高速列车全碳陶轴装制动盘组件的制作方法

本实用新型属于高速列车制动技术，具体涉及一种高速列车全碳陶轴装制动盘组件。

背景技术：

制动器是高速列车的关键部件，关系到高速列车运行安全，因其工作环境复杂恶劣，维修更换不便，所以要求制动器产品必须具有制动可靠、维护方便及较长的使用寿命。

高速列车制动器，一般包括以下两种：轴装制动器、盘形制动器。其中轴装制动器较为常见，就是通过液压驱动的摩擦片对固定在车轴上的制动盘进行挤压摩擦，进而通过摩擦使车轴制动，目前高速列车使用的轴装制动盘一般采用钢铁材料，虽然其具有技术成熟度高、成本低、适用速度范围广的特点，已在国内外得到了广泛的应用，但在仍存在密度大、制动效率低、整盘维修和更换不便、高速下(速度达到甚至高于350Km/h)易产生摩擦面裂纹、散热性差等问题。

针对钢铁材质的制动盘存在密度大、制动效率低、整盘维修和更换不便、高速下易产生摩擦面裂纹的问题，人们提出了用碳陶复合材料部分或整体替代钢盘。基于碳陶复合材料的脆性大，加工性能差等问题，整体采用金属制动盘的现有结构，尤其是轴装制动盘，制动盘内部的散热筋难以成型和加工。

目前，大多数碳陶复合材料采用的是多片或整片碳陶摩擦块与钢背冷铆接而成(中国专利CN 103511525 A一种用于高速列车的碳陶制动闸片及其制备)，由于碳陶与钢合金的热膨胀系数差异性大，导致反复摩擦冷却后，铆接处由于膨胀系数匹配性的差异导致失效，甚至在运行过程中发生松动或者脱落现象，危及到刹车系统的稳定运行。

因此，如何设计一款全碳陶结构的制动盘，实现制动盘内部散热筋及制动盘动平衡去重的成型和加工，同时保证制动盘结构强度仍然是一个亟待解决的难题。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是：针对碳陶复合材料的材料特性导致其在高速列车制动器上的应用难题，提供一种新型的高速列车全碳陶轴装制动盘组件。

本实用新型采用如下技术方案实现：

高速列车全碳陶轴装制动盘组件，包括盘毂2以及套装在盘毂2上并同轴叠装的多片制动盘1；所述制动盘1为碳陶复合材料，制动盘1之间以及制动盘1和盘毂2之间通过连接结构锁合连接成一体；

所述制动盘1叠合接触的侧面上沿径向设置有凸出的散热加强筋11，叠装后的制动盘之间的散热加强筋11一一对应接触，在所述散热加强筋11的两侧形成径向散热通道12，所述散热加强筋11上设有连通两侧径向散热通道的连通槽13；

