结构化制动盘的制作方法

本发明涉及一种制动盘，该制动盘用于布置在车辆中，以允许通过将第一制动衬垫和第二制动衬垫压到该制动盘上而引起第一制动衬垫表面和第二制动衬垫表面与对应的第一环形制动表面和第二环形制动表面之间的摩擦相互作用来减小车辆的速度。本发明还涉及用于与根据本发明的制动盘一起使用的制动衬垫、制动系统以及车辆。

本发明可应用在重型车辆中，例如卡车、大客车和建筑设备。尽管将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定车辆，而是也可用在其它车辆中，例如大客车和建筑设备。

背景技术

盘式制动器通常被用在各种车辆中，以提供有效而可靠的制动。

为了尝试改进盘式制动系统的制动性能，us3750788公开了一种具有锯齿状截面形状的制动盘，其形成具有相对低的高度的齿，以增加用于给定制动力的摩擦力，该给定制动力用于将制动衬垫压到制动盘上。

似乎存在对根据us3750788的制动盘和制动系统进行改进的空间，特别是关于制动期间产生的热量的管理。

技术实现要素：

本发明的目的是提供改进的制动，特别是关于制动期间产生的热量的管理。

根据本发明的第一方面，通过根据权利要求1所述的制动盘来实现该目的。

在根据本发明的实施例的制动盘中，所述环形制动表面中的至少一个环形制动表面的表面轮廓截面的突出距离在制动表面的中间部分中的每一处均随着距最小突出径向位置的径向距离的增加而增加。因此，在该中间部分中不存在具有恒定突出距离的环形区段。

本发明是基于以下认识：可以通过提供制动期间产生的热量的改改善的分布以及在制动事件之间从制动盘更有效的散热来改进盘式制动系统，并且这可以通过在制动期间提供发散的热通量并增大在制动期间的温度特别高的位置处(即，制动盘的制动表面处)的散热面积来实现。本发明人还令人惊奇地发现：在制动期间提供发散的热通量看来是主要因素，并且环形制动表面的中间部分中的大致凸形的表面轮廓会引起来自热循环的热应力显著降低。进而，这被期望用于引起制动盘寿命的真正显著的增加。

因此，本发明的实施例提供了制动期间的改善的热发散、以及在制动事件之间的温度最高处的改善的散热。另外，与在中间部分中是平坦的制动盘相比，制动盘和制动衬垫之间的在中间部分中的增加的接触面积为给定的制动力提供了较低的最高温度。

已经在具有平面制动表面的参考制动盘、具有较薄的平面中间部分的制动盘几何结构、以及根据本发明的实施例的具有大致凹形的中间部分且最小突出距离和最大突出距离之间的差值为3mm的制动盘上进行了对比模拟。模拟的结果(将在下文中进一步详细描述)令人惊惊奇表明：根据本发明的实施例的制动盘的寿命将比所述参考制动盘长约25％，而具有较薄的平面中间部分的所述制动盘几何结构的寿命将仅是所述参考制动盘的寿命的70％。

突出距离(从基准平面到制动表面的轴向距离)可有利地随着距旋转轴线的径向距离而连续变化，这降低了制动盘和/或制动衬垫上的过度磨损的风险，并且降低了对于制动衬垫相对于制动盘的表面结构的安装公差的要求。

根据实施例，所述突出距离可以在最小突出距离和最大突出距离之间变化，最小突出距离和最大突出距离之间的差值小于第一环形制动表面和第二环形制动表面之间的最小距离的20％。

根据实施例，最小突出距离和最大突出距离之间的差值可以小于5mm。越能使最小突出距离和最大突出距离之间的差值更大，制动衬垫和制动盘之间的界面表面的尺寸就增加得越多。这进而被期望用与提供改善的热量管理。然而，有些反直觉地，模拟表明，至少对于制动盘的给定的最大厚度，该距离增加超过约5mm就实际上导致热应力增加。

