которыми возможен проход охлаждающего воздуха в межлопаточное пространство. В данном случае имеется существенный недостаток, заключающийся в том, что упомянутая выше конструкция допускает только прямолинейный поток охлаждающего воздуха в радиальном направлении от оси вращения тормозного диска, что приводит к низкой эффективности охлаждения и необходимости подачи большого количества охлаждающего воздуха.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Упомянутые выше недостатки в значительной степени устранены в предложенной полезной модели.
Предложен тормозной диск с охлаждением и в осевом, и в радиальном направлении, оборудованный покрывным элементом, предназначенный, как часть тормозной системы, для использования в транспортных средствах с лопаточными дисковыми тормозами, в частности, для гоночных и спортивных автомобилей, включая автомобили для гонок формульного типа, а также для летательных аппаратов. В полезной модели значительно усовершенствован существующий тормозной диск, который предназначен для установки в области ступицы колеса автомобиля или других транспортных средств, такого типа, в котором тормозной диск выполнен в виде тела с двумя боковыми стенками кольцеобразной формы, между которыми расположена полость, содержащая систему лопаток, называемых в дальнейшем основными лопатками, и межлопаточное пространство. Основные лопатки выполнены, например, в виде лопастей прямой или изогнутой формы, эллиптической формы и т.д. Межлопаточное пространство, находящееся между лопатками, создает теплообменную поверхность и имеет форму и размеры, обеспечивающие возможность прохода охлаждающего воздуха. Это пространство проходит между смежными лопатками от центральной части тормозного диска к его периферии. К центральной области тормозного диска подходит впускной канал для охлаждающего воздуха, который выходит в межлопаточное пространство. Сущность нового решения состоит в том, что в самом тормозном диске упомянутого выше типа создан по меньшей мере один сквозной канал, проходящий через тело диска и выходящий одним своим концом в одну боковую стенку, а другим своим концом - во вторую боковую стенку тормозного диска, причем упомянутый канал проходит по меньшей мере через одну основную лопатку тормозного диска под углом к межлопаточному пространству. Особенность нового решения состоит в том, что одновременно с этим, по меньшей мере часть тела тормозного диска оборудована неподвижным покрывным элементом, содержащим систему дополнительных лопаток, причем упомянутые дополнительные лопатки установлены внутри покрывного элемента в пространстве, расположенном по периферии тела тормозного диска.
Тормозной диск предпочтительно имеет систему сквозных каналов, выполненных внутри него, причем общее количество этих каналов равно по меньшей мере двум и проходят они по меньшей мере через одну основную лопатку тормозного диска.
Предпочтительным альтернативным вариантом предложенному решению является расположение каналов во всех основных лопатках, в предельном случае в количестве по меньшей мере одного канала в каждой основной лопатке тормозного диска. Однако намного более предпочтительно, чтобы каждая основная лопатка включала в себя большее количество каналов, как описано более подробно далее.
Другим предельным альтернативным вариантом предложенному решению является расположение каналов только в одной основной лопатке, но в количестве двух или более штук. Предпочтительно, чтобы каналы располагались в большем числе лопаток или во всех основных лопатках, в количестве по меньшей мере двух каналов по меньшей мере в одной основной лопатке тормозного диска.
Каналы, которые имеются в основной лопатке в количестве двух или более, располагаются в основной лопатке предпочтительно в ряд или рядами. В сечении, проходящем через основную лопатку, отверстия этих каналов расположены по меньшей мере в одном ряду, проходящем в направлении от центра тормозного диска к его периферии, причем внутренний диаметр каналов предпочтительно увеличивается с увеличением расстояния от центра тормозного диска.
В оптимальной конструкции согласно предложенному решению каналы выполнены во всех основных лопатках тормозного диска, всегда по меньшей мере в один ряд, в котором каналы предпочтительно имеют диаметр, увеличивающийся с увеличением расстояния от центра тормозного диска. В каждом ряду имеется от 2 до 105 каналов.
