一种适用于轨道交通车辆的复合材料轴装制动盘的制作方法

1.本发明涉及轨道交通领域，具体而言，涉及一种适用于轨道交通车辆的复合材料轴装制动盘。


背景技术：

2.传统的钢质制动盘应用于时速350km的高速列车，在紧急制动时盘面温度已经接近材料使用极限，长期运用容易出现热斑和热疲劳裂纹问题。而且钢质制动盘质量较大，不利于列车的减重要求尤其是转向架簧下质量的减重。随着车辆运行速度的不断提高，无论是从减少运行能耗还是制动能量方面的需求，都对降低转向架簧下质量提出了更高的要求。亟需开发轻质量、高耐热的制动盘来匹配轨道交通行业的高速和轻量化发展趋势。
3.当前常用碳陶复合材料用于制造高铁制动盘，碳陶是陶瓷基复合材料的一种，碳陶材料不仅具有高性能陶瓷的高强度、高模量、高硬度、耐冲击、抗氧化、耐高温、耐酸碱和化学物质腐蚀，热膨胀系数小、比重轻等优点，同时还完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能单一等缺点，是世界上公认的理想的高温结构材料和摩擦材料。但一体式碳陶制动盘用于高速列车存在安全性的问题。碳陶材料强度较低，难以承受高速轮轨振动冲击载荷，且难以承受较大制动压力及制动扭矩。由上，分层复合式碳陶轴装制动盘是高速列车轴装制动盘主要采用的结构形式。
4.专利cn109869423a提出一种适用于高速动车组的碳陶轴装制动盘，采用了隔热复合式结构，中间设置了钢质隔离支撑体，钢质支撑体两侧设置隔热陶瓷涂层，两个碳陶摩擦体通过内外两侧紧固连接。但该专利中碳陶摩擦体采用的两侧紧固方式造成整体结构通风散热性能差、加工难度大和制造成本高，并且碳陶摩擦体与钢质隔离支撑体之间的紧固连接未采取隔热措施，高速大功率制动时容易造成螺栓失效，影响行车安全。
5.专利cn108317194a公开了一种高速列车用轴装制动盘组件，包括制动盘、支撑盘和盘毂；制动盘为两组，并同轴叠装在支撑盘的两侧盘面上，并通过第一连接结构与支撑盘夹紧锁定；制动盘为两侧盘面平整的复合材料制动盘，支撑盘的两侧盘面上设置散热结构，并与制动盘叠装后形成散热通道；支撑盘的内圈设置有连接法兰，并通过第二连接结构与盘毂固定套接。但该专利中支撑盘结构复杂，制造难度大，散热效果不佳，且碳陶摩擦体与钢质隔离支撑体之间的紧固连接未采取隔热措施。
6.鉴于以上技术问题，特推出本发明。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种适用于轨道交通车辆的复合材料轴装制动盘，采用了高通风散热性能的复合式结构，能够进一步提高制动盘的连接可靠性和使用寿命。
8.为了实现上述目的，本发明提出一种适用于轨道交通车辆的复合材料轴装制动盘，包括支撑体和两个复合材料摩擦环，两个复合材料摩擦环安装于支撑体的两侧，支撑体的两个侧面上设置有多条散热筋，支撑体上设置有多个支撑体通孔，所述制动盘内部具有
立体通风风道，所述立体通风风道包括径向贯通风道和轴向贯通风道，至少部分支撑体通孔位于散热筋的中部，散热筋具有不同的长度，散热筋之间形成径向贯通风道的至少一部分，复合材料摩擦环能够将热量传递至支撑体，支撑体通过径向贯通风道进行散热，所述支撑体的内侧圆周处构成所述轴向贯通风道的至少一部分，所述轴向贯通风道与所述径向贯通风道相连通。
9.进一步的，支撑体包括呈环形的支撑体本体和位于支撑体本体内侧的多个内侧连接爪，散热筋和支撑体通孔均位于支撑体本体。
10.进一步的，散热筋的长度与内侧连接爪在支撑体本体上的位置相适应。
11.进一步的，复合材料轴装制动盘包括连接件，支撑体通孔包括连接件通孔，连接件穿过连接件通孔、可拆卸地连接支撑体和复合材料摩擦环。
