ТОРМОЗНОЙ ДИСК С ЦЕНТРАЛЬНОЙ СТУПИЧНОЙ ЧАСТЬЮ
BRAKE DISC WITH CENTRAL HUB PART

Изобретение касается тормозного диска, в особенности для автомобиля, согласно типу, указанному в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Подобный тормозной диск известен, например, из патента DE 10125111 A1. Он состоит из фрикционного кольца и фиксирующей части, при этом фрикционное кольцо и фиксирующая часть через профиль зубчатого соединения путем кинематического замыкания соединены между собой в радиальном направлении. Аксиальная фиксация фрикционного кольца и фиксирующей части осуществляется с помощью вращающегося упорного кольца, который вставлен в паз фрикционного кольца и/или фиксирующей части. Профиль зубчатого соединения выполнен при этом в форме эвольвентного зацепления.
Подобные соединения путем кинематического замыкания фрикционных колец и фиксирующих частей и соответственно центральных ступичных частей тормозного диска через зубчатое зацепление придают обоим конструктивным элементам хорошую фиксацию в радиальном направлении по отношению друг к другу и служат в то же время передаче усилия между центральной ступичной частью и фрикционным кольцом. Поскольку подобное соединение занимает много внутренней окружности фрикционного кольца в максимальной степени для размещения зубчатого зацепления, то здесь возникает проблема в применении такого соединения с кинематическим замыканием для тормозных дисков с внутренней вентиляцией. Тормозные диски имеют сообщающуюся систему каналов вентиляции между боковыми поверхностями фрикционных колец, которые при эксплуатации тормозного диска обдуваются ветром с целью отведения тепла от фрикционных колец. Недостаточное отведение тепла ведет к так называемому экранированию тормозного диска, под этим следует понимать выпучивание тормозного диска в аксиальном направлении ввиду неравномерного нагрева. Если внутренняя окружность фрикционного кольца занято зубчатым зацеплением, то расположение каналов для внутренней вентиляции не может проходить через фрикционное кольцо, поскольку по внутренней окружности невозможно сделать сквозные отверстия, которые соединят воздушные каналы с окружающей средой. При высоких термических нагрузках в таких тормозных дисках может возникнуть экранирование и соответственно образование трещин.
Задачей данного изобретения является разработка тормозного диска по типу, указанному вначале, таким образом, чтобы гарантировать как стабильное кинематическое замыкание между фрикционным кольцом и центральной ступичной частью тормозного диска, так и хороший отвод тепла из фрикционного кольца при работе тормозного диска.
Эта задача решается путем разработки тормозного диска с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Этот тормозной диск имеет центральную ступичную часть и фрикционное кольцо, которое связано с ней радиально через соединение с геометрическим замыканием. Фрикционное кольцо состоит из двух половин, соединенных с помощью двух проставок, между которыми имеются воздушные каналы системы внутренней вентиляции. Согласно изобретению предусмотрено то, что соединение с геометрическим замыканием имеет только одно зубчатое зацепление со стороны внутренней окружности фрикционных колец, которое входит в зацепление с дополнительными зубьями, расположенными по внешней окружности центральной ступичной части. Поскольку зубчатое зацепление охватывает только одну из половин фрикционного кольца, то таким образом имеется дополнительная площадь на внутренней окружности фрикционного кольца, чтобы имелась возможность смежно, на одной оси с зубчатым соединением по внутренней окружности, сделать как минимум одно сквозное отверстие системы внутренней вентиляции. Таким образом, фрикционное кольцо через систему внутренней фильтрации от внешней до внутренней окружности может насквозь проветриваться воздухом, что улучшает охлаждение фрикционного кольца и помогает предотвращать экранирование и образование трещин. В то же время благодаря зубчатому зацеплению обеспечивается стабильное геометрическое соединение с центральной ступичной частью тормозного диска.
