системы охлаждения тормозного механизма с серводействием и способ ее осуществления

Формула изобретения

1. Система охлаждения тормозного механизма с серводействием, содержащего тормозной барабан, расположенные внутри него трехколодочный (основной) и двухколодочный (дополнительный) тормоза с их приводами, при этом в тормозные колодки по длине их основного и дополнительного тормозов установлены охлаждающие устройства, 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 соединены последовательно, со стороны нерабочей поверхности основания колодок, посредством П-образных теплообменников, не считая первого и последнего термоэлементов, являющихся термоэлектрохолодильниками, а также во фрикционные накладки тормозных колодок заподлицо их рабочих поверхностей установлены пластинчатые термопары с выводами в виде термоэлектродов, причем последние соединены последовательно, являющихся термоэлектрогенератерами, отличающаяся тем, что в двухколодочном тормозе полупроводниковые термобатареи установлены в самоприжимную тормозную колодку, а термобатареи, составленные из пластинчатых термопар, - в самоотжимную колодку, а в трехколодочном тормозе термобатареи, составленные из пластинчатых термопар, установлены в правой и левой тормозных колодках, а в верхней тормозной колодке отдельно установлены две полупроводниковые термобатареи.

2. Способ охлаждения тормозного механизма с серводействием, содержащего тормозной барабан и тормозные колодки, на которых расположены охлаждающие узлы, выполненные в виде термобатарей, состоящих из термобатарей с электронной и дырочной проводимостями, работающих в режиме термохолодильника, а также в виде термобатарей, составленных из пластинчатых термопар, работающих в режиме термоэлектрогенераторов, отличающийся тем, что в двухколодочном тормозе (дополнительном) в самоотжимной тормозной колодке выводы в виде термоэлектродов крайних пластинчатых термопар с положительной и отрицательной клеммой через стабилизатор постоянного тока подключены параллельно к первому и последнему горячим спаям термоэлектродов с электронной и дырочной проводимостью термобатареи самоприжимной тормозной колодки, а в трехколодочном тормозе (основном) крайние термоэлектроды пластинчатых термопар отдельно левой и правой тормозных колодок через стабилизаторы постоянного тока подсоединены параллельно к горячим спаям термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями отдельных термобатарей верхней тормозной колодки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в барабанно-колодочных тормозах транспортных средств большой и особо большой грузоподъемностей.

Известен тормозной механизм с серводействием, который содержит соосно установленные в барабане два тормоза, один из которых двухколодочный, а другой - трехколодочный. Последний содержит не менее трех колодок со стяжными пружинами и с клиновым разжимным устройством, радиальные толкатели которого являются общими для двух смежных колодок. Опорные пальцы колодок установлены в неподвижном суппорте. Колодки установлены на диаметрально расположенных опорах на поворотном суппорте, кинематически связанном с разжимным механизмом. При торможении и работе двухколодочного тормоза с барабаном происходит поворот суппорта, который вызывает взаимодействие разжимного устройства трехколодочного тормоза с колодками, а также их взаимодействие с тормозным барабаном и с неподвижным суппортом (авт. св. 1587255, кл. ⁵ F 16 D 51/00, опубл. 23.08.90 г., бюл. 31, аналог). Данный тормозной механизм с серводействием имеет недостаточную эффективность естественного охлаждения пар трения двух- и трехколодочных тормозов, т.к. отвод теплоты осуществляется только конвективным теплообменом от внутренней и внешней поверхностей широкого обода тормозного барабана.

Известна система охлаждения барабанно-колодочного тормоза, которая имеет подвижные фрикционные накладки с шириной, равной межреберному пространству тормозной колодки, и толщиной, в 2,0-2,5 раза большей, чем неподвижные накладки колодок. Неподвижные накладки содержат охлаждающие узлы в виде термобатарей. 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.

Способ охлаждения барабанно-колодочного тормоза в замкнутом состоянии состоит в том, что подключают термоэлектроды каждой из пластинчатых термопар через стабилизатор тока к холодным спаям первого и последнего термоэлементов термобатареи, работающей в режиме термоэлектрохолодильника. При разомкнутом тормозе указанные термобатареи включают в цепь постоянного электрического тока и они работают в режиме термоэлектрохолодильника (RU, патент 2159878, кл⁷ F 16 D 65/813, 65/833, опубл. 27.11.2000 г., бюл. 33, прототип). Данное техническое решение имеет тот недостаток, что процессы принудительного охлаждения реализуются только для двухколодочного тормоза с подвижными и неподвижными фрикционными накладками. Такая система охлаждения будет громоздкой и сложной для многоколодочных тормозных механизмов.