所述制动盘1上沿轴向设置有贯通制动盘两个盘面的轴向散热孔15。

进一步的，所述散热加强筋11为两部分凸出于制动盘侧面的分体结构，其中靠近中心的一部分沿制动盘的轴孔外圆周分布，另一部分沿制动盘的盘体内圆周分布；

两部分散热加强筋11之间一一对应，相邻散热加强筋11之间的凹陷空间形成连通制动盘外部的径向散热通道12，同一散热加强筋11之间的凹陷空间形成连通槽13。

进一步的，所述散热加强筋11的两侧面为对称的曲面，所述径向散热通道12形成变径通道。

进一步的，所述散热加强筋11的数量为3-60条，并且沿制动盘1的盘面圆心为中心均匀分布。

进一步的，所述连通槽13位于同一圆周上，所有连通槽13之间连通形成圆形或多边形的平面散热通道14。

进一步的，所述制动盘1上沿圆周方向均匀分布若干动平衡孔16。

优选的，所述动平衡孔16为圆形孔或U形孔或腰形孔，在制动盘上布置6-100个。

进一步的，所述轴向散热孔15为圆形孔或U形孔或腰形孔，在制动盘上布置6-100个，并且沿盘面圆心为中心对称分布。

进一步的，所述连接结构包括用于制动盘1之间叠装周向定位的铆钉7以及用于制动盘1和盘毂2之间锁定的螺栓组件；

所述铆钉7同时固定插装在叠装的制动盘之间的铆钉孔17内，所述铆钉7上套装钢套71。

所述螺栓组件包括轴向定位垫圈3、传扭销4、螺栓5和螺母6，所述螺栓5插装穿过制动盘1和盘毂2上的螺栓孔，通过螺母6紧固连接，轴向定位垫圈3分别垫设在制动盘和盘毂的外侧与螺母6和螺栓5的螺帽之间；所述传扭销4装配在轴向定位垫圈3和盘毂2之间。

在本实用新型的高速列车全碳陶轴装制动盘组件中，所述制动盘1由沿径向分割的若干分体式制动盘1’拼接而成，叠装的分体式制动盘1’之间以及分体式制动盘1’和盘毂之间均设有独立的连接结构。

进一步的，所述制动盘1采用密度为1.8-2.4g/cm³的碳陶复合材料。

本实用新型具有如下有益效果：

(1)制动盘整体采用碳陶复合材料加工，重量比传统的金属制动盘减少50％以上，并且更加耐高温，制动效果好。同时，针对碳陶复合材料的加工工艺性，将制动盘设计为分体式结构，由至少两件制动盘叠装组成，对每件制动盘的叠装一侧盘面进行铣削加工，避免了整体加工散热通道、加强筋带来的工艺难点，再通过铆钉等连接方式将制动盘连接成一体，即形成散热筋等结构特征，从而解决碳陶制动盘散热、结构强度等问题。最后将连成一体的制动盘用螺栓等连接方式与盘毂连成一体。还可将单个的制动盘采用分体式制动盘拼接的方式进行拼装，如制动盘其中某个区域出现损坏，可以只对该区域所在的分体式制动盘进行更换维护，进一步提高了制动盘拆装维护的方便性，并且降低了使用成本。

(2)散热加强筋的两侧面加工成对称的曲面，这样径向散热通道形成一个变径通道，根据气流在变截面通道内的流速变化，加快了空气流动带走更多热量，提高了散热效率。

(3)散热加强筋采用分体断开结构，散热加强筋上形成连通两侧径向散热通道的连通槽，连通槽之间连通形成多边形的平面散热通道，其连通形成的平面散热通道可形成多个多边形的平面散热路线，该平面散热路线将所有的径向散热通道全部连通起来，在制动盘的内部平面内形成一个平面散热通道系统，结合轴向散热孔，形成穿插整个制动盘的立体散热系统。

(4)由于碳陶制动盘的密度只有金属制动盘的约1/3且硬度较高，若采用传统的加工去肉的方法去实现动平衡会导致碳陶制动盘去除的体积过多影响结构的完整性，而且会加大加工强度。本实用新型在制动盘上设计沿圆周方向均匀分布动平衡孔，可以在动平衡孔内嵌装密度较高的金属块，从而巧妙地解决了碳陶制动盘由于不平衡需要后续加工去肉的问题。

综上所述，本实用新型的轴装制动盘组件结构简单，连接可靠，耐高温，维护方便，制动效果好，重量轻，降低了高速列车运行、制动的能源消耗，大大节约了高速列车公司运营成本。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的高速列车全碳陶轴装制动盘组件的装配剖视图。

