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CN112128274B - 多相流体介质复合冷却制动器 - Google Patents

多相流体介质复合冷却制动器 Download PDF

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CN112128274B CN202010310449.3A CN202010310449A CN112128274B CN 112128274 B CN112128274 B CN 112128274B CN 202010310449 A CN202010310449 A CN 202010310449A CN 112128274 B CN112128274 B CN 112128274B
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Abstract

本发明涉及一种多相流体介质冷却制动器，其中，包括：制动器外壳、内毂、摩擦副和冷却液供给系统；制动器内毂与制动器外壳处于同轴位置；制动器内毂能够沿内毂旋转方向转动，在离心作用下，制动器内毂的径向流通孔内形成径向气流；摩擦副、制动器内毂和制动器外壳处于同轴位置，摩擦副包括第一静盘、第一动盘、第二静盘、第二动盘和第三静盘；第一动盘以及第二动盘由旋转的内毂带动旋转，第一静盘、第二静盘以及第三静盘在制动器外壳的限制下轴向移动，第一动盘、第二动盘与内毂之间依靠齿的啮合来传动，各相邻的静盘和动盘之间存在间隙，当执行制动动作时，第一动盘、第二动盘、内毂和轴在摩擦片之间滑动摩擦力的作用下实现减速制动。

Description

多相流体介质复合冷却制动器
技术领域
本发明属于车辆制动技术领域，涉及一种具备多相流体介质复合冷却功能的干式制动器。
背景技术
大型履带车辆在制动过程中，整车的运动动能通过摩擦材料与制动器间的摩擦转化为其他形式的能量，其中，约90％转化为热能，表现为制动器温度的升高。随着车辆机动性要求的不断提升，制动器最高温度可达到700℃以上。此时，摩擦材料的表面膜、机体表层发生复杂的物理和化学变化，从而导致摩擦系数发生明显变化。摩擦材料的摩擦系数在较低的温度区间随着温度的升高而增加；但在温度持续升高时，摩擦材料发生热衰退，摩擦系数随着温度的升高而降低。一旦出现这种情况，就可能导致制动失败，甚至引发重大事故。因此，如何快速降低制动器摩擦片的温度，是保证制动器性能、消除安全隐患的关键。
干式制动器结构是由摩擦盘、对偶盘、外壳、底座、隔热板和弹子加压结构等主要部件组成。其中，加压结构由旋转盘、弹子和移动盘组成。制动器制动时，旋转盘通过拉臂施加力矩实现转动，弹子沿槽滚动，由深槽滚向浅槽，推动移动盘沿着轴向移动，使对偶盘和摩擦盘之间接合，从而实现摩擦制动。松开旋转盘拉臂时，旋转盘反方向转动，在弹簧的作用下弹子由浅槽向深槽滚动，移动盘复位，对偶盘和摩擦盘之间分离，从而解除制动。
从对制动器制动过程分析可知，在制动时，对偶盘和摩擦盘紧密接触，由于工程车存在的惯性力矩，此时摩擦盘和对偶盘之间产生滑摩作用，从而使摩擦区域大量生热，参与制动的零部件，温度极速上升。未直接参与制动的制动器零部件，则通过热传导和对流换热的方式获得热量，继而温度升高。
从整体制动器的角度来讲，制动器的生热的重点部位是对偶盘和摩擦盘，在保证摩擦生热区域完整性的基础上，其余制动器的结构可以进行适当简化，例如对于加压结构，由于其与生热部位存在隔热板，其对温度场分布规律影响较小，鉴于其结构的复杂性，进行适当简化。