根据各种实施例，作为距旋转轴线的径向距离的函数的所述突出距离可以具有多个局部极值。例如，所述表面轮廓截面可以呈现随着距制动盘的旋转轴线的径向距离的大致正弦的变化。由此，能够更进一步增加制动盘的制动表面的表面面积，从而提供从制动盘的更有效的散热。

根据各种实施例，沿着所述表面轮廓截面的中间部分距离可以比沿着所述表面轮廓截面的近端部分距离及沿着所述表面轮廓截面的远端部分距离中的每一个都长。例如，上述中间部分距离可以比近端部分距离及远端部分距离长至少5％。能够以各种方式实现中间部分距离与近端部分距离及远端部分距离之间的差值。例如，突出距离变化的平均幅度可以在中间部分中比在近端部分中和远端部分中大，和/或突出距离变化的波长可以在中间部分中比在近端部分中和远端部分中短。

研究已经表明，由制动引起的温度在制动盘和制动衬垫之间的接触区域上是不同的，但该温度可以在中间部分中比在近端部分中和远端部分中高，特别是在恶劣的操作条件期间。已经发现，由这种温度梯度引起的膨胀-收缩循环增加了制动盘裂缝的风险，并且还会导致来自制动系统的噪声和振动的风险增加。

根据本发明的这些实施例，通过在中间部分中比在近端区域和远端区域中更多地增加表面面积，能够减小制动盘上的应力，从而，能够因此降低形成制动盘裂缝的风险。这又提供了配备有包括该制动盘的制动系统的车辆的、提高的利用率。

根据本发明的第二方面，通过根据权利要求7所述的制动衬垫来实现上述目的。

根据实施例，所述制动衬垫可以包括摩擦构件和位于该摩擦构件上的结构化涂层。该结构化涂层可以被施加到摩擦构件，以实现制动衬垫表面的表面轮廓截面，该制动衬垫表面的表面轮廓截面可以是根据本发明的实施例的制动盘的制动盘表面的所述表面轮廓截面的缩放的反向形式(inverse)。特别地，制动衬垫表面的表面轮廓截面可以被缩放以呈现比制动盘的表面轮廓截面小的幅度。在初始的磨合期之后，制动衬垫的表面轮廓截面和制动盘的表面轮廓截面可以完美地彼此配合。

根据一个示例，可以以所谓的“绿色涂层”的形式提供该结构化涂层。然而，应该注意，可以使用任何其它的合适材料或物质。还应注意，摩擦构件的表面轮廓可以不同于由该结构化涂层提供的表面轮廓。

根据本发明的实施例，提供了一种用于车辆的制动系统，该制动系统包括：根据本发明的第一方面的实施例的制动盘；根据本发明的第二方面的实施例的第一制动衬垫和第二制动衬垫；以及促动器，该促动器用于减小第一制动衬垫和第二制动衬垫之间的距离，以将制动盘压在第一制动衬垫和第二制动衬垫之间。

第一制动衬垫和第二制动衬垫中的每一个均可以由制动衬垫材料制成，该制动衬垫材料的耐磨性小于制动盘的制动盘材料。此外，第一制动表面和第二制动表面中的每一个可以不具有比制动盘材料硬的涂层。

此外，根据本发明的实施例的制动系统可以有利地被包括在车辆中，用于允许受控地降低车辆的速度。

总之，本发明因此涉及一种制动盘，该制动盘用于布置在车辆中，以围绕旋转轴线旋转。第一环形制动表面和第二环形制动表面在制动表面内径和制动表面外径之间径向延伸。第一制动表面和第二制动表面中的每一个均具有环形的近端部分、环形的远端部分以及环形的中间部分。第一制动表面和第二制动表面中的至少一个被构造为从垂直于旋转轴线的基准平面突出，以呈现具有包括所述旋转轴线的平面的表面轮廓截面。作为距旋转轴线的径向距离的函数的、从基准平面到表面轮廓截面的突出距离在中间部分中的最小突出径向位置处呈现最小突出距离，并且该突出距离在中间部分中的每一处均随着距最小突出径向位置的径向距离的增加而增加。

