专利名称：具有倾斜叶片几何形状的盘式制动转子的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及车辆的盘式制动系统，尤其涉及其转子部件。更特别地，本发明涉 及倾斜叶片式的盘式制动转子。
背景技术：
机动车辆的盘式制动系统在每一车轮处利用了与机动车辆的旋转轴的轴毂相连 的制动转子以及对置的一组可选择性运动的制动片，所述制动片连接至承载该组制动片的 不旋转的制动钳。制动转子包括对置的制动片接合表面，或者转子颊，当要发生制动时，制 动系统致使钳将制动片压在制动颊的相应制动片接合表面上。旋转的转子颊与不旋转的 制动片之间的摩擦相互作用致使机动车辆发生制动，制动速率取决于制动片对转子颊的压 力。在汽车领域中，现代液压制动系统通常包括操作者或驾驶员接口，例如制动踏板。 当驾驶员向该踏板施加力时，该力通过控制臂和其它相关装置被传递至主缸。主缸接受作 为输入的机械力，并以加压制动流体的形式产生作为输出的液压力。该压力由加压的制动 流体通过机动车辆的管线及阀门输送，以与机动车辆各车轮处的各制动角相互作用。图1示意性示出本领域中公知的制动角10，其构造成用于滑动钳(即，在钳一侧 处的活塞)的使用。制动管线12将液压制动流体输送至制动角10中。这允许通过液压制 动流体的加压从主缸(未示出)施加力，由此产生制动钳20的液压能动部件的液压控制机 构。液压制动流体进入到钳致动器缸22中并与钳致动器活塞24接触。在滑动钳构造中，制 动钳的内侧20a是液压能动的，而制动钳的外侧20b是液压不动的。制动片32a、32b分别 贴附在制动钳20的各侧，从而使得当对制动角10进行供应的制动管线12中的液压制动流 体被加压时，制动钳20致使制动片挤压在制动转子30的转子摩擦表面(即，转子颊)30a、 30b上，由此引起车辆制动。转子颊30a、30b均位于转子盘34a、34b的相应外表面上，转子 盘34a、34b通过贴附至这些转子盘内侧表面的叶片36相互分开。现在转到图2，其示出了传统制动转子30的实施例。转子盘34a和34b均相应具 有内侧盘面(与对应的转子颊相对)38a、38b，内侧盘面38a、38b形成转子盘之间的冷却区 40的边缘。叶片36为位于冷却区40中的窄金属条，并在各端通过叶片贴附部36a、36b附 连至内侧盘面38a、38b，借此叶片用于将转子盘连接在一起。叶片36以保持相邻叶片之间 具有恒定径向分离的方式均勻分布。各叶片36相对于内侧盘面38a、38b垂直(S卩，正交取 向)，其中交角％为90度。此外，各叶片36具有长度L。、宽度W。、叶片相互间距S。，并大致 跨转子盘34a、34b的半径Re延伸。在传统制动系统的正常操作过程中，由制动片32a和32b施加至制动转子30的转 子颊30a、30b的力可产生显著的发热。该发热是不期望的，因为所引起的升温可在制动转 子上导致非均勻的热梯度，这又可能导致制动转子30和制动片32a、32b的热变形。至少， 这些变形会促使制动部件更快速地磨损，从而导致更高的维护成本。结果，不得不花费很多 精力来生产以利于制动转子升温管理的方式设计的制动转子。制动转子升温管理是复杂的
3动力学，其中设计的变化可能会影响制动转子的发热速率和冷却速率。制动转子升温管理在本领域中公知是利用通风的制动转子，其中叶片36用于将 转子盘保持在一起，但是使转子盘间的冷却区40保持敞开以将制动转子产生的热输送至 大气。就此而言，因转子颊30a、30b与制动片32a、32b的相互作用而产生热，并且该热以传 导方式流向内侧盘面38a、38b，进而流向叶片36，因而这些热在冷却区40内通过对流传热 消散到在叶片间循环的空气中。因此，通过冷却区40流出热的同时仍保持叶片36的稳定 性和强度，是制动转子设计的关键方面。在现有技术中，已经进行创新以促进叶片之间的空气流动，例如对叶片形状进行 创新，旨在利于使通过转子盘之间的冷却区的空气流动速率得以加速。