ТОРМОЗНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
AUTOMOTIVE BRAKING SYSTEM (VERSIONS) AND TRANSPORT FACILITY

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к тормозным системам, предназначенным в основном (но не исключительно) для колес транспортных средств.
Уровень техники
При работе тормозных систем транспортных средств обычно происходит преобразование кинетической энергии в тепловую, при этом тормозная система, которая содержит поверхность с высоким коэффициентом трения, используется для замедления движения колес. Проблема заключается в том, что если вырабатываемое тепло не будет рассеиваться, то эффективность работы тормозной системы будет становиться все меньше и меньше, что, в конце концов, приведет к так называемому усталостному разрушению тормозной системы из-за сильного перегрева приводных устройств тормозов.
Усталостному разрушению особенно подвержены колодочные тормоза, поскольку та часть поверхности барабана, которая нагревается от башмаков, создающих трение, превышает его поверхность, рассеивающую тепло путем конвекции по окружающему воздуху.
Дисковые тормоза обычно более эффективны по сравнению с колодочными (барабанными), поскольку они позволяют тормозной скобе прикладывать большее давление при вдавливании тормозных колодок в тормозной диск, прикрепленный к связанной с ним ступице колеса, по сравнению с тем давлением, которое может быть приложено к боковой поверхности барабана колодочного тормоза. Таким образом, область теплового контакта между трущимися колодками дисковых тормозов и связанными с ними дисками может быть существенно уменьшена по сравнению с областью контакта, которую имеют тормозные башмаки с соответствующими барабанами при том же тормозном усилии. Обычно дисковые колодки сильно нагревают 20% поверхности диска дискового тормоза, при этом 80% диска рассеивает тепло путем конвекции в окружающий воздух в пределах связанного с ним колеса.
В целях усовершенствования тормозных систем производители транспортных средств увеличивали внутренний диаметр их колес с тем, чтобы к ним подходили диски и тормозные скобы большего диаметра. Это может повысить тормозное усилие тормозных систем в результате увеличения радиуса диска. Однако увеличение радиуса этих дисков приводит к тому, что связанная с ними скоба должна быть существенно длиннее по сравнению со скобами, которые используются с обычными дисками меньшего размера, т.к. в этом случае требуется преодолеть глубину этих дисков.
Удлиненные, так называемые "пучковые", скобы, используемые с этими укрупненными дисками, обычно имеют четыре или шесть углублений, что существенно увеличивает их сложность и стоимость продукции. Кроме того, они существенно уменьшают область тормозного диска, которая может охлаждаться путем конвекции по воздуху внутри колеса. Кроме того, они могут создавать ухудшающий эффективность работы "эффект пробки" за счет сокращения воздушного пространства, доступного для охлаждения дисков путем конвекции воздуха внутри связанного с ними колеса.
Таким образом, основная проблема, присущая как дисковым, так и колодочным тормозным системам заключается в том, что рассеивание ими тепла путем конвекции через окружающий воздух обычно не в состоянии эффективно предотвратить усталостное разрушение тормозной системы. Более того, сами по себе конструкции тормозных систем склонны снижать свою эффективность вследствие того, что воздушный поток, который должен служить для охлаждения поверхностей, разбивается этими поверхностями.
Целью настоящего изобретения является создание тормозной системы, которая имела бы очень хорошее охлаждение и обеспечивала бы высокие эксплуатационные характеристики в течение длительного времени.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается тормозная система, содержащая ось, опорный элемент, установленный на оси, тормозной обруч, соединенный с периферийной поверхностью опорного элемента и тормозную скобу, служащую для приложения тормозного усилия к тормозному обручу. Тормозной обруч соединен с опорным элементом таким образом, что при этом образуется канал теплового потока для передачи тепла от тормозного обруча в опорный элемент и канал воздушного потока также через опорный элемент и через область, в которой расположена тормозная скоба, с конвекционной передачей тепла от тормозного обруча к тормозной скобе.
Поскольку охлаждение тормозной системы создается как за счет передачи тепла от обруча в опорный элемент, так и за счет охлаждения путем конвекции опорного элемента, обруча и тормозной скобы, оказалось возможным создать тормозную систему с хорошим охлаждением и высокими эксплуатационными характеристиками, даже в случае продолжительного торможения.
Данная тормозная система может применяться для колеса транспортного средства, например автомобиля. Колесо может содержать ступицу и опорный элемент. Опорный элемент может простираться от ступицы до тормозного обруча. Тормозной обруч может являться частью обода колеса или выполненным за одно целое с ним.
В то время как в сфере охвата настоящего изобретения используются потоки воздушного охлаждения, вырабатываемые путем конвекции или других факторов, данная тормозная система, в предпочтительном варианте, включает в себя средства для образования воздушного течения (генерирующие средства создания воздушного потока), которые создают поток воздуха вдоль канала воздушного потока. Для создания воздушного потока вдоль канала воздушного потока могут, например, использоваться лопасти крыльчатки. Эти лопасти могут являться частью опорного элемента. В одном из вариантов исполнения настоящего изобретения лопасти устанавливаются в ступице колеса. В другом варианте исполнения они устанавливаются на каком-либо элементе, например на опорном, и выходят наружу за пределы оси.
