專利名稱：熱管傳熱式盤(pán)式制動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種可對(duì)制動(dòng)盤(pán)可進(jìn)行快速傳熱和強(qiáng)迫冷卻的熱管傳熱式盤(pán)式 制動(dòng)器。
背景技術(shù)：
隨著負(fù)載及其運(yùn)行速度的不斷增大，高速重載下制動(dòng)副所吸收的能量也大大增 加。為了保障設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，必須首先解決高速重載時(shí)制動(dòng)副的熱衰退現(xiàn)象 及熱損傷等問(wèn)題。大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究表明摩擦熱對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)行為有著非常重 要的影響。制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程。干式制動(dòng)摩擦系統(tǒng)由摩擦襯片、摩擦對(duì)偶件及 摩擦界面第三體(界面膜、磨粒等)組成。制動(dòng)過(guò)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(diǎn)撕裂，使硬質(zhì)點(diǎn)或是磨屑產(chǎn)生犁削效應(yīng)，其摩擦學(xué)性能和磨 損機(jī)理與制動(dòng)過(guò)程的各個(gè)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(duì)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(guò)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(duì)移動(dòng)速度所制約，而速度對(duì)磨損過(guò)程的影響主要是 通過(guò)摩擦溫度而很少通過(guò)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(chǎng)上。對(duì)于有機(jī)基襯片 /金屬摩擦副而言，摩擦熱引起襯片中的有機(jī)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(dòng)熱導(dǎo)致制動(dòng)片表面材料磨損的不均勻，使得制 動(dòng)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(dòng)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(duì)偶件表面的小塊面積開(kāi)始承擔(dān)不適當(dāng)?shù)妮d荷且其溫度比周?chē)砻娓邥r(shí)，它將膨脹并伸出 “平均水平面”，形成“熱點(diǎn)”，使情況變得更糟。表面壓應(yīng)力的變化使得熱點(diǎn)周?chē)膮^(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(dòng)很快結(jié)束時(shí)，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?chē)锌赡苄纬沙跏剂鸭y。此外，在熱點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)副中表現(xiàn)得更為突出。局部熱點(diǎn)的形成導(dǎo)致制動(dòng)壓力不均勻分布的進(jìn)一步發(fā)展，反過(guò)來(lái) 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(dòng)到另一次制動(dòng)，該現(xiàn)象并不會(huì)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(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合問(wèn)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(dòng)器 出現(xiàn)摩擦振動(dòng)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(dòng)器的實(shí)際 應(yīng)用中以及在實(shí)驗(yàn)室條件下廣泛存在。由此看來(lái)，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(dòng)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(diǎn)，進(jìn)而使制動(dòng)器出現(xiàn)熱彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，加速了制動(dòng)器的磨損及疲勞破壞。摩擦熱量絕大部分是由機(jī)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(dòng)盤(pán)的硬度要比摩擦材料的大得多，因此機(jī)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(dòng)盤(pán)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(guò)接觸 表面?zhèn)鬟f到制動(dòng)盤(pán)。盤(pán)式制動(dòng)器工作時(shí)的熱量產(chǎn)生于制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)片表面的摩擦，這部分熱量一部分 通過(guò)各種途徑散發(fā)出去，剩余部分在制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)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(lái)說(shuō)，有三種基本的熱傳遞方式，既熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。這三 種傳熱方式在制動(dòng)器的散熱過(guò)程中同時(shí)存在。