在制动转子的总体设计中，若从制动转子去除太多材料，则会由于转子盘的低热 容而增大制动转子的发热速率，并且制动转子可能不够耐用，不足以在重复的制动过程中 无变形地长期可靠运行。而且，制动转子的设计需要将最佳散热特性考虑在内并满足驾驶 员的期望制动感受。在历史上，关于制动系统的人机交互工程一直是一种主观努力。随着在SAE technical paper 940331 "Objective Characterization ofVehicle Brake Feel，，(1994) 中报导的制动感觉指数(BFI)的出现，研究出了一种使客观工程参数与这些主观评价关联 的方法。在BFI的情况下，将诸如踏板施力、踏板行程和踏板预载这样的方面与和特定类 型的期望响应关联的期望目标值进行对比，并且将与这些目标值的偏差以更低的给定值 (index value)加以反映。在盘式制动系统中，引起不期望制动踏板感觉的某些原因与噪音 和振动有关。可利用本领域公知的简正坐标分析技术来研究传统制动转子的噪音和振动特 性。这种分析表明，在其中叶片垂直于内侧盘面取向(以下称为“垂直叶片”)的传统类 型制动转子(即，图1和图2中所示的制动转子)具有三种振动模式由转子盘朝向彼此 的相对运动引起的压缩模式；由各转子盘中的局部模式的耦合引起的节点直径模式(node diametrical mode)；以及由与一个转子盘的旋转中心轴线相对于另一转子盘的旋转中心 轴线有关的相对运动引起的最复杂的扭转变形模式(racking mode)。在这些振动模式中， 当被驾驶员觉察到时，扭转变形模式倾向于是最大声的。图3和图4分别为图2中所示的 现有技术垂直叶片式转子的典型扭转变形模式振动52和典型节点直径模式62的位移分布 图50、60。以下将对照本发明提供对这些分布图的详细论述。在本领域中试图缓解这些转子振动问题中的一部分。已经尝试了弯叶片(sw印t vane)(例如参见美国专利6，119,820)以及柱叶片(pillar-post vane)(例如参见美国专 利6，405，839和6，454，058)，这些叶片可能会缓解噪音问题。但是，这些类型的垂直叶片 可与通过冷却区的空气流发生干涉。增大垂直叶片的截面宽度和/或在外周(即，转子外 径)处设置大的柱会增强从转子盘向垂直叶片的传导性传热，并用于增大制动转子结构的 刚度，但是这样的垂直叶片会限制通过冷却区的空气流动，从而限制向空气的对流传热，并 且还会增加车辆的重量，从而降低行驶里程。因此，本领域中仍然需要一种装置来降低制动期间的转子噪音水平而不会对传统 转子的热特性或车辆的行驶里程具有不利影响。
发明内容
本发明为一种制动转子叶片构造，其降低因制动引起的转子噪音水平而不会对热 特性(对于传统转子)或车辆的行驶里程具有不利影响。根据本发明的第一方面，提供一种盘式制动转子，所述盘式制动转子包括具有第 一转子颊和第一内侧盘面的第一转子盘；具有第二转子颊和第二内侧盘面的第二转子盘， 所述第一内侧盘面和所述第二内侧盘面相互叠置并且二者之间由冷却区分开；以及布置在 所述冷却区中的多个倾斜叶片，各倾斜叶片在一端贴附至所述第一内侧盘面，并且在另一 端贴附至所述第二内侧盘面；其中各倾斜叶片相对于所述第一内侧盘面和所述第二内侧盘 面不以90度取向。优选地，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶片对形成V形形状。优选地，所述多个叶片对包括一系列相同取向的V形形状。优选地，所述多个叶片对包括一系列交替倒置的V形形状。优选地，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶片对形成X形形状。优选地，各所述倾斜叶片均相对于所述第一内侧盘面或所述第二内侧盘面以锐交 角布置。优选地，所述锐交角在约80度至约36度之间的范围内。优选地，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶片对形成V形形状。