在以下描述和从属权利要求中，公开了本发明的进一步的优点和有利特征。

附图说明

参考附图，下面是作为示例给出的本发明的实施例的更详细描述。

在这些图中：

图1a是根据本发明的第一实施例的制动系统的局部剖视透视图；

图1b是图1a中的制动系统的截面视图；

图1c是根据本发明的第二实施例的制动系统的局部剖视透视图；

图2a至图2b示意性地示出了传统制动盘在制动期间的示例性温度分布和可能产生的故障模式；

图3a是具有平面制动表面的参考制动盘的局部截面视图。

图3b是具有制动盘几何结构的制动盘的局部截面视图，该制动盘几何结构具有较薄的平面中间部分；

图3c是根据本发明的实施例的制动盘的局部截面视图。

图4a是示意性地示出了对于图3a中的制动盘构造的沿着制动表面横截面的近端部分、中间部分和远端部分的距离的图；

图4b是示意性地示出了对于图3b中的制动盘构造的沿着制动表面横截面的近端部分、中间部分和远端部分的距离的图；

图4c是示意性地示出了对于图3c中的制动盘构造的沿着制动表面横截面的近端部分、中间部分和远端部分的距离的图；

图5a示出了对于图3a中的制动盘构造的、由对应于局部盘裂缝测试的五次热循环造成的模拟疲劳损伤；

图5b示出了对于图3b中的制动盘构造的、由对应于局部盘裂缝测试的五次热循环造成的模拟疲劳损伤；并且

图5c示出了对于图3c中的制动盘构造的、由对应于局部盘裂缝测试的五次热循环造成的模拟疲劳损伤。

具体实施方式

图1a是根据本发明的第一实施例的制动系统1的局部剖视透视图，该制动系统1包括制动盘10、第一制动衬垫20a和第二制动衬垫20b、以及制动促动器装置21。在根据本第一实施例的制动系统1中，制动盘10能够通过安装孔12(为了便于绘图，仅一个安装孔由附图标记标出)附接到车辆的可旋转构件，使得当车辆移动时，制动盘10围绕制动盘10的旋转轴线11旋转。

为了降低车辆的速度，可以控制制动促动器装置21以使第一制动衬垫20a和第二制动衬垫20b朝向彼此移动，以将制动盘10压在第一制动衬垫20a和第二制动衬垫20b之间。这导致第一制动衬垫表面25a和第二制动衬垫表面25b与制动盘10的相反两侧上的对应的第一环形制动表面15a和第二环形制动表面15b之间的摩擦相互作用。

如图1a中所示，第一环形制动表面15a和第二环形制动表面15b中的每一个均在制动表面内径ri和制动表面外径ro之间相对于旋转轴线11径向延伸。图1a中也示意性地表示出了第一制动表面15a，制动表面15a和15b中的每一个均具有环形的近端部分17、环形的远端部分18、以及在近端部分17和远端部分18之间的环形的中间部分19。如图1a中所示，近端部分17、远端部分18和中间部分19具有相同的宽度rp。

在图1a的制动系统中，至少在环形的中间部分19中，制动表面15a和15b的表面轮廓截面14a和14b(具有包括旋转轴线11的平面24)通常是凹形的，并且制动衬垫20a和20b的对应的制动表面25a和25b与制动表面15a和15b的形状相符。如下文将进一步更详细描述的，这至少在中间部分19中提供从制动表面15a和15b的发散的热通量。图1a中的制动盘的形状还提供制动盘10的增大的散热面积(在制动期间温度最高)，并且进一步有助于降低由于制动盘10的制动表面15a和15b与各个制动衬垫20a和20b的对应的制动表面25a和25b之间的接触面积增加而导致的最高温度。