Зубчатое зацепление при этом выполняется преимущественно в форме косозубого зацепления, чтобы обеспечить износоустойчивую передачу сил торможения между центральной ступичной частью и фрикционными кольцами, при этом сжимающее усилие по боковым поверхностям зубьев всегда в высшей степени будет постоянным. Косозубое зацепление предоставляет и впредь определенный зазор в радиальном направлении, чтобы компенсировать термическое расширение тормозного диска и избежать термических напряжений. Косозубое зацепление благодаря своей износоустойчивости позволяет реверсивное и равномерное расширение, или сжатие в радиальном направлении. Это особенно положительно влияет на срок службы тормозного диска.
Зубчатое зацепление между центральной ступичной частью и фрикционным кольцом осуществляется с помощью косозубого зацепления через косозубую боковую поверхность зубьев центральной ступичной части, которые входят в зацепление с дополнительным косозубым зацеплением через боковую поверхность зубьев фрикционного кольца. Диапазон угла раскрытия двух смежных боковых поверхностей зубьев центральной ступичной части и соответственно фрикционного кольца составляет от 5 до 45°. При этом возможно по-разному подбирать скос отдельных боковых поверхностей зубьев. Отклонение кромки от радиального центрирования (тж. нормаль), в последующем также называемым скосом, преимущественно в диапазоне от 2,5 до 22,5°, или -2,5 до -22,5°. При этом обе боковые поверхности зуба имеют соответственно такую же сумму отклонения от нормали. Особенно предпочтительным является угол раскрытия в диапазоне от 10 до 15°.
К тому же, кроме систематической вариативности скоса смежных поверхностей зубьев в центральной ступичной части тормозного диска также возможна оптимизация соединения, которая зависит от направления движения. Подобная разработка предусматривает то, что боковые поверхности зубьев, которые воспринимают основную нагрузку при торможении автомобиля, едущего вперед, сконструированы более отвесно (вертикально), чем соответствующие зубья, расположенные смежно. Таким образом, преимуществом может быть определение суммы скошенных поверхностей на одной стороне в диапазоне от 0 до 2,5°. Угол раскрытия в этом варианте ограничен не слишком большими значениями из выше указанного диапазона. Это означает то, что скос боковых поверхностей зубьев на другой стороне является явно выше, например более 5°, но преимущественно находится при макс. 20°.
Для обеспечения надежности между центральной ступичной частью тормозного диска и фрикционным кольцом также и от аксиальных движений, следует предусмотреть как минимум аксиальный стопорный элемент, через который соединены центральная ступичная часть тормозного диска и фрикционное кольцо. Этот элемент предпочтительно устанавливается в радиальном отверстии внутри фрикционного кольца, при этом фрикционное кольцо будет сравнительно подвижным относительно стопорного элемента. Благодаря радиальной подвижности стопорного элемента относительно фрикционного кольца в дальнейшем снижается опасность экранирования вследствие неравномерного распределения температуры. При возникновении подобного распределения температуры фрикционное кольцо может свободно расширяться в аксиальном направлении, избегая то, что через топорный элемент на фрикционное кольцо будут передаваться соответствующие усилия, которые могли бы привести к экранированию или деформации и вместе с этим к образованию трещин. Преимуществом является увеличение срока службы подобных тормозных дисков.
Стопорный элемент состоит при этом из втулки, которая с помощью винта прикреплена к центральной ступичной части тормозного диска, которая установлена в радиальном отверстии и которая с внешней стороны окружности окружает винт. Благодаря такой втулке очень просто можно достичь желаемую свободную подвижность фрикционного кольца в радиальном направлении относительно стопорного элемента.
Втулка выполнена по резьбе винта в качестве резьбовой втулки. Винт может также выполняться в качестве резьбовой шпильки.
Винт или резьбовая шпилька при этом может вставляться изнутри, т.е. на стороне, повернутой к центральной ступичной части тормозного диска, или снаружи и завинчиваться относительно втулки. Втулка без или с резьбой устанавливается в тормозной диск соответственно изнутри и снаружи. Втулка вставляется в соответствующие, предусмотренные для этого сквозные каналы или отверстия, с радиальным расположением относительно тормозного диска.
