專利名稱：熱管傳熱式盤式制動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可對制動盤可進(jìn)行快速傳熱和強迫冷卻的熱管傳熱式盤式制動 器。
背景技術(shù)：
隨著負(fù)載及其運行速度的不斷增大，高速重載下制動副所吸收的能量也大大增 加。為了保障設(shè)備運行的安全性和可靠性，必須首先解決高速重載時制動副的熱衰退現(xiàn)象 及熱損傷等問題。大量的理論及實驗研究表明摩擦熱對摩擦副的摩擦學(xué)行為有著非常重 要的影響。 制動過程是一個復(fù)雜的隨機過程。干式制動摩擦系統(tǒng)由摩擦襯片、摩擦對偶件及 摩擦界面第三體(界面膜、磨粒等)組成。制動過程中，摩擦材料與金屬配偶所產(chǎn)生的摩擦 力可以使接觸表面變形、粘著點撕裂，使硬質(zhì)點或是磨屑產(chǎn)生犁削效應(yīng)，其摩擦學(xué)性能和磨 損機理與制動過程的各個參數(shù)、材料性質(zhì)、表面形貌以及環(huán)境因素等有關(guān)。大量研究表明 對于干摩擦及邊界摩擦，在一定壓力條件下，摩擦系數(shù)和磨損率與最大表面溫度之間有著 明確的函數(shù)關(guān)系。 材料的摩擦磨損過程是在摩擦副表面微凸體間接觸面積上進(jìn)行的，所以材料的磨 損又受到接觸區(qū)應(yīng)力狀態(tài)、溫度和相對移動速度所制約，而速度對磨損過程的影響主要是 通過摩擦溫度而很少通過接觸的流變性起作用，壓力和負(fù)荷的變化、摩擦區(qū)域中的熱效應(yīng)、 名義接觸面的形貌等這些因素的影響則綜合體現(xiàn)在摩擦區(qū)域的溫度場上。對于有機基襯片 /金屬摩擦副而言，摩擦熱引起襯片中的有機物組分間發(fā)生熱降解等一系列化學(xué)反應(yīng)和物 理作用，其反應(yīng)速率隨溫度呈指數(shù)增加。制動熱導(dǎo)致制動片表面材料磨損的不均勻，使得制 動片中間區(qū)域的材料磨損較為嚴(yán)重，并且導(dǎo)致材料表面的成分和摩擦學(xué)性能發(fā)生變化。在 摩擦接觸界面形成轉(zhuǎn)移膜，出現(xiàn)"制動熱衰退"現(xiàn)象和"氫脆"現(xiàn)象，促進(jìn)磨粒的形成，加劇 材料的磨損。 研究表明，由冷焊產(chǎn)生的粘著——撕裂磨損能使表面瞬間溫度達(dá)到760°C。 一旦 對偶件表面的小塊面積開始承擔(dān)不適當(dāng)?shù)妮d荷且其溫度比周圍表面高時，它將膨脹并伸出 "平均水平面"，形成"熱點"，使情況變得更糟。表面壓應(yīng)力的變化使得熱點周圍的區(qū)域發(fā)生 塑性變形，也可能發(fā)生冶金變化。當(dāng)熱流輸入下降很快或是制動很快結(jié)束時，這一區(qū)域的材 料很快地被冷卻，可能發(fā)生由珠光體到馬氏體的相變(在一定的條件下，可生成摩擦奧氏 體、摩擦馬氏體)，由于馬氏體占用的體積比母材金屬大，使得這一相變區(qū)域更為突出，因此 在這一區(qū)域及其周圍有可能形成初始裂紋。此外，在熱點處所形成馬氏體硬度大，可導(dǎo)致表 面刮削現(xiàn)象加劇。 熱點的形成與局部熱膨脹、界面壓力峰值及磨損有關(guān)。這在半金屬襯片/金屬制 動副中表現(xiàn)得更為突出。局部熱點的形成導(dǎo)致制動壓力不均勻分布的進(jìn)一步發(fā)展，反過來 又造成局部溫度的進(jìn)一步升高，表面溫度梯度變化加劇，這又導(dǎo)致壓力不均勻分布的加劇， 這一現(xiàn)象稱為摩擦導(dǎo)致的熱彈性不穩(wěn)定(TEI)。從一次制動到另一次制動，該現(xiàn)象并不會消失。由于接觸壓力與物體的熱變形有關(guān)，而摩擦熱的產(chǎn)生又取決于接觸壓力的大小，因此屬 于應(yīng)力場與溫度場耦合問題。