УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ БАРАБАННО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА Российский патент 2006 года по МПК F16D65/813 F16D65/833 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в тормозных механизмах транспортных средств, а также в дорожных и строительных машинах.

Известен барабанно-колодочный тормоз, содержащий тормозной барабан, две самоустанавливающиеся тормозные колодки, рабочие тормозные цилиндры различного диаметра.

Фрикционная поверхность каждой из двух тормозных колодок образована сопряжением двух кривых, одна из которых имеет кривизну, равную внутренней рабочей поверхности барабана, а вторая кривая имеет меньшую кривизну. Концы тормозных колодок установлены в барабане диаметрально с минимальным зазором относительно рабочей поверхности барабана и контактируют с рабочими поршнями рабочих тормозных цилиндров меньшего диаметра. Концы тормозных колодок установлены в барабане с максимальным зазором и контактируют с поршнем рабочего тормозного цилиндра большего диаметра. При торможении тормозная жидкость поступает в рабочий тормозной цилиндр и давит на соответствующие поршни. В начальный момент касание тормозных колодок происходит в зоне, имеющей меньшую кривизну. В дальнейшем концы тормозной колодки отходят от рабочей поверхности барабана. В конечном итоге тормозная колодка прижата к барабану фрикционной поверхностью с кривизной, равной кривизне внутренней рабочей поверхности тормозного барабана [1, аналог]. Недостатком данной конструкции фрикционных узлов тормоза является то, что носочные и пяточные части тормозных колодок с расположенными на них накладками при торможении взаимодействуют с рабочей поверхностью обода тормозного барабана неодинаковое время, что ведет к выполнению ими разной работы трения, и, как следствие, на указанных поверхностях генерируется разное количество теплоты. Последнее и ухудшает эксплуатационные параметры тормоза, и уменьшает ресурс его пар трения.

Известно устройство для охлаждения барабанно-колодочного тормоза, которое выполнено в виде термоэлементов-стержней. На холодные спаи разноименных термоэлементов, торцы которых находятся на глубине допустимого износа накладок, попарно надеты подпружиненные пустотелые теплопроводные вставки с выпуклыми перемычками, перемещающиеся в продольных пазах накладок. Со стороны защемления обода барабана с фланцем разноименные термоэлементы установлены попарно, на глубине допустимого износа накладок, соединены между собой посредством внутренней поверхности выпуклых теплопроводных пластин, наружные поверхности которых установлены заподлицо накладок и являются горячими спаями термоэлементов. Новое в способе выравнивания теплонагруженности тормоза состоит в том, что осуществляют подключение источника постоянного тока к первому и последнему горячему спаю термоэлементов, расположенных со стороны свободного края обода. Холодные спаи термоэлементов, расположенные со стороны защемленного края обода барабана, подсоединяют к цепи постоянного электрического тока, включаемой в работу между торможениями [2, прототип]. Данное устройство для охлаждения тормоза имеет тот недостаток, что снижает теплонагруженность его пар трения только по краям тормозных колодок.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки:

- обеспечивается снижение уровня теплонагруженности поверхностей накладок колодок, находящихся в носочной и пяточной их частях при замкнутом тормозе в результате работы термобатарей в режиме термоэлектрогенератора;

- обеспечивается снижение уровня теплонагруженности поверхности накладок, находящихся в пяточной и носочной их частях при замкнутом тормозе в результате работы термобатарей в режиме термоэлектрохолодильника;

- автоматически повышается эффективность охлаждения участков поверхностей накладок, находящихся в носочной и пяточной частях тормозных колодок, с ростом теплонагруженности пар трения тормоза;

- надежность и компактность конструкции.

Целью настоящего изобретения является повышение ресурса пар трения и улучшение эксплуатационных параметров тормоза путем охлаждения их пар трения и выравнивания теплонагруженности на его рабочих поверхностях.

Поставленная цель достигается тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей двух типов: первые составлены из термоэлементов с электронной и дырочной проводимотями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде квадратных стержней, соединенных со стороны рабочих поверхностей фрикционных накладок по их ширине металлическими перемычками и проходящих через тело накладок и теплоизолированные отверстия в основании колодок, а снизу квадратные стержни по краям соединены между собой пластинами-теплообменниками, при этом термобатареи расположены в пяточной и носочной частях левой и правой тормозных колодок участков рабочих поверхностей фрикционных накладок, которые первыми взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного барабана.