Для того чтобы обеспечить эффективную линию воздушного потока через опорный элемент, последний должен иметь отверстия, занимающие значительную часть его поперечного сечения. Желательно, чтобы 20%, а еще лучше 40% поперечного сечения опорного элемента содержало одно или несколько отверстий для прохождения воздушного потока через опорный элемент.
Тормозной обруч может разъемно соединяться с опорным элементом либо являться его частью. В любом случае должен существовать хороший канал передачи тепла от тормозного обруча в опорный элемент. Поэтому желательно, чтобы стык между тормозным обручем и опорным элементом представлял собой неразрывное кольцеобразное пространство. Желательно также, чтобы область поперечного сечения этого стыка занимала, как минимум, 20%, а лучше 50% от поперечного сечения тормозного обруча непосредственно в направлении потока на этом стыке. Таким образом, для теплового потока, направленного от тормозного обруча на стык, уменьшение площади поперечного сечения, доступной для передачи тепла, составит не более 50%.
Желательно, чтобы тормозной обруч располагался радиально относительно внутренней периферийной поверхности опорного элемента. В этом случае тормозная скоба будет располагаться с внутренней стороны тормозного обруча, что позволяет последнему иметь больший диаметр. Желательно, чтобы тормозной обруч был плоским и располагался в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Кроме охлаждения путем обычной воздушной конвекции область притязаний настоящего изобретения предполагает также создание замкнутой области вокруг части тормозного обруча и (или) тормозной скобы, а также подачу в эту область текучей среды и отвод ее из этой области. Подобная организация позволяет получить более эффективный теплообмен с текучей средой, которая может представлять собой хладагент, циркулирующий в замкнутом цикле.
Описанный выше аспект настоящего изобретения определяет предпочтительную форму тормозной системы. Тем не менее, тормозная система, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, может содержать и другой набор определенных выше признаков. В соответствии с общим направлением настоящего изобретения предлагается тормозная система, содержащая ось, опорный элемент, установленный на оси, тормозной обруч, соединенный с боковой поверхностью опорного элемента, и тормозную скобу, для приложения тормозного усилия к тормозному обручу, при этом указанная система включает в себя один или несколько следующих признаков:
(а) тормозной обруч соединен с опорным элементом таким образом, что при этом образуется канал теплового потока для передачи тепла от тормозного обруча в опорный элемент;
(б) существует канал воздушного потока, проходящий через опорный элемент и область, в которой расположена тормозная скоба и обеспечивающая конвекционную передачу тепла от тормозного обруча к тормозной скобе;
(в) опорный элемент представляет собой часть колеса;
(г) тормозная система содержит генерирующие средства для создания воздушного потока вдоль канала воздушного потока;
(д) тормозная система, в которой тормозной обруч объединен с опорным элементом;
(е) тормозная система, в которой тормозной обруч является плоским и располагается в плоскости, перпендикулярной оси вращения оси;
(ж) тормозная система содержит систему хладагента, служащую для охлаждения тормозной системы.
В соответствии с общим направлением настоящего изобретения предложенная тормозная система может содержать и любые другие признаки из описанных выше.
Тормозная система может иметь самые разнообразные применения, которые включают в себя различные транспортные средства (но не только их). Ниже описываются примеры использования изобретения, включающие в себя обычные и гоночные автомобили, поезда и самолеты.
Краткое описание чертежей
Ниже в качестве примеров рассматриваются варианты исполнения настоящего изобретения со ссылками на следующие схематические чертежи:
Фиг.1 - вертикальный разрез тормозной системы, использующейся для обычных автомобильных колес;
Фиг.2 - общий вид колеса транспортного средства, с его внешней стороны, которое является модифицированной формой колеса, представленного на Фиг.1;
Фиг.3 - общий вид колеса, с его внутренней стороны, представленного на Фиг.2, к которому прикреплен тормозной обруч;
Фиг.4 - разрез оси автомобильного транспортного средства в сборе с модифицированной формой тормозной системы;
Фиг.5 - общий вид оси колеса поезда с тормозной системой;
Фиг.6 - схематический общий вид тормозной системы колеса транспортного средства, которая содержит систему хладагента.
Осуществление изобретения
Автомобильное колесо, представленное на Фиг.1 в основном является обычным в том смысле, что оно имеет крепежные отверстия 1, служащие для закрепления его на оси транспортного средства, и опорный элемент 9, содержащий обод 2, на котором помещается пневматическая шина (не показана). Тем не менее, оно отличается от обычных колес для транспортных средств, т.к. содержит кольцевой тормозной обруч 3, который скреплен с кольцевой выточкой 4 в ободе 2 при помощи болта с потайной головкой 5. Кроме того, здесь используется опорный элемент 9 с большим числом отверстий 10, который простирается от центральной части колеса до обода 2.
Тормозные усилия могут прикладываться к тормозному обручу 3 при помощи скобы 6, которая прикреплена к подвеске транспортного средства и может иметь обычное гидравлическое управление от гидравлической магистрали (не показана), при помощи которого гидравлические поршни создают давление (усилие) на тормозных колодках 8. В результате этого колодки создают фрикционное сцепление с обручем 3.
