система охлаждения барабанно-колодочного тормоза и способ ее осуществления

Формула изобретения

1. Система охлаждения барабанно-колодочного тормоза, содержащего тормозной барабан и тормозные колодки с основанием, фрикционными накладками и ребрами, включающая в себя вмонтированные в тормозные колодки охлаждающие узлы, выполненные в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы имеют форму стержней, установленных во фрикционных накладках и проходящих через отверстия в основаниях тормозных колодок, причем термоэлементы-стержни соединены последовательно, со стороны нерабочей поверхности основания колодок, посредством П-образных теплообменников, не считая первого и последнего термоэлементов, при парном их количестве, отличающаяся тем, что тормозные колодки имеют неподвижные и подвижные фрикционные накладки, при этом подвижные фрикционные накладки имеют ширину, равную межреберному пространству тормозной колодки, и толщину, в 2 - 2,5 раза большую, чем неподвижные фрикционные накладки, причем подвижные фрикционные накладки прикреплены к ползунам и расположены в окнах оснований колодок в средней их части, ползуны кинематически связаны с разжимным кулаком с возможностью их радиального перемещения, при этом подвижные фрикционные накладки постоянно взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного барабана при любой его степени теплонагруженности и в подвижные фрикционные накладки по их длине на глубине допустимого износа установлены пластинчатые термопары с выводами в виде термоэлектродов, являющиеся термоэлектрогенераторами.

2. Способ охлаждения барабанно-колодочного тормоза, содержащего тормозной барабан и тормозные колодки, на которых расположены охлаждающие узлы, причем охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, работающих в режиме термоэлектрогенератора, отличающийся тем, что термоэлементы, установленные в тормозных колодках со стороны защемления обода барабана с фланцем, работают в режиме термоэлектрогенератора, а термоэлементы, установленные с противоположной их стороны, - в режиме термоэлектрохолодильника, при этом барабанно-колодочный тормоз имеет привод тормозных колодок в виде разжимного кулака, взаимодействующего через тяги с ползунами, на которых установлены подвижные фрикционные накладки с пластинчатыми термопарами с выводами в виде термоэлектродов, причем термоэлектроды каждой из пластинчатых термопар параллельно подключены к первому и последнему горячим спаям термоэлементов термобатареи, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, через стабилизатор постоянного тока и при этом термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме термоэлектрода, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме термоэлектрода пластинчатой термопары, а при завершении процесса торможения термоэлектроды одной из пластинчатых термопар через стабилизатор тока подключают к холодным спаям первого и последнего термоэлементов термобатареи, работающей в режиме термоэлектрохолодильника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в барабанно-колодочных тормозах транспортных средств, дорожных и строительных машинах.

Известен охлаждаемый барабанно-колодочный тормоз, в котором теплопроводная накладка каждой из тормозных колодок выполнена в виде ползуна, кинематически связана с разжимным кулаком и установлена на колодке с возможностью радиального перемещения и взаимодействия с рабочей поверхностью тормозного барабана. При этом кинематическая связь каждой теплопроводной накладки и привода выполнена в виде дополнительного подпружиненного ползуна и тяги, связывающей дополнительный ползун и теплопроводную накладку, на поверхности разжимного кулака выполнены выступы, а на смежных концах тормозных колодок, обращенных к разжимному кулаку, выполнены гнезда под дополнительные ползуны и продольные пазы под выступы кулака, при этом выступы разжимного кулака расположены с возможностью взаимодействия с дополнительными ползунами (авт.cв. N 926402, кл³ F 16 D 65/853, опубл. 07.05.82, бюл. N 17, аналог). Данное устройство имеет недостаточную эффективность охлаждения пар трения тормоза, т. к. отвод теплоты осуществляется только кондуктивным теплообменом.

Известно устройство для охлаждения барабанно- колодочного тормоза, в котором теплопроводные элементы выполнены в виде термоэлементов, состоящих из полупроводниковых стержней с проводимостями n- и p-типов, концы которых установлены с контактом с одной из электропроводных пластин, при этом рабочая поверхность барабана выполнена из материала, образующего горячий спай с противоположными концами полупроводниковых стержней, а внутренняя поверхность полости и стержня относительно накладки и основания электрически изолированы (RU, заявка 94033699, кл. F 16 D 65/813, опубл. 27.07.1996, прототип). Данное техническое решение имеет тот недостаток, что процесс охлаждения имеет место только при торможении. Указанное обстоятельство сказывается на эффективности принудительного охлаждения пар трения тормоза.

