Устройство ступицы колеса и тормозного диска для тяжелых транспортных средств - RU2197396C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству ступицы колеса и тормозного диска для колеса транспортного средства, содержащего втулку колеса, установленную с возможностью вращения на части вала, которая имеет часть с наружным профилем поперечного сечения, формируемым чередующимися зубьями и выемками с наклонными сторонами, и тормозной диск, установленный на указанной части, который имеет концентрическое отверстие, имеющее соответствующие зубья и выемки, которые так приспособлены к зубьям и выемкам ступицы, что тормозной диск заблокирован от вращения на ступице, и между диском и ступицей существует скользящая посадка.

Тормозные диски для дисковых тормозов тяжелых транспортных средств раньше фиксировались на ступицах, в основном, при помощи плотного привинчивания к кольцевому фланцу на ступице, что вызывает проблемы, поскольку жесткое соединение между диском и ступицей при очень больших тормозных моментах, которые могут достигать пределов 2000 кпм у наиболее тяжелого класса грузовых транспортных средств, может вызвать деформации диска из-за сильного нагрева вследствие высоких тормозных сил, которые здесь возникают.

Предпочтительной альтернативой жесткому соединению диска и ступицы, таким образом, как указано во введении, является соединение диска со ступицей при помощи блокирующих конфигураций. С такой конструкцией повышается возможность избежать деформаций вследствие нагрева от торможения, и одновременно существует возможность контроля передачи тепла от тормозного диска к ступице, зависящей от конфигурации ступицы и фактической конструкции зубьев и выемок, которые приспособлены друг к другу.

Устройство колеса и тормозного диска упомянутого типа, которое значительно уменьшает указанные выше эффекты, ранее предлагалось для использования в грузовых транспортных средствах самого тяжелого класса. Так, SE 9200202-1 (469655) настоящего изобретателя показывает и описывает устройство типа, данного в преамбуле, в котором множество выемок и зубьев может достигать тридцати. Отверстия для понижения напряжений с направленными радиально внутрь прорезями обеспечивают выравнивание направленных по касательной напряжений в диске, который охлаждается при помощи сформированных в нем вентиляционных отверстий. Кольцевой канал сформирован в ступице радиально внутрь зубьев для удлинения канала передачи тепла в материале ступицы.

С этим известным устройством достигается не только то преимущество, что при нагреве диск может расширяться радиально без скручивания или коробления, но также значительное преимущество, заключающееся в том, что радиальные разрывающие силы, воздействующие на диск, также как и деформации скручивания и изгиба, возникающие в профилях, могут удерживаться на допустимом уровне, и одновременно устраняется риск быстрого заклинивания, даже при очень больших тормозных силах, которые могут возникать в случаях с транспортными средствами наиболее тяжелого класса. Одновременно существует возможность ограничить передачу тепла подшипникам при помощи кольцевого канала и вентиляционных каналов, сформированных в тормозном диске.

Поскольку в соответствии с известным устройством для достижения должного эффекта в тормозном диске, в его части, простирающейся в радиальном направлении от центрального отверстия на некоторое расстояние по поверхности трения, формируются выемки для понижения напряжений, прорези и отверстия вентиляционных каналов, тормозные колодки будут накладываться на эти выемки, что означает повышенный износ колодок и накопление тормозной пыли и грязи в выемках, что потребует регулярной очистки и в крайнем случае может вызвать аварию.

Целью настоящего изобретения, таким образом, является получение устройства с улучшенной конфигурацией соединения между ступицей и тормозным диском, которое оптимально с точки зрения разрывающих сил и деформаций скручивания и изгиба профилей поперечного сечения, при этом напряжения, вызванные распределением температур в диске, могут быть снижены до приемлемого уровня, и передача тепла в ступицу может быть ограничена более простым и надежным способом, чем раньше, и которое требует меньшего обслуживания, чем известные устройства.

Это достигается в соответствии с изобретением применением устройства ступицы и тормозного диска указанного типа, в котором длина дуги вершины зуба каждого зуба тормозного диска меньше, чем длина дуги впадины, по меньшей мере, каждой второй выемки, которая находится между двумя противостоящими сторонами соседних зубьев, при помощи того, что, по меньшей мере, одна из сторон каждого зуба у основания зуба переходит в первый радиус R_a и того, что первый радиус, в свою очередь, переходит во второй радиус R_b, который является общим для двух противостоящих сторон и формирует основание канавки. Другие преимущественные усовершенствования и улучшения, соответствующие изобретению, следуют из других пунктов.