Вторые составлены из термоэлементов с положительной и отрицательной полярностями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде прямоугольных пластин, установленных в теле фрикционных накладок, простирающихся на всю их ширину и проходящих через теплоизолированные щели в основании носочной и пяточной частей левой и правой тормозных колодок, участки рабочих поверхностей фрикционных накладок последними взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного барабана. Способ охлаждения барабанно-колодочного тормоза при торможении состоит в том, что первые термобатареи работают в режиме термоэлектрохолодильника, вторые - в режиме термоэлектрогенератора, а их термоэлементы с положительной и отрицательной полярностью подключены к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного тока на время работы тормоза, а остальное время цепи термобатарей отключены от источников питания и они работают самостоятельно.

На фиг.1 изображен барабанно-колодочный тормоз с устройствами для охлаждения его пар трения; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 показан вид сверху на тормозную колодку с охлаждающими устройствами; на фиг.4 - термобатарея с радиатором; на фиг.5 - барабанно-колодочный тормоз с охлаждающими узлами в начальный момент торможения; фиг.6 - то же, в момент создания максимального тормозного момента.

Барабанно-колодочный тормоз с охлаждающими устройствами содержит тормозной барабан 1, левую 2 и правую 3 тормозные колодки (самоустанавливающиеся) с фрикционными накладками 4, установленными на их основаниях 5 и прикрепленными к ним с помощью заклепок (на чертеже не показаны). Фрикционная поверхность каждой тормозной колодки 2 и 3 образована сопряжением дополнительной фрикционной поверхности 6, имеющей одинаковую кривизну с рабочей поверхностью барабана 1, с фрикционной поверхностью 7, имеющей кривизну, отличающуюся от кривизны рабочей поверхности барабана 1. Кривизна дополнительной фрикционной поверхности 6 меньше кривизны фрикционной поверхности 7, причем фрикционные поверхности 6 и 7 расположены диаметрально. При этом тормозные колодки 2 и 3 соединены между собой стяжными пружинами 8, а их носочные 9 и пяточные 10 части взаимодействуют с поршнями 11 и 12 тормозных цилиндров 13 и 14, расположенных диаметрально и выполненных с различными диаметрами. Кроме того, в носочной части 9 правой 3 и пяточной части 10 левой 2 тормозных колодок установлены термобатареи, выполненные в виде пластинчатых термопар 15. Последние отделены от оснований 5 тормозных колодок 2 и 3 теплоизоляцией (не показаны) и простираются в них поперек. Пластинчатые термопары образованы двумя сваренными пластинами, изготовленными, например, из хромеля (+) и копеля (-). Термопары соединены между собой последовательно, а их термоэлектроды 16 и 17 подключены к источнику постоянного тока 18. В основаниях 5 в накладках 4, находящихся в носочной части 9 левой 2 и пяточной части 10 правой 3 тормозных колодок, по их ширине и на краях выполнены прямоугольные отверстия 19, в которые установлены прямоугольной формы стержни, т.е. полупроводниковые термоэлементы 20 и 21 с n- и p-типа проводимости. При этом они отделены от оснований 5 теплоизоляционными втулками (на чертеже не показаны). По обеим краям колодок 2 и 3 термоэлементы 20 и 21 установлены так, что их торцы находятся на глубине допустимого износа накладок 4, а сверху они соединены поперечными металлическими перемычками 22. Снизу по краям оснований 5 тормозных колодок 2 и 3 они соединены продольными пластинами-теплообменниками 23. Выводы 24 термоэлементов 19 и 20 подключены к соответствующим клеммам источника постоянного тока 25. Тормозные колодки 2 и 3 установлены в тормозном барабане 1 с помощью пальцев 26, неподвижно закрепленных на тормозном щите 27. Тормозные цилиндры 13 меньшего диаметра расположены со стороны фрикционных поверхностей 6, имеющих кривизну большую, чем кривизна фрикционной поверхности 7. Минимальные зазоры между фрикционной поверхностью тормозных колодок 2 и 3 и рабочей поверхностью барабана 1 расположены в зоне сопряжения фрикционных поверхностей 6 и 7.

Тормозные цилиндры 13 и 14 с соответствующими поршнями 11 и 12 закреплены на тормозном щите 27 с помощью кронштейна 28. Тормозной щит 27 неподвижно установлен на корпусе 29, а тормозной барабан 1 закреплен с помощью фланца 30 на полуоси 31.

