ТОРМОЗНОЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2003 года по МПК F16D69/02 F16D65/02 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в тормозных системах транспортных средств.

Поддержание оптимального температурного режима тормозной системы предохраняет тормозные устройства от преждевременного износа и в значительной мере предопределяет безопасность эксплуатации транспортных средств.

Для решения этой проблемы применительно к барабанно-колодочным, ленточным и дисковым тормозным устройствам существует множество технических мероприятий.

В тормозных колодках, лентах, суппортах применяют, например, вентиляционные каналы (RU 2126503, F 16 D 65/16, 20.02.99) или принудительную циркуляцию смазки (SU 1603095, F 16 D 65/78, 30.10.90).

Однако охлаждающая способность подобных тормозных устройств является низкой.

Еще одно направление в обеспечении приемлемых тепловых режимов в тормозных системах связано с синтезом подходящего с этой точки зрения материала фрикционных элементов, преимущественно, путем внесения в него различных добавок.

Известны технические решения, предусматривающие добавление в материал тормозного элемента характеризующихся повышенной теплопроводностью медных пластин (SU 312992, F 16 D 65/04, 31.08.71) или бронзовой стружки (RU 2101305, C 08 J 5/04, 01.10.98), а также использование теплопоглощающего наполнителя из карбида алюминия (SU 544787, F 16 D 65/78, 30.01.77) или борида бериллия (SU 568768, F 16 D 65/78, 15.08.77).

Недостаток таких тормозных устройств также определяется невысокой эффективностью охлаждения.

Наконец, известны технические решения, основанные на введении в рабочее тело тормозного элемента компонента, изменяющего при нагреве свое фазовое состояние с переходом из твердого состояния в жидкое и далее в газообразное при усиленном поглощении тепла. В качестве компонента, обеспечивающего постоянство температуры, используют сплав висмута и олова (FR 2495253, F 16 D 65/78, 04.06.82), либо фторохлорные производные углеводорода (DE 3312804, F 16 D 65/78, 27.10.83 - прототип).

Недостаток полученных таким образом тормозных элементов связан с их конструктивным усложнением, обусловленным наличием у указанных компонентов жидких и газообразных фаз.

Задачей изобретения является создание достаточно простой конструкции тормозного элемента, обеспечивающей эффективное охлаждение и, как следствие, высокую эксплуатационную надежность.

Поставленная задача решается тем, что во фрикционный состав тормозного элемента тормозной системы транспортного средства введен компонент, обеспечивающий постоянство температуры, при этом указанный компонент является твердым кристаллическим веществом, имеющим фазовый переход первого рода, связанный с полиморфным превращением кристаллической решетки в диапазоне температур, выше которых тормозной элемент теряет или значительно снижает свои фрикционные свойства.

Решению поставленной задачи способствует ряд частных существенных признаков изобретения.

Компонент, обеспечивающий постоянство температуры, составляет 30-50% от общего объема фрикционного состава тормозного элемента. В качестве компонента, например, может быть применен сплав на основе олова с фазовым переходом первого рода, связанным с полиморфным превращением кристаллической решетки вещества при температуре около 200^oС. Сплав на основе олова может быть представлен в виде стружки, гранул, проволоки, волокон или металлической ваты.

Предложенное техническое решение базируется, таким образом, на использовании в тормозном элементе вещества с фазовым переходом первого рода, связанным с полиморфным превращением вещества. Для его реализации учитывается следующее.

При фазовом переходе первого рода скачком меняются такие термодинамические характеристики вещества, как плотность и концентрация компонентов. В единице массы рабочего тела выделяется или поглощается вполне определенное количество теплоты, называемой теплотой фазового перехода. В данном случае речь идет о теплоте полиморфного превращения Q_п.п., т.е. о количестве теплоты, поглощаемом (выделяемом) при равновесном изобарно-изотермическом переходе вещества из одной полиморфной модификации в другую.

Полиморфные модификации существуют у твердых кристаллических веществ. Модификации одного и того же вещества различаются структурой кристаллической решетки и являются устойчивыми в определенном диапазоне значений температур, давлений и др. внешних параметров.

Переходы из одной модификации в другую связаны с изменением энтальпии вещества ΔН и сопровождаются поглощением/выделением соответствующего количества теплоты Q_п.п.: Q_п.п.=ΔН.