Благодаря отказу от отверстий для понижения напряжений в примыкающей к ступице части диска и выполнению вместо этого большого концентрического отверстия в диске, которое имеет зубья и выемки с соотношением между длиной дуги вершины зуба и длины дуги впадины, которое меньше единицы, и где направленные по касательной напряжения, вызванные распределением температур, сводятся к минимуму благодаря большому радиусу R_b, который, по существу, простирается между двумя сторонами выемки между двумя соседними зубьями, и производимые механические напряжения сводятся к минимуму благодаря малому радиусу R_a, который соединяет большой радиус со сторонами на соответствующей стороне зуба, обращенной к выемке, достигается меньшая разность тепловых градиентов, также как и улучшенная способность переносить направленные по касательной и радиальные напряжения, по сравнению с достигаемой при помощи отверстий для понижения напряжений и связанных с ними прорезей.

Поскольку передача тепла между диском и ступицей прямо пропорциональна суммарной площади поверхности сторон, входящих в контакт друг с другом в выемках и на зубьях, и, таким образом, зависит от количества выемок и зубьев, можно контролировать передачу тепла ступице путем изменения числа выемок и зубьев.

Изобретение описано более подробно ниже со ссылками на сопутствующие схематические чертежи, изображающие примеры воплощения изобретения.

Фиг.1 изображает вид радиальной внутренней части тормозного диска.

Фиг. 2 изображает часть ступицы и часть диска, соответствующего фиг.1 в увеличенном масштабе.

Фиг.3 изображает вариацию радиальной внутренней части тормозного диска.

Фиг. 4 изображает часть ступицы и часть диска, соответствующего фиг.3, в увеличенном масштабе.

Ссылочный номер 10 относится к центральному валу, проходящему через ступицу 11 колеса, которая обычным способом удерживается подшипниками, например, на передней или задней оси (не показана) грузовика, причем указанная ось имеет также не показанный узел, содержащий тормозное устройство или приводной механизм. Ступица 11 несет тормозной диск 12, который известным способом прикреплен к ступице 11 при помощи блокирующих конфигураций. Для этого ступица 11 имеет радиальную наружную часть с чередующимися зубьями 14 и выемками 16, которые имеют наклонные стороны. Радиальная внутренняя, примыкающая к ступице часть 17 тормозного диска 12 имеет соответствующие выемки 18 и зубья 20, которые плотно прилегают к зубьям 14 и выемкам 16 ступицы.

Как можно видеть на фиг.2, глубина выемок 16, 18 несколько больше высоты зубьев 14, 20. Как на ступице, так и на тормозном диске выемки имеют закругленное дно 22 и 24 соответственно, тогда как зубья имеют вершинную поверхность 26 и 28 соответственно, сформированную радиально относительно центральной оси 10, соединяющуюся с плоскими наклонными сторонами 30 на соответствующих зубьях. Благодаря такому устройству, известным способом обеспечивается поверхностный контакт по всей площади поверхности сторон зубьев. Диск 12 и ступица 11 в этом случае имеют такие размеры, что в ненагруженном состоянии существует зазор величиной 0,2-0,3 мм между взаимодействующими поверхностями сторон 30 диска и ступицы. В показанном варианте воплощения изобретения как ступица, так и диск имеют двадцать зубьев и выемок.

В вариантах воплощения изобретения, показанных на чертежах, расходный анод 32 из цинка или другого пригодного материала помещен на дно выемки 18, 36 в тормозном диске для предотвращения быстрого приржавления диска к ступице 11. Если требуется, такой расходный анод может помещаться в несколько или во все выемки в тормозном диске. В некоторых вариантах применения, как будет описано позже, следует несколько увеличить количество выемок и зубьев, но их число не должно превышать 24. С учетом вариаций этих указанных чисел и в зависимости от размеров диска глубина выемок имеет значение в пределах 7,5-9% от радиуса отверстия 20 в диске.

В варианте воплощения изобретения, показанном на фиг. 1 и 2, выемки 18 в тормозном диске 12 имеют длину дуги основания Ss1 и зубья 20 имеют длину дуги вершины Bs1. Зубья равномерно распределены по окружности, и соотношение Bs1/Ss1a имеют закругление со вторым радиусом R_b. При помощи закругления с радиусом R_a сводятся к минимуму механические деформаци и, такие как деформации скручивания и изгиба. R_ba и предпочтительные значения для этих двух радиусов для оптимального уменьшения как тепловых, так и механических деформаций согласно этому варианту воплощения изобретения составляет R_a=5 и R_b=24. В зависимости от размеров диска R_a и R_b могут варьироваться в пределах 3-8 мм и 15-30 мм соответственно.