Для реализации способа охлаждения пар трения барабанно-колодочного тормоза транспортного средства рассмотрим работу термобатарей, составленных из термоэлементов 20 и 21 с электронной (n) и дырочной (р) проводимостями и работающих в режиме термоэлектрохолодильника (фиг.4).

Если по цепи элементы, которые находятся в одинаковых температурных условиях (Т=Т₀), пропустить электрический ток в направлении, указанном на фиг.4, то свободные электроны начнут перемещаться в термоэлементе 20 от спая (а) к спаю (в), причем это движение является замедленным, поскольку электроны тормозятся электрическим полем. Движение электронов от спая (а) к спаю (в) сопровождается переносом энергии. На спае (а) электроны, отбирая энергию атомов, приобретают кинетическую энергию; на спае (в), сталкиваясь с атомами кристаллической решетки термоэлемента 20, они отдают ему энергию. В связи с этим спай (а) охлаждается, а спай (в) способствует тому, что он заряжается отрицательно, а спай (а) - положительно.

В термоэлементе 21 с дырочной проводимостью направление электрического тока совпадает с направлением перемещения дырок: от спая (а) к спаю (в), вследствие чего электроны ускоряются. Как уже отмечалось, образовавшиеся вакантные места могут занять электроны с уровнем энергии, близким к энергии дырки, поэтому наиболее интенсивное движение электронов наблюдается у спая (в). Здесь электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, расходуемую на нагревание этого спая. По мере движения от спая (в) к спаю (а), вдоль ветви термоэлемента 21, энергия электронов уменьшается и дальнейшее их перемещение осуществляется за счет внутренней энергии атомов, вследствие чего (а) охлаждается. Скопление электронов на этом спае обуславливает его отрицательный заряд, при этом спай (в) заряжен положительно. Таким образом, пропускание постоянного электрического тока через термобатарею приводит 4 возникновению перепада температур на ее спаях. На спае (а) поглощается теплота, называемая теплотой Пельтье, а на спае (в) выделяется теплота. Если от горячего спая термобатареи постоянно отводить теплоту, то на холодном ее спае можно достичь низких температур. Таким образом, получили термоэлектрохолодильник.

Рассмотрим работу термобатарей, составленных их термоэлементов 16 и 17 с положительной (+) и отрицательной (-) полярностями и работающих в режиме термоэлектрогенератора (по аналогии с фиг.4). Концы термоэлектродов 16 и 17 установлены заподлицо фрикционных поверхностей 7 в пяточной части правой 3 и пяточной части 10 левой 2 тормозных колодок, являются горячими спаями термобатареи. Два других конца термоэлектродов 16 и 17, образующие пластинчатые термопары 15, соединены между собой последовательно, а их крайние термоэлектроды 16 и 17 подключены к источнику постоянного тока 18. При замкнутом тормозе в результате трения температура (Т₀) торцов термоэлектродов 16 и 17 увеличивается по сравнению с температурой (7) холодных концов термоэлектродов 16 и 17 (Т₀>Т), при этом тепловая энергия атомов горячего спая термоэлектродов 16 и 17 возрастает. В результате на горячем спае термоэлектрода 16 появляется больше свободных электронов и с более высокой тепловой энергией, чем на холодном, поэтому они переходят к холодному спаю, заряжая его отрицательно. Вследствие теплового движения атомов в термоэлектроде 17 часть электронов уносится из горячего спая. На их месте появляются свободные (не занятые) места-дырки, обладающие положительным зарядом. Направление перемещения дырок, как положительных зарядов, совпадает с направлением электрического тока, поэтому их движение ускоряется. Занять освободившиеся места (дырки) могут электроны, энергия которых близка к энергии дырки. Но электроны, движущиеся против электрического поля, замедляются и переходят в зону меньших скоростей, а на их месте образуются дырки. Таким образом, происходит перемещение дырок к холодному спаю 17, и он заряжается положительно. В результате взаимодействия рабочей поверхности тормозного барабана 1 с горячим спаем термоэлектродов 16 и 17 при замыкании цепи в ней наблюдается электрический ток, обусловленный именно температурным градиентом. Фактически имеет место эффект Зеебека, а сама термобатарея является термоэлектрогенератором.

Барабанно-колодочный тормоз с устройством охлаждения работает следующим образом.

