ТОРМОЗНОЙ ДИСК Российский патент 2001 года по МПК F16D65/847 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкции дисковых тормозов, в частности подвижного состава, которые предназначены как в качестве основного, так и дополнительного средства торможения для высокоскоростного наземного железнодорожного транспорта.

В связи с увеличением скорости подвижных составов выявлены существенные недостатки конструкций традиционных колодочных тормозов и назрела острая необходимость выбора новых, более эффективных конструктивных решений тормозных систем.

Одной из наиболее эффективных и рациональных для скоростного подвижного состава тормозных систем являются дисковые тормоза.

Дисковые тормоза работают по принципу фрикционного механического торможения и широко применяются в вагонах метрополитена, в самолетостроении, автомобилестроении и, конечно, на железнодорожном подвижном транспорте.

Одним из основных элементов конструкции дискового тормоза является тормозной диск.

Известны тормозные диски, к примеру, для тормозов тележки КВЗ-ЦНИИ для вагонов межобластного сообщения (см. книгу: "Автоматические тормоза", авторы: И. И. Крылов и др., изд. "Транспорт", Москва, 1973 г., стр. 193), которые содержат следующие конструктивные элементы: стальную ступицу (сталь марки 15Л1 ГОСТ 977-58) жестко напрессованную (под давлением 100...120 т) на ось колесной пары, к которой крепится тормозной диск, состоящий из двух половин (секторов), соединяемых между собой болтами, а к ступице крепится радиально расположенными болтами с разрезными втулками и тарельчатыми пружинами.

Тормозной диск представляет собой отливку из высокопрочного чугуна с двумя поверхностями трения на торцах, которые соединены поперечными радиальными вентиляционными ребрами для создания потока воздуха во время движения подвижного состава с целью охлаждения их.

(На железных дорогах США диски изготавливаются из марганцовистой стали с содержанием 10. . .14% марганца, а в ФРГ - стальные диски с закаленными поверхностями трения).

К недостаткам такого тормозного диска относятся
- большое количество используемых деталей, а особенно крепежных элементов: болтов, гаек, разрезных втулок и тарельчатых пружин;
- недостаточное охлаждение в виду ограниченного отбора тепла при торможении;
- недостаточная износостойкость;
Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому техническому решению является тормозной диск (см. книгу: "Дизель поезда (устройство, ремонт, эксплуатация)", авторов: Б.М. Лернера и др., изд. "Транспорт", Москва, 1982 г., стр. 234, рис. 127), который состоит из ротора с поперечными радиальными вентиляционными ребрами с двух сторон, двух тормозных фрикционных дисков, состоящих из двух чугунных секторов-накладок каждый и крепящих их элементов (к примеру, болтов с гайками).

Ротор выполнен заодно со ступицей и к нему с двух сторон крепятся фрикционные диски.

К недостаткам описанного тормозного диска следует отнести
а) плохое охлаждение тормозных дисков из-за глухих вентиляционных каналов между ребрами;
б) недостаточно развитую поверхность охлаждения вентиляционных ребер;
Задачей предлагаемого изобретения является создание тормозного диска, свободного от вышеперечисленных недостатков, обладающего повышенной эффективностью торможения.

Поставленная задача достигается тем, что тормозной диск содержит ротор с поперечными вентиляционными ребрами с двух сторон, тормозные фрикционные диски, состоящие из отдельных накладок в виде секторов каждый и крепящие их элементы, причем поперечные вентиляционные роторы расположены по касательной к наружной образующей его ступицы, и имеют с торцов радиальные опорные выступы для фиксации тормозных дисков, и создают вентиляционные воздушные каналы, соединенные кольцевыми воздухозаборниками.

Тормозные фрикционные диски обеспечивают высокие фрикционные качества, мало зависят от применения скорости и надежно крепятся на радиальных опорных выступах торцов ротора с помощью крепящих элементов.

Новизна изобретения состоит в том, что на роторе тормозного диска поперечные охлаждающие вентиляционные ребра выполнены расположенными не радиально, как в общих случаях, а по касательной к наружной образующей ступицы ротора и имеют опорные радиальные выступы, т.е. имеют новое расположение и форму.

Существенность отличий определяется тем, что благодаря новому расположению и форме поперечных охлаждающих вентиляционных ребер, появляются новые свойства, такие как увеличение (примерно на 40%) их контактирующих с охлаждающим воздухом поверхностей, повышение надежности крепления.

Указанные свойства позволяют более интенсивно охлаждать тормозной диск при работе и более эффективно производить торможение.

К технико-экономическим преимуществам по сравнению с прототипом относятся следующие:
е) значительно увеличивается поверхность охлаждения ротора;
ж) тормозные усилия являются постоянными и практически не зависят от скорости подвижного состава;
з) несложен по своей конструкции для изготовления и обслуживания;
и) значительно увеличивается продолжительность работы;
к) имеют место радиальные опорные выступы на роторе для фиксации накладок в виде секторов, образующих фрикционные диски;
л) повышается эффективность торможения, т.е. уменьшается нагрев диска, сокращается время и путь торможения;
м) может применяться для скоростных подвижных составов со скоростью 200 км/ч и выше;
н) повышается надежность работы тормозной системы;
о) содержит специальные кольцевые воздухозаборники с двух сторон.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показан предлагаемый тормозной диск на виде сбоку, справа, на оси подвижного состава;
на фиг. 2 показан предлагаемый тормозной диск в поперечном сечении по А-А, на оси подвижного состава;
на фиг. 3 показано выносное сечение по В-В (увеличено) крепящего элемента.

