Барабанный тормоз с воздействием одной самоустанавливающейся колодки на другую
DRUM BRAKE WITH THE INFLUENCE OF ONE PAD ON ANOTHER PAD

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано при производстве барабанных тормозов с самоустанавливающимися колодками, когда требуется высокая эффективность тормозного устройства при небольших приводных усилиях.
Во время торможения кинетическая энергия колесной машины (автомобиля, мотоцикла, колесного трактора и др.) частично гасится в тормозном механизме и в местах контакта шин с опорной поверхностью (дорогой), при преодолении трения между элементами трансмиссии, что недостаточно для экстренной остановки машины [1-12]. Возникает необходимость в эффективном тормозном устройстве, с двумя первичными колодками.
Известны тормозные устройства, в которых для увеличения эффективности торможения используются силы трения, возникающие между первой после разжимного устройства по направлению вращения барабана колодкой и барабаном, первая и вторая колодки связаны между собой посредством промежуточных штанг (распорок), шарнирно соединенных с прилежащими концами колодок, а приводная сила прилагается к одной из колодок. В таких тормозах обе колодки работают как первичные (заклиниваемые, самоприжимные), а приводная сила (разжимающая), действующая на вторую колодку, создается также силой трения, передающейся от первой колодки, что значительно увеличивает ее по сравнению с приводной силой первой колодки и приводит к большой неуравновешенности тормоза. Большая неуравновешенность, резкость действия и низкая стабильность торможения делают невозможным использование известных тормозов с серводействием (воздействием одной колодки на другую) в качестве колесных (рабочих) тормозов мобильных машин, несмотря на то, что по эффективности им нет равных.
Известны еще барабанные тормоза с самоустанавливающимися колодками, в которых с целью выравнивания износа по длине накладок, опорная пластина выполнена с углами наклона поверхностей, взаимодействующих с колодками (ав. св. №1355798, кл. F16D 65/02, 1981).
Задачей изобретения является создание нового тормозного устройства обладающего достоинствами известных тормозов, но лишенного их недостатков.
Устройство содержит тормозной барабан, концентрично установленные с зазором внутри барабана две колодки с фрикционными накладками с воздействием одной колодки на другую, со стяжными пружинами на концах, закрепленные на тормозном щите разжимной силовой гидроцилиндр и опору, согласно изобретению колодки являются самоустанавливающимися, причем первая колодка воздействует на вторую колодку через размещенный в направляющей, закрепленной на тормозном щите, подвижный стержень, к рабочим поверхностям которого первая и вторая колодки прижаты стяжными пружинами.
В результате многолетней целенаправленной работы по сохранению достоинств таких тормозов и устранению их недостатков, создан и исследован тормоз с гидравлическим приводом [9], представляющий собой барабанный тормоз с воздействием одной самоустанавливающейся колодки на другую, отличающийся высокой эффективностью, стабильностью торможения и долговечностью по износу фрикционных накладок, вследствие выравнивания нагрузок по их длине и между колодками. В разработанном тормозе первая колодка, разжимаемая силовым гидроцилиндром, воздействует на вторую через промежуточный стержень, размещенный в направляющей, закрепленной на тормозном щите, причем рабочие поверхности стержня и опоры, взаимодействующие с опорными концами первой и второй колодок, выполнены с углами наклона, обеспечивающими симметричный износ по длине фрикционных накладок.
На фиг. 1 изображена схема разработанного барабанного тормоза (направление вращения барабана указано стрелкой) в котором силовой гидроцилиндр 1 разжимает самоустанавливающиеся колодки 2 и 3, концентрично размещенные внутри тормозного барабана (не показан) с зазором.
Принципиальное отличие разработанного устройства (фиг. 2) от всех известных барабанных тормозов с воздействием одной колодки на другую заключается в том, что в нем, благодаря введению нового звена - неподвижной направляющей промежуточного стержня, исключен основной недостаток рассматриваемого типа тормозов - большая разница между приводными усилиями, действующими на первую и вторую колодки. Это достигается тем, что часть передаваемой стержнем от первой колодки силы, затрачивается на преодоление сопротивления перемещению в направляющей. Испытания опытного образца показали, что оставшаяся не затраченной часть силы, примерно равна силе, действующей на первую колодку. Подтверждением этому служат результаты испытаний опытного образца, показавшие одинаковый износ фрикционных накладок колодок, который мог быть вызван только равными по величине силами.