При торможении тормозная жидкость поступает в тормозные цилиндры 13 и 14 и давит на поршни 11 и 12. При этом начинают перемещаться левая 2 и правая 3 тормозные колодки с фрикционными накладками 4, установленных на пальцах 26. Так как минимальный зазор Δ₁ между рабочей поверхностью накладок 4 и внутренней поверхностью тормозного барабана 1 расположен в зоне сопряжения фрикционных поверхностей 6 и 7, находящихся на носочной части 9 левой 2 и пяточной части 10 правой 3 тормозных колодок, то в начальный момент торможения касание происходит на данных участках (фиг.5). На последних генерируется некоторое количество теплоты, которое отводится термобатареями, работающими в режиме термоэлектрогенератора. В следующее мгновение в связи с продолжающим поступательным движением поршней 12 тормозных цилиндров 14, взаимодействующих с концом пяточной части 10 левой тормозной колодки 2 и с концом носочной части 9 правой тормозной колодки 3, поверхность контакта фрикционных накладок 4 и внутренней поверхности тормозного барабана 1 увеличивается. Такое взаимодействие возможно благодаря зазору Δ₂ между фрикционными парами (фиг.6). В результате выполнения работы трения отмеченными участками взаимодействия поверхностей трения тормоза и генерируется значительное количество теплоты, в связи с чем в них и были вмонтированы термобатареи, работающие в режиме термоэлектрохолодильника. В это время зона сопряжения фрикционных поверхностей 6 и 7, находящихся на носочной части 9 левой 2 и пяточной части 10 правой 3 тормозных колодок отходит от рабочей поверхности тормозного барабана 1 и не взаимодействует с ним, т.к. усилие, создаваемое поршнями 11 тормозных цилиндров 13, больше усилия, создаваемого поршнями 12 тормозных цилиндров 14. При этом уровень теплонагруженности участков накладок, вступившим на первой стадии торможения во взаимодействие с рабочей поверхностью тормозного барабана 1, значительно ниже, чем теплонагруженность тех участков накладок, которые вступили на второй стадии торможения во взаимодействие с рабочей поверхностью тормозного барабана 1.

Поэтому в участках накладок, работающих на первой стадии торможения с рабочей поверхностью обода тормозного барабана 1, и были вмонтированы термобатареи, работающие в режиме термоэлектрогенератора, а с противоположной стороны тормозных колодок 2 и 3 - в режиме термоэлектрохолодильника. Кроме того, горячие спаи термоэлектроузлов 16 и 17, а также термоэлементов 20 и 21, составляющие термобатареи, изнашиваются вместе с фрикционными накладками 4 до толщины их допустимого износа.

Значительная часть генерируемой теплоты на взаимодействующих поверхностях тормоза отводится теплопроводностью через термоэлементы 20 и 21 и их металлические перемычки 22 к холодным спаям термобатарей, работающих в режиме термоэлектрохолодильника, затем передается пластинам теплообменников 23, от которых рассеивается в окружающую среду. При этом перепад температур Т₀ и Т между горячим и холодным спаем термобатареи ведет к тому, что на ее холодных спаях возникает термо-ЭДС, которая по замкнутой электрической цепи способствует протеканию электрического тока, поглощающего определенное количество теплоты от общего количества, генерируемого на взаимодействующих поверхностях пар трения тормоза. Усиливается отвод теплоты также за счет подключения теромэлементов 20 и 21 к источнику питания постоянного тока 25. Незначительная часть генерируемой теплоты расходуется на нагревание термоэлементов 20 и 21 термобатареи.

Своего рода термоэлектрогенераторами являются пластинчатые термопары 15, работающие на эффекте Зеебека, выводы термоэлектродов 16 и 17, которые подключены к источнику постоянного тока 18, что составляет электрическую цепь. Таким образом, наличие в цепи разности температур между горячим (Т₀) спаем термоэлектродов 16 и 17 пластинчатых термопар 15 и их холодным спаем способствует возникновению в цепи термоэлектрического тока, поглощающего также некоторое количество теплоты от общего генерируемого на взаимодействующих поверхностях тормоза.

С увеличением количества торможений барабанно-колодочного тормоза транспортного средства наблюдается рост температуры: горячего спая термоэлектродов 16 и 17 термопар 15, являющих термобатареями и работающих в режиме термоэлектрогенератора, и термоэлементов 20, 21 батарей с металлическими перемычками 22, работающих в режиме термоэлектрохолодильника, что ведет к интенсификации охлаждения рабочих поверхностей тормоза, т.к. резко возрастает электрическая проводимость термоэлементов 20 и 21 термобатареи.