Предложенное техническое решение по сравнению с аналогом-прототипом имеет следующие отличительные признаки:

- достигается неравномерное охлаждение пар трения тормоза при его замкнутом состоянии при отводе теплоты термобатареями, работающими в режиме термоэлектрогенератора со стороны защемления обода барабана с фланцем, и отвод теплоты из зоны трения со стороны свободного края обода барабана при работе термобатарей в режиме термоэлектрохолодильника путем подключения крайних горячих спаев ее термоэлементов к термоэлектродам термопар подвижных фрикционных накладок колодок через стабилизатор постоянного тока, что несвойственно аналогу-прототипу;

- обеспечивается снижение уровня теплонагруженности пар трения тормоза в случае его разомкнутого состояния при работе термобатарей колодок в режиме термоэлектрохолодильника путем подключения термобатарей колодок со стороны защемления обода барабана к источнику со стабилизатором постоянного тока и запитке с другой стороны колодок термобатарей от термоэлектродов термопар подвижных фрикционных накладок, взаимодействующих с рабочей поверхностью обода тормозного барабана, через стабилизатор постоянного тока (аналог-прототип при включенном тормозе);

- термоэлектрическое охлаждение пар трения тормоза за счет работы термобатарей в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника при замкнутом и разомкнутом тормозе имеет наибольший эффект по сравнению с прототипом;

- автоматически повышается эффективность охлаждения с ростом теплонагруженности пар трения тормоза, что нельзя сказать об аналоге;

- надежность и компактность конструкции.

Задача изобретения - увеличение ресурса пар трения барабанно-колодочных тормозов путем интенсификации их охлаждения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что система охлаждения барабанно-колодочного тормоза имеет подвижные фрикционные накладки с шириной, равной межреберному пространству тормозной колодки, и толщиной, в 2- 2,5 раза большей, чем неподвижные накладки колодок, и при этом в подвижные накладки по их длине установлены пластинчатые термопары, выполненные с отогнутыми утолщенными бортами с высотой, равной глубине допустимого износа фрикционных накладок, а наружные поверхности бортов термопар расположены заподлицо с рабочей поверхностью накладки и отделены от ее тела керамической изоляцией, при этом каждая из пластинчатых термопар имеет выводы в виде термоэлектродов. Способ охлаждения барабанно-колодочного тормоза в замкнутом состоянии состоит в том, что подключают термоэлектроды каждой из пластинчатых термопар параллельно к первому и последнему горячему спаю термоэлементов термобатареи, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, через стабилизатор постоянного тока, и при этом термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме термоэлектрода, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме термоэлектрода пластинчатой термопары. При этом холодные спаи первого и последнего термоэлементов термобатареи, работающей в режиме термоэлектрогенератора, подключены к цепи постоянного электрического тока. При разомкнутом тормозе указанные термобатареи включают в цепь постоянного электрического тока и они работают в режиме термоэлектрохолодильника.

На фиг. 1 представлен продольный разрез барабанно-колодочного тормоза системой охлаждения; на фиг. 2 - вид А на торец тормозной колодки со стороны ее носочной части; на фиг. 3 - поперечный разрез по Б-Б подвижной фрикционной накладки с пластинчатыми термопарами; на фиг. 4 и 5 - термобатареи, работающие в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника.