Предпочтительной является длинная резьбовая втулка, которая вставлена снаружи и относительно короткая резьбовая шпилька, завинченная изнутри в обратном направлении. Длина длинной резьбовой втулки будет при этом составлять 50-90% длины сквозного отверстия тормозного диска. В разработке стопорный элемент имеет винт, закрепленный с помощью втулки к центральной ступичной части тормозного диска.
В дальнейшем преимущество проявилось в выполнении головки винта по сечению меньшей, чем приемное отверстие. Подобный винт можно завинтить в особенности с наружной стороны окружности фрикционного кольца через сквозное отверстие, при этом более маленькая головка винта позволит свободное движение в приемном отверстии.
В заключении, преимуществом проявило себя то, что возможно предусмотреть большое число стопорных элементов, которые будут расположены под одинаковыми взаимными углами. Благодаря этому особенно хорошо и надежно можно избежать экранирования фрикционного кольца или тормозного диска. Усилие при расширении диска также и в нормальном режиме работы равномерно распределяется по окружности диска, благодаря этому сокращается возникновение напряжений материала.
В дальнейшем с помощью чертежей следует более детально разъяснить изобретение и его формы исполнения.
При этом:
Фиг.1 предоставляет обзорное изображение конструктивного исполнения фрикционного кольца тормозного диска в разрез, согласно данному изобретению.
Фиг.2 обзорное изображение конструктивного исполнения тормозного диска в разрезе, согласно данному изобретению.
Фиг.3 изображение формы соединения между фрикционным кольцом и центральной ступичной частью тормозного диска в разрезе.
Фрикционное кольцо 10, показанное на рисунке 1, состоит из двух половин фрикционного кольца 12 и 14, которые соединены между собой с помощью проставок 16, которые для наглядности изображены не все. Свободные пространства 18 между проставками 16 и половинками фрикционного кольца 12, 14 образуют при этом между половинками фрикционного кольца 12 и 14 систему воздушных каналов для внутренней вентиляции фрикционного кольца 10. Для радиального кинематического соединения фрикционного кольца 10 с центральной ступичной частью на первой половинке фрикционного кольца 12 имеется зубчатое зацепление 22, выполненное на внутренней окружности 20 половин фрикционного кольца 12. Зубья 24 зубчатого соединения 22, которые для наглядности изображены не все, выполнены при этом в качестве косозубого зацепления и являются боковыми поверхностями зубьев 26, 28, отображаются на схеме и находятся под углом относительно друг друга. В аксиальном направлении смежно к зубчатому зацеплению 22 выполнены сквозные отверстия 30, которые открывают внутреннюю окружность 20 фрикционного кольца 10 к промежуткам 18 между элементами дистанционными элементами 16, и таким образом делают возможным сквозную вентиляцию тормозного диска 10 от внешней окружности 32 до внутренней окружности 20. Между половинами 12 и 14 фрикционного кольца предусмотрены сквозные отверстия, которые служат для крепления стопорных элементов 36, с помощью которых можно зафиксировать фрикционное кольцо 10 аксиально на центральной ступичной части. Стопорные элементы 36 выполнены при этом в качестве винтов, которые вставляются во втулку 38, которая располагается внутри сквозных отверстий 34. Головка 40 винтов 36 имеет меньший диаметр, чем диаметр сквозных отверстий 34. Благодаря расположению винтов 36 во втулках 38 и меньшему диаметру головки винта 40, фрикционное кольцо 10 является подвижным в радиальном направлении относительно стопорных элементов 36, таким образом, при термическом расширении фрикционного кольца 10 вследствие нагрузок от трения минимизируются напряжения, возникающие при работе.
