ВЕНТИЛИРУЕМЫЙ ТОРМОЗНОЙ ДИСК
VENTILATED BRAKE DISC

Область техники
Изобретение относится к вентилируемому тормозному диску для автомобилей, например для легковых и грузовых автомобилей.
Уровень техники
Известны тормозные диски, содержащие колокол и кольцевой участок, называемый тормозным ободом, который проходит от колокола для взаимодействия с колодками суппорта. В вентилируемых дисках тормозной обод изготавливается из пары взаимно обращенных друг к другу пластин, которые соединены между собой множеством соединительных элементов, как правило, в форме шипов или перемычек. Наружные поверхности двух пластин образуют противолежащие тормозные поверхности. Внутренние обращенные друг к другу поверхности образуют совместно с шипами или перемычками вентиляционные каналы для охлаждения диска и прохождения воздуха в центробежном направлении при вращении этого диска.
Для улучшения вентиляции и уменьшения трещин в результате изменения температур были созданы вентилируемые тормозные диски, имеющие профилированные соединительные элементы для повышения эффективности вентиляционных каналов.
Из международной заявки WO 2008/136032 А2 известны вентилируемые тормозные диски, содержащие соединительные элементы в форме выступов, распределенных по двум концентричным рядам. Эти выступы являются продолговатыми по существу в радиальных направлениях и имеют вогнутость, обращенную в предпочтительном направлении вращения диска.
Вентилируемый тормозной диск, описанный в заявке WO 2008/136032 А2, содержит соединительные элементы в форме шипов, распределенных по трем концентричным рядам, при этом наиболее радиально удаленный ряд содержит шипы с сечением в форме капли, самый радиально внутренний ряд содержит радиально продолговатые шипы, а радиально промежуточный ряд содержит шипы, имеющие ромбовидное сечение с закругленными вершинами и главной диагональю, ориентированной по существу в радиальном направлении.
В международной заявке WO 2012/164465 А1 описан вентилируемый тормозной диск с соединительными элементами в форме шипов, распределенных по трем концентричным рядам, при этом шипы радиально промежуточной группы имеют в сечении профиль в форме звезды с четырьмя закругленными вершинами. Между шипами наиболее радиально удаленного ряда расположены выровненные в осевом направлении выступы, которые выступают от обращенных друг к другу внутренних поверхностей двух пластин тормозных ободов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является увеличение срока службы вентилируемого тормозного диска, в частности, максимальное уменьшение или исключение возникновения тепловых трещин. В частности, необходимо оптимизировать и усовершенствовать вентиляцию вентилируемого тормозного диска посредством уменьшения его рабочей температуры без влияния на механические характеристики этого диска.
Согласно изобретению поставленные задачи решаются посредством увеличения поверхности теплопередачи тормозного диска и, соответственно, тепловой энергии, которая передается в вентилируемом тормозном диске, как указано в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. В целом, по меньшей мере, несколько из указанных соединительных элементов пластин связаны с продолговатыми гребнями, проходящими от концов этих соединительных элементов в одном или нескольких заданных направлениях. Такие продолговатые гребни выполнены совместно с соединительными элементами и пластинами и поднимаются от обращенных друг к другу поверхностей этих двух пластин. Предпочтительные и преимущественные варианты выполнения дисков представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение поясняется чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вентилируемый тормозной диск с частичным разрезом колокола, вид в перспективе;
на фиг. 2 - фрагмент фиг. 1 в увеличенном масштабе;
на фиг. 3 - разрез по линии III-III на фиг. 1;
на фиг. 4, 5 и 6 - варианты выполнения тормозного диска, виды, аналогичные представленным на фиг. 2.;
на фиг. 7 - график изменения температуры от времени для тормозного диска согласно изобретению и для двух известных тормозных дисков.
Осуществление изобретения
Вентилируемый тормозной диск согласно изобретению предназначен для установки на транспортное средство, например автомобиль, и обозначен позицией 1. Диск 1 имеет по существу круглую форму и проходит вокруг оси Z. Выражение «осевое направление» обозначает направление, параллельное оси Z. Понятие «радиальный» означает направление, перпендикулярное осевому направлению или оси Z. Понятие «касательный или окружной» относительно диска обозначает направление по окружности, имеющей центр на оси Z.
Диск 1 содержит ступицу 20 и соосный ей тормозной обод 2. Тормозной обод 2, приспособленный для взаимодействия с тормозным суппортом (не показан) для торможения транспортного средства, определяется двумя пластинами 3, 4, соосными оси Z. Первая пластина 3 расположена со стороны ступицы, а вторая пластина 4 расположена с противоположной стороны. Две пластины направлены друг к другу и расположены на некотором расстоянии друг от друга в осевом направлении, образуя зазор 5.
Две пластины 3, 4 имеют обращенные друг к другу поверхности 6, 7, от которых между пластинами в поперечном или осевом направлениях проходят соединительные элементы 8, 9, 10. Обращенные друг к другу поверхности 6 и 7 совместно с соединительными элементами 8, 9, 10 образуют внутри зазора 5 охлаждающие диск вентиляционные каналы 50 для прохождения воздуха в центробежном направлении при вращении диска. Соединительные элементы выполнены из того же материала, что и пластины 3 и 4 и предпочтительно выполнены за одно целое с пластинами (в частности, посредством плавления).
