КОНСТРУКЦИЯ КОЛОДКИ С ОПТИМИЗИРОВАННЫМ ИЗНОСОМ
DESIGN OF SHOE WITH OPTIMIZED WEAR

Изобретение относится к дисковым тормозам для транспортных средств, и, в частности, к тормозным колодкам в дисковых тормозах, например, дисковых тормозах с пневмоприводом, используемых на транспортных средствах для коммерческих перевозок. Коммерческие транспортные средства в данном контексте включают в себя: транспортные средства, содержащие дисковые тормоза, существенно большие, чем обычные автомобильные тормоза (т.е. тормоза легкового автомобиля), например, автобусы, грузовые автомобили 5-ого класса и выше, транспортные средства повышенной проходимости, например, строительные машины, железнодорожные транспортные средства и самолеты.
Пример пневматического дискового тормоза коммерческого транспортного средства показан на фиг. 1. На фиг. 1 представлен вариант выполнения, в котором дисковый тормоз 1 содержит тормозной диск 2, вращающийся по направлению А относительно его оси вращения В. Тормозной суппорт 3, охватывающий с двух сторон тормозной диск 2, прикреплен к держателю 4, который, в свою очередь, прикреплен к оси транспортного средства, обычно через несущую пластину или тормозной кронштейн (не показан). В данном варианте выполнения держатель 4 принимает и удерживает суппорт 3 вместе с тормозными колодками 6. В данном варианте выполнения суппорт 3 приводят в действие посредством пневматического привода (не показан), установленного на посадочное место 5 привода суппорта. Привод воздействует на механизм прикладывания тормозной колодки, расположенный внутри суппорта 3, для прижима тормозных колодок 6 к тормозному диску 2, для замедления транспортного средства. Изобретение не ограничено определенным типом тормозного привода; может быть использован, например, пневматический привод или электрический привод. Изобретение не ограничено также определенным типом несущей конструкции тормозного суппорта. Например, тормозная скоба может быть установлена фиксированным способом на держателе или может быть скользящим суппортом.
В дисковых тормозах, например, коммерческих транспортных средств, тормозные колодки обычно имеют, в целом, прямоугольную форму, частично из-за ограничений, связанных с размером и конфигурацией компонентов дискового тормоза (дисковый тормоз должен находиться внутри сильно ограниченного пространства, ограниченного внутренними обода колеса), и частично из-за стоимости и конструктивных ограничений, рассмотренных ниже. Пример такой известной тормозной колодки показан на фиг. 4.
Общая особенность известной тормозной колодки 20 заключается в том, что ее боковые стороны 22, 23, по существу, являются параллельными, т.е. стороны тормозной колодки, обращенные в окружном направлении тормозного диска к опорным поверхностям смежной тормозной колодки, параллельны друг другу. В целом прямоугольная форма может включать радиально внутреннюю и радиально наружную стороны 24, 25 тормозной колодки, немного изогнутые, чтобы они, в общем, повторяли округление тормозного диска, как показано на фиг. 4, или, в случае радиально наружной стороны, чтобы она следовала форме смежной наружной области тормозной скобы, (не показано). Использование параллельных боковых сторон тормозной колодки от части было фактически стандартным в дисковых тормозах коммерческих транспортных средств; от части объяснялось практическими соображениями, связанными с изготовлением (например, с менее дорогой механической обработкой опорных поверхностей тормозной колодки и опорных пластин тормозной колодки с параллельными сторонами); и от части конструктивными соображениями: обеспечением адекватных характеристик опорной прочности, износа и поглощения тормозного усилия.
