專利名稱：預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種預(yù)應(yīng)力纏繞制動(dòng)鼓，可用于汽車制動(dòng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
鼓式制動(dòng)器因其結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、制動(dòng)功率大，成本低等特點(diǎn)，是大中型客車、 貨車最常見的制動(dòng)裝置。但在車輛長(zhǎng)時(shí)間重載、下長(zhǎng)坡過程中，連續(xù)制動(dòng)，產(chǎn)生大量熱能，鼓式制動(dòng)器因散熱不暢，導(dǎo)致制動(dòng)鼓持續(xù)高溫。此工況下，制動(dòng)鼓內(nèi)壁承受法向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力聯(lián)合作用，易導(dǎo)致開裂、龜裂、掉底等機(jī)械疲勞失效。由此嚴(yán)重影響行車安全。為解決制動(dòng)鼓疲勞壽命問題，將預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)原理應(yīng)用于制動(dòng)鼓上，改變其受力狀態(tài)，進(jìn)而提高其抗疲勞失效能力與使用的安全性。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是一種先進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)構(gòu)承受外荷載之前，預(yù)先對(duì)其在外荷載作用下的受拉區(qū)施加壓應(yīng)力，使其特定部位產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力與工作應(yīng)力異號(hào)，以抵消大部分或全部工作應(yīng)力，從而大大提高結(jié)構(gòu)的承載性能。由于上述特性，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)擁有疲勞強(qiáng)度好，承載能力高，無爆炸危險(xiǎn)等很多優(yōu)點(diǎn)。碳纖維是一種強(qiáng)度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕性強(qiáng)、比耐熱鋼耐高溫、 又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型纖維狀碳材料。碳纖維可單獨(dú)使用發(fā)揮某些功能，然而它屬于脆性材料，只有將它與基體材料牢固地結(jié)合在一起時(shí)， 才能利用其優(yōu)異的力學(xué)性能，使之更好地承載負(fù)荷。因此，碳纖維主要還是在復(fù)合材料中作增強(qiáng)材料。普通的制動(dòng)鼓材料為鑄鐵，鑄鐵的抗拉性能要遠(yuǎn)小于其抗拉性能。在工作過程中， 制動(dòng)鼓受到法向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力的共同作用，并且因?yàn)楣氖街苿?dòng)器增式蹄的自增力作用，制動(dòng)鼓局部會(huì)受到更大的法向壓力和切向拉力?，F(xiàn)有的方法是在熔煉過程中采用改進(jìn)制造工藝、添加合金元素等措施，提高制動(dòng)鼓的強(qiáng)度和耐磨性能，以延長(zhǎng)制動(dòng)鼓的使用壽命。但是并不能從根本上解決鑄鐵材料在抗拉強(qiáng)度方面的力學(xué)缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利提出一種預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓的結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有的制動(dòng)鼓進(jìn)行預(yù)應(yīng)力保護(hù)，提高制動(dòng)鼓的抗疲勞失效性能和使用安全性。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓，含有制動(dòng)鼓本體，設(shè)置在制動(dòng)鼓本體內(nèi)的領(lǐng)蹄、 從蹄、液壓缸和摩擦片，其特征在于在制動(dòng)鼓本體表面中間部位設(shè)有一道環(huán)形槽，以0 IOGPa的張應(yīng)力在槽內(nèi)纏繞預(yù)應(yīng)力碳纖維，形成預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞層。本發(fā)明所述的碳纖維采用碳纖維束或碳纖維布。本發(fā)明利用鑄鐵抗壓性能遠(yuǎn)高于其抗拉性能這一特點(diǎn)，把預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)巧妙的引入制動(dòng)鼓加工工藝中。將碳纖維束纏繞至制動(dòng)鼓表層某一特定區(qū)域，并使整個(gè)制動(dòng)鼓處于壓應(yīng)力狀態(tài)。汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鼓鑄鐵材料會(huì)仍然處于壓應(yīng)力狀態(tài)或輕微的拉應(yīng)力狀態(tài)，這樣
3就能有效避免發(fā)生最多的開裂、龜裂失效問題。碳纖維預(yù)應(yīng)力纏繞制動(dòng)鼓具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果(①疲勞強(qiáng)度高。制動(dòng)鼓本體由于載荷波動(dòng)量小而疲勞強(qiáng)度得到提高。對(duì)制動(dòng)鼓施加上預(yù)應(yīng)力，與制動(dòng)帶內(nèi)的拉應(yīng)力異號(hào)，改善其受力狀態(tài)，提高其承載能力，而且預(yù)緊的壓應(yīng)力可以有效地阻止裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，提高其疲勞壽命。②承載能力大。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)遠(yuǎn)低于一般非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在同樣承載能力的前提下，可大大減輕制動(dòng)鼓本體的重量。③安全可靠。預(yù)應(yīng)力纏繞層是多層結(jié)構(gòu)，即使有些層發(fā)生疲勞破壞，也不會(huì)傳遞到其他層，而且只要最外的幾層纏繞層完好，由于層間的摩擦作用，整個(gè)纏繞結(jié)構(gòu)就能保持完好，并保持預(yù)緊效果。使得性能更加可靠，壽命進(jìn)一步增加。另外，由于纏繞層的保護(hù)，杜絕了爆炸、碎片崩裂的危險(xiǎn)，安全性能很好。