Барабанно-колодочный тормоз с системой охлаждения содержит тормозной барабан 1 с рабочей поверхностью 2, тормозные колодки 3 с ребрами 4, к основанию 5 которых посредством заклепок 6 прикреплены фрикционные накладки 7. Последние являются неподвижными по отношению к колодке 3. В основании 5 и в накладках 7 по длине колодок 3 на их краях выполнены неодинакового диаметра сквозные отверстия 8, в которые установлены цилиндрической формы стержни, т. е. полупроводниковые термоэлементы 9 и 10 с n- и p-типа проводимости. При этом они отделены от основания 5 теплоизоляционной втулкой 11. По обеим краям колодок 3 термоэлементы 9 и 10 установлены так, что их торцы находятся на глубине допустимого износа накладок 7. Со стороны защемления обода барабана 1 с фланцем (не показан) термоэлементы 9 и 10 соединены между собой выпуклыми теплопроводными пластинами 12, установленными в продольных пазах 13 накладок 7. Со стороны свободного края обода барабана 1 (не показан) на торцах термоэлементов 9 и 10 установлены пружины 14, которые подпружинивают пустотелые теплопроводные вставки с выпуклой перемычкой 15. Последние крепятся к телу термоэлементов 9 и 10 посредством штифтов 16, входящих в их непрорезные пазы 17. Теплопроводные вставки с выпуклыми перемычками 15 находятся в продольных пазах 13 накладок 7. Со стороны нерабочей поверхности основания 5 колодок 3 торцы термоэлементов 9 и 10, начиная со второго, соединены между собой П-образными теплообменниками 18. Термоэлементы 9 и 10 со своими связующими деталями 12, 15 и 18 при взаимодействии с рабочей поверхностью 2 барабана 1 являются охлаждающими узлами, т.е. термобатареями.

Привод тормозных колодок 3 осуществляется посредством разжимного кулака 19 с двусторонними осевыми выступами 20, входящими на их концах 21 в радиальные пазы 22 и взаимодействующими с дополнительными ползунами 23 с шарнирным креплением 24 тяги 25. Дополнительные ползуны 23 помещены в осевых пазах 26 смежных носочных частей 27 колодок 3. При этом дополнительные ползуны 23 поджаты к осевым выступам 20 разжимного кулака 19 посредством пружин 28. Дополнительные ползуны 23 также шарнирно соединены с ползунами 29, к которым посредством болтов 30 прикреплены подвижные фрикционные накладки 31, которые расположены в средней части тормозных колодок 3, т.е. между их межреберным пространством. Такое расположение подвижных фрикционных накладок 31 обеспечивает их полное прижатие со стороны рабочей поверхности 2 барабана 1. В окнах 32 и 33 накладок 31 установлены пластинчатые термопары 34 с отогнутыми утолщенными бортами с высотой, равной глубине допустимого износа подвижных накладок 31. При этом толщина последних в 2-2,5 раза больше толщины накладок 7. Пластинчатые термопары 34 отделены от тела накладки 31 посредством керамической изоляции 35. Пластинчатые термопары 34 образованы двумя сваренными пластинами, изготовленными, например, из хромеля (+) и копеля (-). От каждой из термопар 34 простирается по два вывода в виде термоэлектродов 36, 37 и 38, 39. Тормозные колодки 3 с неподвижными 7 и подвижными 31 накладками взаимодействуют с рабочей поверхностью 2 барабана 1. В исходное положение колодки 3 возвращаются сжатой пружиной 40.

Для реализации способа охлаждения пар трения барабанно-колодочных тормозов рассмотрим работу термобатарей в режиме термоэлектрогенератора (фиг. 4). Концы термоэлементов 9 и 10 соединены между собой выпуклой теплопроводной пластиной 12, являющейся горячим спаем термобатареи. Два других конца термоэлементов 9 и 10 соединены внешней электрической цепью. При замкнутом тормозе в результате трения температура (T) выпуклой теплопроводной пластины 12 увеличивается по сравнению с температурой (T₀) холодных концов термоэлементов 9 и 10 (T >T₀), при этом тепловая энергия атомов горячего спая термоэлементов 9 и 10 возрастает. Эта энергия расходуется на переход электронов в свободное состояние. В результате на горячем спае термоэлемента 9 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 термоэлементе 10 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 10, и он заряжается положительно. В результате взаимодействия рабочей поверхности 2 барабана 1 с горячим спаем термоэлементов 9 и 10 при замыкании цепи в ней наблюдается электрический ток, обусловленный именно разностью температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а сама термобатарея является термоэлектрогенератором.