На чертеже буквами обозначены
Б - толщина тормозного диска;
в - толщина накладки тормозного фрикционного диска;
Г - ширина тормозящей поверхности накладки тормозного фрикционного диска;
D - наружный диаметр тормозного диска;
d - диаметр оси подвижного состава;
D₁ - наружный диаметр ступицы ротора;
E - потоки охлаждающего воздуха;
R - внутренний радиус накладки тормозного фрикционного диска;
α - центральный угол накладки тормозного фрикционного диска;
β - центральный угол между соседними наружными торцами поперечных вентиляционных ребер на образующей дискового тормоза.

Предлагаемый дисковый тормоз (см. фиг. 1; 2 и 3) состоит из стального монолитного ротора 1 со ступицей 2 (выполненной с ним заодно), и жестко установленной на оси 3 подвижного состава. Ротор 1 содержит с обеих сторон поперечные вентиляционные ребра 4, которые расположены (см. фиг. 1) по касательной к наружной образующей ступицы 2. Количество вентиляционных ребер 4 может быть практически любым, но обычно принято 18, т. е. наружные торцы ребер 4 на образующей ротора 1 (360^o) расположены через каждые 20^o его окружности (т.е. β = 20^o). Между ребер 4 образуются вентиляционные каналы 5, по которым во время движения подвижного состава будут проходить потоки воздуха E и охлаждать внутренние поверхности тормозного диска.

С правой стороны ротора 1 (см. фиг. 1) поперечные вентиляционные ребра 4 расположены (наклонены) по часовой стрелке, а с обратной стороны ротора 1, для более равномерного отвода тепла и распределения усилий давления, они могут быть расположены противоположно.

Поперечные вентиляционные ребра 4 имеют в своей нижней части, с каждой торцовой стороны, круговую расточку, образующую радиальные опорные выступы 6, на которые фиксируются накладки 7 в виде секторов (к примеру, шестидесятиградусных), образующие фрикционные диски (на фиг. 1 для наглядности устройства одна накладка 7 снята), которые закреплены на роторе 1 жестко крепящими элементами, к примеру, болтами 8 с гайками 9 через специальные отверстия 10 в накладках 7. Накладки 7 могут быть, к примеру, изготовлены из композиционного материала 6КВ-10 или другого с еще лучшими фрикционными свойствами. После установки накладок 7 и затяжки крепящих элементов (8; 9) выступающие из гайки 9 сбеги болтов 8 необходимо слегка расклепать во избежание самоотвинчивания.

Между наружным диаметром D₁ ступицы 2 и внутренней окружностью фрикционного диска по радиусу R образованы с каждой стороны боковые кольцевые воздухозаборники 11, непосредственно соединенные с вентиляционными каналами 5.

Таким образом касательное расположение поперечных ребер 4 ротора 1 значительно увеличивает поверхность охлаждения тормозного диска (примерно на 40%) и создают более благоприятные условия для эффективного торможения.

При работе (см. фиг. 1 и 2), т.е. во время торможения подвижного состава, при прижатии тормозных колодок (на чертежах не показаны) к торцовым поверхностям фрикционных накладок 7 в результате трения генерируется тепло.

Это тепло поглощается ротором 1 с ребрами 4 и со ступицей 2 и фрикционными накладками 7, которые интенсивно охлаждаются изнутри, протекающим по каналам 5 воздухом, а развитая поверхность ротора 1 с ребрами 4 также интенсивно охлаждается со всех сторон.

В результате этого тепло эффективно отводится протекающим по вентиляционным каналам 5 воздухом E и выноситься в окружающую среду, а через кольцевые щели воздухозаборников 11 постоянно поступает холодный воздух.

Снаружи тормозной диск дополнительно охлаждается встречным потоком набегающего воздуха окружающей среды.

После остановки подвижного состава тормозной диск охлаждается до уровня температуры окружающей среды.

Наиболее рационально использовать предлагаемый тормозной диск по своему прямому назначению, т. е. для дисковых тормозов высокоскоростных подвижных составов и в других устройствах, где необходимо эффективное и надежное торможение.

Изобретение относится к транспортному машиностроению и предназначено предпочтительно для тормозов высокоскоростного железнодорожного транспорта, но может быть использовано и в области самолетостроения и автомобилестроения. Тормозной диск представляет собой монолитный ротор со ступицей, жестко установленной на оси, и имеет поперечные, расположенные с обеих сторон вентиляционные ребра, расположенные по касательной к наружной образующей его ступицы. Ребра образуют вентиляционные каналы. Ребра также имеют радиальные опорные выступы для фиксации накладок в виде секторов, образующих тормозные фрикционные диски. Техническим результатом является повышение эффективности торможения за счет улучшения охлаждения тормозных механизмов. 3 ил.

Тормозной диск, содержащий ротор с поперечными вентиляционными ребрами с двух сторон, тормозные фрикционные диски, состоящие из отдельных накладок в виде секторов каждая и крепящих их элементов, отличающийся тем, что поперечные вентиляционные ребра ротора расположены по касательной к наружной образующей его ступицы и имеют с торцов радиальные опорные выступы для фиксации тормозных фрикционных дисков и для создания вентиляционных воздушных каналов, соединенных с боковыми кольцевыми воздухозаборниками.