В таблице в конце описания представлены значения Q_п.п. для некоторых, хорошо изученных полиморфных переходов.

В процессе перехода из одной полиморфной модификации вещества в другую подводимое к нему тепло полностью расходуется на перестройку кристаллической решетки, т.е. нагрев вещества выше температуры фазового перехода Т_п.п. оказывается невозможным, пока полностью не завершится фазовый переход.

При торможении транспортного средства тормозные устройства и, в частности, их тормозные элементы, например накладки тормозных колодок, взаимодействуют с рабочей поверхностью обода тормозного барабана, в результате чего на указанных поверхностях генерируется значительное количество тепла. Однако добавление в материал тормозного элемента компонента, имеющего фазовый переход первого рода, связанный с полиморфным превращением кристаллической решетки в диапазоне температур, выше которых тормозной элемент теряет или значительно снижает свои фрикционные свойства (Т_п.п.≈200^oС), позволит предотвратить перегрев тормозного элемента выше Т_п.п. и сохранить его фрикционные свойства на время фазового перехода.

На чертеже показан примерный график зависимости температуры от времени для тормозного элемента, в состав которого введен компонент, являющийся твердым кристаллическим веществом, имеющим фазовый переход первого рода, связанный с полиморфным превращением вещества. /Пунктиром проиллюстрирована аналогичная зависимость для стандартного тормозного элемента/.

График температурной зависимости фазового перехода имеет ярко выраженную изотермическую площадку (чертеж).

Нетрудно убедиться, что, благодаря изотермической области, можно стабилизировать температурный режим тормозного элемента в довольно длительном временном интервале (десятки минут). Иными словами, в данном случае достижение критической для тормозного элемента температуры Т_кр., при которой тормозной элемент теряет или значительно ухудшает свои фрикционные свойства, задерживается на время фазового перехода.

Ниже приведен приблизительный расчет эффективности использования данного изобретения.

При торможении автомобиля массой m=1000 кг, имеющего начальную скорость V=100 км/ч, до полной остановки вся кинетическая энергия Е переходит в тепло Q, выделяемое в тормозной системе.

Пусть на тормозной системе одного колеса выделится 1/4 от общего тепла Q:
E=Q=1/4V²/2≈100 кДж
Примем, что выделившееся тепло распределится между тормозным диском и тормозными колодками в равных пропорциях, а масса тормозных колодок ~ 1 кг.

Тогда
Q_уд.≈50 кДж/кг.

Так как удельное тепло, поглощаемое при фазовом переходе первого рода, связаннoм с полиморфным превращением вещества, имеет величину порядка 100 кДж/кг, то введение во фрикционный состав тормозной колодки, например, 50% примеси вещества, имеющего полиморфную модификацию, позволит полностью поглотить тепло, выделяемое при торможении автомобиля со скорости 100 км/ч до полной остановки.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в тормозных системах транспортных средств. Тормозной элемент для тормозной системы транспортного средства, во фрикционный состав которого введен компонент, имеющий фазовый переход первого рода. При этом фазовый переход указанного компонента связан с полиморфным превращением кристаллической решетки в температурном интервале 150-350^oС, обеспечивая поглощение тепла, выделяемого при торможении. Содержание указанного компонента во фрикционном составе тормозного элемента составляет 30-50% от общего объема фрикционного состава. А в качестве указанного компонента может быть использован карбид железа, сульфид железа, сульфид меди, оксид ниобия. Технический результат - простота конструкции, высокая эксплуатационная надежность. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Тормозной элемент для тормозной системы транспортного средства, во фрикционный состав которого введен компонент, имеющий фазовый переход первого рода, отличающийся тем, что фазовый переход указанного компонента связан с полиморфным превращением кристаллической решетки в температурном интервале 150-350^oС, обеспечивая поглощение тепла, выделяемого при торможении, при этом содержание указанного компонента во фрикционном составе тормозного элемента составляет 30-50% от общего объема фрикционного состава. 2. Тормозной элемент по п. 1, отличающийся тем, что указанный компонент может быть выполнен из карбида железа, сульфида железа, сульфида меди, оксида ниобия. 3. Тормозной элемент по п. 2, отличающийся тем, что термостатирующий компонент может быть выполнен в виде гранул, стружки или проволоки.