При их, в целом, прямоугольной форме, известные колодки дисковых тормозов коммерческих транспортных средств придавали тормозному диску, по существу, постоянные профили по ширине и высоте от одной боковой стороны тормозной колодки к другой. Такие формы тормозной колодки обладают рядом недостатков, проявляющихся во время торможения. Среди них: факт того, что передача удельной тормозной энергии от тормозного диска к тормозной колодке не постоянна по высоте в радиальном направлении тормозной колодки. Вместо этого, передача энергии изменяется как функция радиальной высоты относительно оси вращения тормозного диска (т.е. тормозной момент изменяется как функция расстояния от оси вращения тормозного диска, где сила, умноженная на расстояние, равна моменту), и как функция длины поверхности трения фрикционного материала тормозной колодки при различных радиальных высотах. В результате этого передача энергии к тормозной колодке, и получающийся в результате локализованный износ тормозной колодки, являются неравномерными по лицевой поверхности фрикционного материала тормозной колодки. Это может приводить к преимущественному износу фрикционного материала в некоторых областях тормозной колодки, и из-за этого может укорачиваться период времени до момента, когда тормозная колодка должна быть заменена.
Изобретение направлено на решение данной и других проблем посредством создания тормозной колодки с более эффективным и равномерным распределением передачи тормозной энергии по лицевой поверхности материала накладки тормозной колодки. Благодаря использованию решений, предложенных изобретением, обеспечивается возможность достижения более равномерного износа материала накладки колодки, в результате чего продлевается срок службы тормозной колодки. Благодаря улучшенным характеристикам тормозной колодки также обеспечивается возможность уменьшения общего размера тормоза посредством обеспечения возможности использования меньших тормозных колодок, обеспечивающих удовлетворительные тормозные характеристики.
Согласно варианту выполнения изобретения, материал накладки тормозной колодки и предпочтительно удерживающая ее опорная пластина тормозной колодки имеют, в целом, дугообразный профиль, при этом ширина радиально наружной части материала накладки в окружном направлении длиннее ширины материала накладки у радиально внутренней части тормозной колодки. Предпочтительно, ширина материала накладки тормозной колодки, как функция расстояния в радиальном направлении от оси вращения тормозного диска, определена посредством, в целом, выровненных боковых сторон материала накладки вдоль радиальных линий, пересекающихся в или около оси вращения тормозного диска. Боковые стороны тормозной колодки не обязательно должны быть точно совмещены с радиальными линиями, проходящими от оси вращения; скорее, согласно изобретению, предполагается, что наибольшая ширина материала накладки должна быть в радиально наружной области тормозной колодки, тогда как ширина в радиально внутренней области материала покрытия должна быть меньше. Чем ближе точка пересечения к центру ротора тормозного диска, тем более эффективно происходит распределение энергии между поверхностями колодки и диска.
Изобретение также включает в себя варианты выполнения, в которых фрикционный материал тормозной колодки все же имеет, в общем, дугообразный профиль, но из-за требований при конкретной установке (например, из-за размеров определенного тормозного суппорта и/или держателя суппорта, или из-за требований к тепловым характеристикам и характеристикам износа при прикладывании) угол боковых сторон дугообразного фрикционного материала и опорной пластины регулируют по месту. Это может приводить в результате к тому, что боковые стороны опорной пластины и фрикционного материала могут быть расположены под углом между ранее известными параллельными боковым сторонами и радиусами, проходящими от оси вращения тормозного диска. Таким образом, несмотря на то, что согласно изобретению обычный фрикционный материал тормозной колодки имеет угол, который может составлять приблизительно 60°, возможны варианты углов от 30° до 70°, с соответствующей регулировкой длин дуг в верхней и нижней областях тормозной колодки.
Другим дополнительным преимуществом изобретения является то, что благодаря уменьшенной ширине в радиально внутренней области тормозной колодки, возможно совмещение опорных поверхностей держателя тормозной колодки и боковых сторон тормозной колодки вдоль линии, которая ближе перпендикуляру, проходящему к радиусу от оси вращения. При такой конструкции обеспечивается возможность передачи тормозных сил между боковой стороной тормозной колодки и опорной поверхностью держателя колодки на или около нормали к опорной линии. Благодаря этому обеспечивается более равномерное распределение опорных сил по опорной поверхности, т.е. более равномерные (и, таким образом, меньшие) контактные давления, способствующие минимизации вибрации тормозной колодки и связанного с ней шума при торможении, улучшение характеристик усталостного ресурса и уменьшение износа компонентов.