1
Поршень гидроцилиндра 1 действует с силой Q на верхний конец колодки 2, который нижним концом упирается в подвижный стержень 4, помещенный в неподвижную направляющую 5, закрепленную на тормозном щите.
1
Испытания экспериментального образца разработанного тормоза, представленного фотографиями на (фиг. 3) в разобранном виде показали, что на колодку 3 стержень 4 передает разжимающую силу примерно равную Q. То есть разработанный тормоз по эффективности тождественен устройству с двумя первичными колодками.
Результаты стендовых и дорожных испытаний опытных образцов разработанного тормоза подтвердили его работоспособность, уравновешенность и высокую эффективность.
Тормоз работает следующим образом.
1
При воздействии поршня гидроцилиндра 1 с силой Q на верхний конец колодки 2, она с усилием прижимается своей накладкой 6 к тормозному барабану. Возникающие при этом силы взаимодействия накладки 6 и барабана прижимают колодку 2 к рабочей поверхности стержня 4, который перемещаясь в направляющей 5, в свою очередь воздействует на вторую колодку 3 и прижимает ее накладкой 7 к тормозному барабану. Другой конец колодки 3 взаимодействует с рабочей поверхностью корпуса гидроцилиндра 1, которая выполнена с таким же наклоном как рабочая поверхность, подвижного стержня 4. Такое исполнение контактирующих поверхностей обеспечивает равномерное и равное изнашивание накладок 6 и 7. Возникающие в результате прижатия накладок и к барабану силы трения образуют тормозной момент, останавливающий машину.
Обзор литературы показал, что функциональный расчет барабанных тормозов с самоустанавливающими колодками разработан на основе теоретических и опытно-конструкторских работ, обобщенных в книге [9]. Основываясь на полученных в ней результатах можно найти момент трения, развиваемый рассматриваемой колодкой барабанного тормоза при постоянном коэффициенте трения μ, путем интегрирования выражения для элементарного момента по всей длине и ширине накладки, в виде
1,2
где h - плечи приложения сил относительно центров поворота колодок; с - расстояние между центрами вращения барабана и поворота колодок; ψ - угловая координата центра поворота колодки; R - радиус поверхности трения барабана и накладок; ϕ - текущий координатный угол, начало отсчета которого составляет прямой угол с осью симметрии накладки и показано на фиг. 2; θ=π/2-α; ϑ=π/2+α.
Другой целью расчета разработанного тормоза является определение угла наклона опорной поверхности колодок, при котором силы, стремящиеся его переместить, уравновешиваются реакцией опоры, обеспечивая равномерность износа накладки и его срок службы. Эта проблема решается уравнением моментов всех действующих на самоустанавливающуюся колодку сил при торможении, относительно оси вращения тормозного барабана, которое приводится к виду
1
2
1,2
где β, β (β) - углы наклона опорных поверхностей соответственно первой и второй самоустанавливающихся колодок; α - половина угла охвата;
с - расстояние от центра вращения барабана до точки контакта колодки с опорной поверхностью; h - плечо приложения разжимающей силы.
Исследования показали, что наибольшее влияние на величины тормозного момента и оптимальных углов наклона опорных рабочих поверхностей колодок оказывают изменение коэффициента трения и координат утла охвата тормозных накладок.
На фиг. 4 приведены эпюры износа накладок (в мм) барабанных тормозов с самоустанавливающимися колодками: а) экспериментального, с рассчитанным углом наклона опорной поверхности, по формуле (2); б) ВА3-2105 после пробега 7000 км; в) ВА3-2101 после пробега 46000 км.
1,2
1,2
В формулах (1) и (2) индексы 1, 2, которыми снабжены параметры, например, Μ, β даны для случаев, когда они отличаются друг от друга, то есть универсальных. Здесь же эти индексы означают принадлежность параметров к первой или второй колодке, параметры которых идентичны.