优选地，所述锐交角为约58度。优选地，所述多个叶片对包括一系列相同取向的V形形状。优选地，所述锐交角为约58度。优选地，所述多个叶片对包括一系列交替倒置的V形形状。优选地，所述锐交角为约58度。优选地，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶片对形成X形形状。优选地，所述锐交角为约58度。根据本发明的第二方面，提供一种盘式制动转子，所述盘式制动转子包括具有第 一转子颊和第一内侧盘面的第一转子盘；具有第二转子颊和第二内侧盘面的第二转子盘， 所述第一内侧盘面和所述第二内侧盘面相互叠置并且二者之间由冷却区分开；以及布置在 所述冷却区中的多个倾斜叶片，各倾斜叶片在一端贴附至所述第一内侧盘面，并且在另一 端贴附至所述第二内侧盘面；其中各所述倾斜叶片相对于所述第一内侧盘面或所述第二内 侧盘面均以锐交角布置；并且其中所述锐交角在约36度至约80度的范围内。优选地，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶片对形成V形形状。优选地，所述多个叶片对包括一系列相同取向的V形形状。优选地，所述多个叶片对包括一系列交替倒置的V形形状。优选地，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶片对形成X形形状。与传统制动转子的垂直叶片截然不同，本发明的制动转子利用了倾斜叶片，即叶 片相对于内侧盘面不以90度取向，而由相对于任一内侧盘面的锐交角限定(当然，也能由 相对于内侧盘面的相对的钝角等同地限定)。例如，根据本发明的倾斜叶片可以成对并绕转 子盘的周边连续取向从而以下列形式提供一系列叶片对一系列交替倒置的V形形状；一 系列相同取向的V形形状；或者一系列X形形状。
所述倾斜叶片的一个目的是提高两个(即，第一和第二)转子盘之间的连接刚度， 从而提高扭转变形模式振动的频率，使得其频率位于正常的人类听力范围之外。由于本发 明的倾斜叶片用于对抗摩擦力引起的压缩，而不是像传统垂直叶片那样简单地弯曲，因而 会产生该效果。而且，倾斜还会破坏节点直径模式，同时另外增大频率。所述倾斜叶片的另一目的是提供优异的热管理和结构稳定性。通过增大倾斜叶片 的高度(长度)，可减小倾斜叶片的厚度，但仍提供制动转子的稳定性。因为从转子盘向倾 斜叶片的传导性传热是优异的，并且由于倾斜叶片之间的空气循环保持自由，所以从倾斜 叶片向大气的对流传热也是优异的。从优选实施方式的以下说明将会清楚本发明的这些及另外的目的、特征和优点。
图1是采用滑动钳构造的现有技术盘式制动系统的剖视图。图2是图1的现有技术制动转子的立体端视图，在其第一转子盘和第二转子盘之 间布置有垂直叶片。图3是处于扭转变形振动模式中的现有技术制动转子的位移分布图。图4是处于节点直径振动模式中的现有技术制动转子的位移分布图。图5是根据本发明的制动转子的立体端视图，在其第一转子盘和第二转子盘之间 布置有倾斜叶片，这些叶片以一系列叶片对的形式示出，这些叶片对为交替倒置的V形形 状。图5A是在图5的圆圈5A处所见的断开侧视细节图。图5B是沿图5的线5B-5B平行于转子盘所见的剖视图。图6A是类似于图5A中所见，根据本发明的具有一系列叶片对形式的倾斜叶片的 制动转子的断开侧视细节图，所述叶片对为相同取向的V形形状。图6B是与图5B类似的、沿图6A中的线6B-6B所见的图6A的制动转子的剖视图。图7A是类似于图5A中所见，根据本发明的具有一系列叶片对形式的倾斜叶片的 制动转子的断开侧视细节图，所述叶片对为X形形状。图7B是与图5B类似的、沿图7A中的线7B-7B所见的图7A的制动转子的剖视图。图8是如图5至图5B所示的根据本发明的倾斜叶片制动转子在节点直径振动模 式下的位移分布图。