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

- достигается автономное охлаждение двух- и трехколодочных тормозов при их замкнутом состоянии при отводе теплоты термобатареями, работающими в режиме термоэлектрохолодильников, запитанных от термоэлектродов пластинчатых термопар, работающими в режиме термоэлектрогенераторов, через стабилизатор постоянного тока, что несвойственно аналогу-прототипу;

- обеспечивается снижение уровня теплонагруженности самоприжимной тормозной колодки, что ведет к выравниванию поверхностных температур в двухколодочном тормозе за счет работы термобатареи в ней в режиме термоэлектрохолодильника, что несвойственно аналогу-прототипу;

- обеспечивается снижение уровня теплонагруженности верхней тормозной колодки, что ведет к выравниванию поверхностных температур в трехколодочном тормозе за счет работы термобатареи в ней в режиме термоэлектрохолодильников, что несвойственно аналогу-прототипу;

- обеспечивается снижение уровня теплонагруженности самоотжимной тормозной колодки в двухколодочном тормозе и левой и правой тормозных колодок в трехколодочном тормозе за счет работы горячих спаев пластинчатых термопар в режиме термоэлектрогенераторов по сравнению с аналогом;

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

- надежность и компактность конструкции.

Задача изобретения - снижение уровня теплонагруженности пар трения тормозного механизма с серводействием путем интенсификации их охлаждения.

Решение представленной задачи достигается тем, что в системе охлаждения тормозного механизма с серводействием в двухколодочном тормозе (дополнительном) полупроводниковые термобатареи установлены в самоприжимную тормозную колодку, а термобатареи, составленные из пластинчатых термопар, - в самоотжимную колодку, а в трехколодочном тормозе термобатареи, составленные из пластинчатых термопар установленых в правой и левой тормозных колодках, а в верхней тормозной колодке отдельно установлены две полупроводниковые термобатареи. Способ охлаждения тормозного механизма с серводействием в замкнутом состоянии состоит в том, что в двухколодочном тормозе в самоотжимной тормозной колодке выводы в виде термоэлектродов крайних пластинчатых термопар с положительной и отрицательной клеммами через стабилизатор постоянного тока подключены параллельно к первому и последнему горячим спаям термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью термобатареи самоприжимной тормозной колодки, а в трехколодочном тормозе крайние термоэлектроды пластинчатых термопар отдельно левой и правой тормозных колодок через стабилизаторы постоянного тока подсоединены параллельно к горячим спаям термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями отдельных термобатарей верхней тормозной колодки.

На фиг. 1 показан тормозной механизм с серводействием и его система охлаждения; на фиг.2 - трехколодочный тормозной механизм с системой охлаждения, вид слева; фиг.3 - двухколодочный тормозной механизм с системой охлаждения, вид справа; на фиг.4 - автоматический регулятор зазора трехколодочного тормозного механизма; на фиг.5, 6 - схемы подключения термоэлектродов пластинчатых термопар к термоэлементам с дырочной и электронной проводимостями в двухколодочном и трехколодочном тормозах; на фиг.7 - схема термобатареи, работающей в режиме термоэлектрохолодильника.

Тормозной механизм с серводействием (фиг.1) содержит тормозной барабан 1, внутри которого соосно и последовательно установлены два тормоза, один из которых двухколодочный 2, а второй многоколодочный 3.

Многоколодочный тормоз 3 содержит (фиг.1 и 2) не менее трех тормозных колодок 4 с фрикционными накладками 5. Концы тормозных колодок 4 снабжены роликами 6, при этом ролики 6 соседних тормозных колодок 4 опираются на один шток 7 радиального клинового толкателя 8 разжимного механизма. В основании каждой тормозной колодки 4 по оси симметрии выполнен паз 9, в котором размещен опорный палец 10 с втулкой 11. Опорные пальцы 10 жестко соединены с неподвижным суппортом 12. Между неподвижным суппортом 12 и основанием тормозной колодки 4 установлены стяжные пружины 13.