Число дополнительных лопаток, расположенных в покрывном элементе, предпочтительно, по меньшей мере, равно числу основных лопаток в тормозном диске, или более.
Дополнительные лопатки предпочтительно оборудованы поверхностями динамического воздействия, которые направлены против направления потока охлаждающего воздуха из межлопаточного пространства.
Все лопатки, т.е. как основные лопатки, так и дополнительные лопатки, предпочтительно изогнуты, причем изгиб дополнительных лопаток предпочтительно ориентирован в направлении, противоположном направлению изгиба основных лопаток.
Покрывающий элемент содержит опорную стенку, расположенную предпочтительно со стороны ступицы колеса, периферийную стенку, расположенную на некотором расстоянии от периферийной части тела тормозного диска, и два буртика. Первый буртик выступает из периферийной стенки вокруг боковой стенки тормозного диска по направлению к боковой стороне тормозного диска, напротив той стороны, где расположена опорная стенка, а второй буртик выступает из конца опорной стенки в направлении другой боковой стенки тормозного диска, причем оба буртика находятся на некотором расстоянии напротив соответствующей боковой стенки тормозного диска.
Дополнительные лопатки установлены внутри покрывного элемента предпочтительно посредством крепления одного их бокового конца или обоих боковых концов к покрывному элементу, причем имеется по меньшей мере один основной зазор между каждой дополнительной лопаткой и периферийной стенкой покрывного элемента, и имеется по меньшей мере один дополнительный зазор между тормозным диском и опорной стенкой покрывного элемента.
Дополнительный зазор проходит рядом с тормозным диском, по меньшей мере от отверстия канала, расположенного наиболее далеко от центра тормозного диска, до отверстия канала, расположенного наиболее близко к центру тормозного диска, и сообщается с пространством основного зазора.
Пространство вокруг периферии тормозного диска предпочтительно сообщается с пространством в каналах посредством основных и дополнительных зазоров в покрывном элементе, тогда как пространство в каналах имеет выход через колесный диск в свободное окружающее пространство снаружи колеса.
Предложенная полезная модель подходит для тормозных систем с лопаточными дисковыми тормозами, в которых необходимость в охлаждении крайне высока, в частности для гоночных автомобилей, спортивных автомобилей и самолетов. Предложенное решение позволяет осуществлять охлаждение тормозных дисков одновременно в осевом и радиальном направлениях, что предотвращает возникновение чрезмерно высоких температур во время торможения. Это решение существенно улучшает охлаждение воздухом в тормозной системе. Это решение приводит к существенному повышению безопасности работы. Это решение обеспечивает возможность охлаждения других компонентов тормозной системы, таких как тормозные суппорты, тормозные колодки и т.д. Это решение приводит к меньшему износу материала, а также к сокращению количества материалов, временных и денежных затрат, требующихся для ремонта и обслуживания. Это сокращает необходимое количество и продолжительность перерывов на сервисное обслуживание и ограничивает количество периодических осмотров и ремонтов. Предложенное решение позволит осуществлять более эффективное торможение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полезная модель проиллюстрирована с использованием чертежей, на которых Фиг.1 изображает узел отдельного примерного тормозного диска с покрывным элементом на виде спереди на боковую сторону тормозного диска со снятой опорной стенкой покрывного элемента, Фиг.2 изображает этот узел в разрезе, Фиг.3 изображает вид в аксонометрии только тормозного диска согласно настоящей полезной модели, Фиг.4 изображает этот же тормозной диск в виде на одну его боковую сторону, Фиг.5 изображает этот тормозной диск в разрезе, Фиг.6 изображает вид в аксонометрии только примерного покрывного элемента согласно настоящей полезной модели, Фиг.7 изображает вид спереди внутренней стороны покрывного элемента в частичном сечении, с отсеченным первым буртиком, Фиг.8 изображает в увеличенном виде расположение дополнительной лопатки в покрывном элементе и сообщение основного зазора с дополнительным зазором, Фиг.9 изображает в разрезе колесо со ступицей, с тормозным диском и покрывным элементом согласно настоящей полезной модели, и Фиг.10 изображает тот же узел на виде в аксонометрии с частичным разрезом.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Примерным вариантом осуществления полезной модели в ее оптимальной конфигурации является тормозная система согласно Фиг.1-10.