12.进一步的，散热筋包括连接件通孔散热筋，连接件通孔位于连接件通孔散热筋的中部，且在连接件通孔周围形成连接件通孔凸台，连接件通孔凸台形成连接件通孔散热筋的一部分，且连接件通孔凸台与连接件通孔散热筋的高度相同。
13.进一步的，连接件通孔散热筋在支撑体本体上沿径向分布，连接件通孔散热筋所在的半径位于相邻的内侧连接爪所在的半径之间。
14.进一步的，连接件通孔散热筋具有所有散热筋中最长的长度。
15.进一步的，支撑体本体的内侧圆周上包括开放区域和阻挡区域，阻挡区域为内侧连接爪所在区域，开放区域为内侧连接爪之间的区域，开放区域形成了通向复合材料轴装制动盘内部的径向贯通风道和轴向贯通风道的一部分开放区域在支撑体本体的内侧圆周上占据的长度为50-70％。
16.进一步的，复合材料轴装制动盘包括压环和盘毂，盘毂的外侧具有多个环向连接爪，压环的外侧具有多个齿形，环向连接爪、齿形和内侧连接爪一一对应，环向连接爪、齿形和内侧连接爪，压环、盘毂和支撑体可拆卸地连接。
17.进一步的，压环的外侧圆周上包括开放区域和阻挡区域，阻挡区域为齿形所在的区域，开放区域为齿形之间的区域，开放区域形成了通向复合材料轴装制动盘内部的轴向贯通风道的一部分，开放区域在压环的外侧圆周上占据的长度为50-70％。
18.进一步的，盘毂和的外侧圆周上也包括开放区域和阻挡区域，阻挡区域为环向连接爪所在的区域，开放区域为环向连接爪之间的区域，开放区域形成了通向复合材料轴装制动盘内部的轴向贯通风道的一部分，开放区域在盘毂的外侧圆周上占据的长度为50-70％。
19.进一步的，复合材料轴装制动盘包括定位件，支撑体通孔包括定位件通孔，定位件设置在定位件通孔中、使得支撑体和至少一个复合材料摩擦环的径向位置相对固定。
20.进一步的，散热筋包括定位件通孔散热筋，定位件通孔位于定位件通孔散热筋的中部，且在定位件通孔周围形成定位件通孔凸台，定位件通孔凸台形成定位件通孔散热筋的一部分，且定位件通孔凸台与定位件通孔散热筋的高度相同。
21.进一步的，散热筋还包括短散热筋和长散热筋，连接件通孔散热筋、定位件通孔散热筋、短散热筋和长散热筋均在支撑体本体上沿径向设置，且短散热筋所在的半径与内侧连接爪所在的半径重合，短散热筋具有所有散热筋中最短的长度，长散热筋的定位件通孔散热筋位于短散热筋和连接件通孔散热筋之间。
22.进一步的，还包括隔热垫片，隔热垫片设置于连接件与复合材料摩擦环之间，隔热垫片阻碍复合材料摩擦环上的热量传递至连接件。
23.进一步的，连接件为螺栓和防松螺母。
24.进一步的，复合材料摩擦环为碳陶材质的环形件，支撑体为钢质支撑体。
25.应用本发明的技术方案，至少实现了如下有益效果：
26.1、通过在支撑体上设置四种长短不同的散热筋和内侧连接爪，在压环上设计齿形，在盘毂上设计环向连接爪，形成了由径向贯通风道和轴向贯通风道形成的贯穿制动盘的立体散热系统，从而实现制动盘整体快速降温。
27.2、对连接件通孔凸台和定位件通孔凸台设计为散热筋的一部分，并在摩擦环与支撑体连接采取了中间紧固的方式，进一步加强制动盘整体通风散热性能。
28.3、连接件连接时设置隔热垫片，阻碍热量传递到连接件上，同时保证产品紧固连接可靠性。
29.4、复合材料摩擦环设计为简单环形件，且制动盘整体的结构简单，降低了制造难度，摩擦环采用碳陶复合材料，与全钢质制动盘相比减重超过1/3，降低高速列车的簧下质量，满足高速列车轻量化的趋势，本技术的制动盘适用于时速400公里及以上的动车组列车。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
31.图1示出了本发明实施例的制动盘示意图；
32.图2示出了本发明实施例的支撑体示意图；
33.图3示出了本发明实施例的支撑体正视图；
34.图4示出了本发明实施例的制动盘组装剖视图；
