устройство для охлаждения и способ выравнивания теплонагруженности барабанно-колодочного тормоза

Формула изобретения

1. Устройство для охлаждения барабанно-колодочного тормоза, содержащее тормозной барабан, тормозные колодки с основанием, фрикционными накладками и ребрами, с вмонтированными в них охлаждающими узлами, выполненными 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, соединенных последовательно, со стороны нерабочей поверхности основания колодок, посредством П-образных теплообменников, не считая первого и последнего термоэлементов, при парном их количестве, отличающееся тем, что со стороны свободного края обода 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, а со стороны защемления обода барабана с фланцем разноименные термоэлементы 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.

2. Способ выравнивания теплонагруженности барабанно-колодочного тормоза, содержащего тормозной барабан, тормозные колодки, на которых расположены охлаждающие узлы при торможении, причем охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, заключающийся в том, что термоэлементы, установленные со стороны защемления обода барабана с фланцем, работают в режиме термоэлектрогенератора, а термоэлементы, установленные с противоположной стороны тормозной колодки, - в режим термоэлектрохолодильника, отличающийся тем, что осуществляют подключение источника постоянного тока к первому и последнему горячему спаю термоэлементов, расположенных со стороны свободного края обода и при этом термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемой термоэлектрогенераторами силы тока термоэлектрохолодильников, а холодные спаи термоэлементов, расположенные со стороны защемленного края обода барабана, подсоединяют к цепи постоянного электрического тока, включаемой в работу между торможениями.

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 с термоэлектрическим охлаждением, в котором система охлаждения выполнена в виде термобатарей и расположена на наружной поверхности обода тормозного барабана в герметизированном объеме, образованном кожухом, а термоэлементы термобатарей выполнены прямоугольной формы, теплоизолированы между собой и их концы расположены в теле барабана, образуя при этом с рабочей поверхностью обода барабана горячий спай. Холодный конец образован термоэлементами, выходящими наружу герметизированного объема через кожух и теплоизолированы от него. Тормозной барабан выполнен из отдельных секторов, теплоизолированных между собой и в месте крепления к ступице колеса (аналог, патент РФ N 2104422, МКИ⁶ F 16 D 65/833, опубл. 10.02.98, бюл. N 4). Данное техническое решение имеет тот недостаток, что охлаждается только обод тормозного барабана и, как следствие, наблюдается снижение эксплуатационных параметров тормоза из-за падения коэффициента трения перегретых поверхностей фрикционных накладок.

Известно устройство для охлаждения и способ выравнивания теплонагруженности 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 и 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 A1, 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 выравнивание теплонагруженности пар трения тормоза при его замкнутом состоянии при отводе теплоты термобатареями, работающими в режиме термоэлектрогенератора со стороны защемления обода барабана с фланцем и управление количеством отведенной теплоты из зоны трения со стороны свободного края обода барабана при работе термобатареи в режиме термоэлектрохолодильника, что несвойственно аналогу-прототипу;

- обеспечивается довыравнивание уровня теплонагруженности накладок колодок тормоза в случае его разомкнутого состояния при работе термобатарей в режиме термоэлектрохолодильника по обеим краям колодок (аналог-прототип только при включенном тормозе);

- термоэлектрическое охлаждение пар трения тормоза за счет работы термобатарей в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника имеет наибольший эффект по сравнению с аналогом;

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

- надежность и компактность конструкции.

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

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для охлаждения барабанно-колодочного тормоза выполнено в виде тормоэлементов-стержней, которые установлены по периметру тормозных колодок, и при этом на холодные спаи разноименных термоэлементов, торцы которых находятся на глубине допустимого износа фрикционных накладок, попарно надеты подпружиненные пустотелые теплопроводные вставки с выпуклыми перемычками, перемещающимися в продольных пазах, выполненных в накладках, а со стороны защемления обода барабана с фланцем разноименные термоэлементы 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. Способ выравнивания теплонагруженности барабанно-колодочного тормоза при торможении состоит в том, что его охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, причем термоэлементы, установленные со стороны защемления обода барабана с фланцем, работают в режиме термоэлектрогенератора, а термоэлементы, установленные с противоположной стороны тормозной колодки, - в режиме термоэлектрохолодильника, состоит в том, что подключают источник постоянного тока к первому и последнему горячему спаю термоэлементов, расположенных со стороны свободного края обода барабана, и при этом термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока, а холодные спаи термоэлементов, расположенные со стороны защемленного края обода барабана, подсоединяют к цепи постоянного электрического тока, включаемой в работу между торможениями.