盤(pán)式制動(dòng)器中傳導(dǎo)散熱主要集中在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)摩擦片之間。因?yàn)槟Σ粮苯佑|面 為生熱表面，其溫度高于其它表面的溫度，摩擦熱量通過(guò)傳導(dǎo)方式沿制動(dòng)盤(pán)向其徑向和軸 向進(jìn)行傳導(dǎo)。制動(dòng)盤(pán)的材料為鑄鐵或炭鋼，具有良好的導(dǎo)熱性，而制動(dòng)片為樹(shù)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(dòng)片內(nèi)部傳熱，而集中在摩擦表面附近，從 而導(dǎo)致制動(dòng)片在緊急制動(dòng)過(guò)程中表面溫度非常高。 目前制動(dòng)器使用的制動(dòng)襯墊是粉末冶金材料，粉末冶金材料耐溫約為60(T65(TC。 一旦摩擦制動(dòng)片表面溫度瞬間超過(guò)650°C，摩擦材料制動(dòng)覆面因過(guò)熱嚴(yán)重炭化，將導(dǎo)致摩擦 系數(shù)衰減，制動(dòng)力矩下降。這種現(xiàn)象往往在滿載超速時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)，在此制動(dòng) 過(guò)程中往往在制動(dòng)覆面會(huì)出現(xiàn)800°C以上的瞬時(shí)高溫，從而使摩擦材料出現(xiàn)表面燒焦(炭 化)，同時(shí)使摩擦系數(shù)出現(xiàn)較嚴(yán)重的熱衰退、制動(dòng)力矩下降的現(xiàn)象。輻射散熱在盤(pán)式制動(dòng)器散熱中所占比例較小，在制動(dòng)器未工作時(shí)，制動(dòng)器溫度等 于外界溫度，輻射換熱量為零。當(dāng)制動(dòng)器開(kāi)始工作時(shí)，制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)片受到摩擦生熱作用而 導(dǎo)致溫度升高，這時(shí)隨著溫度的升高，制動(dòng)器將通過(guò)輻射的方式將熱量傳遞給外界。對(duì)流散熱是盤(pán)式制動(dòng)器主要的散熱方式，在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)器摩擦副表面產(chǎn)生 摩擦熱，導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)片溫度升高，制動(dòng)盤(pán)暴露于周?chē)諝?，同時(shí)制動(dòng)盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，從 而將大部分摩擦熱通過(guò)制動(dòng)盤(pán)與空氣的對(duì)流耗散到空氣中。但是，由于制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)與制動(dòng)片相摩擦區(qū)域的制動(dòng)摩擦熱不能高效快速的向制動(dòng)盤(pán)中心區(qū)域傳遞，導(dǎo)致 制動(dòng)盤(pán)的摩擦區(qū)域溫度很高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種具有高效傳熱功能的熱管實(shí)施對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行快 速傳熱和強(qiáng)迫冷卻，以改善換熱狀況，從而克服現(xiàn)有工業(yè)制動(dòng)器產(chǎn)品和技術(shù)的不足。本實(shí)用新型通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)增設(shè)熱管式散熱器，熱管式散熱器包括在制動(dòng)盤(pán)靠外圓制動(dòng)片正下面的摩擦區(qū)域的中間開(kāi)設(shè)的環(huán)形熱管蒸發(fā)槽、在制動(dòng)盤(pán)靠 內(nèi)圓的非摩擦區(qū)域的中間開(kāi)設(shè)的環(huán)形熱管冷凝槽，在兩槽道之間沿制動(dòng)盤(pán)的徑向開(kāi)設(shè)有若 干均勻分布在制動(dòng)盤(pán)中的熱管流動(dòng)槽，熱管流動(dòng)槽將熱管蒸發(fā)槽與熱管冷凝槽兩同心環(huán)形 槽道連通。本實(shí)用新型在制動(dòng)盤(pán)上開(kāi)設(shè)數(shù)組與流動(dòng)槽兩端貫通的環(huán)形小孔，以使當(dāng)制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn) 動(dòng)時(shí)，增加制動(dòng)盤(pán)與周?chē)諝獾膶?duì)流換熱。。本實(shí)用新型所述熱管蒸發(fā)槽與熱管冷凝槽為兩個(gè)同心環(huán)形槽道。本實(shí)用新型所述熱管蒸發(fā)槽、熱管流動(dòng)槽與熱管冷凝槽截面均為矩形。本實(shí)用新型所述熱管流動(dòng)槽的數(shù)量為一個(gè)以上，可以是幾個(gè)或幾十個(gè)，具體根據(jù) 制動(dòng)盤(pán)的大小、轉(zhuǎn)速和流動(dòng)阻力確定。本實(shí)用新型所述環(huán)形小孔與熱管蒸發(fā)槽和熱管冷凝槽同心。本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型以熱管散熱的方式迅速將制動(dòng)做功產(chǎn)生的熱能帶走，可有效地將制盤(pán) 和制動(dòng)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(yùn)行的安全性和可靠性。同 時(shí)，可使制動(dòng)盤(pán)徑向溫度梯度差減小，以延長(zhǎng)制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)襯墊的壽命，本實(shí)用新型的熱管 傳熱式盤(pán)式制動(dòng)器特別適合應(yīng)用于高速、重載、快速制動(dòng)的飛機(jī)、火車(chē)、汽車(chē)、起重運(yùn)輸、工 程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、石油鉆機(jī)等各類機(jī)械設(shè)備中。