35.图5示出了本发明实施例的连接件正视图；
36.图6示出了本发明实施例的定位件安装剖视图；
37.图7示出了本发明实施例的复合材料摩擦环示意图；
38.图8示出了本发明实施例的复合材料摩擦环正视图；
39.图9示出了本发明实施例的复合材料摩擦环后视图；
40.图10示出了本发明实施例的压环示意图；
41.图11示出了本发明实施例的压环正视图；
42.图12示出了本发明实施例的盘毂示意图；
43.图13示出了本发明实施例的制动盘组装爆炸图；
44.图14示出了本发明实施例的制动盘的立体通风风道的示意图，其中(a)为压环侧；(b)为盘毂爪侧。
45.其中，上述附图包括以下附图标记：
46.1、支撑体；11、散热筋；111、连接件通孔散热筋；112、定位件通孔散热筋；113、短散热筋；114、长散热筋；1110、连接件通孔凸台；1120、定位件通孔凸台；12、支撑体通孔；121、连接件通孔；122、定位件通孔；13、支撑体本体；14、内侧连接爪；2、复合材料摩擦环；21、定
位件孔；22、连接件孔；3、连接件；31、螺栓；32、防松螺母；4、压环；41、齿形；5、盘毂；51、环向连接爪；6、定位件；7、隔热垫片；8、螺栓组件；10、开放区域；20、阻挡区域。
具体实施方式
47.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
48.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征；术语“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
50.实施例：
51.为了解决时速350km/h以上高速列车的使用要求、降低列车簧下质量、实现节能减排、保证列车安全运营，本发明提供了一种适用于高速列车的碳陶复合材料轴装制动盘，采用了高通风散热性能的复合式结构，能够大大提高制动盘的连接可靠性和使用寿命，保证了高速列车运行的长期可靠性。
52.如图1所示，本技术提出一种适用于轨道交通车辆的复合材料轴装制动盘，包括支撑体1和两个复合材料摩擦环2，两个复合材料摩擦环2安装于支撑体1的两侧。支撑体1的两侧对称，两个复合材料摩擦环2互为镜像。复合材料轴装制动盘还包括压环4和盘毂5，支撑体1和其两侧的复合材料摩擦环2安装在盘毂5上，并用压环4和螺栓组件8紧固从而完成整体制动盘的组装。
53.所述制动盘内部具有立体通风风道，所述立体通风风道包括径向贯通风道和轴向贯通风道。
54.如图2所示，支撑体1的两个侧面上设置有多条散热筋11，散热筋11具有不同的长度(即，散热筋沿制动盘的径向布置)。散热筋之间形成径向贯通风道的至少一部分，复合材料摩擦环2能够将热量传递至支撑体1，支撑体1通过径向贯通风道进行散热，所述支撑体的内侧圆周处构成所述轴向贯通风道的至少一部分，所述轴向贯通风道与所述径向贯通风道相连通。
55.支撑体1上还设置有多个支撑体通孔12，至少部分支撑体通孔12位于散热筋11的中部。优选地，全部支撑体通孔12位于散热筋11的中部。
56.此处所述的“支撑体通孔12位于散热筋11的中部”指的是支撑体通孔12的位置不在散热筋11的端部，或者在散热筋11的外部，不会对制动盘内部的贯通风道造成显著影响。
57.优选地，本技术中的散热筋11沿支撑体1的环向均匀分布。散热筋对摩擦环起支撑定位作用，同时保证制动盘的通风散热，并保持制动盘具有一定的强度和刚度。
58.支撑体1包括呈环形的支撑体本体13和位于支撑体本体13内侧的多个内侧连接爪14，散热筋11和支撑体通孔12均位于支撑体本体13。
