ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОРМОЗНОГО ДИСКА
SCREENING DEVICE FOR BRAKE DISC

Изобретение относится к защитному устройству для тормозного диска. В частности, изобретение относится к защитному кожуху для дискового тормозного механизма, снабженному отверстиями для выпуска воздуха.
Автомобильные тормоза за счет трения преобразуют кинетическую и потенциальную энергии в тепло. Это тепло сначала аккумулируется в тормозных дисках, а затем благодаря теплопроводности и излучению отдается в окружающую среду. Кроме того, тепло от тормозных дисков отводится путем свободной и принудительной конвекции.
Из уровня техники известно, что у автомобилей хозяйственного назначения с дисковой тормозной системой для защиты тормозного диска в целом на конец оси навинчивается защитный кожух для тормозного диска. Монтаж выполняется таким образом, чтобы кожух большей частью прикрывал открытую область тормозного диска. На фиг. 1 в перспективе изображена концевая область автомобильной оси 1 с таким известным из уровня техники защитным кожухом 2, смонтированным на конце оси для защиты тормозного диска.
Эти защитные кожухи препятствуют проникновению воды и частиц грязи в пару трения между тормозным диском и фрикционной накладкой тормозной колодки. Кроме того, защитные кожухи для тормозного диска защищают от теплового излучения такие установленные в окружении тормоза компоненты, как датчики частоты вращения колеса, трубопроводы датчиков и тормозного привода.
Однако такие конструкции имеют тот недостаток, что такой защитный кожух для тормозного диска препятствует эффективному обтеканию тормозной системы потоком. В результате уменьшается теплопередача, в частности отвод тепла, например, путем конвекции. Следствием повышения температуры в области около фрикционных накладок тормозных колодок является уменьшение прочности тормозного механизма, т.е. форсирование износа тормозной системы. Отсюда следует конфликт целей при разработке защитных кожухов для тормозного диска, заключающийся в противоречии требований максимальной защиты тормозной системы и максимальной охлаждающей способности.
Для повышения охлаждающей способности при использовании защитных кожухов для тормозного диска известны другие известные из уровня техник подходы, проиллюстрированные на фиг. 2A и 2B. При этом защитный кожух снабжен прямыми прорезями 5, радиально расположенными вдоль боковой поверхности защитного кожуха. Другая реализация, известная из уровня техники, предусматривает выборку прямых прорезей в защитном кожухе группами направленных параллельно и в виде хорд окружности. Хотя такие прорези и улучшают теплопередачу, все же имеет место тот недостаток, что такие отверстия имеют открытый доступ к тормозному диску и тем самым ухудшают защиту от загрязнения. В результате свободного доступа к тормозному диску частицы грязи через прорези могут беспрепятственно проникать в тормозную систему. Таким образом, возможное снижение рабочей температуры тормозной системы осуществляется за счет ухудшения характеристик износа тормозного механизма.
Задачей изобретения является создание защитного устройства для тормозного диска, лишенного недостатков обычных защитных устройств для тормозного диска. Защитное устройство для тормозного диска, в частности, должно обеспечивать повышенную охлаждающую способность тормозной системы и одновременно ее лучшую защиту от загрязнения и повреждения.
Эти задачи решаются, соответственно, благодаря защитному устройству для тормозного диска с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и случаи применения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения и более подробно поясняются в нижеследующем описании с частичной ссылкой на фигуры.
Защитное устройство для тормозного диска согласно изобретению имеет на боковой поверхности защитного устройства для тормозного диска в соответствии с уровнем техники по меньшей мере два щелевых отверстия для выпуска воздуха. Боковая поверхность - это та часть защитного устройства для тормозного диска, которая в смонтированном состоянии по меньшей мере частично перекрывает боковую поверхность тормозного диска.
