[发明专利]热管传热式盘式制动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种可对制动盘可进行快速传热和强迫冷却的热管传热式盘式制动器。

背景技术

随着负载及其运行速度的不断增大，高速重载下制动副所吸收的能量也大大增加。为了保障设备运行的安全性和可靠性，必须首先解决高速重载时制动副的热衰退现象及热损伤等问题。大量的理论及实验研究表明：摩擦热对摩擦副的摩擦学行为有着非常重要的影响。

制动过程是一个复杂的随机过程。干式制动摩擦系统由摩擦衬片、摩擦对偶件及摩擦界面第三体(界面膜、磨粒等)组成。制动过程中，摩擦材料与金属配偶所产生的摩擦力可以使接触表面变形、粘着点撕裂，使硬质点或是磨屑产生犁削效应，其摩擦学性能和磨损机理与制动过程的各个参数、材料性质、表面形貌以及环境因素等有关。大量研究表明：对于干摩擦及边界摩擦，在一定压力条件下，摩擦系数和磨损率与最大表面温度之间有着明确的函数关系。

材料的摩擦磨损过程是在摩擦副表面微凸体间接触面积上进行的，所以材料的磨损又受到接触区应力状态、温度和相对移动速度所制约，而速度对磨损过程的影响主要是通过摩擦温度而很少通过接触的流变性起作用，压力和负荷的变化、摩擦区域中的热效应、名义接触面的形貌等这些因素的影响则综合体现在摩擦区域的温度场上。对于有机基衬片/金属摩擦副而言，摩擦热引起衬片中的有机物组分间发生热降解等一系列化学反应和物理作用，其反应速率随温度呈指数增加。制动热导致制动片表面材料磨损的不均匀，使得制动片中间区域的材料磨损较为严重，并且导致材料表面的成分和摩擦学性能发生变化。在摩擦接触界面形成转移膜，出现“制动热衰退”现象和“氢脆”现象，促进磨粒的形成，加剧材料的磨损。

研究表明，由冷焊产生的粘着——撕裂磨损能使表面瞬间温度达到760℃。一旦对偶件表面的小块面积开始承担不适当的载荷且其温度比周围表面高时，它将膨胀并伸出“平均水平面”，形成“热点”，使情况变得更糟。表面压应力的变化使得热点周围的区域发生塑性变形，也可能发生冶金变化。当热流输入下降很快或是制动很快结束时，这一区域的材料很快地被冷却，可能发生由珠光体到马氏体的相变(在一定的条件下，可生成摩擦奥氏体、摩擦马氏体)，由于马氏体占用的体积比母材金属大，使得这一相变区域更为突出，因此在这一区域及其周围有可能形成初始裂纹。此外，在热点处所形成马氏体硬度大，可导致表面刮削现象加剧。

热点的形成与局部热膨胀、界面压力峰值及磨损有关。这在半金属衬片/金属制动副中表现得更为突出。局部热点的形成导致制动压力不均匀分布的进一步发展，反过来又造成局部温度的进一步升高，表面温度梯度变化加剧，这又导致压力不均匀分布的加剧，这一现象称为摩擦导致的热弹性不稳定(TEI)。从一次制动到另一次制动，该现象并不会消失。由于接触压力与物体的热变形有关，而摩擦热的产生又取决于接触压力的大小，因此属于应力场与温度场耦合问题。在热应力的作用下很容易造成材料的热衰退和破坏，制动器出现摩擦振动与噪声的可能性加大。高温和热破坏的现象在公路、铁路、航空制动器的实际应用中以及在实验室条件下广泛存在。

由此看来，摩擦热不仅使复合摩擦材料发生热降解、粘结剂的气化，导致摩擦系数发生变化，制动性能降低，出现热衰退现象；也使金属配偶发生局部材料的相变与热变形，出现局部热点，进而使制动器出现热弹性不稳定现象，加速了制动器的磨损及疲劳破坏。

摩擦热量绝大部分是由机械切削作用和接触区域的塑性变形而形成的。由于金属制动盘的硬度要比摩擦材料的大得多，因此机械切削和塑性变形大都发生在摩擦材料的表层，而不是在制动盘的表面。故可认为，摩擦产生的热量发生在摩擦材料表面，并通过接触表面传递到制动盘。

盘式制动器工作时的热量产生于制动盘和制动片表面的摩擦，这部分热量一部分通过各种途径散发出去，剩余部分在制动盘和制动片内部积累，使其含热量增加，从而使温度升高。从传热学角度来说，有三种基本的热传递方式，既热传导、热对流和热辐射。这三种传热方式在制动器的散热过程中同时存在。

盘式制动器中传导散热主要集中在制动盘与制动摩擦片之间。因为摩擦副接触面为生热表面，其温度高于其它表面的温度，摩擦热量通过传导方式沿制动盘向其径向和轴向进行传导。制动盘的材料为铸铁或炭钢，具有良好的导热性，而制动片为树脂材料或粉末冶金材料，其导热性能较差，摩擦热基本不向制动片内部传热，而集中在摩擦表面附近，从而导致制动片在紧急制动过程中表面温度非常高。