59.基于支撑体的结构，支撑体本体13的内侧圆周上包括开放区域10和阻挡区域20，阻挡区域20为内侧连接爪14所在区域，开放区域10为内侧连接爪14之间的区域，开放区域10形成了通向复合材料轴装制动盘内部的径向贯通风道和轴向贯通风道的一部分，开放区域10在支撑体本体13的内侧圆周上占据的长度为50-70％。由于开放区域10在支撑体本体13的内侧圆周上较大的占比，气流可以较为顺畅的通过该开放区域10进出于制动盘内部的各个散热筋之间，保证了制动盘的散热效果。
60.结合图2和图3所示，支撑体通孔12包括连接件通孔121和定位件通孔122，相应的，散热筋11包括连接件通孔散热筋111和定位件通孔散热筋112。
61.具体来说，连接件通孔121位于连接件通孔散热筋111的中部，且在连接件通孔121周围形成连接件通孔凸台1110，连接件通孔凸台1110形成连接件通孔散热筋111的一部分，且连接件通孔凸台1110与连接件通孔散热筋111的高度相同。连接件通孔散热筋111在支撑体本体13上沿径向分布，连接件通孔散热筋111所在的半径位于相邻的内侧连接爪14所在的半径之间。连接件通孔散热筋111具有所有散热筋11中最长的长度。
62.定位件通孔122位于定位件通孔散热筋112的中部，且在定位件通孔122周围形成定位件通孔凸台1120，定位件通孔凸台1220形成定位件通孔散热筋112的一部分，且定位件通孔凸台1120与定位件通孔散热筋112的高度相同。
63.对连接件通孔凸台和定位件通孔凸台设计为散热筋的一部分，进一步加大了制动盘整体通风散热性能。
64.此外，散热筋11还包括短散热筋113和长散热筋114，连接件通孔散热筋111、定位件通孔散热筋112、短散热筋113和长散热筋114均在支撑体本体13上沿径向设置，且短散热筋113所在的半径与内侧连接爪14所在的半径重合，短散热筋113具有所有散热筋11中最短的长度，长散热筋114和定位件通孔散热筋112位于短散热筋113和连接件通孔散热筋111之间。
65.综上，本技术中散热筋11的长度与内侧连接爪14在支撑体本体13上的位置相适应。此处的“相适应”指的是根据内侧连接爪在支撑体本体上的位置相应地调整散热筋的长度。具体可参考图3，在无内侧连接爪的开放区域设置最长的连接件通孔散热筋，在内侧连接爪阻挡区域最大的位置设置最短的短散热筋，其他位置设置长散热筋和定位件通孔散热筋，以保证支撑体本体上散热筋长度的最大化，并且各个散热筋之间、散热筋与内侧连接爪之间互不干涉，加强了制动盘整体通风散热性能。
66.如图4所示，复合材料轴装制动盘还包括连接件3，连接件3穿过连接件通孔121和复合材料摩擦环2上的连接件孔22，可拆卸地连接支撑体1和复合材料摩擦环2。优选地，连接件3可采用如图4右侧的螺栓31和防松螺母32的组合。螺栓31和防松螺母32形状结构如图5所示。
67.本技术在连接件3与复合材料摩擦环2之间设置隔热垫片7，隔热垫片7阻碍复合材料摩擦环2上的热量传递至连接件3。连接件连接时设置隔热垫片，阻碍热量传递到连接件
上，同时采用防松螺母，提高产品紧固连接可靠性。
68.如图6所示，定位件6设置在支撑体1上的定位件通孔122中，使得支撑体1和至少一个复合材料摩擦环2的径向位置相对固定。优选地，通过定位件6使得支撑体1和两个复合材料摩擦环2的径向位置均相对固定。
69.如图7、图8和图9所示，相应地在两个复合材料摩擦环2上设置定位件孔21和连接件孔22。复合材料摩擦环设计为简单环形件，且制动盘整体的结构简单，降低了制造难度。在本实施例中，复合材料摩擦环采用碳陶复合材料，支撑体为钢质支撑体，与全钢质制动盘相比减重超过1/3，降低高速列车的簧下质量，满足高速列车轻量化的趋势，本技术的制动盘适用于时速400公里及以上的动车组列车。