Согласно общим точкам зрения относительно изобретения по меньшей мере два отверстия для выпуска воздуха имеют по одному ребру, отстоящему от боковой поверхности. Отклоняющее ребро такого рода, в дальнейшем именуемое кромкой или скосом, может отстоять от боковой поверхности защитного устройства для тормозного диска внутрь, т.е. в направлении стороны, обращенной к тормозному диску, или наружу, т.е. в направлении стороны, противоположной тормозному диску.
При этом отклоняющие ребра установлены с таким наклоном в радиальном направлении боковой поверхности, чтобы отклоняющие ребра по существу располагались перпендикулярно направлению воздушного потока, отклоняемого в режиме движения в результате вращения тормозного диска.
Наличие отстоящих ребер, выполненных при отверстиях для выпуска воздуха, имеет то преимущество, что ребра закрывают проходные отверстия от проникновения грязи.
Одновременно отклоняющие ребра согласно изобретению улучшают конвекцию тепла из внутреннего пространства между тормозным диском и защитным устройством. Если отклоняющие ребра отстоят внутрь, т.е. в сторону, обращенную к тормозному диску, то воздушные массы, движущиеся в промежуточном пространстве между тормозным диском и защитным устройством, отклоняются отклоняющими ребрами при попадании на них через отверстия для выпуска воздуха наружу. Если отклоняющие ребра выполнены отстоящими наружу, то они создают со стороны защитного кожуха, противоположной тормозному диску, разрежение, вследствие которого воздушные потоки через отверстия для выпуска воздуха снова также отклоняются наружу.
Ребра предпочтительным образом направлены так, чтобы поверхность ребер, отстоящая от боковой поверхности защитного устройства для тормозного диска, располагалась по возможности перпендикулярно к распределению воздушного потока в промежуточном пространстве между дисковым тормозным механизмом и защитным устройством. Такая ориентация максимизирует отклоняющее действие ребер и тем самым охлаждающий эффект.
Специалисту известно, что в режиме движения поток охлаждающего воздуха может подаваться по внутреннему диаметру дисковых тормозных механизмов для их охлаждения, а затем отклоняется в результате вращения тормозного диска. При этом во внутренней области между тормозным диском и защитным устройством образуется воздушный поток с типичным распределением векторов скоростей воздушного потока. Последний зависит также от скорости движения вперед, поскольку с повышением скорости движения увеличивается скорость вращения тормозного диска и тем самым отклонение воздушных потоков.
Тот признак, что ребра по существу установлены перпендикулярно направлению воздушного потока, отклоняемого в режиме движения в результате вращения тормозного диска, в смысле изобретения следует понимать так, что это имеет место для типичного диапазона скоростей, например, между 55 и 100 или между 75 и 90 км/час, для которого охлаждение тормоза рассчитано оптимально.
Отклоняющие ребра могут быть обращены внутрь или наружу под прямым углом к боковой поверхности. Однако, предпочтительно, чтобы отклоняющие ребра для достижения особенно эффективного отвода воздушных потоков из тормозной системы образовывали относительно боковой поверхности острый установочный угол. Благодаря острому установочному углу создается отклоняющая рампа для воздушных потоков, которые при попадании на эту скошенную кромку отклоняются наружу особенно эффективно. Особенно предпочтительно, чтобы установочный угол ребра относительно боковой поверхности располагался в диапазоне от 15 до 70, более предпочтительно в диапазоне от 30 до 50 градусов.
Согласно общим аспектам изобретения выпускные отверстия и тем самым выполненные при них отстоящие отклоняющие ребра расположены с наклоном на предопределенную величину относительно радиального направления боковой поверхности. В отличие от известного из уровня техники радиального расположения прорезей или группового параллельного расположения, наклонное расположение обеспечивает лучшую подгонку режима потока воздуха во внутреннем пространстве между тормозным диском и защитным устройством, а тем самым лучший теплоотвод через отверстия для выпуска воздуха.