Кроме того, такие конструкции могут способствовать уменьшению эффекта «отскакивания колодки», поворота тормозной колодки на месте, что может генерировать нежелательный шум при применении тормоза из-за вибрации колодки, увеличение усталостного повреждения типовых удерживающих тормозну колодку крепежей (например, пластинчатых пружин для прижима колодки) и увеличение износа, и повреждения тормозной колодки и/или удерживающей тормозной суппорт конструкции.
На фиг. 4 показана схема отскакивания колодки. При прижатии тормозной колодки 101 к фрикционной поверхности тормозного диска (не показано), который вращают в направлении DR, вращение тормозного диска вызывает движение и реактивные силы между тормозной колодкой 101 и ее смежными несущими опорными поверхностями (не показаны). У переднего края 102 тормозной колодки тормозная колодка «пытается» двигаться вверх в направлении LU в ответ на силы трения вдоль лицевой поверхности тормозной колодки (показано силовыми стрелками на лицевой поверхности тормозной колодки 101). В области хвостового края 103 тормозной колодки, тормозная колодка «пытается» двигаться вниз в направлении TD. Однако, так как движение тормозной колодки 101 ограничено смежными несущими опорными поверхностями, общее движение тормозной колодки, обычно представляет собой поворот относительно оси, параллельной оси вращения тормозного диска. Это движение может быть односторонним во время торможения, или может проявляться от умеренных до сильных колебаний тормозной колодки на ее опоре, значительно увеличивающих износ прилегающей тормозной колодки и опорных поверхностей.
Специалисту обычной квалификации в этой области техники понятно, что опорная функция тормозной колодки может быть обеспечена посредством держателя тормозного суппорта, спроектированного с возможностью поддержания тормозных колодок, или посредством держателя тормозной колодки, который отделен от конструкции, поддерживающей суппорт. Для удобства, в этом описании, термины: держатель суппорта, кронштейн суппорта и держатель тормозной колодки, могут быть взаимно заменены без намерения ограничить опорную конструкцию тормозной колодки какой-либо особенной конструкцией тормозной колодки и несущей конструкцией тормозного суппорта.
Дополнительное преимущество изобретения заключается в том, что благодаря уменьшенной ширине в радиально внутренней области тормозной колодки выполнены удерживающие элементы тормозной колодки, например, такие, как раскрыты в одновременно поданной заявке №14/640, 152, для их сближения друг с другом, с целью обеспечения дополнительного уменьшения размера компонентов дискового тормоза, при этом поддерживая требуемый уровень тормозных характеристик и/или увеличивая тормозные характеристики посредством увеличения площади поверхности накладки тормозной колодки, при этом сохраняя общий размер тормоза внутри пространства, ограниченного габаритами обода колеса и другими близко расположенными компонентами.
Другие задачи, преимущества и особенности изобретения станут понятны из последующего подробного описания изобретения со ссылкой на приложенные чертежи. Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан известный дисковый тормоз, вид в перспективе;
на фиг. 2 - тормозная колодка согласно варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 3 - тормозная колодка по фиг. 2, вид спереди;
на фиг. 4 - известная прямоугольная тормозная колодка, с показанным движением колодки в ответ на торможение, вид спереди;
на фиг. 5 - вариант выполнения держателя, образующего с тормозной колодкой комплект, представленной на фиг. 2, вид спереди;
на фиг. 6 - альтернативный вариант выполнения тормозной колодки согласно изобретению, вид спереди;
на фиг. 7 - дополнительный вариант выполнения тормозной колодки согласно изобретению, вид спереди.