图2为实施例中的高速列车全碳陶轴装制动盘组件的立体示意图。

图3为实施例中的制动盘主视图。

图4铆钉连接结构局部视图。

图5螺栓连接结构剖视图。

图6为实施例中的分体式制动盘示意图。

图中标号：1-制动盘，1’-分体式制动盘，11-散热加强筋，12-径向散热通道，13-连通槽，14-平面散热通道，15-轴向散热孔，16-动平衡孔，17-铆钉孔，2-盘毂，3-轴向定位垫圈，4-传扭销，5-螺栓，6-螺母，7-铆钉,71-钢套，72-垫圈，8-套圈。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，图示中的高速列车全碳陶轴装制动盘组件为本实用新型的优选方案，具体包括制动盘1、盘毂2、轴向定位垫圈3、传扭销4、螺栓5、螺母6和铆钉7。其中制动盘1为碳陶复合材料加工成的圆环，两片环形制动盘1同轴叠装并固定套装在盘毂2上，通过盘毂2与车轴固定连接，制动盘1之间通过铆钉7连接在一起并周向定位，制动盘1的内圈部分与盘毂2之间通过轴向定位垫圈3、传扭销4、螺栓5和螺母6组成的若干组螺栓组件锁定连接。本实施例旨在具体说明制动盘的散热结构以及与盘毂之间的连接方式，因此省略了对制动盘1进行挤压摩擦的摩擦闸片和液压系统，其中摩擦闸片可采用与制动盘相同的碳陶复合材料，液压系统与现有的轴装制动器相同，本实施例在此不做赘述。

结合图3所示，制动盘1的外侧盘面用于与摩擦闸片接触，加工成平整表面，内侧盘面用于制动盘1之间叠装接触，在该侧盘面上加工有散热加强筋11，用于形成散热通道。具体的，散热加强筋11沿制动盘1的盘面径向设置，根据制动盘的尺寸大小设置3-60条散热加强筋11，并且分别沿制动盘1的盘面圆心为中心均匀分布。两个制动盘1上的散热加强筋11数量和位置均一一对应，这样，在将两个制动盘1叠装后，制动盘之间的散热加强筋11一一对应接触，同时在散热加强筋11的两侧形成径向散热通道12，这样，制动盘1在与摩擦闸片摩擦过程中产生的热量可以通过该径向散热通道12内部的流通空气向外散发。

为了加强径向散热通道12内部的空气流通效率，散热加强筋11的两侧面加工成对称的曲面，这样径向散热通道12形成一个变径通道，根据气流在变截面通道内的流速变化，加快了空气流动带走更多热量，提高了散热效率。

为了进一步提高空气在制动盘1内部的流通，本实施例的制动盘1上沿轴向设置有贯通制动盘两个盘面的轴向散热孔15，轴向散热孔15可以为圆形孔或U形孔或腰形孔，根据制动盘的尺寸大小在制动盘盘面上布置6-100个，并且沿盘面圆心为中心对称分布。这些轴向散热孔15提供了制动盘的轴向散热通道的同时，还连通了径向散热通道12的内部和制动盘外部，提供了更多的空气进出制动盘内部的气流进出口，加速了气流在制动盘内部的进出流动，进而加速了制动盘的散热效果。

同时，本实施例还在散热加强筋11上设有连通两侧径向散热通道的连通槽13，连通槽13之间连通形成多边形的平面散热通道14，并且在每条散热加强筋11上根据制动盘尺寸大小可设置1-10个连通槽13，连通槽13为矩形槽或U形槽或腰形槽。根据连通槽13的数量和宽度，其连通形成的平面散热通道14可形成多个多边形的平面散热路线，该平面散热路线将所有的径向散热通道12全部连通起来，在制动盘的内部平面内形成一个平面散热通道系统，结合轴向散热孔15，形成穿插整个制动盘的立体散热系统。

连通槽13的设置可在制动盘1的连续凸出筋体上加工凹槽，也可将是散热加强筋11设计成两部分凸出于制动盘侧面的分体结构。在同一散热加强筋11中，靠近制动盘中心的一部分沿制动盘的轴孔外圆周分布，另一部分沿制动盘的盘体内圆周分布，两部分散热加强筋11之间一一对应，相邻散热加强筋11之间的凹陷空间形成连通制动盘外部的径向散热通道12，同一散热加强筋11之间的凹陷空间形成连通槽13。分体结构的散热加强筋可以将连通槽13以及径向散热通道12在制动盘一体成型的过程中一次成型。