Авторы изобретения установили, что расположение ребер относительно радиального направления боковой поверхности является таким, чтобы отклоняющие ребра образовывали угол в 5-60 градусов, более предпочтительно угол в 20-45 градусов относительно радиального направления, особенно предпочтительный для теплоотвода.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления отстоящая радиальная кромка ребер проходит на постоянном удалении от боковой поверхности. Другими словами, ширина отклоняющих ребер является постоянной по всей длине отверстий для выпуска воздуха, так что ребра на всем протяжении отверстий для выпуска воздуха имеют неизменную поверхность воздействия.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления отверстия для выпуска воздуха выполнены серповидными. Согласно одному из других аспектов этого варианта ребра в радиальном направлении выполнены выпуклыми. Другими словами, отклоняющее ребро ограничено двумя параллельными кривыми продольными кромками.
Один из других вариантов осуществления предусматривает, чтобы отверстия для выпуска воздуха и/или ребра могли быть выполнены прямоугольными.
Согласно одному из предпочтительных примеров выполнения защитное устройство для тормозного диска содержит крепежный выступ, выполненный по меньшей мере для частичного перекрытия тормозной колодки в смонтированном состоянии защитного устройства.
Согласно этому варианту осуществления отверстия для выпуска воздуха расположены в области, непосредственно примыкающей к крепежному выступу. Благодаря этому охлаждающий воздух может отводиться наружу прямо после своего нагрева на тормозных колодках. Эта система основывается на констатации авторами того факта, что распределение воздушного потока, поступающего по внутреннему диаметру дискового тормоза и отклоняемого в результате вращения тормозного диска, сразу после тормозных колодок имеет еще надежно предсказуемый характер, однако по мере удаления от тормозных колодок по дуге окружности тормозного диска оно нарушается под действием завихрений и т.п. Поэтому в области в направлении вращения колеса непосредственно за крепежным выступом отверстия для выпуска воздуха на боковой поверхности защитного устройства тормозного диска предпочтительным образом могут выбираться с таким расчетом, чтобы они по мере возможности располагались ортогонально воздушным потокам.
Особенно предпочтительно, чтобы отверстия для выпуска воздуха располагались в ограниченной области с центральным углом меньше 100 градусов, предпочтительно меньше 80 градусов. Центральный угол измеряется, исходя из концевой области защитного устройства для тормозного диска, устанавливаемой на тормозных колодках.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения по крайней мере одно отверстие для выпуска воздуха по меньшей мере из двух отверстий для выпуска воздуха располагается в направлении вращения колеса непосредственно за крепежным выступом. В этом случае другие отверстия для выпуска воздуха размещаются в направлении вращения колеса вокруг его оси при движении вперед на определенном угловом расстоянии α. Согласно одному из предпочтительных вариантов величина углового расстояния α составляет от 10 до 25, более предпочтительно от 12 до 22 градусов. В одном из предпочтительных вариантов осуществления защитное устройство для тормозного диска имеет 2-6 отверстий для выпуска воздуха. Авторы установили, что, в частности, четыре отверстия для выпуска воздуха обеспечивают особенно предпочтительный компромисс между максимально возможной охлаждающей способностью, с одной стороны, и максимально возможной эффективной защитой тормозного диска, с другой стороны.
Защитное устройство для тормозного диска выполнено в виде обычного защитного кожуха, разделенного в соответствии с заданным контуром отверстий для выпуска воздуха и отклоняющих ребер и соответствующим способом повернутого из плоскости так, чтобы отклоняющие ребра изгибались в направлении внутрь или наружу.
Кроме того, изобретение относится к тормозной системе для автомобиля, предпочтительно для автомобиля хозяйственного назначения, содержащей защитное устройство для тормозного диска по одному из вышеописанных аспектов. Кроме того, изобретение относится к автомобилю, в частности к автомобилю хозяйственного назначения, содержащему защитное устройство для тормозного диска, или тормозную систему, по одному из вышеописанных аспектов.
