CN113357295A - 一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘，包含转子帽、芯体和两个摩擦盘；两个摩擦盘平行地设置在转子帽上，均和转子帽同轴；芯体设置在两个摩擦盘之间，包含N个肋片和N个支撑导流件；N个肋片周向均匀设置在第一摩擦盘和第二摩擦盘之间，将第一摩擦盘和第二摩擦盘之间的空间分割为N个通风道；N个支撑导流件一一对应设置在N个通风道中，结构相同且关于转子帽的轴线对称，为冷却气流通过两个摩擦盘之间时提供了通透的空间。本发明通过增强散热降低工作温度，并能够调控转子中的温度分布，以减小温度梯度，与现有技术相比，本发明具有更优异的冷却效率，进一步提高了制动盘的制动和安全性能。

Description

一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘

技术领域

本发明涉及制动领域，尤其涉及一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘。

背景技术

轻型客车和重型货车依靠制动***耗散车辆的机械能来降低或保持车速。制动盘是制动***的组成部分之一，在工作过程中旋转，制动片和制动盘之间的界面为耗散车辆机械能提供摩擦接触面积。当车辆驾驶员对制动踏板施加压力，通过制动钳将刹车片压在转子摩擦面上，对制动盘提供夹紧力，达到摩擦制动的效果，从而控制车速。制动过程通过摩擦耗散汽车的机械能并转化产生热能，使制动***的温度升高。如果制动负荷很高，会使得制动盘温度过高。因此，制动盘是一个需要承受较大的制动力、夹紧力和热应力的设备。盘式制动器的性能是由散热效率决定的，需要防止工作温度过高，确保热均匀，最大限度地减小制动盘材料内的温度梯度，并最大限度地减少制动时的噪音和振动。

过高的温度产生了一些制动性能的问题，例如，制动盘温度过高导致的制动失效，制动片和制动盘磨损增加，以及转子材料内部温度梯度过高，导致热变形、热开裂和振动等问题。针对这些问题，发明了一种通风式制动盘，可以提高制动器的散热能力，降低转子工作温度。

通风式制动盘由一对并排的、同轴旋转的环形摩擦盘组成，摩擦盘外侧盘面为摩擦面。两个环形摩擦盘具有平行间隔，为冷却空气流动通过摩擦盘之间的内部空间时，提供了独特的通风通道。在此通道中，通常沿径向分布多个内部元件或间隔（span-wiseinternal elements or spacers），如支柱（pillars）、肋片或两者的组合，提供一定的抗压强度，以承受制动盘在制动过程中所需的夹紧力，并维持通风体积。此外，内部元件具有离心泵的效果，吸引冷却气流通过环形摩擦盘之间的芯体间隙（the open core volume）。现有技术[1-10]提出了多种通风孔通道的内部布置，以提高制动盘的散热性能。例如，现有技术[1-5]展示了不同的肋片几何形状，其目的是最大化转子泵送的气流率，以进一步提高转子的对流换热冷却效率。但现有市场上的刹车盘都存在冷却效果差、内部温度分布不均一的缺点，使得现有刹车盘产生过高的局部热应力，这为刹车盘的磨损、破裂和更短的寿命埋下了安全隐患。

现有技术：

1.转子交替肋片设计_US6193023

2.内部具有弯曲冷却风管的通风制动盘_US7100748

3.Venturi喷嘴气动通风口设计_US20090272609

4.高冷却空气流量制动转子_US5492205（Zhang_1996）

5.具有导流结构的制动转子_US6260669

6.具有倾斜posts的制动转子_CN106050993a

7.带冷却杆的盘式制动器_US3899054

8.具有管状通风管的转子_US6216829

9.具有倾翻肋片几何的盘式制动器转子_US20100206674

10.用于盘式制动器的通风盘式制动带_US20060243546。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘，包含转子帽、第一摩擦盘、第二摩擦盘和芯体；所述第一摩擦盘、第二摩擦盘平行地设置在所述转子帽上，均和所述转子帽同轴；所述芯体设置在第一摩擦盘和第二摩擦盘之间；

所述芯体包含N个肋片和N个支撑导流件，N为大于等于3的自然数；

所述肋片呈条状；N个肋片周向均匀设置在第一摩擦盘和第二摩擦盘之间，均指向转子帽的轴线，且肋片的侧壁分别和第一摩擦盘、第二摩擦盘固连，将第一摩擦盘和第二摩擦盘之间的空间分割为N个通风道；

所述N个支撑导流件一一对应设置在N个通风道中，结构相同且关于转子帽的轴线对称；

所述支撑导流件由导流元胞阵列而成；所述导流元胞包含第一至第三杆件，其中，第一至第三杆件均在其中点相交固连，且相邻杆件之间的夹角相等，使得第一至第三杆件形成关于第一杆件中点对称的第一桁架和第二桁架；所述第一、第二桁架均呈正三棱锥状，顶点均位于第一杆件中点，第一桁架的三个端部和第一摩擦盘固连，第二桁架的三个端部和第二摩擦盘固连；