В показанном на чертежах варианте выполнения соединительные элементы 8, 9, 10 между пластинами 3, 4 представляют собой элементы в виде столбиков или шипов. Предпочтительно соединительные элементы 8, 9, 10 равномерно распределены по обращенным друг к другу поверхностям 6, 7 двух пластин 6, 7.
Соединительные элементы расположены по меньшей мере в два концентричных кольцевых ряда, включающих в себя наружный ряд 21, т.е. ряд, наиболее удаленный от оси Z, и внутренний ряд 22, т.е. ряд, ближайший к оси Z.
Согласно вариантам выполнения соединительные элементы 8, 9 и 10 расположены в три концентричных кольцевых ряда, соответствующих наружному ряду 21, промежуточному ряду 23 и внутреннему ряду 22.
Предпочтительно каждый элемент 10 наиболее удаленного ряда 21 радиально выровнен с соответствующим элементом 8 самого внутреннего ряда 22, а элементы 9 промежуточного ряда 23 расположены по окружности в шахматном порядке относительно внутренних и наружных соединительных элементов 8 и 10.
Для облегчения прохождения центробежных воздушных потоков соединительные элементы 8, 9, 10 предпочтительно имеют поперечное или осевое сечение радиально продолговатой формы в осевой плоскости.
Согласно альтернативному варианту выполнения (не показан) соединительные элементы между двумя пластинами могут содержать перегородки, вытянутые по существу в радиальных направлениях.
Каждый соединительный элемент 8, 9, 10 имеет два соответствующих конца 11 и 12 или основных участка, где этот же соединительный элемент соединяется с пластинами 3, 4.
Множество соединительных элементов, например, соединительных элементов 9, связано с продолговатыми гребнями 13, проходящими от их основных участков по меньшей мере в одном заданном направлении. Продолговатые гребни 13 совместно с соединительными элементами 9 и пластинами 3, 4 и поднимаются от обращенных друг к другу поверхностей 6, 7 двух пластин.
Каждый продолговатый гребень выступает от соответствующей поверхности 6 или 7 на высоту, меньшую осевого расстояния между этими двумя обращенными друг к другу поверхностями 6, 7.
Согласно варианту выполнения по меньшей мере несколько удлиненных гребней выступают от соответствующих поверхностей 6 или 7 на высоту, составляющую меньше половины расстояния между этими поверхностями 6 и 7.
Предпочтительно продолговатые гребни 13 выполнены из того же материала, что и пластины 3, 4 и соединительные элементы 8, 9, 10, и предпочтительно выполнены совместно (в частности, посредством плавления) с этими пластинами и соединительными элементами.
Как показано на фиг. 1-3, продолговатые гребни 13 образованы только соединительными элементами 9 промежуточного ряда 23. В других вариантах выполнения (не показаны) продолговатые гребни 13 могут быть образованы соединительными элементами 8 внутреннего ряда 22.
Согласно предпочтительному варианту выполнения с каждым соединительным элементом 9 (или 8, или 10) связаны три продолговатых гребня 13а, 13b, 13с, два из которых 13а, 13b проходят в двух противоположных направлениях в окружном или касательном направлении, и третий наиболее продолговатый гребень 13с проходит радиально наружу, приближаясь к наружной окружной кромке С пластины.
Как показано на фиг. 4 каждый соединительный элемент 9 (или 8, или 10) может быть связан только с одним продолговатым гребнем 13с, который проходит наружу в радиальном направлении.
Как показано на фиг. 5, каждый соединительный элемент 9 (или 8 или 10) может быть связан только с одним более длинным гребнем 13а, проходящим в касательном или окружном направлении.
Как показано на фиг. 6, каждый соединительный элемент 9 (или 8, или 10) может быть связан с двумя продолговатыми гребнями 13а, 13b, проходящими в двух противоположных направлениях в касательном или окружном направлении.
Предпочтительно свободный конец 15 каждого продолговатого гребня 13 закруглен, и каждый продолговатый гребень 13 имеет выпуклый профиль согласно сечению в осевой плоскости.
Предпочтительно каждый продолговатый гребень 13 соединен с соответствующей поверхностью 6 или 7 пластины по вогнутой закругленной поверхности 14.
Как показано на фиг. 3, каждый продолговатый гребень 13 предпочтительно расположен напротив соответствующего продолговатого гребня на противоположной обращенной к нему поверхности и выровнен с ним в осевом направлении, образуя по существу зеркальную конфигурацию относительно плоскости, проходящей посередине зазора 5 перпендикулярно оси Z. На фиг. 3 показано такое расположение продолговатых гребней 13с. Необходимо отметить, что такая зеркальная конфигурация также может применяться для продолговатых гребней 13а и/или 13b, если таковые имеются. В этом варианте выполнения каждый продолговатый гребень выступает от соответствующей поверхности 6 или 7 на высоту, меньшую половины расстояния между этими поверхностями 6 и 7.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 1 и 2, соединительные элементы 9 радиально промежуточного ряда 23 имеют сечение предпочтительно в форме ромба с закругленными вершинами, немного вогнутыми сторонами и большей диагональю, ориентированной в радиальном направлении.