Толкатели 8 установлены в направляющих неподвижного суппорта 12 радиально и опираются с одной стороны на ролики 6 тормозных колодок 4, а с другой через опорные ролики 14 - на профилированные поверхности 15 разжимного механизма, выполненные на диске 16 в виде симметричных профилированных поверхностей. Разжимной диск 16 жестко соединен с поворотным суппортом 17 двухколодочного тормоза 2 (фиг.3). На суппорте 17 жестко установлены рабочие цилиндры 18, поршни которых опираются на концы тормозных колодок 19 с фрикционными накладками 20. Вторые концы тормозных колодок 19 шарнирно соединены с суппортом 17 с диаметрально противоположным расположением. Между тормозными колодками 19 установлены стяжные пружины 21. Между поворотным суппортом 17 тормоза 2 и неподвижным суппортом 12 многоколодочного тормоза 3 расположены стабилизирующие пружины 22.

Автоматический регулятор зазора (фиг. 4) расположен в толкателях 8 с опорными площадками 23 под ролики 6 тормозных колодок 4 многоколодочного тормоза 3. На штоке 7 с натягом установлено упругое кольцо 25, расположенное в кольцевой выточке неподвижного суппорта 12 с зазором А в осевом направлении. Внутри штока 7 расположена одна из частей 24 толкателя 8, соединенная со штоком 7 через линейную муфту свободного хода 26. Линейная муфта свободного хода 26 обеспечивает перемещение части 24 толкателя 8 в сторону увеличения его длины и блокируется в сторону уменьшения его длины. Внутри толкателя 8 и штока 7 установлена возвратная пружина 27. На конце толкателя 8 установлен на оси 28 ролик 14, опирающийся на профилированную поверхность 15 разжимного механизма. Колодки 19 установлены на диаметральных опорах 29.

В основании и во фрикционных накладках 5 и 20 по длине верхней (а) тормозной колодки 4 и самоотжимной (д) тормозной колодки 19 на их краях выполнены одинакового диаметра сквозные отверстия 30 и 31, в которые установлены цилиндрической формы стержни, т.е. полупроводниковые термоэлементы 33 и 34 n- и р-типа проводимости. При этом они отделены от основания теплоизоляционной втулкой 32. Со стороны рабочей поверхности фрикционных накладок 5 и 20 термоэлементы 33 и 34 соединены между собой токопроводящей пластиной 35, выполненной в виде ребра. Со стороны нерабочей поверхности оснований вышеуказанных колодок 4 и 19 термоэлементы 33 и 34 попарно по их краям соединены между собой выпуклой пластиной 36, выполняющей одновременно роль токопроводящей пластины и теплообменника. Термоэлементы 33 и 34 со своими связующими деталями 35 и 36 при взаимодействии с рабочей поверхностью тормозного барабана 1 являются охлаждающими узлами, т.е. термобатареями.

В продольных прорезях фрикционных накладок 5 и 20 по длине левой (б) и правой (в) тормозных колодок 4 и самоприжимной (г) тормозной колодки 19 установлены пластинчатые термопары 37, которые образованы двумя спаренными пластинами, изготовленными, например, из хромеля (+) и копеля (-). От каждой из термопар 37 простираются по два вывода, т.е. термоэлектроды 40, подключенные к отрицательной 38 и положительной 39 клеммам. Указанные тормозные колодки 4 и 19 с фрикционными накладками 5 и 20 взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного барабана 1. В исходное положение колодки 4 (а, б, в) и 19 (г, д) возвращаются стяжными пружинами 13 и 21.

Для реализации способов охлаждения тормозного механизма с серводействием рассмотрим работу термобатарей в режиме термоэлектрохолодильника.

Если же по цепи, все элементы которой находятся в одинаковых температурных условиях (Т=Т₀), пропустить электрический ток в направлении, указанном на фиг. 7, то свободные электроны начнут перемещаться в термоэлементе 33 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 33, они отдают ему энергию. В связи с этим спай (а) охлаждается, а спай (в) нагревается. Причем скопление электронов на спае (в) способствует тому, что он заряжается отрицательно, а спай (а) - положительно.

В термоэлементе 34 с дырочной проводимостью направление электрического тока совпадает с направлением перемещения дырок: от спая (а") 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 (а") вдоль ветви термоэлемента 34 энергия электронов уменьшается и в дальнейшем 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 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.