从对制动器制动过程分析可知，在制动时，对偶盘和摩擦盘亲密接触，由于工程车存在的惯性力矩，此时摩擦盘和对偶盘之间产生滑摩作用，从而使摩擦区域大量生热，参与制动的零部件，温度极速上升。未直接参与制动的制动器零部件，则通过热传导和对流换热的方式获得热量，继而温度升高。从整体制动器的角度来讲，制动器的生热的重点部位是对偶盘和摩擦盘，在保证摩擦生热区域完整性的基础上，其余制动器的结构可以进行适当简化，例如对于加压结构，由于其与生热部位存在隔热板，其对温度场分布规律影响较小，鉴于其结构的复杂性，进行适当简化。
由于制动过程中产生大量的热，使得摩擦片温度快速升高。但是，现有制动器的摩擦片之间的空间相对封闭，无法产生有效的对流散热，使得散热效率很低。多次制动过程中，热量会不断积累，产生很高的温度。另外，一旦温度接近摩擦片材料的工作极限时，需要将温度迅速降低，以避免制动失效而发生事故。
发明内容
本发明涉及一种多相流体介质冷却制动器，用于解决制动过程中产生大量的热，使得摩擦片温度快速升高的问题。
本发明一种多相流体介质冷却制动器，其中，包括：制动器外壳、内毂、摩擦副和冷却液供给系统；制动器内毂与制动器外壳处于同轴位置；制动器内毂能够沿内毂旋转方向转动，在离心作用下，制动器内毂的径向流通孔内形成径向气流；摩擦副、制动器内毂和制动器外壳处于同轴位置，摩擦副包括第一静盘、第一动盘、第二静盘、第二动盘和第三静盘；第一动盘以及第二动盘由旋转的内毂带动旋转，第一静盘、第二静盘以及第三静盘在制动器外壳的限制下轴向移动，第一动盘、第二动盘与内毂之间依靠齿的啮合来传动，各相邻的静盘和动盘之间存在间隙，当执行制动动作时，第一动盘、第二动盘、内毂和轴在摩擦片之间滑动摩擦力的作用下实现减速制动。
根据本发明的多相流体介质冷却制动器的一实施例，其中，制动器外壳由制动器左侧外壳、制动器周向外壳和制动器右侧外壳组成；制动器左侧外壳以及制动器周向外壳之间存在间隙，制动器周向外壳和制动器右侧外壳之间采用紧密螺栓实现紧密连接。
根据本发明的多相流体介质冷却制动器的一实施例，其中，制动器内毂还包括内毂空气进口以及内毂空气出口。
根据本发明的多相流体介质冷却制动器的一实施例，其中，冷却液供给系统包括冷却流进口、冷却液分配环、冷却管路支撑部件、冷却液支路以及冷却液喷嘴，对冷却液供给系统供入冷却液时，将在内毂空气进口处形成内毂进口气液混合流，并经过制动器内毂的径向流通孔，在内毂空气出口处形成内毂出口气液混合流。
根据本发明的多相流体介质冷却制动器的一实施例，其中，制动器内毂的径向流通孔产生的径向流动速度，在进出口产生压力差，使空气被吸入内毂空气进口，经内毂径向流通孔，由内毂空气出口流出内毂，进入各静盘与动盘之间的间隙中，在各个摩擦片的表面形成较高速度的相对运动。
根据本发明的多相流体介质冷却制动器的一实施例，其中，制动器外壳包括制动器周向外壳和制动器右侧外壳，当执行制动动作时，制动器周向外壳和制动器右侧外壳在向左侧外壳靠近。
根据本发明的多相流体介质冷却制动器的一实施例，其中，冷却液能够由冷却流进口供入，进入冷却液分配环，经由冷却液支路，通过冷却液喷嘴喷出，在内毂空气出口附近位置形成冷却液雾17，并与空气混合，从而形成内毂进口气液混合流，所形成的冷却液雾在上述离心效应所产生的气流和液滴在碰壁后本身所受到的离心效应的双重作用下，从内毂空气出口甩出内毂，与空气共同形成高速运动的内毂出口气液混合流，进入各静盘与动盘之间的间隙中。
根据本发明的多相流体介质冷却制动器的一实施例，其中，从内毂空气出口流出的空气和冷却液与摩擦片表面对流换热，冷却液与摩擦片表面形成换热强度更高的相变换热。
根据本发明的多相流体介质冷却制动器的一实施例，其中，当执行制动动作时，第一静盘、第二静盘以及第三静盘上的摩擦片放分别与第一动盘以及第二动盘上的摩擦片发生接触。
本发明中，在内毂设计了沿径向的空气流道，并设置了冷却液供给系统。在离心效应的作用下，形成高强度的多相流体介质的复合换热。在正常工作状态下，快速散去制动过程中产生的热量，使温度积累不到于过快；在摩擦片接近其正常工作的温度极限的时候，保证摩擦片的温度能够快速回到安全工作范围。
附图说明
图1为制动器总体结构的局部剖视图。
图2为制动器外壳的局部剖视图。