Если же по цепи, все элементы которой находятся в одинаковых температурных условиях (T=T₀), пропустить электрический ток в направлении, указанном на фиг. 5, то свободные электроны начнут перемещаться в термоэлементе 9 от спая (a) к спаю (b), причем это движение является замедленным, поскольку электроны тормозятся электрическим полем. Движение электронов от спая (a) к спаю (b) сопровождается переносом энергии. На спае (a) электроны, отбирая энергию атомов, приобретают кинетическую энергию; на спае (b), сталкиваясь с атомами кристаллической решетки термоэлемента 9, они отдают ему энергию. В связи с этим спай (a) охлаждается, а спай (b) нагревается. Причем скопление электронов на спае (b) способствует тому, что он заряжается отрицательно, а спай (a) - положительно.

В термоэлементе 10 с дырочной проводимостью направление электрического тока совпадает с направлением перемещения дырок: от спая (a) к спаю (b), вследствие чего дырки 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 (b). Здесь электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, расходуемую на нагревание этого спая. По мере движения от спая (b) к спаю (a), вдоль ветви термоэлемента 10, энергия электронов уменьшается и дальнейшее их перемещение осуществляется за счет внутренней энергии атомов, вследствие чего (a) охлаждается. Скопление электронов на этом спае обусловливает его отрицательный заряд, при этом спай (b) заряжен положительно. Таким образом, пропускание постоянного электрического тока через термобатарею приводит к возникновению перепада температур на ее спаях. На спае (a) поглощается теплота, называемая теплотой Пельтье, на спае (b) выделяется теплота. Если от горячего спая термобатареи постоянно отводить теплоту, то на холодном ее спае можно достичь низких температур. Таким образом, получили термоэлектрохолодильник.

Барабанно-колодочный тормоз с системой охлаждения работает следующим образом.

При торможении барабанно-колодочным тормозом, например, автотранспортного средства разжимной кулак 18 поворачивается тормозным приводом (не показан) и разводит тормозные колодки 3. В это время осевые выступы 19 кулака 18, поворачиваясь, выходят из паза 21, и пружина 26 перемещает ползун 22, который воздействует на тягу 24 и отводит подвижную фрикционную накладку 31 заподлицо с неподвижными накладками 7 колодок 3 от барабана 1. Разведенные колодки 3 с неподвижными 7 и подвижными 31 накладками взаимодействуют с рабочей поверхностью 2 барабана 1 и при этом на их поверхностях генерируется значительное количество теплоты. При этом уровень теплонагруженности поверхностей накладок 7 и 31, находящихся со стороны защемления обода барабана 1 с фланцем, значительно выше, чем со стороны его свободного края. Объясняется это распределением удельных нагрузок по ширине накладок 7 и 31 по линейному закону, и как следствие, разной степенью деформируемости обода барабана 1. Поэтому со стороны защемления обода барабана 1 с фланцем в колодках и были вмонтированы термобатареи, работающие в режиме термоэлектрогенератора, а с противоположной их стороны - в режиме термоэлектрохолодильника. Кроме того, горячие спаи термоэлементов (выпуклые теплопроводные пластины 12) и горячие спаи пластинчатых термопар 34, выполненные с отогнутыми утолщениями бортов, при работе тормоза изнашиваются вместе с неподвижными 7 и подвижными 31 накладками до толщины их допустимого износа. В то же время пустотелые теплопроводные вставки с выпуклыми перемычками 15, являющиеся холодными спаями термоэлектрохолодильника, благодаря их подпружиниванию относительно торцов термоэлементов 9 и 10, утапливаются в продольных пазах 13 накладок 7 при торможениях и почти не подвержены изнашиванию. Это позволяет холодным спаям термоэлектрохолодильника занимать почти одинаковое положение по отношению к рабочей поверхности 2 барабана 1, несмотря на изнашивание рабочих поверхностей накладок 7.

Значительная часть генерируемой теплоты на взаимодействующих поверхностях трения тормоза отводится теплопроводностью через термоэлементы 9 и 10 к холодным спаям термобатарей, работающих в режиме термоэлектрогенератора, затем передается теплообменникам 18, от которых рассеивается в окружающую среду. При этом перепад температур T и T₀ между горячим и холодным спаем термобатареи, работающей в режиме термоэлектрогенератора, ведет к тому, что на ее холодных спаях возникает термоЭДС, которая по замкнутой электрической цепи способствует протеканию электрического тока, поглощающего определенное количество теплоты от общего количества, генерируемого на взаимодействующих поверхностях пар трения тормоза. Незначительная часть генерируемой теплоты расходуется на нагревание термоэлементов 9 и 10 термобатареи.