Другие подробности и преимущества изобретения описываются со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает в перспективе концевую область оси автомобиля с защитным кожухом из уровня техники;
фиг. 2А-2В - защитные кожухи для тормозных дисков, известные из уровня техники;
фиг. 3 - в перспективе концевую область оси автомобиля с защитным кожухом в смонтированном состоянии согласно примеру выполнения;
фиг. 4 - сторону защитного кожуха для тормозного диска, противоположную тормозному диску согласно примеру выполнения;
фиг. 5 - вид защитного кожуха для тормозного диска на фиг. 4 с плоскостью x-y сечения;
фиг. 6 - прохождение воздушных потоков через защитное устройство для тормозного диска с защитным кожухом для тормозного диска согласно примеру выполнения настоящего изобретения;
фиг. 7 - расположение прорезей на защитном кожухе для тормозного диска согласно примеру выполнения настоящего изобретения;
фиг. 8 - сторону показанного на фиг. 4 защитного кожуха для тормозного диска, обращенную к тормозному диску;
фиг. 9 - сторону защитного кожуха для диска дискового тормозного механизма, противоположную тормозному диску согласно другому примеру выполнения; и
фиг. 10 - сторону защитного кожуха для тормозного диска на фиг. 9, обращенную к тормозному диску.
На фиг. 3 в перспективе изображены концевая область оси 1 автомобиля и защитный кожух 10 для тормозного диска в смонтированном состоянии на тормозном диске. На фиг. 3, а также на последующих фигурах направление движения автомобиля показано стрелкой, обозначенной позицией F, а направление вращения колеса при движении вперед - стрелкой, обозначенной позицией D. В месте, в котором тормозные колодки прилегают к тормозному диску, в результате трения между тормозными колодками и тормозным диском выделяется тепло W. Защитное устройство 10 для тормозного диска состоит из защитного кожуха, в боковой поверхности которого выбраны четыре отверстия 11 для выпуска воздуха.
Конкретная форма выполнения защитного кожуха 10 более подробно описывается со ссылкой на фиг. 4. Защитное устройство 10 для тормозного диска состоит из защитного кожуха с серповидной боковой поверхностью 13. Внутренний контур 17 и наружный контур 18 серповидных боковых поверхностей выполнены примерно в форме полуокружностей. Габариты защитного кожуха, в частности наружного контура 18, подогнаны под размер закрываемого тормозного диска. Защитный кожух имеет на своем верхнем концевом участке крепежный выступ 16, выполненный в смонтированном состоянии устройства по меньшей мере для частичного перекрытия тормозной колодки. В области крепежного выступа 16 происходит также выделение тепла W за счет сил трения, действующих между тормозной колодкой и тормозным диском. W в свою очередь снова обозначает место тепловыделения.
В боковой поверхности 13 выбраны четыре отверстия 11а-11d для выпуска воздуха. При этом первое отверстие 11а для выпуска воздуха расположено в плоской области 13 защитного кожуха 10 прямо вслед за крепежным выступом 16. Тем самым при движении вперед в направлении вращения колеса первая прорезь 11а расположена таким образом, что длина дуги s окружности между фрикционной накладкой тормозной колодки и серединой прорези 11а является минимальной. Другими словами, первая прорезь 11а расположена как можно ближе к концу крепежного выступа. Другие прорези 11b-11d размещены вокруг оси колеса в направлении вращения колеса (при движении вперед) на угол α. В данном примере угол α равен примерно 15 градусам.
Согласно другому предпочтительному аспекту проточный канал для подачи свежего воздуха к внутреннему диаметру тормозного диска оптимизирован настолько, чтобы подводиться мог довольно большой объемный поток. Это достигается тем, что радиус линии 17 внутреннего контура выполнен по возможности большим так, чтобы для втекания охлаждающего воздуха по внутреннему диаметру тормозного диска образовывалось максимально возможное отверстие.