После завершения процесса торможения тормозные колодки 2 и 3 с фрикционными накладками 4 отходят от рабочей поверхности тормозного барабана 1 за счет падения давления в тормозных цилиндрах 13 и 14 и перемещения поршней 11 и 12 в первоначальное положение.

Таким образом, применение предложенного технического решения позволит не только снизить, но и в некоторой степени выровнять теплонагруженность на взаимодействующих поверхностях трения тормоза, улучшить его эксплуатационные параметры и увеличить ресурс их фрикционных накладок.

Источники информации

1. А.с. 1511485 А1 (СССР), F 16 D 51/30, 1987, БИ №36 (аналог).

2. Патент на изобретение 2174199 (Россия), F 16 D 65/813, 65/833, 2001, БИ №27 (прототип).

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к тормозным системам. Устройство содержит тормозной щит, тормозной барабан и две самоустанавливающиеся тормозные колодки с фрикционными накладками на носочной и пяточной их частях, на которых установлены охлаждающие узлы. Охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей двух типов. Первые составлены из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде квадратных стержней, соединенных со стороны рабочих поверхностей фрикционных накладок по их ширине металлическими перемычками и проходящих через тело накладок и теплоизолированные отверстия в основании колодок, а снизу квадратные стержни по краям соединены между собой пластинами-теплообменниками. При этом термобатареи расположены в пяточной и носочной частях левой и правой тормозных колодок, участки рабочих поверхностей фрикционных накладок которых первыми взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного барабана. Вторые составлены из термоэлементов с положительной и отрицательной полярностями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде прямоугольных пластин, установленных в теле фрикционных накладок, простирающихся на всю их ширину и проходящих через теплоизолированные щели в основании носочной и пяточной частей левой и правой тормозных колодок, участки рабочих поверхностей фрикционных накладок которых последними взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного барабана. Способ охлаждения барабанно-колодочного тормоза заключается в том, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей двух типов. Первые составлены из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями и работают в режиме термоэлектрохолодильника. Вторые термобатареи составлены из термоэлементов с положительной и отрицательной полярностями и работают в режиме термоэлектрогенератора, а их термоэлементы с положительной и отрицательной полярностями подключены к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного тока на время работы тормоза, а остальное время цепи термобатарей отключены от источников питания и работают самостоятельно. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных параметров барабанно-колодочного тормоза и повышение ресурса его пар трения. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для охлаждения барабанно-колодочного тормоза, содержащее тормозной щит, тормозной барабан с постоянной кривизной его внутренней рабочей поверхности и две самоустанавливающиеся тормозные колодки с переменной кривизной рабочей поверхности их основания, полученной сопряжением двух кривых, на которых установлены фрикционные накладки постоянной толщины, что обеспечивает между рабочими поверхностями фрикционных узлов переменные зазоры, изменяющиеся для левой колодки от максимальной до минимальной величины, а для правой колодки - наоборот, при этом носочную и пяточную части левой и правой тормозных колодок поджимают поршни большего диаметра тормозных цилиндров, чем пяточную и носочную части левой и правой тормозных колодок, а также охлаждающие узлы, отличающийся тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей двух типов: первые составлены из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде квадратных стержней, соединенных со стороны рабочих поверхностей фрикционных накладок по их ширине металлическими перемычками и проходящих через тело накладок и теплоизолированные отверстия в основании колодок, а снизу квадратные стержни по краям соединены между собой пластинами-теплообменниками, при этом термобатареи расположены в пяточной и носочной частях левой и правой тормозных колодок, участки рабочих поверхностей фрикционных накладок которых первыми взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного барабана, вторые составлены из термоэлементов с положительной и отрицательной полярностями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде прямоугольных пластин, установленных в теле фрикционных накладок, простирающихся на всю их ширину и проходящих через теплоизолированные щели в основании носочной и пяточной частей левой и правой тормозных колодок, участки рабочих поверхностей фрикционных накладок которых последними взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного барабана.2. Способ охлаждения барабанно-колодочного тормоза, содержащего левую и правую тормозные колодки с фрикционными накладками на носочной и пяточной их частях, на которых установлены охлаждающие узлы, отличающийся тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей двух типов, первые составлены из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями и работают в режиме термоэлектрохолодильника, вторые термобатареи составлены из термоэлементов с положительной и отрицательной полярностями и работают в режиме термоэлектрогенератора, а их термоэлементы с положительной и отрицательной полярностями подключены к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного тока на время работы тормоза, а остальное время цепи термобатарей отключены от источников питания и работают самостоятельно.