Своего рода термоэлектрогенераторами являются пластинчатые термопары 34, работающие на эффекте Зеебека, выводы термоэлектродов 36, 37 и 38, 39 которых соответствующим образом подключены через стабилизатор к горячим спаям термоэлементов 9 и 10, т. е. к термобатарее, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, что составляет в конечном итоге электрическую цепь. Таким образом, наличие в цепи разности температур между горячим (T) спаем пластинчатых термопар 34 и горячим (T₀) спаем термоэлементов 9 и 10 способствует возникновению в цепи термоэлектрического тока, поглощающего также некоторое количество теплоты от общего генерируемого на взаимодействующих поверхностях тормоза.

К термобатарее, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, т.е. к ее горячим спаям термоэлементов 9 и 10, подключают через стабилизатор тока выводы термоэлектродов 36, 37 и 38, 39 пластинчатых термопар 34. При этом термоэлемент 9 с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме термоэлектродов 36 и 38, а термоэлемент 10 с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме термоэлектродов 37 и 39. В этом случае ток обратного направления выделяет теплоту на горячем спае термоэлементов 9 и 10 термобатареи и отнимает теплоту от холодного спая (пустотелых теплопроводных вставок с выпуклой теплопроводной перемычкой), т.е. из зоны трения.

С увеличением количества торможений барабанно-колодочного тормоза автотранспортного средства наблюдается рост температуры: горячего спая (выпуклых теплопроводных пластин 12) термобатареи, работающей в режиме термоэлектрогенератора; горячих спаев пластинчатых термопар 34, питаемых повышенным термоэлектрическим током от горячих спаев термоэлементов 9 и 10 термобатареи, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, что ведет к интенсификации охлаждения рабочих поверхностей тормоза, т.к. резко возрастает удельная электрическая проводимость термоэлементов 9 и 10 термобатареи.

При завершении процесса торможения автотранспортного средства выступы 19 кулака 18 при повороте последнего в обратную сторону входят в радиальный паз 21, в результате чего дополнительный ползун 22 через шарнирное крепление 24 перемещает подвижную накладку 31 к тормозному барабану 1 до соприкосновения ее с рабочей поверхностью 2. В этом случае подвижные фрикционные накладки 31 с пластинчатыми термопарами 34 работают как термоэлектрогенераторы по съему термоэлектрического тока, поглощающего теплоту, генерируемую на рабочей поверхности 2 обода барабана 1, охлаждая его. При этом одну из пластинчатых термопар 34, т.е. ее термоэлектроды 38 и 39, через стабилизатор тока подключают к холодным спаям термоэлементов 9 и 10 термобатареи, которая работает в режиме термоэлектрохолодильника.

Подключение термобатарей, т.е. термоэлементов 9 и 10 через стабилизатор тока к выводам термоэлектродов 36, 37 и 38, 39 пластинчатых термопар 34, благодаря взаимодействию подвижных фрикционных накладок 31 с рабочей поверхностью 2 барабана 1 между торможениями автотранспортного средства позволяет термобатареям обеих краев колодок 3 работать в режиме термоэлектрохолодильника и при этом охлаждать поверхность неподвижных фрикционных накладок 7. Кроме того, постоянная работа пластинчатых термопар 34, вмонтированных в подвижные фрикционные накладки 31 колодок 3 и работающих в режиме термоэлектрогенератора, не только является источником питания для термобатарей, но и способствует постоянному охлаждению обода барабана 1.

Таким образом, работа термобатарей в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника при торможениях барабанно-колодочными тормозами автотранспортного средства и в интервале времени между торможениями только в режиме термоэлектрохолодильника, а также пластинчатых термопар в режиме термоэлектрогенератора при движении автотранспортного средства способствует интенсивному принудительному охлаждению фрикционных узлов тормозов. Это обстоятельство способствует повышению эксплуатационных параметров тормозов, и как следствие, ресурса их пар трения, поскольку уровень их теплонагруженности всегда будет ниже допустимой температуры для фрикционных материалов накладок.