在熱應(yīng)力的作用下很容易造成材料的熱衰退和破壞，制動器 出現(xiàn)摩擦振動與噪聲的可能性加大。高溫和熱破壞的現(xiàn)象在公路、鐵路、航空制動器的實際 應(yīng)用中以及在實驗室條件下廣泛存在。 由此看來，摩擦熱不僅使復(fù)合摩擦材料發(fā)生熱降解、粘結(jié)劑的氣化，導(dǎo)致摩擦系數(shù) 發(fā)生變化，制動性能降低，出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象；也使金屬配偶發(fā)生局部材料的相變與熱變形， 出現(xiàn)局部熱點，進(jìn)而使制動器出現(xiàn)熱彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，加速了制動器的磨損及疲勞破壞。
摩擦熱量絕大部分是由機械切削作用和接觸區(qū)域的塑性變形而形成的。由于金屬 制動盤的硬度要比摩擦材料的大得多，因此機械切削和塑性變形大都發(fā)生在摩擦材料的表 層，而不是在制動盤的表面。故可認(rèn)為，摩擦產(chǎn)生的熱量發(fā)生在摩擦材料表面，并通過接觸 表面?zhèn)鬟f到制動盤。 盤式制動器工作時的熱量產(chǎn)生于制動盤和制動片表面的摩擦，這部分熱量一部分 通過各種途徑散發(fā)出去，剩余部分在制動盤和制動片內(nèi)部積累，使其含熱量增加，從而使溫 度升高。從傳熱學(xué)角度來說，有三種基本的熱傳遞方式，既熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。這三 種傳熱方式在制動器的散熱過程中同時存在。 盤式制動器中傳導(dǎo)散熱主要集中在制動盤與制動摩擦片之間。因為摩擦副接觸面 為生熱表面，其溫度高于其它表面的溫度，摩擦熱量通過傳導(dǎo)方式沿制動盤向其徑向和軸 向進(jìn)行傳導(dǎo)。制動盤的材料為鑄鐵或炭鋼，具有良好的導(dǎo)熱性，而制動片為樹脂材料或粉末 冶金材料，其導(dǎo)熱性能較差，摩擦熱基本不向制動片內(nèi)部傳熱，而集中在摩擦表面附近，從 而導(dǎo)致制動片在緊急制動過程中表面溫度非常高。 目前制動器使用的制動襯墊是粉末冶金材料，粉末冶金材料耐溫約為600
650°C 。 一旦摩擦制動片表面溫度瞬間超過650°C ，摩擦材料制動覆面因過熱嚴(yán)重炭化，將導(dǎo)
致摩擦系數(shù)衰減，制動力矩下降。這種現(xiàn)象往往在滿載超速時實施緊急制動過程中出現(xiàn)，在
此制動過程中往往在制動覆面會出現(xiàn)800°C以上的瞬時高溫，從而使摩擦材料出現(xiàn)表面燒
焦(炭化)，同時使摩擦系數(shù)出現(xiàn)較嚴(yán)重的熱衰退、制動力矩下降的現(xiàn)象。 輻射散熱在盤式制動器散熱中所占比例較小，在制動器未工作時，制動器溫度等
于外界溫度，輻射換熱量為零。當(dāng)制動器開始工作時，制動盤和制動片受到摩擦生熱作用而
導(dǎo)致溫度升高，這時隨著溫度的升高，制動器將通過輻射的方式將熱量傳遞給外界。 對流散熱是盤式制動器主要的散熱方式，在制動過程中，制動器摩擦副表面產(chǎn)生
摩擦熱，導(dǎo)致制動盤和制動片溫度升高，制動盤暴露于周圍空氣，同時制動盤高速旋轉(zhuǎn)，從
而將大部分摩擦熱通過制動盤與空氣的對流耗散到空氣中。 但是，由于制動盤通常是鋼制或鑄鐵材料，其導(dǎo)熱系數(shù)約為僅50 60W/(m，K)，因 此制動盤與制動片相摩擦區(qū)域的制動摩擦熱不能高效快速的向制動盤中心區(qū)域傳遞，導(dǎo)致 制動盤的摩擦區(qū)域溫度很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高效傳熱功能的熱管實施對制動盤進(jìn)行快速傳
