专利名称：预应力碳纤维缠绕制动鼓的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种预应力缠绕制动鼓，可用于汽车制动系统。
背景技术：
鼓式制动器因其结构紧凑、性能可靠、制动功率大，成本低等特点，是大中型客车、 货车最常见的制动装置。但在车辆长时间重载、下长坡过程中，连续制动，产生大量热能，鼓式制动器因散热不畅，导致制动鼓持续高温。此工况下，制动鼓内壁承受法向压应力和切向拉应力联合作用，易导致开裂、龟裂、掉底等机械疲劳失效。由此严重影响行车安全。为解决制动鼓疲劳寿命问题，将预应力设计原理应用于制动鼓上，改变其受力状态，进而提高其抗疲劳失效能力与使用的安全性。预应力结构是一种先进的机械结构形式。在结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力，使其特定部位产生预应力与工作应力异号，以抵消大部分或全部工作应力，从而大大提高结构的承载性能。由于上述特性，预应力结构拥有疲劳强度好，承载能力高，无爆炸危险等很多优点。碳纤维是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、 又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型纤维状碳材料。碳纤维可单独使用发挥某些功能，然而它属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固地结合在一起时， 才能利用其优异的力学性能，使之更好地承载负荷。因此，碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。普通的制动鼓材料为铸铁，铸铁的抗拉性能要远小于其抗拉性能。在工作过程中， 制动鼓受到法向压应力和切向拉应力的共同作用，并且因为鼓式制动器增式蹄的自增力作用，制动鼓局部会受到更大的法向压力和切向拉力。现有的方法是在熔炼过程中采用改进制造工艺、添加合金元素等措施，提高制动鼓的强度和耐磨性能，以延长制动鼓的使用寿命。但是并不能从根本上解决铸铁材料在抗拉强度方面的力学缺陷。
发明内容
本发明专利提出一种预应力碳纤维缠绕制动鼓的结构，对现有的制动鼓进行预应力保护，提高制动鼓的抗疲劳失效性能和使用安全性。本发明的技术方案是一种预应力碳纤维缠绕制动鼓，含有制动鼓本体，设置在制动鼓本体内的领蹄、 从蹄、液压缸和摩擦片，其特征在于在制动鼓本体表面中间部位设有一道环形槽，以0 IOGPa的张应力在槽内缠绕预应力碳纤维，形成预应力碳纤维缠绕层。本发明所述的碳纤维采用碳纤维束或碳纤维布。本发明利用铸铁抗压性能远高于其抗拉性能这一特点，把预应力结构巧妙的引入制动鼓加工工艺中。将碳纤维束缠绕至制动鼓表层某一特定区域，并使整个制动鼓处于压应力状态。汽车制动时，制动鼓铸铁材料会仍然处于压应力状态或轻微的拉应力状态，这样
3就能有效避免发生最多的开裂、龟裂失效问题。碳纤维预应力缠绕制动鼓具有以下优点及突出性效果(①疲劳强度高。制动鼓本体由于载荷波动量小而疲劳强度得到提高。对制动鼓施加上预应力，与制动带内的拉应力异号，改善其受力状态，提高其承载能力，而且预紧的压应力可以有效地阻止裂纹的产生与扩展，提高其疲劳寿命。②承载能力大。预应力结构的强度安全系数远低于一般非预应力结构，在同样承载能力的前提下，可大大减轻制动鼓本体的重量。③安全可靠。预应力缠绕层是多层结构，即使有些层发生疲劳破坏，也不会传递到其他层，而且只要最外的几层缠绕层完好，由于层间的摩擦作用，整个缠绕结构就能保持完好，并保持预紧效果。使得性能更加可靠，寿命进一步增加。另外，由于缠绕层的保护，杜绝了爆炸、碎片崩裂的危险，安全性能很好。