Отличительными особенностями разработанного тормоза являются:
самоустанавливающиеся колодки (впервые с тормозом с серводействием);
воздействие одной колодки на другую через регулируемый по длине стержень, заключенный в закрепленную на тормозном щите направляющую;
рабочие поверхности стержня и опоры, взаимодействующие с опорными концами колодок, выполнены с углами наклона, обеспечивающими симметричный износ по длине накладок;
гидроцилиндр одновременно служит опорой для второй колодки;
угол наклона опорной поверхности конца колодки рассчитанный по формуле (2) обеспечивает симметричный износ по длине накладок;
другие взаимодействующие поверхности - цилиндрические.
Экономический эффект достигается из-за снижения: расхода фрикционных материалов за счет более продуктивного их использования вследствие выравнивания износа как по длине накладок, так и между накладками первичной и вторичной колодок; интенсивности износа накладок за счет уменьшения склонности тормоза к вибрациям; эксплуатационных затрат и простоев, связанных с заменой накладок, за счет значительного (в 3…4 раза) увеличения пробега автомобиля с первоначально установленными накладками; числа и тяжести последствий ДТП и, наконец - упрощения конструкции.
Одновременно достигается социальный эффект - повышается комфортабельность мобильной машины и уменьшается негативное ее влияние на здоровье окружающих, благодаря снижению уровня производимого шума.
В странах с обширной территорией массово производимые двухосные внедорожники снабжаются тормозными устройствами в вариантах:
- передние и задние тормоза барабанные;
- передние дисковые, задние барабанные.
Если внедрить настоящую разработку (изобретение), то окажется, что самой распространенной в мире деталью двухосного автомобиля-внедорожника будет самоустанавливающаяся колодка - от максимума 8 колодок на каждый автомобиль, до минимума 4 колодки, что даст непревзойденный экономический эффект, так как эти колодки будут одинаковы и иметь поэтому минимальную стоимость производства.
По данным Global Automotive Brake System Market, из всех производимых в мире тормозов ~ 30% составляют барабанные, и ~ 70% дисковые. Но, что касается тормозных устройств для внедорожников, то здесь барабанные тормоза вне конкуренции. Они обеспечивают достаточную пылевлагозащиту трущихся поверхностей тормозного устройства и тем самым достаточную эффективность, долговечность (износостойкость) еще и за счет низких удельных нагрузок в парах трения.
Источники информации:
1. Бухарин Н.А. Тормозные системы автомобилей. Теория, конструкция, расчет и испытание. - Ленинград: Машгиз, 1950. - 292 с.
2. Бухарин Н.А., Прозоров B.C., Щукин М.М. Автомобили. Конструкция, нагрузочные режимы, рабочие процессы, прочность агрегатов автомобиля. Учебное пособие для вузов. - Л., Машиностроение, 1973. - 504 с.
3. Александров М.П. Тормозные устройства в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1965. - 676 с.
4. Решетов Л. Н. Самоустанавливающиеся механизмы. Справочник. - М.: Машиностроение, 1979. - 334 с.
5. Мамити Г.И. и др. А.С. ССР №1610120, кл. F16D 65/02 1990.
6. Мамити Г.И. Расчет барабанных тормозов мобильных машин // Трение и износ. 1992. Том 13, №6. - С. 992-1003.
7. Мамити Г.И. и др. Патент RU 2006713 C1, F16D 65/02, 1994.
8. Handbook of Mechanical Engineering Calculations. Tyler G. Hicks, PE. New York, McGraw-Hill Education, 2006. - 1776 p.
9. Мамити Г.И. Проектирование тормозов автомобилей и мотоциклов-Минск: Изд-во «Дизайн ПРО», 1997. - 112 с;
10. Мамити Г.И., Кочиев З.Т., Сланов С.А. Функциональный расчет барабанного тормоза колесной машины // Автомобильная промышленность. 2017, №11. - С. 7-11.
11. Мамити Г.И., Льянов. М.С. Функциональный и прочностной расчет тормозов мотоцикла. - Владикавказ: Рухс, 2002. - 219 с.
12. Мамити Г.И. Тормозной механизм барабанного типа с самоустанавливающимися колодками // Вестник машиностроения, 2009, №11. - С. 89-92.