图3为冷却液供给系统。
图4为内毂局部剖视图。
图5为内毂与冷却液供给系统工作原理示意图。
图6为摩擦副局部剖视图。
图7为摩擦副爆炸视图。
其中：
1-多相流体介质冷却制动器；2-制动器外壳；3-冷却液供给系统； 4-内毂；5-摩擦副；6-制动器左侧外壳(第一静盘支撑件)；7-制动器周向外壳；8-制动器右侧外壳(第三静盘支撑件)；9-冷却流进口；10- 冷却液分配环；11-冷却管路支撑部件；12-冷却液支路；13-冷却液喷嘴；14-内毂径向流通孔；15-内毂空气进口；16-内毂空气出口；17- 冷却液雾；18-内毂进口气液混合流；19-内毂出口气液混合流；20- 内毂旋转方向；21-第一静盘；22-第一动盘；23-第二静盘；24-第二动盘；25-第三静盘；26-摩擦片。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1-图7所示，本发明涉及一种多相流体介质冷却制动器1主要包括外壳2、内毂4、摩擦副5和冷却液供给系统3。制动器外壳2由制动器左侧外壳6、制动器周向外壳7和制动器右侧外壳8组成。制动器左侧外壳6、制动器周向外壳7之间非紧密连接，存在间隙。制动器周向外壳7和制动器右侧外壳8之间采用紧密螺栓实现紧密连接，由制动机构(图中未示出)带动做出制动动作。制动器内毂4与制动器外壳2 处于同轴位置，并直接与轴(图中未示出)连接，制动器内毂4包括内毂径向流通孔14、内毂空气进口15、内毂空气出口16。制动器内毂4以一定的转速沿内毂旋转方向20转动，在离心作用下，可在内毂径向流通孔14内形成径向气流。
摩擦副5(见摩擦副爆炸视图7)与制动器内毂4和制动器外壳2 处于同轴位置，其包括第一静盘21、第一动盘22、第二静盘23、第二动盘24和第三静盘25。其中第一动盘22、第二动盘24由旋转的内毂4 带动旋转，第一静盘21、第二静盘23、第三静盘25在外壳2的限制下，只能轴向移动，而不能转动。第一动盘22和第二动盘24与内毂之间依靠齿的啮合来传动。所有的静盘和动盘均有多片摩擦片26。各相邻的静盘和动盘之间存在间隙，当执行制动动作时，制动器周向外壳7和制动器右侧外壳8在向左侧外壳6靠近，使得第一静盘21、第二静盘23、第三静盘25上的摩擦片与第一动盘22、第二动盘24上的摩擦片发生接触，并使第一动盘22、第二动盘24、内毂4和轴在摩擦片26之间滑动摩擦力的作用下实现减速制动。冷却液供给系统3由冷却流进口9、冷却液分配环10、冷却管路支撑部件11、冷却液支路12、冷却液喷嘴13 组成。对冷却液供给系统3供入冷却液时，将在内毂空气进口15处形成内毂进口气液混合流18，并经过内毂径向流通孔14，在内毂空气出口16处形成内毂出口气液混合流19。
在制动器摩擦片的温度不是很高的情况下，当内毂处于高速旋转的状态下，会产生较强的离心效应，内毂径向流通孔14会产生可观的径向流动速度，并在进出口产生压力差，从而使空气被吸入内毂空气进口15，经内毂径向流通孔14，由内毂空气出口16流出内毂，进入各静盘与动盘之间的间隙中，在各个摩擦片26的表面形成较高速度的相对运动，产生较强的对流换热，使制动过程中产生的热量尽快散去，以使摩擦片的温度不至于过高。
在极端情况下，摩擦片的温度很可能会高于其能够正常工作的温度。一旦摩擦片接近其正常工作的温度极限，则连通冷却液供给系统 3。此时，冷却液由冷却流进口9供入，然后进入冷却液分配环10，经由冷却液支路12，最后通过冷却液喷嘴13喷出，在内毂空气出口16 附近位置形成冷却液雾17，并与空气混合，从而形成内毂进口气液混合流18。所形成的冷却液雾17在上述离心效应所产生的气流和液滴在碰壁后本身所受到的离心效应的双重作用下，从内毂空气出口16甩出内毂，与空气共同形成高速运动的内毂出口气液混合流19，进入各静盘与动盘之间的间隙中。从内毂空气出口16流出的空气和冷却液均会与摩擦片26表面发生强烈的对流换热，而且冷却液与摩擦片26表面形成换热强度更高的相变换热。另外，空气与液雾的液滴之间与会发生气液介面换热，使空气温度降低，提高换热功率。在这样的多相流体介质的复合换热作用下，保证摩擦片的温度快速回到安全工作范围。