Фиг.2 показывает соединение подобного фрикционного кольца 10 с центральной ступичной частью 42 тормозного диска. Фрикционное кольцо 10 расположено при этом на одной оси с центральной ступичной частью 42 тормозного диска относительно оси 44, которая в то же время является симметричной осью вращения обеих конструктивных элементов. Центральная ступичная часть 42 имеет граничную зону 44, которая имеет сквозные отверстия для винтов 46 для фиксации центральной ступичной части тормозного диска к ступице колеса. Внутренняя цилиндрическая область 48 центральной ступичной части 42 тормозного диска служит для соединения центральной ступичной части тормозного диска 42 с фрикционным кольцом 10. Для этого внутренняя область 48 имеет зубчатое зацепление 50, которое проходит по внешней окружности 52 внутренней зоны 48 центральной ступичной части 44 тормозного диска. Зубчатое зацепление 50 при этом дополнительно разработано к зубчатому зацеплению 22, которое проходит по внутренней окружности 20 фрикционного кольца 10. Таким образом, зубья хорошо входят друг в друга и защищают фрикционное кольцо относительно радиального движения в центральной части 42 тормозного диска. Также при соединении фрикционного кольца 10 с центральной частью 42 тормозного диска, как видно, к сквозным отверстиям 30, которые образуют внутреннюю окружность 20 фрикционного кольца 10 с каналами вентиляции, которые образованы свободным пространством 18, имеется свободный доступ. Таким образом, здесь также гарантируется отвод температуры благодаря внутренней вентиляции тормозного диска. Винты 36 в сквозных отверстиях 34 фрикционного кольца 10 входят в зацепление с их концевой зоной 54 в сообщающихся резьбовых отверстиях внутренней зоны 48 центральной ступичной части 42 тормозного диска. Здесь втулки 38 прилегают к стенке внутренней зоны 48 центральной ступичной части 42 тормозного диска. При локальном или глобальном расширении фрикционного кольца 10 ввиду тепла, вырабатываемого при эксплуатации, фрикционное кольцо 10 все еще может двигаться в радиальном направлении относительно винтов 36 или втулок 38, благодаря этому также и в смонтированном состоянии минимизируются напряжения материалов.
Фиг.3 показывает альтернативную форму соединения между фрикционным кольцом 10 и центральной ступичной частью 42 тормозного диска. В отличие от форм исполнения, изображенных на фиг.1 и 2, дополнительная защита осуществляется между фрикционным кольцом 10 и центральной ступичной частью 42 тормозного диска завинченным винтом 36 не снаружи, т.е. с наружной окружности фрикционного кольца 10, в сквозном отверстии которого установлена втулка 38, а более того с внутренней окружности фрикционного кольца 10. Для этого сначала с наружной стороны в сквозное отверстие 34 вставляется резьбовая втулка 56, а затем центральная ступичная часть 42 и фрикционное кольцо 10 привинчивается короткой резьбовой втулкой 58. Резьбовая шпилька 58 при этом значительно короче резьбовой втулки 56 и охватывает около 50% ее длины. Резьбовая втулка 56 охватывает длину от 50 до 90% длины сквозного отверстия 34. На Фиг.3 еще раз можно четко увидеть зубчатое соединение между центральной ступичной частью 42 тормозного диска и фрикционным кольцом 10 через косозубое зацепление 58 центральной ступичной части 42 тормозного диска, которое входит в зацепление с дополнительным косозубым зацеплением 22 фрикционного кольца 10.
Для установки фрикционного кольца следует выполнить следующие действия. Фрикционное кольцо сначала отодвигается в сторону фланца колеса. Для этого изнутри - смотря от оси вращения фрикционного кольца - в сквозные отверстия фланца колеса проталкиваются резьбовые шпильки и фиксируются в пазах фланца колеса. И наконец, снаружи в сквозные отверстия фрикционного кольца вставляются резьбовые втулки и свинчиваются с резьбовыми шпильками.
Этот метод крепления является особенно полезным ввиду технического обслуживания тормозной системы с минимальными затратами, как, например, замена тормозного диска. За весь период эксплуатации тормозного диска на резьбовой втулке и резьбовой шпильке может возникнуть заметная коррозия. При попытке ослабления втулки с целью замены тормозного диска, она может привести к срыву резьбы. В этом случае демонтаж тормозного диска возможен только с более высокими затратами. В описанном варианте согласно изобретению один винт может оборваться, поскольку оборванный винт без каких-либо затрат или опасности дальнейшего повреждения возможно выбить внутрь.