На фиг. 1 представлен фрагмент барабанно-колодочного тормоза с термоэлектрическим охлаждением; на фиг. 2 - продольный разрез по А-А фиг. 1; на фиг. 3 и 4 - схема работы термобатарей в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника.

Барабанно-колодочный тормоз с термоэлектрическим охлаждением 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.

Для реализации способа выравнивания теплонагруженности пар трения барабанно-колодочного тормоза рассмотрим работу термобатареи в режиме термоэлектрогенератора (фиг. 3). Торцы 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 (Т) выпуклой теплопроводной пластины 12 увеличивается по сравнению с температурой (Т₀) холодных концов термоэлементов 9 и 10 (Т > Т₀), то 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 (Т=Т₀), пропустить электрический ток в направлении, указанном на фиг. 4, то свободные электроны начнут перемещаться в термоэлементе 9 от спая (a) к спаю (в), причем это движение является замедленным, поскольку электроны тормозятся электрическим полем. Движение электронов от спая (a) к спаю (в) сопровождается переносом энергии. На спае (a) электроны, отбирая энергию атомов, приобретают кинетическую энергию; на спае (в), сталкиваясь с атомами кристаллической решетки термоэлемента 9, они отдают ему энергию. В связи с этим спай (a) охлаждается, а спай (в) нагревается. Причем скопление электронов на спае (в) 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 (в), 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 (в). Здесь электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, расходуемую на нагревание этого спая. По мере движения от спая (в) к спаю (a) вдоль ветви термоэлемента 10 энергия электронов уменьшается и дальнейшее их перемещение осуществляется за счет внутренней энергии атомов, вследствие чего спай (a) охлаждается. Скопление электронов на этом спае обусловливает его отрицательный заряд, при этом спай (в) заряжен положительно. Таким образом, пропускание постоянного электрического тока через термобатарею приводит к возникновению перепада температур на ее спаях. На спае (а) поглощается теплота, называемая теплотой Пельтье, 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.

Барабанно-колодочный тормоз с термоэлектрическим охлаждением работает следующим образом. При взаимодействии фрикционных накладок 7 тормозных колодок 3 (привод не показан) с рабочей поверхностью 2 барабана 1 и на их поверхностях генерируется значительное количество теплоты. При этом уровень теплонагруженности поверхностей накладок 7, находящихся со стороны защемления обода барабана 1 с фланцем, значительно выше, чем со стороны его свободного края. Поэтому со стороны защемления обода барабана 1 с фланцем в колодках 3 и были вмонтированы термобатареи, работающие в режиме термоэлектрогенератора, а с противоположной их стороны колодок 3 - в режиме термоэлектрохолодильника. Кроме того, горячие спаи термоэлементов (выпуклые теплопроводные пластины 12) при работе тормоза изнашиваются вместе с накладками 7 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 (Т) и (Т₀) между горячим и холодным спаем термобатареи, работающей в режиме термоэлектрогенератора, ведет к тому, что на ее холодных спаях возникает термоЭДС, которая при 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.

К термобатарее, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, т.е. к ее горячим спаям термоэлементов 9 и 10, подключают источник постоянного тока. При этом термоэлемент 9 с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме, а термоэлемент 10 с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме. 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 15), т. е. из зоны трения. С увеличением количества торможений барабанно-колодочного тормоза, например, автотранспортного средства, а также силы тока и времени его подачи наблюдается рост температуры горячих спаев термоэлементов 9 и 10 термобатареи, работающей в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника, что ведет к повышению интенсивности охлаждения рабочих поверхностей тормоза, т.к. резко возрастает удельная электрическая проводимость термоэлементов 9 и 10 термобатареи. Подключение термобатарей, т.е. термоэлементов 9 и 10, к источнику постоянного тока в интервале времени между торможениями позволяет им работать в режиме термоэлектрохолодильника и тем самым за счет неравномерного охлаждения довыравнивать уровень теплонагруженности пар трения барабанно-колодочного тормоза между торможениями автотранспортного средства.

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 при движении автотранспортного средства способствует интенсивному принудительному охлаждению фрикционных узлов.

Интенсивный отвод теплоты от пар трения барабанно-колодочного тормоза при торможениях автотранспортного средства с помощью термобатарей с термоэлектрогенераторами и управляемый отвод теплоты от пар трения с помощью заданной силы тока и продолжительности его протекания, подаваемого на термоэлементы 9 и 10 от источника постоянного тока при работе термобатарей с термоэлектрохолодильниками, а также работа всех термобатарей в режиме термоэлектрохолодильника при движении автотранспортного средства позволяет выравнивать теплонагруженность пар трения барабанно-колодочного тормоза. 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.