现在将参考图1b中的截面视图更详细地描述制动盘10的制动表面15a和15b的构造。该截面视图是在包括旋转轴线11的平面24(见图1a)内。参照图1b，制动盘10的第一制动表面15a和第二制动表面15b中的每一个均被构造为从各自的基准平面16a和16b(垂直于旋转轴线11)突出而呈现具有包括旋转轴线11的平面24(见图1a)的表面轮廓截面14a和14b。在图1b中可以看出，第一制动表面15a和第二制动表面15b的表面轮廓截面14a和14b中的每一个均具有沿着各自的基准平面16a和16b的法线的各自的突出距离ha(r)和hb(r)。突出距离ha(r)、hb(r)中的每一个随着距旋转轴线11的径向距离r而以如下方式变化：中间部分19中的中间部分平均突出距离小于近端部分17中的近端平均突出距离和远端部分18中的远端平均突出距离。此外，作为距旋转轴线11的径向距离r的函数的突出距离ha(r)、hb(r)在中间部分19中的最小突出径向位置rmin处呈现最小突出距离ha，min、hb，min，并且突出距离ha(r)、hb(r)在中间部分19中的每一处均随着距最小突出径向位置rmin的径向距离的增加而增加。也就是说，至少所述中间部分的每一处都是弯曲的，从而不存在具有恒定突出距离ha(r)、hb(r)的部分。这意味着制动期间产生的热通量在中间部分19中的每一处发散。

也如图1b中所示，制动衬垫20a和20b中的每一个均包括摩擦构件22a和20b以及背板23a和23b，该背板23a和23b用于将制动衬垫20a和20b附接到制动促动器装置21。背板23a和23b中的每一个均具有：大致平面的安装侧26a和26b，所述安装侧26a和26b用于附接到制动促动器装置21；以及摩擦构件侧27a和27b，摩擦构件22a和22b被固定到所述摩擦构件侧27a和27b。为了提供制动衬垫20a和20b的延长的使用寿命，背板22a和22b的摩擦构件侧27a和27b被弯曲为基本遵循制动衬垫20a和20b的制动表面轮廓25a和25b。

为了举例说明无论制动盘的整体构造如何本发明的实施例都同样有用，图1c示意性地示出了根据本发明的制动系统1的第二实施例，该第二实施例与图1a和图1b中的制动系统的不同之处在于：制动盘10能够通过花键29而不是通过图1a和图1b中所示的安装孔12附接到车辆的旋转构件。

为了进一步举例说明根据本发明的制动系统的优点，下面将参照图2a和图2b简要说明“热局部化”的概念以及重要的相关故障模式。

图2a示出了具有平面制动表面的现有技术制动盘31的制动盘表面上的温度的模拟结果，该结果是由制动器的施加而产生的(asimrashid的副博士论文no.1603liu-tek-lic-2013：37，“simulationofthermalstressesinabrakedisc(制动盘中的热应力模拟)”)。如图2a中示意性地示出的，制动器的施加导致了在制动表面的中间部分中的热带32，在此处，温度高到超过600℃。在近端部分和远端部分中，温度远低于400℃。

如图2b中示意性地示出的，该制动系统的重复接合和脱离最终可能导致在制动盘31中形成径向裂缝34。通过用本发明的实施例来降低热带32中的最高温度，可以防止或至少显著延迟径向裂缝的形成，从而引起包括该制动系统的车辆的利用率的提高。

在下文中，将参照图3a至图3c以及图4a至图4c来描述相信有助于延长根据本发明的实施例的制动盘的寿命的机制，并且将参照图5a至图5c来描述所进行的模拟。

图3a是具有平面制动表面15a和15b的参考制动盘31的局部截面视图。对于图3a中的参考制动盘31，突出距离ha(r)、hb(r)在近端部分17、远端部分18和中间部分19中的每一个中明显是相同的。此外，中间部分19中的沿着所述表面轮廓截面的中间部分距离dcentral、近端部分17中的沿着所述表面轮廓截面的近端部分距离dproximal以及远端部分18中的沿着所述表面轮廓截面的远端部分距离ddistal也都相同。这也在图4a的图中被示意性地示出。如先前所提到的，已知制动可能在中间部分19中产生所谓的热带。对于图3a中的参考制动盘31，制动期间产生的热量主要在由图3a中的箭头42所示的热通量方向上传导。