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為熱管傳熱式制動(dòng)盤(pán)與襯墊偶合示意圖；圖3本實(shí)用新型制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)例及附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型一種熱管傳熱式盤(pán)式制動(dòng)器，包括盤(pán)式制動(dòng)器1和一個(gè)熱 管傳熱式制動(dòng)器2。本實(shí)用新型的工作原理如下參見(jiàn)圖2-4，在制動(dòng)盤(pán)3靠外圓制動(dòng)片8正下面的摩擦區(qū)域的中間開(kāi)設(shè)有兩個(gè)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(dòng)盤(pán)的 徑向開(kāi)設(shè)有若干徑向均勻布置的矩形截面流動(dòng)槽6將兩同心環(huán)形槽道4和5連通，并根據(jù) 制動(dòng)盤(pán)的制動(dòng)溫度、制動(dòng)熱量和制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，熱管中的傳熱液體在離心力的作 用下被摔擠到制動(dòng)盤(pán)中的熱管蒸發(fā)槽4中，被制動(dòng)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(shí)由于汽化壓力的作用，沿?zé)峁芰鲃?dòng)槽6流向制動(dòng)盤(pán)非摩 擦區(qū)域的熱管冷凝槽5，并在流動(dòng)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(dòng)槽壁流向蒸發(fā)槽4，如此不斷循環(huán)，即可實(shí)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(shí)，在制動(dòng)盤(pán)上開(kāi)數(shù)組與流動(dòng)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(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，增加 制動(dòng)盤(pán)與周?chē)諝獾膶?duì)流換熱。 這種熱管式盤(pán)式制動(dòng)器可有效降低制動(dòng)溫度、減小制動(dòng)盤(pán)材料熱應(yīng)力。因此它可提高盤(pán)式 制動(dòng)器性能、保障設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。
權(quán)利要求一種熱管傳熱式盤(pán)式制動(dòng)器，其特征在于在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)增設(shè)熱管式散熱器，管式散熱器包括在制動(dòng)盤(pán)靠外圓制動(dòng)片正下面的摩擦區(qū)域的中間開(kāi)設(shè)的環(huán)形熱管蒸發(fā)槽、在制動(dòng)盤(pán)靠?jī)?nèi)圓的非摩擦區(qū)域的中間開(kāi)設(shè)的環(huán)形熱管冷凝槽，在兩槽道之間沿制動(dòng)盤(pán)的徑向開(kāi)設(shè)有若干均勻分布在制動(dòng)盤(pán)中的熱管流動(dòng)槽，熱管流動(dòng)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(pán)式制動(dòng)器，其特征在于開(kāi)設(shè)數(shù)組與流動(dòng)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(pán)式制動(dòng)器，其特征在于熱管蒸發(fā)槽與熱 管冷凝槽為兩個(gè)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(pán)式制動(dòng)器，其特征在于熱管蒸發(fā)槽、熱管 流動(dòng)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(pán)式制動(dòng)器，其特征在于熱管流動(dòng)槽的數(shù) 量為一個(gè)以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱管傳熱式盤(pán)式制動(dòng)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(pán)式制動(dòng)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。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種熱管傳熱式盤(pán)式制動(dòng)器，在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)增設(shè)熱管式散熱器，熱管式散熱器包括在制動(dòng)盤(pán)靠外圓制動(dòng)片正下面的摩擦區(qū)域的中間開(kāi)設(shè)的環(huán)形的熱管蒸發(fā)槽、在制動(dòng)盤(pán)靠?jī)?nèi)圓的非摩擦區(qū)域的中間開(kāi)設(shè)的環(huán)形的熱管冷凝槽，在兩槽道之間沿制動(dòng)盤(pán)的徑向開(kāi)設(shè)有若干均勻分布在制動(dòng)盤(pán)中的熱管流動(dòng)槽，熱管流動(dòng)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(shí)，可根據(jù)需要增加數(shù)組與流動(dòng)槽兩端貫通的環(huán)形小孔。本實(shí)用新型以熱管散熱的方式迅速將制動(dòng)做功產(chǎn)生的熱能帶走，可有效地將制盤(pán)和制動(dòng)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(yùn)行的安全性和可靠性。同時(shí)，可使制動(dòng)盤(pán)徑向溫度梯度差減小，以延長(zhǎng)制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)襯墊的壽命。
文檔編號(hào)F16D55/00GK201568479SQ20092027856
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者杜軍華, 謝徐洲, 龔領(lǐng)會(huì) 申請(qǐng)人:江西華伍制動(dòng)器股份有限公司