В процессе использования воздушные потоки проходят через тормозную скобу 6, тормозной обруч 3 и отверстия 10, забирая тепло, которое вырабатывается этими компонентами во время торможения. Кроме того, тепло, выработанное в тормозном обруче 3, проходит через стык с ободом 2 в ту часть опорного элемента 9, которая относится к ободу. Соединение тормозного обруча 3 с ободом 2 одинаково по всей периферийной поверхности колеса и выполняется при помощи болтов 5, расположенных через определенные интервалы. Таким образом, для обруча 3 внутри опорного элемента 9 создается канал теплового потока.
В представленном конкретном примере площадь поперечного сечения стыка тормозного обруча с опорным элементом определяется той частью поперечного сечения тормозного обруча, на которую непосредственно направлен поток с приемо-передающей части. Таким образом, при условии, что обруч 3 и опорный элемент 9 выполнены из теплопроводного материала и на их стыке существует хороший термический контакт, образуется хорошая проводящая линия для передачи тепла от обруча 3 к опорному элементу 9. В варианте исполнения настоящего изобретения, представленном на Фиг.1, отверстия 10 занимают примерно 90% площади поперечного сечения опорного элемента 9 и, таким образом, образуется канал воздушного потока через опорный элемент 9 и область, в которой расположена тормозная скоба 6. В результате облегчается конвекционная передача тепла от тормозного обруча 3 и тормозной скобы 6. Если требуется, то конвекция может быть усилена путем создания принудительной конвекции, например, путем установки лопастей на опорном элементе для того, чтобы гнать воздушный поток через отверстия 10. Это имеет место для варианта исполнения, представленного на Фиг.1, где опорный элемент содержит лопасти 11.
Удаление и замена колеса на транспортном средстве выполняется в основном обычным путем. Сначала освобождается, а затем поворачивается часть скобы 6 по линии А-А так, что она сможет быть сдвинута в положение, указанное на чертеже пунктирными линиями, после чего удаляются, а затем заменяются крепежные гайки или болты, которые держат колесо на оси транспортного средства.
Транспортные тормозные системы по данному изобретению могут использоваться на различных транспортных средствах. Они могут применяться на дорожных транспортных средствах, например на автомобилях, автобусах, грузовиках и дорожных трейлерах. Они могут использоваться на транспортных средствах, которые движутся по рельсам или колеям, например на железнодорожных пассажирских и грузовых вагонах и трамваях, а также на летательных аппаратах.
На Фиг.2 показано модифицированное колесо, которое в основном аналогично колесу, представленному на Фиг.1, и имеет те же цифровые позиции соответствующих составных частей. Тормозной обруч 3 и тормозная скоба 6 на Фиг.2 не показаны. Эти части показаны на Фиг.3. На Фигурах 3 и 4 показан также опорный элемент, содержащий лопасти крыльчатки 11, при помощи которых образуется воздушный поток через колесо (как показано стрелками на Фиг.1).
Для варианта исполнения, представленного на Фиг.2 и 3, как опорный элемент, так и тормозной обруч выполнены из алюминия, который является теплопроводным материалом.
Преимущество использования тормозного обруча состоит в том, что он усиливает внутренний обод колеса, позволяя уменьшить толщину компонентов колеса.
Может потребоваться, главным образом на высококачественных автомобилях, контролировать температуру тормозного обруча и (или) тормозных колодок, например, с помощью лазерного термометра (не показан) и подавать температурный сигнал на вход устройства управления торможением.
На Фиг.4 представлено модифицированное устройство автомобиля, в котором система торможения удалена от колес и установлена на задних осях 23 транспортного средства. В представленном примере эти системы установлены по обе стороны дифференциала или блока коробки передач 20, на которой смонтированы тормозные скобы 21 каждой системы. Каждая система торможения содержит опорный элемент 22, представляющий собой элемент с открытой крыльчаткой, который установлен на соответствующей оси 23 и простирается наружу к периферийной поверхности, соединяется с тормозным обручем 3, на который действует тормозная скоба. Крыльчатый опорный элемент 22 служит для создания воздушного потока в районе тормозного обруча 3 и скоб 21. Кроме того, в силу своей ребристой конструкции он обеспечивает самоохлаждение. Стрелками показано направление воздушного потока.
На Фиг.5 показано устройство, аналогичное представленному на Фиг.4, но применительно к оси железнодорожного вагона, имеющего колеса 25, двигающиеся по рельсам 26. Здесь для обозначения соответствующих элементов используются те же цифровые позиции, что и на Фиг.4.
На Фиг.6 дано схематическое изображение тормозной системы того же типа, что была представлена на Фиг.4 и 5, но использующая систему охлаждения при помощи текучей среды. В области размещения тормозной системы имеется герметичная камера, а по трубам 31 между камерой 30 и еще одним теплообменным радиатором 32 циркулирует хладагент, где он конденсируется и охлаждается. Понятно, что на Фиг.6 устройство представлено в схематическом виде: камера 30 может, например, окружать только скобу и иметь герметичный контакт с обручем 3.