Осуществление изобретения
На фиг. 2 показан вид в перспективе варианта осуществления изобретения, в котором тормозная колодка 10 содержит опорную пластину 11 с фрикционным материалом 19 тормозной колодки, прикрепленным к ней. Боковые стороны 12, 13 тормозной колодки 10, в общем, сближаются, как показано на фиг. 3, вдоль радиусов, проходящих от оси вращения тормозного диска 2 (не показан). Радиально внутренняя сторона 14 и радиально наружная сторона 15 тормозной колодки 10 немного скруглены и, в общем, следуют скруглению тормозного диска.
Опорная пластина тормозной колодки в этом варианте выполнения содержит боковые выступы 16, сформированные с возможностью зацепления с соответствующими удерживающими тормозную колодку элементами держателя 4 способом, раскрытым в одновременно поданной заявке №14/640, 152, так что даже при отсутствии каких-либо дополнительных устройств удержания тормозной колодки, однажды зацепленная приемными элементами держателя тормозная колодка надежно удерживается в дисковом тормозе. Опорная пластина 20 в этом варианте выполнения также содержит: радиально наружные элементы, содержащие крючкообразные части 17, приспособленные для приема концов устройств подавления вибрации и/или реакции тормозной колодки, например, пластинчатых пружин (не показаны); и прорезь 18, выполненную для приема датчика износа тормоза (не показан). Боковые выступы опорной пластины, крючкообразные части и прорезь для датчика износа тормозной колодки являются элементами варианта выполнения, но они не являются обязательными элементами изобретения.
Преимущества изобретения, касающиеся тормозной энергии, давления прикладываемого при торможении и уменьшения износа материала тормозной колодки, показаны на фиг. 3 и последующих уравнений.
B
1
2
1
2
На фиг. 3 схематично показан и описан вид спереди по фиг. 2, варианта выполнения тормозной колодки предложенного согласно изобретению. Как показано на чертеже, угол, охватываемый дугой материала 30 колодки с центром на оси вращения О, является углом ϕ тормозного диска. Внутренний и наружный радиусы материала колодки - r и r, соответственно. Приращения площади, используемые в интегральных вычислениях, представленных ниже, к которым прикладывают давление P (Р), составляют dAB1 (dAB2).
Используя эту номенклатуру, можно выразить передачу энергии к тормозной колодке от тормозного диска в каждом приращении площади dA в виде соотношения:
где
Удельная энергия на любом радиусе r равна:
Приращение площади составляет:
и, таким образом, удельная передача энергии составляет:
где K - постоянная.
Известно, что скорость износа материала тормозной колодки и давление, прикладываемое между тормозным диском и материалом колодки, соотносятся как 1:1:
где h - износ колодки, Р - прикладываемое давление, k - коэффициент износа (зависит от материала), v - скорость. Давление и износ, таким образом, имеют прямое соотношение.
Функция распределения давления (и, таким образом, износ материала колодки) может быть получена из уравнения передачи удельной энергии:
Такое соотношение позволяет оценивать относительное изменение в характере износа между двумя формами тормозных колодок. Оставляя другие переменные постоянными, соотношение давления (и износа) между двумя формами колодок составляет:
При использовании тормозной колодки согласно изобретению, в сравнении с, в целом, прямоугольной тормозной колодкой с такими же внутренними радиальными высотами и наружными радиальными высотами, при применении обеих тормозных колодок для генерирования одинаковой тормозной силы, предложенная согласно изобретению тормозная колодка с большей длиной дуги в радиально наружной области позволяет генерировать большую тормозную силу при более низком локальном давлении, по сравнению со в целом прямоугольной тормозной колодкой, одновременно уменьшая величину тормозной силы, требующейся от материала колодки в радиально внутренней области тормозной колодки.