图3b是具有制动盘几何结构的制动盘40的局部截面视图，该制动盘几何结构具有较薄的平面中间部分。图3b中的制动盘40类似于图1中所示的日本实用新型jph01-124433的制动盘。对于图3b中的制动盘40，突出距离ha(r)、hb(r)在中间部分19中比在近端部分17中和远端部分18中小。此外，最小突出距离ha，min、hb，min在中间部分19中。然而，在图3b中的制动盘40中，突出距离ha(r)、hb(r)在中间部分19中的每一处并不随着距最小突出径向位置rmin的径向距离的增加而增加。而是，该突出距离在整个中间部分19中是恒定的。此外，中间部分19中的沿着所述表面轮廓截面的中间部分距离比近端部分17中的沿着所述表面轮廓截面的近端部分距离dproximal及远端部分18中的沿着所述表面轮廓截面的远端部分距离ddistal中的每一个都短。这也在图4b的图中被示意性地示出。对于图3b中的制动盘40，制动期间产生的热量主要在由图3b中的箭头44所示的热通量方向上传导。

图3c是根据本发明的实施例的制动盘10的局部截面视图，该制动盘10具有制动盘几何结构，该制动盘几何结构至少在中间部分19中具有大致凹形形状。对于图3c中的本发明的制动盘10，突出距离ha(r)、hb(r)在中间部分19中比在近端部分17中和远端部分18中小。此外，最小突出距离ha，min、hb，min在中间部分19中，并且，在图3c中的制动盘10中，突出距离ha(r)、hb(r)在中间部分19中的每一处均随着距最小突出径向位置rmin的径向距离的增加而增加。此外，中间部分19中的沿着所述表面轮廓截面的中间部分距离比近端部分17中的沿着所述表面轮廓截面的近端部分距离dproximal及远端部分18中的沿着所述表面轮廓截面的远端部分距离ddistal中的每一个都长。这也在图4b的图中被示意性地示出。对于图3c中的制动盘10，制动期间产生的热量主要在由图3c中的箭头46所示的发散的热通量方向上传导。

从上文可以清楚地看出，根据本发明的此示例性实施例的制动盘10提供在制动期间至少在中间部分中产生的热量的发散通量。此外，中间部分19的表面面积相对于近端部分17和远端部分18中的表面面积扩大了，从而当(在制动事件之间)释放制动衬垫时提供向周围空气的改进的散热。

与图3a中的参考制动盘31及包括具有较薄的平面中间部分的制动盘几何结构的图3b中的制动盘40相比，图3c中的制动盘10的模拟热循环性能是引人注目的。

已进行多次模拟，以通过循环制动来模仿盘裂缝测试的一部分：

负载是相当于在2.8knm的扭矩下制动45秒的能量，然后冷却400秒。

上述负载被应用5次，在单热带和双同心热带之间交替。

已使用以下公式来计算所施加的热通量：

p＝tω＝2800nm·44.5rad/s＝125kw

q＝p/a

面积a在单热带和双同心热带之间略有不同，并且取决于制动盘的几何结构。

该模拟的结果由图5a至图5c说明，示出了对于图3a至图3c中的各个制动盘的模拟疲劳损伤的模拟应力分布。图5a示出了对于图3a中的参考制动盘31的模拟疲劳损伤，图5b示出了对于图3b中的制动盘40的模拟疲劳损伤，该制动盘40包括具有较薄的平面中间部分的制动盘几何结构，并且图5c示出了对于图3c中的本发明的制动盘10的模拟疲劳损伤。

图3c中的制动盘构造10呈现最少量的疲劳损伤：比图3a中的参考盘31小约20％，并且比图3b中的制动盘构造40小约45％。

在制动盘损坏到应该被更换之前可以进行的温度循环的次数与图5a至图5c中所示的最大疲劳损伤值成反比。这是制动盘寿命的量度，并且表明根据本发明的实施例的制动盘10的寿命将比参考制动盘31的寿命长约25％，而图3c中的具有较薄的平面中间部分的制动盘几何结构的寿命将仅为参考制动盘31的寿命的70％。

应该理解，本发明不限于在上文中描述和附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多组合、修改和变型。