Тормозной диск имеет тело 1, образованный двумя параллельными боковыми стенками 2, 3 кольцеобразной формы, между которыми расположена полость, содержащая систему основных лопаток 4 со свободным межлопаточным пространством 5. В этом конкретном примерном варианте осуществления тело 1 тормозного диска содержит внутри себя основные лопатки 4, выполненные из пластин в форме изогнутых лопастей, которые размещены радиально и расширяются в направлении от центра тела 1. Межлопаточное пространство 5 между основными лопатками 4 остается свободным и не разделяется внутри каркаса этого тормозного диска, чтобы обеспечивать возможность протекания охлаждающего воздуха. Межлопаточное пространство 5 проходит от центральной части тормозного диска к его периферии, где оно свободно выходит наружу. После установки тормозного диска в его рабочее положение, центральная область тормозного диска примыкает к впускному каналу 6 для охлаждающего воздуха, через который охлаждающий воздух подается в межлопаточное пространство 5. Тело 1 тормозного диска имеет выполненную внутри него систему сквозных каналов 7, которые расположены в основных лопатках 4 тормозного диска и выходят в боковые стенки 2, 3. Каждый канал 7 является сквозным, начинается в боковой стенке 2, проходит через всю основную лопатку 4 и заканчивается во второй боковой стенке 3 тормозного диска. Имеется несколько, в этом конкретном случае пять, каналов 7 в каждой основной лопатке 4, причем все эти каналы 7 выполнены под углом по направлению к межлопаточному пространству 5.
Часть тела 1 тормозного диска оборудована неподвижным покрывным элементом 8, содержащим систему дополнительных лопаток 9. Дополнительные лопатки 9 находятся внутри покрывного элемента 8, где они расположены с постоянным шагом вдоль внешней окружности вблизи тормозного диска.
5
Каналы 7 расположены в ряд в каждой основной лопатке 4. На фигурах чертежей, где показаны поперечные сечения основной лопатки 4, отчетливо видно, что отверстия, иллюстрирующие проход каналов 7, всегда располагаются все в один ряд, проходящий по кривой в направлении от центра к периферии тормозного диска, при этом каналы 7 имеют внутренний диаметр, увеличивающийся с увеличением расстояния от центра тормозного диска. С целью иллюстрации на фигурах чертежей показаны такие форма и размер каналов 7, которые можно отчетливо рассмотреть, однако достоверным на практике будет оптимальное количество в диапазоне от 2 до 10 каналов 7 в каждом ряду.
Каналы 7 показаны в самом очевидном и самом наглядном варианте, когда они имеют круглое поперечное сечение и являются прямыми и параллельными друг другу и оси тормозного диска, однако на практике могут использоваться каналы 7 с различной формой поперечного сечения и различной траекторией.
Количество дополнительных лопаток 9 в покрывном элементе 8 больше количества основных лопаток 4 в тормозном диске. Дополнительные лопатки 9 выполнены в форме изогнутых пластин, причем их поверхности 10 динамического воздействия направлены против направления потока охлаждающего воздуха из межлопаточного пространства 5.
Все лопатки 4, 9, т.е. основные лопатки 4 и дополнительные лопатки 9, имеют незначительный изгиб. Изгиб дополнительных лопаток 9 ориентирован противоположно изгибу основных лопаток 4, что приводит к достижению максимальной эффективности в предложенном техническом решении.