圖I為原有的制動(dòng)鼓。圖2為本發(fā)明提供的預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓。圖3為制動(dòng)鼓內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖4為原有制動(dòng)鼓在制動(dòng)時(shí)的法向受力。圖5為預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓在制動(dòng)時(shí)的法向受力。圖中1_制動(dòng)鼓本體；2_預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞層；3-領(lǐng)蹄；4_液壓缸；5-從蹄；6-摩擦片；7_支承銷；8_原有制動(dòng)鼓
具體實(shí)施例方式圖2為本發(fā)明提供的預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓，含有制動(dòng)鼓本體1，預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞層2，設(shè)置在制動(dòng)鼓本體內(nèi)的領(lǐng)蹄3、從蹄5、液壓缸4和摩擦片6。本發(fā)明是將原有制動(dòng)鼓8(圖I)表面中間部位加工出一道環(huán)形槽，將碳纖維施加0 IOGPa的張應(yīng)力，纏繞至制動(dòng)鼓本體I表面加工的環(huán)形槽中。在整個(gè)纏繞過程中根據(jù)所纏的圈數(shù)的不同，對(duì)碳纖維施加的張力也不同。纏繞完畢并將碳纖維收頭后，形成預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞層2，得到如圖2 所示的預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓。碳纖維可采用碳纖維束或碳纖維布。圖3為制動(dòng)鼓的的工作原理圖。在汽車制動(dòng)時(shí)，液壓缸4以Fs力推動(dòng)領(lǐng)蹄3和從蹄5向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)固定于領(lǐng)蹄3和從蹄5上的摩擦片6接觸制動(dòng)鼓7后,制動(dòng)器開始制動(dòng)。 由于制動(dòng)鼓8以Co的角速度旋轉(zhuǎn)，固定于領(lǐng)蹄3上的摩擦片6表面受到制動(dòng)鼓8的法向力 FNl和切向摩擦力FT1，固定于從蹄5上的摩擦片6受到制動(dòng)鼓的法向力FN2和切向摩擦力 FT2，并同時(shí)受到支承銷的反作用力FSI、FS2。圖4所示為原有制動(dòng)鼓8的工作受力圖。在汽車制動(dòng)時(shí)，原有制動(dòng)鼓8在法向上只受到摩擦片6法相向外的壓力，此時(shí)原有制動(dòng)鼓8上的微元處于受拉狀態(tài)。鑄鐵的抗拉性能要遠(yuǎn)低于其抗壓性能，故原有制動(dòng)鼓8在惡劣工況中往復(fù)加載后容易出現(xiàn)裂紋和龜裂。圖5所示預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓的工作受力圖。當(dāng)在制動(dòng)鼓本體I表面中間部位所設(shè)的一道環(huán)形槽中，以0 IOGPa的張應(yīng)力纏繞的預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞層2后，制動(dòng)鼓本體I受到圓周法向向內(nèi)的壓力，此時(shí)制動(dòng)鼓微元處于受壓狀態(tài)。在汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鼓本體I在法向上受到摩擦片6法相向外的壓力，但是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞層2的預(yù)應(yīng)力作用， 制動(dòng)鼓表面所受合力仍然為法向向內(nèi)，此時(shí)制動(dòng)鼓微元仍然處于受壓狀態(tài)，即穩(wěn)定狀態(tài)，降低了工作疲勞，有效避免了制動(dòng)鼓開裂、龜裂、掉底等失效現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓，含有制動(dòng)鼓本體a)，設(shè)置在制動(dòng)鼓本體內(nèi)的領(lǐng)蹄(3)、從蹄(5)、液壓缸(4)和摩擦片(6),其特征在于在制動(dòng)鼓本體表面中間部位設(shè)有一道環(huán)形槽，以0 IOGPa的張應(yīng)力在槽內(nèi)纏繞碳纖維，形成預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞層(2)。
2.按照權(quán)利要求I所述的預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓，其特征在于預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞層采用碳纖維束或碳纖維布纏繞而成。
全文摘要
預(yù)應(yīng)力碳纖維纏繞制動(dòng)鼓，是將碳纖維施加一定的張力纏繞至制動(dòng)鼓本體表面中間部位的一道環(huán)形槽中，通過改變制動(dòng)鼓的受力狀態(tài)，進(jìn)而提高零件的抗疲勞性能、承載能力和安全性。對(duì)于重載汽車，當(dāng)處于下長(zhǎng)坡過程中，制動(dòng)鼓將持續(xù)工作在高溫、并受法向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力等惡劣的工作環(huán)境中，由于工作疲勞，極易產(chǎn)生開裂、龜裂、掉底等主要失效形式，對(duì)行車安全存在巨大安全隱患。而以往的通過改進(jìn)制造工藝、添加合金元素等措施，提高制動(dòng)鼓的強(qiáng)度和耐磨性能，以延長(zhǎng)制動(dòng)鼓的使用壽命并不能從根本上解決鑄鐵材料在抗拉強(qiáng)度方面的力學(xué)缺陷。利用預(yù)應(yīng)力纏繞技術(shù)對(duì)鑄鐵制動(dòng)鼓表面施加預(yù)緊力，使其受力狀態(tài)處于壓應(yīng)力狀態(tài)下，并以此提高制動(dòng)鼓的工作性能。
文檔編號(hào)F16D65/08GK102606650SQ20111023313
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者李志剛, 林峰, 胡金豹, 袁宵, 閆文濤 申請(qǐng)人:山東浩信機(jī)械有限公司, 清華大學(xué)