По аналогичному принципу окружное наружное перекрытие тормозного диска защитным кожухом 10 по мере возможности сокращено, так что форсируется отток текучей среды, нагретой от тормозного диска. Для защиты окружной кромки тормозного диска защитный кожух 10 также имеет окружную кромку 19, локально перекрывающую краевую область тормозного диска по окружности.
Выпускные отверстия 11a-11d выполнены серповидными и имеют, каждое, по ребру 12, отстоящему вовнутрь от боковой поверхности 13, т.е. со стороны, обращенной к тормозному диску. Эти отформованные отклоняющие ребра 12 могут выбираться, например, путем разделки поверхности кожуха по заданному серповидному контуру и последующего загиба ребер 12 кожуха во внутреннюю сторону.
Другие детали формы выполнения и расположения прорезей 11 поясняются со ссылкой на последующие фигуры. Так, например, на фиг. 5 изображен вид защитного кожуха 10 для тормозного диска на фиг. 4 с плоскостью x-y сечения. При этом очевидно, что ребра 12 ограничиваются двумя параллельными кривыми продольными кромками 14, 15, причем нижняя отстоящая продольная кромка 14 проходит на постоянном удалении от боковой поверхности 13. Ребра 12 выполнены выпуклыми в направлении вращения колеса. Отклоняющие ребра 12 образуют острый установочный угол δ примерно в 40 градусов, так что отклоняющие ребра 11a-11d, отстоящие внутрь, образуют скошенную кромку, или отклоняющую рампу, для воздушного потока, проходящего во внутренней области, для эффективного отведения последнего наружу. Установочный угол δ изображен также при увеличении на обведенном пунктиром фрагменте на виде в разрезе светового отверстия 11d.
Кроме того, очевидно, что отстоящие скошенные кромки 12 одновременно образуют частичное перекрытие световых отверстий 11a-11d, так что прямой доступ к тормозному диску снаружи предотвращается, и тем самым создается защитный механизм для тормозного диска.
На фиг. 6 иллюстрируется прохождение воздушных потоков через защитное устройство для тормозного диска с защитным кожухом для тормозного диска согласно примеру выполнения. На фиг. 6 изображен защитный кожух 10 для тормозного диска в смонтированном состоянии на диске 7 тормозного механизма. По внутреннему диаметру тормозного диска вводится свежий воздух, что на фиг. 6 обозначено местом Е. При движении вперед в направлении D свежий воздух, поступающий в месте Е, в результате вращения тормозного диска отклоняется в направлении D к тормозному диску и в направлении D вращения колеса. Отклонение поступающих воздушных потоков в результате вращения тормозного диска показано стрелкой Р. Происходящее типичное распределение воздушного потока изображено жирной пунктирной стрелкой L. Тонкая пунктирная линия U указывает направление поступления и не отклоненное направление воздушного потока в радиальном направлении. Прохождение воздушных потоков L может, например, экспериментально измеряться заранее и/или рассчитываться с помощью моделирования. Таким образом, ожидаемое прохождение воздушного потока может определяться для скорости движения, при которой отверстия 11 для выпуска воздуха должны охлаждаться наилучшим образом, например, в диапазоне скоростей от 75 до 90 км/час. В этом случае отверстия 11a-11d для выпуска воздуха, выбранные в боковой поверхности 13, располагаются таким образом, чтобы ребра по существу были направлены перпендикулярно направлению L воздушного потока, отклоняемого в режиме движения в результате вращения тормозного диска. Серповидное искривление отклоняющих ребер обеспечивает особенно предпочтительную подгонку под траекторию L полета частиц воздуха.
В сочетании с выполнением отклоняющих ребер 12 в виде рампы возникающий воздушный поток подается затем вверх на выход из отверстия 11 для выпуска воздуха, а не отражается обратно во внутреннюю область между диском 7 тормозного механизма и защитным кожухом 10.