Покрывной элемент 8 с одной своей стороны содержит боковую сплошную опорную стенку 11, которая обеспечивает возможность установки покрывного элемента 8 на ступице 12 колеса. Со своей периферийной стороны покрывной элемент содержит периферийную стенку 13, проходящую на некотором расстоянии от периферийной части вокруг тела 1 тормозного диска. Другой важной частью покрывного элемента 8 являются два буртика 14, 15. Первый буртик 14 выступает из периферийной стенки 13 и проходит вокруг второй боковой стенки 3 тормозного диска к боковой стороне тормозного диска, напротив той стороне, где расположена опорная стенка 11. Второй буртик 15 выступает из конца опорной стенки 11 в направлении первой боковой стенки 2 тормозного диска, причем оба буртика находится на некотором расстоянии напротив соответствующей боковой стенки 2, 3 тормозного диска.
Дополнительные лопатки 9 установлены внутри покрывного элемента 8 путем крепления их боковых концов, при этом между каждой дополнительной лопаткой 9 и периферийной стенкой 13 покрывного элемента 8 имеется основной зазор 16. Дополнительный зазор 17 имеется между первой боковой стенкой 2 тормозного диска и опорной стенкой 13 покрывного элемента 8. Этот дополнительный зазор 17 проходит рядом с первой боковой стенкой 2 тормозного диска, по меньшей мере от отверстий самых широких каналов 7, расположенных наиболее далеко от центра тормозного диска, до отверстий самых узких каналов 7, расположенных наиболее близко к центру тормозного диска, и сообщается с пространством основного зазора 16. Это сообщение в данном конкретном случае достигается по принципу радиального компрессора посредством прохождения мимо экрана 18 потока, расположенного в покрывном элементе 8. Экран 18 потока выполнен в форме кольцевой секции с площадью поверхности в форме кольцевого сектора, и в нем установлены боковые концы дополнительных лопаток 9. Противоположные боковые концы дополнительных лопаток 9 установлены непосредственно в первом буртике 14 внутри покрывного элемента 8. Экран 18 потока как бы подвешен в пространстве внутри покрывного элемента 8, при этом он поддерживается в данном положении посредством дополнительных лопаток 9. Установка дополнительных лопаток 9 и сообщение пространства основного зазора 16 с пространством дополнительного зазора 17 можно отчетливо видеть на Фиг.2 и Фиг.8.
Пространство за пределами межлопаточного пространства 5 ограничено периферийной стенкой 13 покрывного элемента 8 в области вокруг периферии тела 1 тормозного диска. Это пространство предпочтительно сообщается с пространством в каналах 7 посредством основного зазора 16 и дополнительного зазора 17 в покрывном элементе 8, при этом пространство в каналах 7 имеет выход через колесный диск 19 в свободное окружающее пространство снаружи колеса транспортного средства.
Функционирование предложенного технического решения согласно данной полезной модели поясняется при помощи Фиг.9 и 10.
Тормозной диск с телом 1, оборудованный системой каналов 7 и покрывным элементом 8, установлен с задней стороны колесного диска 19. Покрывной элемент 8 установлен на ступице 12 колеса. В центральную область тормозного диска входит впускной канал 6 для охлаждающего воздуха, который ведет в межлопаточное пространство 5. Охлаждающий воздух, подаваемый по впускному каналу 6 в центр тормозного диска, протекает в межлопаточное пространство 5. Под действием центробежной силы, возникающей благодаря вращению тела 1 тормозного диска, охлаждающий воздух выбрасывается через межлопаточное пространство 5 в периферию тормозного диска. При этом появляется высокая кинетическая энергия, что приводит к повышению скорости и понижению давления потока воздуха в периферийной области тормозного диска. Воздух протекает между дополнительными лопатками, а оттуда через основные зазоры 16 - в дополнительные зазоры 17. Перед поступлением в дополнительные зазоры 17 воздух достигает низкой скорости и высокого давления. Воздух протекает из дополнительных зазоров 17 в каналы 7 и далее через колесный диск 19 наружу, в свободное окружающее пространство. Такая схема обеспечивает постоянный поток охлаждающего воздуха в тормозной системе во время движения тормозного диска.