熱和強迫冷卻，以改善換熱狀況，從而克服現(xiàn)有工業(yè)制動器產(chǎn)品和技術(shù)的不足。 本發(fā)明通過以下方案實現(xiàn)在制動盤內(nèi)增設(shè)熱管式散熱器，熱管式散熱器包括在制動盤靠外圓制動片正下面的摩擦區(qū)域的中間開設(shè)的環(huán)形熱管蒸發(fā)槽、在制動盤靠內(nèi)圓 的非摩擦區(qū)域的中間開設(shè)的環(huán)形熱管冷凝槽，在兩槽道之間沿制動盤的徑向開設(shè)有若干均 勻分布在制動盤中的熱管流動槽，熱管流動槽將熱管蒸發(fā)槽與熱管冷凝槽兩同心環(huán)形槽道 連通。 本發(fā)明在制動盤上開設(shè)數(shù)組與流動槽兩端貫通的環(huán)形小孔，以使當(dāng)制動盤轉(zhuǎn)動 時，增加制動盤與周圍空氣的對流換熱。。 本發(fā)明所述熱管蒸發(fā)槽與熱管冷凝槽為兩個同心環(huán)形槽道。 本發(fā)明所述熱管蒸發(fā)槽、熱管流動槽與熱管冷凝槽截面均為矩形。 本發(fā)明所述熱管流動槽的數(shù)量為一個以上，可以是幾個或幾十個，具體根據(jù)制動
盤的大小、轉(zhuǎn)速和流動阻力確定。 本發(fā)明所述環(huán)形小孔與熱管蒸發(fā)槽和熱管冷凝槽同心。 本發(fā)明所述熱管中所使用的介質(zhì)主要有水、甲苯、萘、導(dǎo)熱姆、聯(lián)苯之一。 本發(fā)明以熱管散熱的方式迅速將制動做功產(chǎn)生的熱能帶走，可有效地將制盤和制
動片的溫升控制在許用的安全范圍內(nèi)，從而可以提高設(shè)備運行的安全性和可靠性。同時，可
使制動盤徑向溫度梯度差減小，以延長制動盤和制動襯墊的壽命，本發(fā)明的熱管傳熱式盤
式制動器特別適合應(yīng)用于高速、重載、快速制動的飛機、火車、汽車、起重運輸、工程機械、建
筑機械、農(nóng)業(yè)機械、石油鉆機等各類機械設(shè)備中。


圖1為本發(fā)明實例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為熱管傳熱式制動盤與襯墊偶合示意圖； 圖3本發(fā)明制動盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為圖3側(cè)視圖。
具體實施例方式以下結(jié)合實例及附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。 參見圖l，本發(fā)明一種熱管傳熱式盤式制動器，包括盤式制動器1和一個熱管傳 熱式制動器2。 本發(fā)明的工作原理如下 參見圖2-4，在制動盤3靠外圓制動片8正下面的摩擦區(qū)域的中間開設(shè)有兩個同心 圓布置的矩形截面槽道分別作為熱管蒸發(fā)槽4和熱管冷凝槽5，在兩槽道之間沿制動盤的 徑向開設(shè)有若干徑向均勻布置的矩形截面流動槽6將兩同心環(huán)形槽道4和5連通，并根據(jù) 制動盤的制動溫度、制動熱量和制動盤材料在其內(nèi)部封裝一定量的特定傳熱工質(zhì)(在室溫 下為液體)，從而構(gòu)成高效傳熱的熱管。當(dāng)制動盤轉(zhuǎn)動時，熱管中的傳熱液體在離心力的作 用下被摔擠到制動盤中的熱管蒸發(fā)槽4中，被制動摩擦熱加熱汽化，汽化后的蒸氣由于密 度較小，其承受的離心力也小，同時由于汽化壓力的作用，沿?zé)峁芰鲃硬?流向制動盤非摩 擦區(qū)域的熱管冷凝槽5，并在流動槽6和冷凝槽5中放出熱量而被冷凝，冷凝后的液體又在 離心力的作用下沿流動槽壁流向蒸發(fā)槽4，如此不斷循環(huán)，即可實現(xiàn)熱量從摩擦區(qū)域到非摩 擦區(qū)域的快速小溫差傳遞。同時，在制動盤上開數(shù)組與流動槽兩邊貫通、且與熱管蒸發(fā)槽和熱管冷凝槽同心的環(huán)形小孔7，以使當(dāng)制動盤轉(zhuǎn)動時，增加制動盤與周圍空氣的對流換熱。 這種熱管式盤式制動器可有效降低制動溫度、減小制動盤材料熱應(yīng)力。因此它可提高盤式 制動器性能、保障設(shè)備運行的安全性和可靠性。
