[发明专利]预应力碳纤维缠绕制动鼓

说明书

技术领域

本发明涉及到一种预应力缠绕制动鼓，可用于汽车制动系统。

背景技术

鼓式制动器因其结构紧凑、性能可靠、制动功率大，成本低等特点，是大中型客车、货车最常见的制动装置。但在车辆长时间重载、下长坡过程中，连续制动，产生大量热能，鼓式制动器因散热不畅，导致制动鼓持续高温。此工况下，制动鼓内壁承受法向压应力和切向拉应力联合作用，易导致开裂、龟裂、掉底等机械疲劳失效。由此严重影响行车安全。为解决制动鼓疲劳寿命问题，将预应力设计原理应用于制动鼓上，改变其受力状态，进而提高其抗疲劳失效能力与使用的安全性。

预应力结构是一种先进的机械结构形式。在结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力，使其特定部位产生预应力与工作应力异号，以抵消大部分或全部工作应力，从而大大提高结构的承载性能。由于上述特性，预应力结构拥有疲劳强度好，承载能力高，无爆炸危险等很多优点。

碳纤维是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型纤维状碳材料。碳纤维可单独使用发挥某些功能，然而它属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固地结合在一起时，才能利用其优异的力学性能，使之更好地承载负荷。因此，碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。

普通的制动鼓材料为铸铁，铸铁的抗拉性能要远小于其抗拉性能。在工作过程中，制动鼓受到法向压应力和切向拉应力的共同作用，并且因为鼓式制动器增式蹄的自增力作用，制动鼓局部会受到更大的法向压力和切向拉力。现有的方法是在熔炼过程中采用改进制造工艺、添加合金元素等措施，提高制动鼓的强度和耐磨性能，以延长制动鼓的使用寿命。但是并不能从根本上解决铸铁材料在抗拉强度方面的力学缺陷。

发明内容

本发明专利提出一种预应力碳纤维缠绕制动鼓的结构，对现有的制动鼓进行预应力保护，提高制动鼓的抗疲劳失效性能和使用安全性。

本发明的技术方案是：

一种预应力碳纤维缠绕制动鼓，含有制动鼓本体，设置在制动鼓本体内的领蹄、从蹄、液压缸和摩擦片，其特征在于：在制动鼓本体表面中间部位设有一道环形槽，以0～10GPa的张应力在槽内缠绕预应力碳纤维，形成预应力碳纤维缠绕层。

本发明所述的碳纤维采用碳纤维束或碳纤维布。

本发明利用铸铁抗压性能远高于其抗拉性能这一特点，把预应力结构巧妙的引入制动鼓加工工艺中。将碳纤维束缠绕至制动鼓表层某一特定区域，并使整个制动鼓处于压应力状态。汽车制动时，制动鼓铸铁材料会仍然处于压应力状态或轻微的拉应力状态，这样就能有效避免发生最多的开裂、龟裂失效问题。

碳纤维预应力缠绕制动鼓具有以下优点及突出性效果：

(①疲劳强度高。制动鼓本体由于载荷波动量小而疲劳强度得到提高。对制动鼓施加上预应力，与制动带内的拉应力异号，改善其受力状态，提高其承载能力，而且预紧的压应力可以有效地阻止裂纹的产生与扩展，提高其疲劳寿命。

②承载能力大。预应力结构的强度安全系数远低于一般非预应力结构，在同样承载能力的前提下，可大大减轻制动鼓本体的重量。

③安全可靠。预应力缠绕层是多层结构，即使有些层发生疲劳破坏，也不会传递到其他层，而且只要最外的几层缠绕层完好，由于层间的摩擦作用，整个缠绕结构就能保持完好，并保持预紧效果。使得性能更加可靠，寿命进一步增加。另外，由于缠绕层的保护，杜绝了爆炸、碎片崩裂的危险，安全性能很好。

附图说明

图1为原有的制动鼓。

图2为本发明提供的预应力碳纤维缠绕制动鼓。

图3为制动鼓内部结构。

图4为原有制动鼓在制动时的法向受力。

图5为预应力碳纤维缠绕制动鼓在制动时的法向受力。

图中：1-制动鼓本体；2-预应力碳纤维缠绕层；3-领蹄；4-液压缸；5-从蹄；6-摩擦片；7-支承销；8-原有制动鼓

具体实施方式

图2为本发明提供的预应力碳纤维缠绕制动鼓，含有制动鼓本体1，预应力碳纤维缠绕层2，设置在制动鼓本体内的领蹄3、从蹄5、液压缸4和摩擦片6。本发明是将原有制动鼓8(图1)表面中间部位加工出一道环形槽，将碳纤维施加0～10GPa的张应力，缠绕至制动鼓本体1表面加工的环形槽中。在整个缠绕过程中根据所缠的圈数的不同，对碳纤维施加的张力也不同。缠绕完毕并将碳纤维收头后，形成预应力碳纤维缠绕层2，得到如图2所示的预应力碳纤维缠绕制动鼓。碳纤维可采用碳纤维束或碳纤维布。