Кроме того, на фиг. 6 показано, что отклоняющие ребра 11a-11d предпочтительно устанавливать в области, непосредственно примыкающей к крепежному выступу 16. В этой области поступающий поток охлаждающего воздуха подвержен воздействию предопределенного отклонения P, возрастающего с повышением скорости движения, так что выполненные скошенные кромки 12 могут быть сориентированы таким образом, чтобы они каждый раз устанавливались перпендикулярно направлению L воздушного потока.
После отверстия 11d для выпуска воздуха воздушный поток во все большей степени подвержен завихрениям и отражениям на стенках защитного кожуха и т.п., так что последующее расположение отверстий 11 для выпуска воздуха может согласовываться с воздушным потоком менее эффективно. Эта предпочтительная область еще раз изображена на фиг. 7 на основе угла γ. Обычно предпочтительная область обозначается центральным углом γ меньше 100 градусов, предпочтительно меньше 80 градусов.
Кроме того, на фиг. 7 показано, что каждое из отверстий 11 для выпуска воздуха, а тем самым и каждое из ребер 12 установлены с наклоном относительно радиального направления R боковой поверхности 13 на предопределенный угол β. Угол β в примере выполнения располагается в диапазоне от 20 до 45 градусов.
На фиг. 8 изображена сторона показанного на фиг. 4 защитного кожуха 10 для тормозного диска, обращенная к тормозному диску.
На фиг. 9 изображен другой пример выполнения защитного кожуха 20, в котором в отличие от вышеописанного примера выполнения отверстия 21 для выпуска воздуха выполнены не серповидными, а прямоугольными. В соответствии с этим выполненные ребра 22, отстоящие внутрь, также выполнены прямоугольными и образуют плоскую отклоняющую поверхность для воздушного потока тормозного механизма. В остальном это конструктивное исполнение соответствует вышеописанному защитному устройству 10 для тормозного диска.
На фиг. 10 снова изображена сторона защитного кожуха 20 для тормозного диска на фиг. 9, обращенная к тормозному диску.
Тем самым, в итоге изобретение содержит предохранительный щит для тормозного диска для защиты или повышения прочности тормозной системы автомобиля хозяйственного назначения. Решающими для функционирования являются, с одной стороны, физическое экранирование тормозного диска от окружающей среды, а, с другой стороны, оптимизация потока охлаждающей среды для достижения снижения рабочей температуры тормоза.
Хотя изобретение описано со ссылкой на определенные примеры выполнения, для специалиста очевидно, что могут производиться различные изменения, а в порядке замены могут использоваться эквиваленты, не выходящие за рамки изобретения. Дополнительно для адаптации определенной ситуации (например, диапазона скоростей движения, для которого должна оптимизироваться ориентация ребер) или определенного конкретного исполнения тормозной системы (размера тормозного диска, процесса поступления свежего воздуха и т.п.) к идее изобретения без выхода за соответствующие рамки может выполняться множество модификаций. Следовательно, изобретение не должно ограничиваться показанным определенным примером выполнения, а должно включать все примеры выполнения, укладывающиеся в рамки приложенной формулы изобретения.
Перечень позиций
1 - ось колеса
2, 3, 4 - защитный кожух для тормозного диска (уровень техники)
5, 6 - прорезь (уровень техники)
W - тепловыделение во фрикционной накладке тормозной колодки
D - направление вращения колеса
F - направление движения
7 - тормозной диск
10, 20 - защитный кожух для тормозного диска
11, 21 - отверстия для выпуска воздуха
12, 22 - отклоняющее ребро
13, 23 - боковая поверхность
14 - наружная продольная кромка
15 - внутренняя продольная кромка
16 - крепежный выступ
17 - внутренняя концевая область
18 - наружная концевая область
19 - наружное перекрытие
α - угол α
s - дуга s окружности
β - угол поворота
γ - центральный угол
δ - выставочный угол ребер
Е - поступление свежего воздуха
L - направление воздушного потока
P - отклонение в результате вращения
U - первоначальное направление потока
R - радиальное направление боковой поверхности