B
Например, сравнивая известную, в целом, прямоугольную тормозную колодку с формой тормозной колодки согласно изобретению, тормозная колодка согласно изобретению имеет на 20 см большую длину дуги в радиально наружной области тормозного диска (угол дуги ϕ был приблизительно на пять градусов больше, определенной по радиусу тормозного диска и исходной длине дуги известной прямоугольной тормозной колодки). Несмотря на уменьшение на 4% общей площади поверхности тормозной колодки с предложенной согласно изобретению «клинообразной» формой, перераспределение давления при торможении и тормозной силы, получающейся в результате изменения распределения материала колодки вдоль радиальной высоты тормозной колодки, привело к уменьшению соотношения Р1/Р2 давления торможения, при достижении все же такой же тормозной силы, 1,31:1. Другими словами, несмотря на уменьшение площади материала тормозной колодки, при использовании предложенной согласно изобретению конструкции, интенсивность износа была на 31% ниже, чем известной, в целом, прямоугольной тормозной колодки. В зависимости от потребностей конкретного применения дискового тормоза, внутренний угол и верхнюю и нижнюю длины дуг можно регулировать для получения больших или меньших соотношений давления. Например, в особенно ограниченном пространстве для тормоза угол дуги может быть ограничен так, чтобы уменьшение соотношения давления и достигаемое в результате улучшение характеристик износа фрикционного материала были бы ограничены, однако, предпочтительно, чтобы улучшение характеристик износа превышало 10%. Другой вариант выполнения может быть получен в результате разницы прикладываемого тормозного давления к опорной пластине со стороны поршня суппорта, например, в сравнении с конструкцией суппорта, содержащей два смежных нагнетательных поршня, в устройстве, в котором тормозной суппорт содержит один нагнетательный поршень, а площадь фрикционного материала на 10% меньше эквивалентной тормозной колодки с параллельными сторонами, улучшение характеристик износа тормозной колодки может быть несколько ниже, например, на 10% или менее, из-за концентрации силы торможения в центре опорной пластины колодки. Эффект концентрации силы торможения в центре тормозной колодки может быть по меньшей мере частично смягчен посредством выполнения более толстой опорной пластины.
На фиг. 5 показан вид спереди предпочтительного держателя 26, выполненного для комплектования с тормозной колодкой, представленной на фиг. 2, и содержащего опорные поверхности 27 для удерживания тормозной колодки 10 в окружном направлении в ответ на реактивные силы торможения, создаваемые между тормозным диском и тормозными колодками. Это - предпочтительный вариант выполнения, однако, не обязательно заменять держатель для получения множества из преимуществ этого изобретения. В результате того, что боковые стороны 12, 13 тормозной колодки 10 (и, следовательно, опорные поверхности 27 колодки), в общем, совмещены вдоль радиусов, проходящих от оси вращения тормозного диска, передача тормозных сил между хвостовым краем тормозной колодки 10 и держателем 26 происходит, по существу, параллельно касательной к направлению вращения тормозного диска (т.е. по поверхности, перпендикулярной к направлению вращения), таким образом минимизируя силы, стремящиеся сместить хвостовой край тормозной колодки радиально наружу относительно ее смежной опорной поверхности 27 держателя. На фиг. 5 также показаны приемные элементы 28 держателя для размещения боковых выступов тормозной колодки согласно данному варианту выполнения, дополнительно сформированные для размещения боковых выступов 16 тормозной колодки 10, для надежного удерживания тормозной колодки внутри дискового тормоза.
2
B
1
На фиг. 6 показан вид спереди альтернативного варианта выполнения тормозной колодки согласно изобретению, в котором фрикционный материал 19 тормозной колодки имеет, в целом, дугообразный профиль, но из-за относительно большой длины дуги 29 верхней области фрикционного материала колодки относительно радиальной высоты тормозной колодки, в результате длина дуги 31 нижней области фрикционного материала с радиусом r выступает в боковом направлении значительно дальше за радиус n от оси вращения О к боковым концам верхней дуги 29. В таком варианте выполнения длина дуги верхней области фрикционного материала тормозной колодки составляет 250 мм и соответствует внутреннему углу ϕ 72° от оси вращения О тормозного диска, тогда как длина дуги нижней области, составляющая 150 мм, и выступает в боковом направлении за радиус внутреннего угла. В этом случае, где длина дуги 31 нижней области фрикционного материала выступает за радиус r от концов дуги 29 верхней области к оси вращения О, линии 32, проходящие от непараллельных боковых сторон фрикционного материала тормозной колодки, не пересекаются в оси вращения О, но вместо этого пересекаются в месте I в дальней стороне от оси вращения О. Таким образом, согласно изобретению, длина дуги нижней области не обязательно должна точно соответствовать радиусу от оси вращения О до концов длины дуги верхней области до тех пор, пока большая часть фрикционного материала расположена в радиально верхней области тормозной колодки, для обеспечения преимуществ от увеличения генерируемого момента в верхней области и меньшего общего износа тормозной колодки.