權(quán)利要求
一種熱管傳熱式盤式制動器，其特征在于在制動盤內(nèi)增設(shè)熱管式散熱器，管式散熱器包括在制動盤靠外圓制動片正下面的摩擦區(qū)域的中間開設(shè)的環(huán)形熱管蒸發(fā)槽、在制動盤靠內(nèi)圓的非摩擦區(qū)域的中間開設(shè)的環(huán)形熱管冷凝槽，在兩槽道之間沿制動盤的徑向開設(shè)有若干均勻分布在制動盤中的熱管流動槽，熱管流動槽將熱管蒸發(fā)槽與熱管冷凝槽兩同心環(huán)形槽道連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管傳熱式盤式制動器，其特征在于開設(shè)數(shù)組與流動槽兩 端貫通的環(huán)形小孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱管傳熱式盤式制動器，其特征在于熱管蒸發(fā)槽與熱 管冷凝槽為兩個同心環(huán)形槽道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱管傳熱式盤式制動器，其特征在于熱管蒸發(fā)槽、熱管 流動槽與熱管冷凝槽截面均為矩形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱管傳熱式盤式制動器，其特征在于熱管流動槽的數(shù) 量為一個以上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱管傳熱式盤式制動器，其特征在于環(huán)形小孔與熱管蒸發(fā) 槽和熱管冷凝槽同心。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱管傳熱式盤式制動器，其特征在于所述熱管中所使 用的介質(zhì)主要有水、甲苯、萘、導(dǎo)熱姆、聯(lián)苯之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱管傳熱式盤式制動器，在制動盤內(nèi)增設(shè)熱管式散熱器，熱管式散熱器包括在制動盤靠外圓制動片正下面的摩擦區(qū)域的中間開設(shè)的環(huán)形的熱管蒸發(fā)槽、在制動盤靠內(nèi)圓的非摩擦區(qū)域的中間開設(shè)的環(huán)形的熱管冷凝槽，在兩槽道之間沿制動盤的徑向開設(shè)有若干均勻分布在制動盤中的熱管流動槽，熱管流動槽將熱管蒸發(fā)槽與熱管冷凝槽兩同心環(huán)形槽道連通。同時，可根據(jù)需要增加數(shù)組與流動槽兩端貫通的環(huán)形小孔。本發(fā)明以熱管散熱的方式迅速將制動做功產(chǎn)生的熱能帶走，可有效地將制盤和制動片的溫升控制在許用的安全范圍內(nèi)，從而可以提高設(shè)備運行的安全性和可靠性。同時，可使制動盤徑向溫度梯度差減小，以延長制動盤和制動襯墊的壽命。
文檔編號F16D65/00GK101699095SQ20091021105
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者熊莉榮, 謝徐洲, 龔領(lǐng)會 申請人:江西華伍制動器股份有限公司