70.优选地，沿制动盘摩擦环2中径位置周向设置均匀地9个连接件3，并对应设置支撑体1上的连接件通孔121和复合材料摩擦环2上的连接件孔22。沿制动盘周向设置均匀地设置3个定位件6，并对应设置支撑体1上的定位件通孔122和复合材料摩擦环2上的定位件孔21。
71.但是在其他实施例中，制动盘可不包括定位件6、定位件通孔122、定位件孔21，相应的定位功能也不存在，但仍不影响制动盘正常的安装、固定、散热、隔热等性能，不影响制动盘的正常使用。
72.本技术的支撑体两侧不设置隔热陶瓷涂层，使得支撑体不仅起支撑连接作用，还可以对复合材料摩擦环进行热量快速传递，分担复合材料摩擦环的一部分制动热量，并充分利用自身散热筋和凸台的通风散热作用，可以显著降低制动盘的温升。
73.如图10和图11所示，压环4的外侧具有多个齿形41，压环4的外侧圆周上包括开放区域10和阻挡区域20。阻挡区域20为齿形41所在的区域，开放区域106为齿形41之间的区域，开放区域10形成了通向复合材料轴装制动盘内部的轴向贯通风道的一部分，开放区域10在压环4的外侧圆周上占据的长度为50-70％。因为开放区域10的占比相对较高，使得气流可以较为顺畅的通过该开放区域10进出于制动盘内部的各个散热筋之间，保证了制动盘的散热效果。
74.如图12所示，盘毂5的外侧具有多个环向连接爪51，盘毂5的外侧圆周上也包括开放区域10和阻挡区域20，阻挡区域20为环向连接爪51所在的区域，开放区域10为环向连接爪51之间的区域，开放区域10形成了通向复合材料轴装制动盘内部的轴向贯通风道的一部分，开放区域10在盘毂5的外侧圆周上占据的长度为50-70％。同样，因为开放区域10的占比相对较高，使得气流可以较为顺畅的通过该开放区域10进出于制动盘内部的各个散热筋之间，保证了制动盘的散热效果。
75.如图13所示，环向连接爪51、齿形41和内侧连接爪14一一对应，通过环向连接爪51、齿形41和内侧连接爪14，压环4、盘毂5和支撑体1可拆卸地连接。
76.本技术通过如上结构设计，形成了包括轴向贯通风道和径向贯通风道的立体通风风道。径向贯通风道的一部分由支撑体上的散热筋形成，另一部分由支撑体上的开放区域形成；轴向贯通风道由支撑体、压环、盘毂上的开放区域共同形成。径向贯通风道和轴向贯通风道连通，形成贯穿制动盘的立体散热系统，从而能够实现制动盘整体快速降温。
77.本实施例中的立体通风风道如图14所示，图14中的箭头所示即为本技术的制动盘在正常使用时的气流方向。在正常使用时，气流由轴向贯通风道进入制动盘，由于制动盘的
旋转等原因，气流由轴向贯通风道进入径向贯通风道，并由径向贯通风道的径向末端流出制动盘。在本技术的技术方案中，该立体通风风道气流方向合理、气流流动顺畅，能实现制动盘的高效冷却。
78.总之，从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现如下技术效果：1、通过在支撑体上设置四种长短不同的散热筋和内侧连接爪，在压环上设计齿形，在盘毂上设计环向连接爪，形成了由径向贯通风道和轴向贯通风道形成的贯穿制动盘的立体散热系统，从而实现制动盘整体快速降温。2、对连接件通孔凸台和定位件通孔凸台设计为散热筋的一部分，并在摩擦环与支撑体连接采取了中间紧固的方式，进一步加大了制动盘整体通风散热性能。3、连接件连接时设置隔热垫片，阻碍热量传递到连接件上，同时采用防松螺母，提高产品紧固连接可靠性。4、复合材料摩擦环设计为简单环形件，且制动盘整体的结构简单，降低了制造难度，摩擦环采用碳陶复合材料，与全钢质制动盘相比减重超过1/3，降低高速列车的簧下质量，满足高速列车轻量化的趋势，本技术的制动盘适用于时速400公里及以上的动车组列车。
79.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。