所述支撑导流件的导流元胞以转子帽轴线为中心进行周向、径向阵列，相邻导流元胞第一、第二桁架的端部对应相连，且周向阵列中各个导流元胞的第一至第三杆件的直径相同、径向阵列中导流元胞的第一至第三杆件的直径由内向外逐渐变大。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明公开了一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘，通过增强散热降低工作温度，并能够调控转子中的温度分布，以减小温度梯度，与现有技术相比，本发明具有更优异的冷却效率和更均一的温度分布，减小了局部热应力和局部的磨损，进一步提高了制动盘的制动和安全性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的透视图；

图3为本发明的局部剖面图；

图4为本发明中导流元胞的结构示意图；

图5为本发明与现有技术通风制动盘冷却速率的比较示意图（冷却速率：本发明=-0.0019， 现有市场上的刹车盘=-0.0013）。

图中，1-转子帽，2-第一摩擦盘，3-第二摩擦盘，4-芯体，5-肋片，6-支撑导流件，7-通风道，8-导流元胞，9-第一杆件，10-第二杆件，11-第三杆件，12-第一桁架，13-第二桁架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘，包含转子帽、第一摩擦盘、第二摩擦盘和芯体；所述第一摩擦盘、第二摩擦盘平行地设置在所述转子帽上，均和所述转子帽同轴；所述芯体设置在第一摩擦盘和第二摩擦盘之间；

如图2、图3所示，所述芯体包含N个肋片和N个支撑导流件，N为大于等于3的自然数；

所述肋片呈条状；N个肋片周向均匀设置在第一摩擦盘和第二摩擦盘之间，均指向转子帽的轴线，且肋片的侧壁分别和第一摩擦盘、第二摩擦盘固连，将第一摩擦盘和第二摩擦盘之间的空间分割为N个通风道；

所述N个支撑导流件一一对应设置在N个通风道中，结构相同且关于转子帽的轴线对称；

所述支撑导流件由导流元胞阵列而成；如图4所示，所述导流元胞包含第一至第三杆件，其中，第一至第三杆件均在其中点相交固连，且相邻杆件之间的夹角相等，使得第一至第三杆件形成关于第一杆件中点对称的第一桁架和第二桁架；所述第一、第二桁架均呈正三棱锥状，顶点均位于第一杆件中点，第一桁架的三个端部和第一摩擦盘固连，第二桁架的三个端部和第二摩擦盘固连；

所述支撑导流件的导流元胞以转子帽轴线为中心进行周向、径向阵列，相邻导流元胞第一、第二桁架的端部对应相连，且周向阵列中各个导流元胞的第一至第三杆件的直径相同、径向阵列中导流元胞的第一至第三杆件的直径由内向外逐渐变大。

与现有技术不同，各个导流元胞以轴对称的方式周期性布置。由于径向阵列中导流元胞的第一至第三杆件的直径由内之外逐渐变大，导流元胞第一、第二桁架底部三角形的大小沿径向逐渐变大，能够适应不断扩大的环形摩擦盘，并保持轴对称分布。

导流元胞为冷却气流提供通透空间，以加强转子的散热。此外，杆件直径沿放射状向外变化，以确保更好的散热特性。每个导流元胞所占的体积随杆件直径的变化而变化。此外，在一个导流元胞内，杆件直径也可以沿着单个杆件的轴向变化。改变所述通风通道内的杆件直径可以实现更好的通风通道内部气流分布、动量变化，从而优化通风通道内的散热和热均匀性。

当第一、第二摩擦盘受到摩擦制动力、压缩夹紧力和热应力时，肋片能够为提高材料的抗压强度提供额外的支撑，同时，径向布置的肋片也改善了通风道中支撑导流件对气流的泵送效率。

芯体集成到摩擦盘的方式，包括并不限于以下制造方法：整体成型、整体灰铸铁铸件、陶瓷复合基体、增强碳纤维（carbon fibre reinforced carbon）和C/CSiC。支撑导流件的可能实施例是利用铸造制造将自支撑结构集成到通风通道中。

内部芯体的轴对称布置，支撑导流件和肋片确保了制动盘是双向的——冷却特性独立于旋转方向。这里的制动转子可以连接在（attached to）车辆的左右两侧。

本发明通过以下物理机制提高了冷却性能：

1. 支撑导流件芯体表面积增大，传热增加；制动盘散热性能提高。

2. 支撑导流件的小直径的杆件；减少尾流尺寸，增加可用传热表面积的利用效率。小而多的杆件增加了芯体区域散热的整体效率。

3. 由于三维杆件几何结构形成了旋涡流动结构，如已知的有利于对流换热特性的马蹄形、拱形涡（horseshoe, arch-shaped vortices），增强了流动混合。