具体实施例方式现在参照附图，图5至图8示出了根据本发明用于盘式制动系统的倾斜叶片式制 动转子的各个方面，其用于降低在制动系统的操作过程中产生的可听到的噪音。优选实施 方式的以下说明本质上仅是示例性的，并不意图限制本发明及其应用或使用。首先关注图5至图5B，其中绘出了根据本发明的倾斜叶片式制动转子100。转子盘 102a和102b (这两个转子盘被标为第一转子盘和第二转子盘)均分别具有内侧盘面104a、 104b (与对应的转子颊105a、105b相对)，这些内侧盘面形成这些转子盘之间的冷却区106 的边缘。倾斜叶片108为位于冷却区106中的窄金属条，并在各端通过叶片贴附部108a、 108b附连至内侧盘面104a、104b，由此这些倾斜叶片用于将转子盘102a、102b连接在一起。倾斜叶片108以保持倾斜叶片径向分离的连续重复图案的方式分布。各倾斜叶片108是“倾斜的”，即这些倾斜叶片相对于内侧盘面104a、104b不以90 度取向，而由相对于任一内侧盘面的锐交角α限定(当然，也能由相对于内侧盘面的相对 的钝角等同地限定)。倾斜叶片108在该实施例中分组成叶片对110a，这些叶片对绕转子 盘104a、104b的周边连续取向，从而以一系列交替倒置的V形形状的形式提供了一系列叶 片对110b、110c。各倾斜叶片108具有高度(长度)L、宽度W、相互间距S，并大致跨转子盘 104a、104b的半径R延伸。现在关注图6A至图7B，其中详述了根据本发明的倾斜叶片式制动转子的倾斜叶 片的其它构造；应理解，在最广泛的意义上，制动转子具有倾斜叶片就足够了。在图6A和图6B中，绘出了根据本发明的倾斜叶片式制动转子100'。转子盘 102a'和102b'(这两个转子盘可被标为第一转子盘和第二转子盘)均分别具有内侧盘面 104a'、104b'(与对应的转子颊105a'、105b'相对)，这些内侧盘面形成这些转子盘之 间的冷却区106'的边缘。倾斜叶片108'为位于冷却区106'中的窄金属条，并在各端通 过叶片贴附部108a' UOSb'附连至内侧盘面104a'、104b'，由此这些倾斜叶片用于将 转子盘102a'、102b'连接在一起。倾斜叶片108'以保持倾斜叶片径向分离的连续重复 图案的方式分布。各倾斜叶片108'是“倾斜的”，即倾斜叶片相对于内侧盘面104a‘ U04b'不以 90度取向，而由相对于任一内侧盘面的锐交角α ‘限定(当然，也能由相对于内侧盘面的 相对的钝角等同地限定)。倾斜叶片108'在该实施例中分组成叶片对IlOa'，这些叶片对 绕转子盘104a'、104b'的周边连续取向，从而以一系列相同取向的V形形状的形式提供 了一系列叶片对110d。各倾斜叶片108'具有高度(长度)L'、宽度W'、相互的叶片间距 S'，并大致跨转子盘104a' U04b'的半径R'延伸。在图7A和图7B中绘出了根据本发明的倾斜叶片式制动转子100"。转子盘 102a"和102b"(这两个转子盘可被标为第一转子盘和第二转子盘)均分别具有内侧盘面 104a"、104b〃(与对应的转子颊105a〃、105b〃相对)，这些内侧盘面形成这些转子盘之 间的冷却区106"的边缘。倾斜叶片108"为位于冷却区106"中的窄金属条，并在各端通 过叶片贴附部108a"、108b〃附连至内侧盘面104a"、104b〃，由此倾斜叶片用于将转子 盘102a"、102b"连接在一起。倾斜叶片108〃以保持倾斜叶片径向分离的连续重复图案 的方式分布。各倾斜叶片108"是“倾斜的”，即倾斜叶片相对于内侧盘面104a"、104b〃不以 90度取向，而由相对于任一内侧盘面的锐交角α “限定(当然，也能由相对于内侧盘面的 相对的钝角等同地限定)。倾斜叶片108"在该实施例中分组成叶片对110a"，这些叶片对 绕转子盘104a"、104b"的周边连续取向，从而以一系列X形形状的形式提供了一系列叶 片对110e。各倾斜叶片108"具有高度(长度)L"、宽度W"、相互的叶片间距S"，并大致 跨转子盘104a"、104b〃的半径R延伸。