Своего рода термоэлектрогенераторами являются пластинчатые термопары 37, работающие на эффекте Зеебека, выводы термоэлектродов 40, которые от отрицательной 38 и положительной 39 клемм через стабилизатор постоянного тока 41 подключены к горячим спаям термоэлементов 33 и 34, т.е. к термобатарее, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, что составляет в конечном итоге три электрические цепи [одна в двухколодочном тормозе (фиг.5) и две в трехколодочном тормозе (фиг.6)]. Таким образом, наличие в каждой цепи разности температур между горячими спаями пластинчатых термопар 37 и их холодными спаями термоэлектродов 40 с одной стороны и горячими (Т₀) спаями термоэлементов 33 и 34 и их холодными (Т) спаями с другой стороны способствует возникновению в цепях термоэлектрического тока, поглощающего также некоторое количество теплоты от общего генерируемого на взаимодействующих поверхностях двух- и трехколодочного тормозов.

Тормозной механизм работает следующим образом.

В статическом положении тормозная жидкость не подводится в рабочие цилиндры 18. Под действием стяжных пружин 21 тормозные колодки 19 двухколодочного тормоза 2 находятся в исходном положении, при котором их фрикционные накладки 20 не касаются тормозного барабана 1. Под действием стабилизирующих пружин 22 суппорт 17 находится в нейтральном среднем положении. Под действием стяжных пружин 13 тормозные колодки 4 многоколодочного тормоза 3 отведены от тормозного барабана 1 на величину зазора А. Большее перемещение ограничено силами трения между упругим кольцом 24 и штоком 7. При этом под действием возвратных пружин 27 ролики 14 прижаты к профилированным поверхностям 15 разжимного диска 16. В этом случае упругое кольцо 24 прижато к расточке в неподвижном суппорте 12.

Режим торможения с охлаждением. При подаче тормозной жидкости в рабочие цилиндры 18 тормозные колодки 19 (самоприжимная - г и самоотжимная - д) перемещаются до соприкосновения фрикционных накладок 20 с рабочей поверхностью тормозного барабана 1. При этом стяжные пружины 21 растягиваются. После соприкосновения фрикционных накладок 20 с рабочей поверхностью тормозного барабана 1 при вращении последнего за счет действия сил трения развивается тормозной момент, который способствует генерированию теплоты на поверхностях взаимодействующих фрикционных узлов двухколодочного тормоза. При этом генерируемое количество теплоты на самоприжимной (г) тормозной колодке 19 больше, нежели на самоотжимной (а) колодке 19. Поэтому в самоприжимную (г) тормозную колодку 19 и были вмонтированы полупроводниковые батареи с термоэлементами 33 и 34, работающими в режиме термоэлектрохолодильника, а в самоотжимную (д) тормозную колодку пластинчатые термопары 37 - в режиме термоэлектрогенератора.

Некоторая часть генерируемой теплоты на взаимодействующих поверхностях трения двухколодочного тормоза отводится теплопроводностью через пластинчатые термопары 37 и термоэлектроды 40. При этом перепад температур Т и Т₀ между горячим и холодным спаями термопары 37, работающей в режиме термоэлектрогенератора, ведет к тому, что на ее холодных спаях возникает термоЭДС, которая по замкнутой электрической цепи, включающей цепь полупроводниковых термобатарей, способствует протеканию электрического тока.

К термобатарее, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, т.е. к горячим спаям термоэлементов 33 и 34, подключают параллельно через стабилизатор тока 41 выводы термоэлектродов 40 пластинчатых термопар 37. При этом термоэлемент 33 с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме 39 термоэлектродов 40, а термоэлемент 34 с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме 38 термоэлектродов 40. В этом случае электрический ток, полученный с помощью термоэлектрогенераторов, выделяет теплоту на горячем спае термоэлементов 33 и 34 и отнимает теплоту от холодного спая (соединительных пластин 35, выполненных в виде ребра), т.е. из зоны трения.

Охлаждение пар трения трехколодочного тормоза 3 и рабочей поверхности тормозного барабана 1 проходит по аналогии с двухколодочным тормозом 2. Разница состоит лишь только в том, что во фрикционные накладки 5 левой (б) и правой (в) тормозных колодок 4 вмонтированы пластинчатые термопары 37, работающие в режиме термоэлектрогенераторов, подключены к отдельным полупроводниковым термобатареям, работающим в режиме термоэлектрохолодильников (фиг.6), расположенных в верхней (а) тормозной колодке 4.

При недостаточном уровне теплонагруженности рабочих поверхностей тормозных колодок 4 б, в и 19 д на холодных спаях термоэлектродов 40 пластинчатых термопар 37 возникает маленькая термоЭДС, не обеспечивающая достаточную силу тока для работы термобатарей, вмонтированных в тормозные колодки 4 а и 19 г, работающих в режиме термоэлектрохолодильника. В этом случае в качестве схемы усиления возможно применение схемы с общей базой. Данная схема обеспечивает наибольшее усиление по напряжению и эффективную стабильность работы при изменении уровня теплонагруженности пар трения тормозного механизма.