B
1
На фиг. 7 аналогичным образом показан вид спереди дополнительного варианта выполнения, в котором, в целом, дугообразный профиль имеет относительно короткую длину дуги 29 верхней области относительно радиальной высоты тормозной колодки, составляющей 104 мм и имеющую внутренний угол ϕ между радиусами r, составляющий 30°. Длина дуги 31 нижней области в этом варианте выполнения составляет 62,4 мм так, что боковые стороны фрикционного материала располагаются боковыми концами длины дуги 31 нижней области ближе к радиальным линиям, чем в варианте выполнения на фиг. 6.
Тогда как известные части боковых сторон тормозной колодки параллельны смежным поверхностям держателя тормозной колодки, относительно небольшие части длины дуги фрикционного материала можно варьировать согласно требованиям в определенных случаях применения. Например, в радиально наружной области фрикционный материал может следовать форме опорной пластины тормозной колодки и выступать в боковом направлении за по существу линейную сторону тормозной колодки, например, вдоль выступающего в боковом направлении направляющего выступа колодки (таким образом, обеспечивая даже большее количество фрикционного материала в самой выступающей наружу области тормозной колодки). В качестве альтернативы радиально наружная область опорной пластины и фрикционного материала могут быть «обрезаны», т.е. возвращены внутрь от, по существу, линейных сторон тормозной колодки, для обеспечения того, чтобы общая ширина тормозной колодки не была слишком широкой для введения в держатель колодки, в определенных случаях применения тормоза.
Во всех вариантах выполнения, сохраняется концепция «смещения материала» из радиально внутренней области тормозной колодки к ее радиально наружной области для более эффективного и равномерного использования фрикционного материала, где он был бы более эффективен во время торможения. Например, вариант выполнения может иметь длину дуги верхней области с внутренним углом и длину дуги нижней области, которые находятся между теми вариантами, которые представлены на фиг. 6-7, например, внутренний угол колодки может составлять 60°, а длины верхней и нижней дуг могут составлять 210 мм и 126 мм, соответственно. Предпочтительно внутренний угол может составлять от 30° до 75°, и особенно предпочтительно - от 50° до 60°.
Представленное выше описание изобретения изложено для пояснения изобретения и не предназначено для ограничения его объема. Так как такие модификации раскрытых вариантов выполнения, включающих сущность и предмет изобретения, могут быть предложены специалистами в данной области техники, изобретение следует рассматривать как включающее в себя любые варианты, подпадающие под объем, охватываемый прилагаемой формулой изобретения, и эквивалентные им.
Ссылочные позиции
1 - дисковый тормоз
2 - тормозной диск
3 - тормозная суппорт
4 - держатель
5 - посадочное место привода суппорта
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 крюки
18 - радиально наружная прорезь для датчика износа колодки
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 - опорные поверхности держателя тормозной колодки
28 - приемные элементы боковых выступов держателя тормозной колодки
29 - длина дуги верхней области фрикционного материала
30 - длина дуги фрикционного материала
31 - длина дуги нижней области фрикционного материала
32 - линии, проходящие от непараллельных боковых сторон фрикционного материала
101 - тормозная колодка
102 - передний край тормозной колодки
103 - хвостовой край тормозной колодки