以例示方式，倾斜叶片108、108' ,108"分别具有在约36度至约80度范围内的锐 交角α、α ‘、α 〃，并且作为实施例优选约58度的锐交角。传统的垂直式制动转子与本发明的倾斜叶片式制动转子的简要的功能对比如下。 在图2中，用于传统的垂直叶片式制动转子30的垂直叶片36的叶片贴附部36a、36b直接相对，该构造使两个转子盘之间的力对齐，从而使得垂直叶片上的力局部化成直接相对。该 叶片贴附部的布置会促使垂直叶片弯曲。而在图5至图7B中，用于相应的倾斜叶片式转子 100,100' ,100"的倾斜叶片 108、108' ,108"的叶片贴附部 108a、108a‘、108a"、108b、 108b‘、108b"交错分布，使得叶片上的力不会局部相对。而且，在图7A和图7B的X形形 状IlOe中，各叶片对IlOa"的叶片108〃的交叉点还形成附连点108eo实施例I该实施例是根据本发明的倾斜叶片式制动转子与现有技术的垂直叶片式制动转 子之间的对比，这里仅作为示例性说明提供，而并非限制。与图5中的类似的根据本发明的倾斜叶片式盘式转子具有质量为7. 7kg，直径为 296mm，厚度为7. 5mm的转子盘，并且内侧盘面之间的叶片相互间距为13mm。倾斜叶片的宽 度为4. 9mm,叶片间距为20. 9mm，锐交角为58度。共有60个倾斜叶片。与图2中的类似的传统的垂直叶片式制动转子具有质量为7. 58kg，直径为296mm， 厚度为7. 5mm的转子盘，并且内侧盘面之间的叶片相互间距为13mm。垂直叶片的宽度为 6mm，叶片间距为22mm，交角为90度。共有41个垂直叶片。进行了以下观察。倾斜叶片的表面积比垂直叶片大了约12%。倾斜叶片式转子 将扭转变形模式的频率从垂直叶片式制动转子上的IlkHz有效增大至超过人类听力的频 率(约18kHz以上，有可能为约22kHz以上)。倾斜叶片式制动转子的节点直径模式未被明 确限定，并且其在频率上比垂直叶片式制动转子高出约6%。而且，倾斜叶片对的V形形状 允许对抗压缩/拉伸中的摩擦力，这与传统的垂直叶片的纯弯曲相反，从而使刚度增大了 10%。如以上所述，简正坐标分析表明制动转子具有三种振动模式，即节点直径模式、压 缩模式和扭转变形模式。表I示出了实施例I中的传统的垂直叶片式制动转子对倾斜叶片 式制动转子的常规模式的简正坐标分析计算的结果。在该实施例中，“模式#”是指振动类型及阶次；“垂直叶片”指传统的垂直叶片式 转子(图2)；“倾斜叶片”指本发明的倾斜叶片式转子(图5至图5B)；“刚度增大”指倾斜 叶片式转子在传统垂直叶片式转子的刚度之上的刚度增大百分比；“说明”是对“模式#”的解释。表 I
自由-自由常规模式分析(Free-Free Normal Modes Analysis )模式#垂直叶片 (Hz)倾斜叶片 (Hz)刚度增大 (对于倾斜叶片，％)说明2 ND7427876.06二次节点直径模式3 ND187120207.96三次节点直径模式4 ND311434079.41四次节点直径模式5 ND439348299.92五次节点直径模式6 ND569662399.53六次节点直径模式
8 如从表I中可见，在采用了构造成如图5至图5B中所示的倾斜叶片式制动转子的 情况下，对于低频节点直径模式而言，频率会移至较高，但是对于高频节点直径模式和压缩 模式而言，频率会下降。在节点直径模式的情况下，现有技术的垂直叶片式制动转子中的叶 片附连点的对齐促使两个转子盘之间的局部振动模式的关联。对比节点直径模式的位移分布图，可清楚看到该效果。现有技术的制动转子中的 垂直叶片的叶片贴附部的对齐促使制动转子盘中的局部振动模式的耦合。在本发明中，倾 斜叶片的叶片贴附部不与它们在相对内侧盘面上的对应部分直接相对地对齐，因此不会促 使各转子盘内的局部振动模式之间的关联。在图3、图4和图8中绘出了表I，其中并未示出倾斜叶片式制动转子的扭转变形 模式结果，这是因为这些模式的频率偏移出可听范围。