本发明(1)在内毂的结构中设计了径向流通孔，在离心效应的作用下，空气经内毂进入动盘和静盘之间的缝隙中，形成较强的气固界面对流换热。(2)设计了冷却液供给系统，形成冷却液雾，经内毂空气进口进入内毂，并在离心效应和空气的带动下，被甩入进入动盘和静盘之间的缝隙中，形成固液界面对流换热。(3)冷却液雾与摩擦片表面形成相变换热。(4)空气与冷却液雾之间发生的气液介面的对流换热。(5)在低制动载荷下，不供入冷却液，仅靠空气与摩擦片表面的对流换热来降低摩擦片的温度；在温度接近摩擦片的正常工作极限温度时，供入冷却液，形成包含如上所述多种换热方式的多相流体介质复合冷却机制。在摩擦片接近其正常工作的温度极限的时候，保证摩擦片的温度能够快速回到安全工作范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多相流体介质冷却制动器，其特征在于，包括：制动器外壳、内毂、摩擦副和冷却液供给系统；制动器内毂与制动器外壳处于同轴位置；制动器内毂能够沿内毂旋转方向转动，在离心作用下，制动器内毂的径向流通孔内形成径向气流；
摩擦副、制动器内毂和制动器外壳处于同轴位置，摩擦副包括第一静盘、第一动盘、第二静盘、第二动盘和第三静盘；第一动盘以及第二动盘由旋转的内毂带动旋转，第一静盘、第二静盘以及第三静盘在制动器外壳的限制下轴向移动，第一动盘、第二动盘与内毂之间依靠齿的啮合来传动，各相邻的静盘和动盘之间存在间隙，当执行制动动作时，第一动盘、第二动盘、内毂和轴在摩擦片之间滑动摩擦力的作用下实现减速制动；
制动器内毂还包括内毂空气进口以及内毂空气出口；
冷却液能够由冷却流进口供入，进入冷却液分配环，经由冷却液支路，通过冷却液喷嘴喷出，在内毂空气出口附近位置形成冷却液雾，并与空气混合，从而形成内毂进口气液混合流，所形成的冷却液雾在上述离心效应所产生的气流和液滴在碰壁后本身所受到的离心效应的双重作用下，从内毂空气出口甩出内毂，与空气共同形成高速运动的内毂出口气液混合流，进入各静盘与动盘之间的间隙中。
2.如权利要求1所述的多相流体介质冷却制动器，其特征在于，制动器外壳由制动器左侧外壳、制动器周向外壳和制动器右侧外壳组成；制动器左侧外壳以及制动器周向外壳之间存在间隙，制动器周向外壳和制动器右侧外壳之间采用紧密螺栓实现紧密连接。
3.如权利要求1所述的多相流体介质冷却制动器，其特征在于，冷却液供给系统包括冷却流进口、冷却液分配环、冷却管路支撑部件、冷却液支路以及冷却液喷嘴，对冷却液供给系统供入冷却液时，将在内毂空气进口处形成内毂进口气液混合流，并经过制动器内毂的径向流通孔，在内毂空气出口处形成内毂出口气液混合流。
4.如权利要求1所述的多相流体介质冷却制动器，其特征在于，制动器内毂的径向流通孔产生的径向流动速度，在进出口产生压力差，使空气被吸入内毂空气进口，经内毂径向流通孔，由内毂空气出口流出内毂，进入各静盘与动盘之间的间隙中，在各个摩擦片的表面形成较高速度的相对运动。
5.如权利要求1所述的多相流体介质冷却制动器，其特征在于，制动器外壳包括制动器周向外壳和制动器右侧外壳，当执行制动动作时，制动器周向外壳和制动器右侧外壳在向左侧外壳靠近。
6.如权利要求5 所述的多相流体介质冷却制动器，其特征在于，从内毂空气出口流出的空气和冷却液与摩擦片表面对流换热，冷却液与摩擦片表面形成换热强度更高的相变换热。
7.如权利要求1所述的多相流体介质冷却制动器，其特征在于，当执行制动动作时，第一静盘、第二静盘以及第三静盘上的摩擦片放分别与第一动盘以及第二动盘上的摩擦片发生接触。
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