同时，本实施例还在散热加强筋11上沿圆周方向均匀布置动平衡孔16，通过向动平衡孔16内部可嵌装动平衡块，用以调整制动盘动平衡时增加重量。所述动平衡孔(16)为圆形孔或U形孔或腰形孔，根据制动盘的尺寸大小布置6-100个

本实施例的全碳陶是指制动盘整体全部采用密度为1.8-2.4g/cm³的碳陶复合材料，针对碳陶复合材料难以直接在内部去除材料加工的特点，直接采用两个叠装的制动盘形成整体，这样可以单独在每个制动盘的一侧盘面上进行散热加强筋11以及连通槽13等结构的铣削加工，这样提高了生产效率和生产成本。

再次参见图1，在此制动盘1之间以及制动盘1和盘毂2之间通过铆钉7和螺栓组件组合的连接结构进行锁定连接。具体的，在制动盘1的盘面同一圆周上还贯穿加工有铆钉孔17，为了保证铆钉的装配可靠性，铆钉孔17全部加工在散热加强筋的11的实体部分，并且每个制动盘上的铆钉孔位置一一对应。在将两个图4中所示的制动盘1叠装的过程中，将铆钉孔对齐，然后通过铆钉7固定插装在制动盘之间同轴对齐的铆钉孔17内，将两块制动盘1之间初步连接成一体并且形成了制动盘之间的防转周向定位。

然后将装好铆钉的叠装制动盘整体套装在盘毂2上，将制动盘1内圈的螺栓孔和盘毂2上的螺栓孔一一对齐，将螺栓5插装穿过制动盘1和盘毂2上的螺栓孔以及分别垫设在制动盘1和盘毂2外侧的轴向定位垫圈3，然后通过螺母6紧固连接，将制动盘1、盘毂2和轴向定位垫圈3之间压紧锁定。然后再在轴向定位垫圈3和盘毂2之间装配传扭销4，以提高盘毂和制动盘之间的扭矩传递能力，分担部分螺栓承担的扭矩，以提高螺栓的连接可靠性。

结合图4和图5，为了降低制动时因铆钉7发热膨胀而使制动盘1受到较大的不均匀热应力，在制动盘1与铆钉7径向方向之间安装有钢套71，钢套71套装在铆钉7上，将制动盘1和铆钉7之间隔开。同时为了降低铆钉铆接时对制动盘1受到较大的不均匀静压力，在制动盘1与铆钉7轴向方向之间安装有垫圈72。另外，为了降低制动时因螺栓5发热膨胀而使制动盘1受到较大的不均匀热应力，同时为了降低螺栓5受力矩载荷出现偏心而使制动盘1受到较大的不均匀静压力，在制动盘1与螺栓5的螺杆径向方向之间安装有套圈8。

本实施例在实际应用中，可采用两块如图6中所示的整体圆环结构的制动盘1进行叠装装配。为了进一步提高制动盘的拆装方便性，还可采用图5中所示的分体式制动盘1’拼接成整体的环状制动盘后，再进行制动盘与盘毂之间的叠装装配，这种分体式的制动盘结构在制动盘某个区域出现损坏后，可以对损坏区域的分体式制动盘进行单独更换。分体式制动盘1’沿圆环制动盘的径向分割，可以是图5中所示的半圆形结构，也可是两块以上的扇形圆弧环状结构，拼接成整体圆环后的分体式制动盘1’的散热结构和连接结构与整体结构的制动盘1相同，并且在叠装的每块分体式制动盘1’上以及每块分体式制动盘1’与盘毂2之间均设有独立的连接结构，这样才能够保证对每块分体式制动盘1’进行单独拆装。

以上实施例描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的具体工作原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。