倾斜叶片式制动转子的扭转变形模 式的位移分布图的结构与图3中所见的现有技术垂直叶片式制动转子的扭转变形模式的 位移分布图的结构类似。如先前所述，图4示出传统的垂直叶片式制动转子的增强振动位 移分布图60。相反，图8示出了构造成如图5至图5B所示那样的倾斜叶片式制动转子的节 点直径模式122的减弱且紊乱的振动位移分布图120。根据本发明的所有型式的倾斜式叶片转子(S卩，图5至图7B)由于叶片贴附部的 相对分布位置都会增加倾斜叶片的刚度。该刚度促成了各转子盘的表面应力张量的非对角 元素。这些非对角分量产生与制动片施加至转子盘的力垂直的力，从而在转子盘的平面内 产生位移。这些位移的效果是增大了振动的扭转变形模式的强度，从而引起扭转变形模式 的频率增大，使这些频率升高至人类可听频率范围外。对于本发明所属领域的技术人员，可对上述优选实施方式进行变化或修改。这样 的变化或修改可在不背离本发明范围的情况下实施，本发明的范围应仅由所附权利要求的 范围限定。
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权利要求
一种盘式制动转子，所述盘式制动转子包括具有第一转子颊和第一内侧盘面的第一转子盘；具有第二转子颊和第二内侧盘面的第二转子盘，所述第一内侧盘面和所述第二内侧盘面相互叠置并且二者之间由冷却区分开；以及布置在所述冷却区中的多个倾斜叶片，各倾斜叶片在一端贴附至所述第一内侧盘面，并且在另一端贴附至所述第二内侧盘面；其中各倾斜叶片相对于所述第一内侧盘面和所述第二内侧盘面不以90度取向。
2.如权利要求1所述的盘式制动转子，其中，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶 片对形成V形形状。
3.如权利要求2所述的盘式制动转子，其中，所述多个叶片对包括一系列相同取向的V 形形状。
4.如权利要求2所述的盘式制动转子，其中，所述多个叶片对包括一系列交替倒置的V 形形状。
5.如权利要求1所述的盘式制动转子，其中，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶 片对形成X形形状。
6.如权利要求1所述的盘式制动转子，其中，各所述倾斜叶片均相对于所述第一内侧 盘面或所述第二内侧盘面以锐交角布置。
7.如权利要求6所述的盘式制动转子，其中，所述锐交角在约80度至约36度之间的范 围内。
8.如权利要求7所述的盘式制动转子，其中，所述多个倾斜叶片包括多个叶片对，各叶 片对形成V形形状。
9.如权利要求8所述的盘式制动转子，其中，所述锐交角为约58度。
10.一种盘式制动转子，所述盘式制动转子包括 具有第一转子颊和第一内侧盘面的第一转子盘；具有第二转子颊和第二内侧盘面的第二转子盘，所述第一内侧盘面和所述第二内侧盘 面相互叠置并且二者之间由冷却区分开；以及布置在所述冷却区中的多个倾斜叶片，各倾斜叶片在一端贴附至所述第一内侧盘面， 并且在另一端贴附至所述第二内侧盘面；其中各所述倾斜叶片相对于所述第一内侧盘面或所述第二内侧盘面均以锐交角布置；并且其中所述锐交角在约36度至约80度的范围内。
全文摘要
本发明涉及一种具有倾斜叶片几何形状的盘式制动转子。具体地，提供了一种倾斜叶片式制动转子。所述倾斜叶片是倾斜的，即相对于内侧盘面不以90度取向，而由相对于任一内侧盘面的锐交角限定。例如，所述倾斜叶片可以是成对的，并绕转子盘的周边连续取向，从而以下形式提供一系列叶片对一系列交替倒置的V形形状；一系列相同取向的V形形状；或者一系列X形形状。
文档编号F16D65/12GK101915278SQ20101011472
公开日2010年12月15日 申请日期2010年2月20日 优先权日2009年2月16日
发明者B·D·洛, D·B·安塔奈蒂斯, M·T·里夫, P·J·蒙斯里 申请人:通用汽车环球科技运作公司