4. 在轴向、周向和径向控制导流元胞的占有体积；通过杆件直径变化——例如，周期单元材料在径向占据体积的变化，改变冷却气流的流动面积，并允许在径向控制气流动量。首选变直径的杆件，可以产生更优异的热均匀性，从而实现更好的热控制。上述例子不限制本发明的范围，本发明的核心创新点之一为：利用轴向变化的开放体积，以确保内部和外部环形盘之间的均匀传热。

5. 肋片沿着整个或部分环形摩擦盘径向延伸，增强了通风制动盘的泵送效果，比支撑导流件本身所能达到的效果更大。提高通过环形盘之间空隙的冷却气流速率，增强对流冷却效果，从而降低制动盘的工作温度。

本发明还能够提高NHV（噪音，粗糙性，振动）性能：

1. 芯体通过多个接触节点和第一、第二摩擦盘相连，增加的接触节点能够耗散机械能，从而可以抑制制动盘因摩擦引起的振动噪音。

2. 与目前已知的制动盘相比，导流元胞的轴对称布置提高了转子的刚度，增加了转子的谐振频率，有利于降低制动时产生制动噪声。

与现有技术相比，本发明能够提高冷却能力，降低制动盘的工作温度，有利于减少制动失效、制动盘和制动片的磨损；热均匀性的改善减少了热变形、热裂纹和热弹性不稳定性——这些都是产生制动失效的重要因素；此外本发明还改进结构阻尼，降低了刹车噪音。

为了验证本发明的冷却效果，本发明进行了实地装车测试（tracking testing），与现有市场上的制动盘相比，本发明的冷却性能得到了改善。冷却速率通过计算线性曲线Log(T-Ta)的斜率（°C）与时间（秒）的比值得到，测量并对比了本发明和目前已知的安装在商用车辆上的传统通风式制动盘的散热性能，如图5所示。线性图表明，制动盘的耗散热能由对流传热模式主导，符合牛顿冷却定律。图中斜率更大的图线表示对流冷却更强。实地装车试验结果表明，与目前已知的转子相比（0.006秒^-1），本发明实现了较大的冷却速率（即0.008秒^-1）。

为了评估对比冷却性能，相同的跟踪测试方法应用于本发明和目前市场上的制动盘中，测试方法描述如下：以40公里/小时的恒定速度，利用牵引车辆（secondary vehicle）拖动装有通风刹车盘的商用车辆，在椭圆形的轨道上进行测试。拉动商用车的牵引杆上装有一个测压元件用来测量牵引力，该测压元件可以测量制动***啮合时的制动力。在制动冷却性能试验中，通过测量和控制制动速度与制动力的乘积，计算出制动功率。左前和右前通风式制动盘通过车辆的制动***摩擦加热。本发明和目前已知的制动盘具有相同的输入制动功率。当制动盘被加热时，用已经校准过的非接触式红外温度计测量左右刹车盘内侧环形摩擦盘的表面温度。持续制动，使得制动盘摩擦生热直至制动片表面温度达到稳定状态。随后，制动***脱离，制动功率为零。这完成了一个冷却循环，记录制动盘表面温度随时间的变化，用于计算冷却速率参数。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有轴对称周期多孔材料的通风式肋片制动盘，包含转子帽、第一摩擦盘、第二摩擦盘和芯体；所述第一摩擦盘、第二摩擦盘平行地设置在所述转子帽上，均和所述转子帽同轴；所述芯体设置在第一摩擦盘和第二摩擦盘之间，其特征在于：

所述芯体包含N个肋片和N个支撑导流件，N为大于等于3的自然数；

所述肋片呈条状；N个肋片周向均匀设置在第一摩擦盘和第二摩擦盘之间，均指向转子帽的轴线，且肋片的侧壁分别和第一摩擦盘、第二摩擦盘固连，将第一摩擦盘和第二摩擦盘之间的空间分割为N个通风道；

所述N个支撑导流件一一对应设置在N个通风道中，结构相同且关于转子帽的轴线对称；

所述支撑导流件由导流元胞阵列而成；所述导流元胞包含第一至第三杆件，其中，第一至第三杆件均在其中点相交固连，且相邻杆件之间的夹角相等，使得第一至第三杆件形成关于第一杆件中点对称的第一桁架和第二桁架；所述第一、第二桁架均呈正三棱锥状，顶点均位于第一杆件中点，第一桁架的三个端部和第一摩擦盘固连，第二桁架的三个端部和第二摩擦盘固连；

所述支撑导流件的导流元胞以转子帽轴线为中心进行周向、径向阵列，相邻导流元胞第一、第二桁架的端部对应相连，且周向阵列中各个导流元胞的第一至第三杆件的直径相同、径向阵列中导流元胞的第一至第三杆件的直径由内向外逐渐变大。

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