В этом варианте выполнения третий гребень проходит между двумя соединительными элементами 10 наружной группы 21, которые предпочтительно имеют сечение в форме треугольника, радиально расширяющегося или расходящегося в наружном направлении.
В показанном на фиг. 1 и 2 варианте выполнения соединительные элементы 8 радиально внутреннего ряда 22 предпочтительно имеют сечение в форме капли, продолговатое в той части, которая обращена в радиально наружном направлении.
С функциональной точки зрения продолговатые гребни 13 определяют общее увеличение внутри зазора 5 поверхности теплопередачи без увеличения массы. В то же время продолговатые гребни 13 увеличивают турбулентность воздушных потоков, проходящих через вентиляционные каналы, что обеспечивает отведение большего количества тепла от тормозного диска посредством конвекции. В результате обеспечивается увеличение количества переданной тепловой энергии, что ведет к уменьшению рабочих температур и увеличению срока эксплуатации тормозного диска.
В целом, конкретная геометрическая форма соединительных элементов в осевом сечении не является обязательной и критичной для достижения результатов, обеспечиваемых настоящим изобретением. Однако независимо от геометрической формы сечения, последнее предпочтительно имеет закругленные вершины и/или сужающуюся кверху в целом форму или такую форму, которая способствует надлежащему доступу, распределению и течению воздуха через вентиляционные каналы.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 1 и 2, элементы наружного ряда 21 в виде столбика, обозначенные позицией 8, имеют по существу ромбовидное сечение с закругленными вершинами и большую диагональ, ориентированную по существу в радиальном направлении.
Также предпочтительно, чтобы соединительные элементы, которые не содержат продолговатых гребней 13, имели вогнутые радиусы 16 у корневых или основных участков, где соединительный элемент соединен с двумя пластинами.
Размер соединительных элементов 8, 9 и 10 может быть изменен в зависимости от типа транспортного средства, для которого предназначен диск.
Проведенные сравнительные испытания показали, что:
- при одних и тех же массе, материале и условиях на кромке тормозные диски с продолговатыми гребнями указанного типа обеспечивают улучшенное рассеивание тепла (~10% увеличение отвода тепла);
- по сравнению с тормозными дисками, имеющими стандартные соединительные элементы, диск с продолговатыми гребнями описанного выше типа обеспечивает преимущества как с точки зрения механических напряжений (на ~10-30% меньше), так и рассеивания тепла (~2% увеличение отвода тепла).
Для оценки физических, механических и тепловых характеристик диска согласно изобретению был выполнен сравнительный анализ двух вентилируемых тормозных дисков стандартного типа (обозначенных в приведенной ниже таблице как диск I и диск II) и тормозного диска согласно изобретению (обозначенного в таблице как диск III). Диск I был «стандартным» вентилируемым тормозным диском с 31 соединительным шипом в виде круглого столбика; диск II был вентилируемым диском с 31 шипом такого типа, как описано в заявке WO 2012/164465 А1. Диск III был вентилируемым тормозным диском с 31 соединительным шипом согласно фиг. 1-3.
Значения, приведенные в таблице, показывают значительное увеличение на 23,4% отведенной тепловой энергии в диске согласно изобретению по сравнению со стандартными дисками. Следует отметить, что диск III имел массу приблизительно на 1 кг меньше по сравнению со стандартным диском I.
На графике, представленном на фиг. 7, показано уменьшение на 71°C (т.е. на 14%) рабочей температуры, измеренной во время испытаний диска III (440°C) по сравнению со стандартным диском I (511°C). Такое значительное уменьшение температуры непосредственно ведет к резкому уменьшению образования тепловых трещин без влияния на прочность и жесткость тормозных ободов. На фиг. 7 показаны графики изменения температур ободов на затяжном спуске Россфельда. График изменения температуры в центре прикрепленной пластины тормозного диска I (19А89512) с вентиляционной камерой равной 10 мм показан штриховой линией, аналогичный график для диска II (19950812) с вентиляционной камерой равной 14 мм показан штрихпунктирной линией, и аналогичный график для диска III (XB356ZG1) с вентиляционной камерой равной 14 мм согласно изобретению показан сплошной линией.
Вентилируемый тормозной диск согласно изобретению может изготавливаться посредством простого рентабельного производственного процесса, поскольку он может быть изготовлен посредством литья, также как и традиционные диски. Не предусматривается использование компонентов, которые являются либо наружными, либо изготавливаются из материала, который не относится к материалу тормозного диска, что позволяет оптимизировать изготовление диска во время литья без необходимости дополнительных последующих операций.
Выше были описаны различные особенности и варианты выполнения тормозного диска согласно изобретению. Следует учитывать, что каждый вариант выполнения может комбинироваться с любым другим вариантом выполнения или осуществляться независимо от него. Кроме того, изобретение не ограничивается описанными здесь вариантами выполнения и может изменяться в объеме формулы изобретения.