[发明专利]包括多孔芯的机械摩擦设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括多孔芯的机械摩擦设备。本发明尤其(但不排他地)涉及包括夹在两个外部的摩擦层之间的多孔层的制动盘(brake disc)或离合器盘(clutch disc)。

背景技术

在车辆上制动系统是必不可少的。在众多制动系统中，盘式制动器已经被广泛地应用，以在制动盘与制动片(brake pad)之间的接触界面处将动能转化为热量。熟悉盘式制动器的操作的人会知道，在制动期间，机械负荷和热负荷两者同时施加到制动盘。因此，制动盘不仅需要能够承受由制动片施加在其上的压力，还需要能够处理由制动盘和制动片之间的摩擦力导致的热负荷。

在制动期间，连续的夹紧力由制动片施加在制动盘上。已经确定的是，对于中型货运汽车来说，比如梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)的Atego，大约120kN的夹紧力被施加在制动盘上，其接触面积为大约19.49×10^-3m²(0.2107m×0.0925m)，该面积覆盖大约制动盘总面积的六分之一。基于上述参数，大约6MPa的平均压应力被直接施加在制动片下方的制动盘材料上。

还已经确定的是，由于制动盘与制动片之间的摩擦发热，强加在中型货运汽车(比如梅赛德斯奔驰的Atego)的制动盘上的热通量大约是0.2MW/m²。这个数值是基于以恒定速度80km/h、恒定坡度3.5％下降的车辆。

大量研究显示，温度有多高以及这些温度在制动盘上的分布有多不均匀会导致制动失效以及制动盘和制动片两者的磨损增大。引发的热应力场可能导致制动盘的低周疲劳、破裂、甚至灾难性故障。如果整体温度过高，卡钳缸(calliper cylinder)中的制动流体会沸腾，这可能导致‘流体失效(fluid fade)’以及制动力减小的潜在危险。

为了解决这些制动失效的问题，制动盘必须能够处理高水平的热通量。当前正在使用的处理高热通量的一个方法是借助制动盘中包括的热交换元件来去除热量。公知的技术方案是将制动盘设计为包括槽或孔，当制动盘旋转时，在这些槽和孔中引发强制的对流空气流。另一个已知的技术方案是包括热交换元件，比如制动盘本体中的气流通道中的径向叶片、弯曲叶片以及钉状翅片(pin-fin)。这类盘式制动器通常在行业中是指通气或通风盘式制动器。

当制动盘旋转时，冷却流被吸入通风通道。一类通风制动盘包括多个环状间隔通道，其中每一个都沿径向延伸。另一类通风制动盘包括定位在两个外部的摩擦盘之间的单个环形通道，在使用中，该外部摩擦盘接合制动片。多个热交换元件位于环形通道中并且在两个外部摩擦盘之间延伸。

对围绕仅在其通风通道中装备有径向叶片的通风制动盘的速度场(velocity field)的研究已经显示出，在进入通风通道之前，冷却流以反向旋转方向相对于制动盘轴线旋动。由于科里奥利力(Coriolis force)，入射流对叶片通道的角度变大，导致流动与叶片的前边缘分离。因此，大的流动循环区域形成在每个叶片的吸入侧，这减小了通风通道中的冷却流的量。为了增加通风通道中的冷却流，已经想出了一些改进的叶片设计，比如抑制流动分离的弯曲叶片。结果，据报道，冷却流的质量流率以及相应的冷却性能被进一步改进。然而，由径向分布的叶片引起的高度不均匀的热传递还导致在接近叶片的制动盘中的高的温度梯度。因此，热应力使这样的制动盘易于沿着这些叶片产生与热疲劳有关的破裂，这限制了它们在重型载重车辆中的应用。在尝试减少制动盘内的大温度梯度中，开发出了带有钉状翅片的制动盘，其径向和周向地分布在通风通道中。

虽然已经证明，带有叶片和钉状翅片的制动盘的热传递性能得到了整体提高，但是制动盘的设计限制使得很难同时优化其设计的每个方面。令人期望的是，同时优化制动盘的重量和刚度，以及它们的冷却能力。这导致了设计需求的冲突。

通风盘通道中热交换元件的设计灵活性通常考虑到这样的事实被限制：元件必须具有足够的结构完整性以承受制动片与制动盘之间的高的夹紧力或压力。由于这个原因，在轻型和重型载重车辆中使用的通风制动盘具有多于由垂直于制动盘突出的固体热交换元件所占据的通风盘通道体积的30％。热交换元件这种布置的一个问题在于，不存在沿着制动盘的周向传播的热量，这引起了周向热应力。

在热量方面，通风制动盘首先需要确保在制动盘和制动片上的低温度，其次是确保沿径向和周向的低温度梯度。而且，由于在强制对流中从通风通道和热交换元件去除热量的冷却流是通过制动盘的离心运动而吸入的，所以通常期望横越热交换器元件的低压降。