图I为原有的制动鼓。图2为本发明提供的预应力碳纤维缠绕制动鼓。图3为制动鼓内部结构。图4为原有制动鼓在制动时的法向受力。图5为预应力碳纤维缠绕制动鼓在制动时的法向受力。图中1_制动鼓本体；2_预应力碳纤维缠绕层；3-领蹄；4_液压缸；5-从蹄；6-摩擦片；7_支承销；8_原有制动鼓
具体实施例方式图2为本发明提供的预应力碳纤维缠绕制动鼓，含有制动鼓本体1，预应力碳纤维缠绕层2，设置在制动鼓本体内的领蹄3、从蹄5、液压缸4和摩擦片6。本发明是将原有制动鼓8(图I)表面中间部位加工出一道环形槽，将碳纤维施加0 IOGPa的张应力，缠绕至制动鼓本体I表面加工的环形槽中。在整个缠绕过程中根据所缠的圈数的不同，对碳纤维施加的张力也不同。缠绕完毕并将碳纤维收头后，形成预应力碳纤维缠绕层2，得到如图2 所示的预应力碳纤维缠绕制动鼓。碳纤维可采用碳纤维束或碳纤维布。图3为制动鼓的的工作原理图。在汽车制动时，液压缸4以Fs力推动领蹄3和从蹄5向两侧运动，当固定于领蹄3和从蹄5上的摩擦片6接触制动鼓7后,制动器开始制动。 由于制动鼓8以Co的角速度旋转，固定于领蹄3上的摩擦片6表面受到制动鼓8的法向力 FNl和切向摩擦力FT1，固定于从蹄5上的摩擦片6受到制动鼓的法向力FN2和切向摩擦力 FT2，并同时受到支承销的反作用力FSI、FS2。图4所示为原有制动鼓8的工作受力图。在汽车制动时，原有制动鼓8在法向上只受到摩擦片6法相向外的压力，此时原有制动鼓8上的微元处于受拉状态。铸铁的抗拉性能要远低于其抗压性能，故原有制动鼓8在恶劣工况中往复加载后容易出现裂纹和龟裂。图5所示预应力碳纤维缠绕制动鼓的工作受力图。当在制动鼓本体I表面中间部位所设的一道环形槽中，以0 IOGPa的张应力缠绕的预应力碳纤维缠绕层2后，制动鼓本体I受到圆周法向向内的压力，此时制动鼓微元处于受压状态。在汽车制动时，制动鼓本体I在法向上受到摩擦片6法相向外的压力，但是因为预应力碳纤维缠绕层2的预应力作用， 制动鼓表面所受合力仍然为法向向内，此时制动鼓微元仍然处于受压状态，即稳定状态，降低了工作疲劳，有效避免了制动鼓开裂、龟裂、掉底等失效现象。
权利要求
1.一种预应力碳纤维缠绕制动鼓，含有制动鼓本体a)，设置在制动鼓本体内的领蹄(3)、从蹄(5)、液压缸(4)和摩擦片(6),其特征在于在制动鼓本体表面中间部位设有一道环形槽，以0 IOGPa的张应力在槽内缠绕碳纤维，形成预应力碳纤维缠绕层(2)。
2.按照权利要求I所述的预应力碳纤维缠绕制动鼓，其特征在于预应力碳纤维缠绕层采用碳纤维束或碳纤维布缠绕而成。
全文摘要
预应力碳纤维缠绕制动鼓，是将碳纤维施加一定的张力缠绕至制动鼓本体表面中间部位的一道环形槽中，通过改变制动鼓的受力状态，进而提高零件的抗疲劳性能、承载能力和安全性。对于重载汽车，当处于下长坡过程中，制动鼓将持续工作在高温、并受法向压应力和切向拉应力等恶劣的工作环境中，由于工作疲劳，极易产生开裂、龟裂、掉底等主要失效形式，对行车安全存在巨大安全隐患。而以往的通过改进制造工艺、添加合金元素等措施，提高制动鼓的强度和耐磨性能，以延长制动鼓的使用寿命并不能从根本上解决铸铁材料在抗拉强度方面的力学缺陷。利用预应力缠绕技术对铸铁制动鼓表面施加预紧力，使其受力状态处于压应力状态下，并以此提高制动鼓的工作性能。
文档编号F16D65/08GK102606650SQ20111023313
公开日2012年7月25日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者李志刚, 林峰, 胡金豹, 袁宵, 闫文涛 申请人:山东浩信机械有限公司, 清华大学