С увеличением количества торможений тормозным механизмом с серводействием машины наблюдается изменение температуры: снижение соедительных токопроводящих пластин 35 (выполнены в виде ребер), работающих в режиме термоэлектрохолодильников, благодаря повышению горячих спаев пластинчатых термопар 37, работающих в режиме термоэлектрогенераторов и питающих термоэлектрическим током горячие спаи полупроводниковых термоэлементов 33 и 34, что ведет к интенсификации охлаждения рабочих поверхностей тормоза, т.к. резко возрастает удельная электрическая проводимость термоэлементов 33 и 34. В дальнейшем за счет развиваемого тормозного момента происходит увлечение двухколодочного тормоза 2 совместно с рабочими цилиндрами 18, тормозными колодками 19 с фрикционными накладками 20, стяжными пружинами 21 и суппортом 17 в сторону вращения тормозного барабана 1. При этом одна из стабилизирующих пружин 22 растягивается, а вторая укорачивается.

При повороте суппорта 17 в сторону вращения тормозного барабана 1 поворачивается жестко соединенный с ним разжимной диск 16. В результате его поворота профилированные поверхности 15 через опорные ролики 14 и оси 28 перемещают толкатели 25. Последние через заблокированные линейные муфты свободного хода 26 перемещают штоки 7, которые через опорные площадки 23 и ролики 6 перемещают тормозные колодки 4 с фрикционными накладками 5 до упора последних в рабочую поверхность тормозного барабана 1. При этом упругое кольцо 25 перемещается вместе со штоком 7, выбирая зазор А. Одновременно с перемещением тормозных колодок 4 деформируются стяжные пружины 13. Появившиеся в результате трения фрикционных накладок 5 о рабочую поверхность тормозного барабана 1 силы стремятся повернуть тормозные колодки 4 вместе с тормозным барабаном. Этому препятствуют опорные пальцы 10, которые через втулки 11 и пазы 9 воспринимают силы трения тормозных колодок 4 и передают их на неподвижный суппорт 12 многоколодочного тормоза 3, тем самым обеспечивая торможение машины. Величина тормозного момента трехколодочного тормоза 3 определяется давлением жидкости в рабочих цилиндрах 18, геометрическими и эксплуатационными параметрами тормозных механизмов.

Режим оттормаживания. При снижении давления жидкости в рабочем цилиндре 18 тормозные колодки 19 под действием стяжных пружин 21 отводятся от тормозного барабана 1. При этом силы трения становятся равными нулю. Одновременно под действием стабилизирующих пружин 22 суппорт 17 двухколодочного тормоза 2 поворачивается в нейтральное положение. Повороту суппорта 17 способствуют стяжные пружины 21 многоколодочного тормозного механизма 3, которые перемещают тормозные колодки 4, а вместе с ними через опорные площадки 23 штоки 7, заблокированные линейные муфты 26 свободного хода с толкателями 24, оси 28 и опорные ролики 14 до упора упругих колец 25 в неподвижный суппорт 12, выбирая при этом зазор А. Дальнейшее перемещение части 24 толкателя 8 осуществляется под действием возвратных пружин 27 и разблокированной линейной муфты 26 свободного хода до установки толкателей 8 в нейтральное положение относительно профилированных поверхностей 16.

При износе фрикционных накладок 5 в режиме торможения после упора упругих колец 25 в неподвижный суппорт 12 шток 7 перемещается относительно упругого кольца 25, преодолевая силы трения, при этом упругое кольцо 24 остается на упоре в неподвижном суппорте 12. При оттормаживании в этом случае после упора упругих колец 25 в неподвижный суппорт 12 под действием возвратных пружин 27 линейные муфты свободного хода 26 разблокируются, а толкатели 8 вместе с осями 28 и опорными роликами 14 продолжают поворот разжимного устройства 15 путем воздействия на профилированные поверхности 15, тем самым обеспечивая постоянный зазор между тормозным барабаном 1 и фрикционными накладками 5, а также постоянное положение профилированных поверхностей 15 относительно опорных роликов 14. При этом двухколодочный тормоз 2 имеет постоянное положение и постоянное значение угла поворота относительно неподвижного суппорта 12.