В сравнении с ранее известными техническими решениями с тридцатью зубьями и выемками передача тепла ступице была сведена к минимуму за счет меньшего количества зубьев и выемок. Путем варьирования числа зубьев и выемок можно оптимизировать передачу тепла от тормозного диска 12 ступице 11 так, чтобы подшипники колеса не были повреждены, и одновременно достигается достаточное охлаждение для избежания перегрева при нагреве диска. Следовательно, если диск не получает достаточного охлаждения, следует увеличить количество выемок и зубьев с двадцати, заявленных относительно варианта воплощения изобретения, до двадцати двух, или, с другой стороны, если возникает риск повреждения подшипников, следует понизить количество выемок и зубьев.

Второй вариант воплощения изобретения, который показан на фиг.3 и 4, имеет много сходного с ранее описанным вариантом и, в основном, имеет те же функции. Таким образом, далее мы лишь коснемся того, что является отличительным для данного варианта воплощения изобретения. Таким образом, радиальная внутренняя часть 17 ступицы тормозного диска 12 сформирована подобным образом с чередующимися зубьями 34, промежуточными выемками 36 и выемками 38, причем указанные выемки 36 и 38 имеют наклонные стороны. Однако зубья 34 расположены группами по два, и каждая группа отделена от соседней группы промежуточной выемкой 36. В каждой группе зубья отделены выемками 38. Промежуточная выемка 36 имеет конфигурацию, подобную описанной со ссылками на фиг. 1 и 2, то есть с плоскими сторонами, и соединена с ними изгибами с первым радиусом R_a, каждый из которых переходит в изгиб с общим вторым радиусом R_b.

Ступица во втором варианте воплощения изобретения также имеет чередующиеся зубья 40 и выемки 42, приспособленные к тормозному диску, которые имеют наклонные стороны и имеют такие размеры, что каждый четвертый зуб 40 соответствует каждой выемке 38. Средний зуб из трех зубьев 40, которые расположены между каждым четвертым зубом, располагается без контакта в середине каждой промежуточной выемки 36, тогда как остальные два входят в контакт с одной стороной промежуточной выемки. Каждая промежуточная выемка 36 имеет загругленное дно 44, и зубья ступицы и диска имеют вершинную поверхность 46 и 48 соответственно, сформированную радиально относительно центральной оси 10, и соединяются подобно ранее описанному варианту с наклонными плоскими сторонами 50 соответствующих зубьев. Таким образом, достигается соответствующее взаимодействие между взаимно контактирующими поверхностями сторон 50 и 51 диска и ступицы соответственно, как было ранее описано относительно поверхностей сторон 30.

В варианте воплощения изобретения, показанном на фиг.3 и 4, промежуточные выемки 36 в тормозном диске 12 имеют длину дуги основания Sls2, и зубья 34 имеют длину дуги вершины Bs2. Зубья расположены попарно группами, равномерно распределенными по окружности, и группы взаимно отделены длиной дуги основания S2s2, и соотношение Bs2/Sls2

Хотя в этом последнем варианте воплощения изобретения количество зубьев и выемок удвоено, лишь каждый второй зуб 40 на ступице входит в контакт с поверхностями сторон 50 соответствующего зуба 34 на диске. Поскольку передача тепла имеет место только на поверхностях сторон, суммарная площадь контакта не превышает, а равна этой площади первого варианта воплощения изобретения.

Стороны зубьев и выемок могут также быть закругленными поверхностями 30, 50, 51, например, с конфигурацией эвольвенты, и закругленные поверхности вершин зубьев могут быть плоскими, хотя это не было специально описано.

Как можно видеть на чертежах, диск 12 в обоих вариантах воплощения изобретения полностью симметричен и известным способом закреплен на ступице 11 при помощи известных канавок (не показаны) для использования с запорными кольцами или пружинящей шайбой.

Реферат

На тормозном диске длина дуги вершины для каждого зуба меньше, чем длина дуги основания для каждой выемки, ограниченной двумя противостоящими наклонными сторонами соседних зубьев. Наклонные стороны каждого зуба на стороне основания зуба переходят в первый радиус, и каждый первый радиус переходит во второй радиус, который формирует дно выемки и является общим для двух противостоящих сторон. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула