包括多孔芯的機械摩擦設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種包括多孔芯的機械摩擦設備。本發明尤其（但不排他地）涉及 包括夾在兩個外部的摩擦層之間的多孔層的制動盤（brake disc)或離合器盤（clutch disc)〇
【背景技術】
[0002] 在車輛上制動系統是必不可少的。在眾多制動系統中，盤式制動器已經被廣泛地 應用，以在制動盤與制動片（brake pad)之間的接觸界面處將動能轉化為熱量。熟悉盤式 制動器的操作的人會知道，在制動期間，機械負荷和熱負荷兩者同時施加到制動盤。因此， 制動盤不僅需要能夠承受由制動片施加在其上的壓力，還需要能夠處理由制動盤和制動片 之間的摩擦力導致的熱負荷。
[0003] 在制動期間，連續的夾緊力由制動片施加在制動盤上。已經確定的是，對于中型貨 運汽車來說，比如梅賽德斯 -奔馳（Mercedes-Benz)的Atego,大約120kN的夾緊力被施加 在制動盤上，其接觸面積為大約19. 49X 10_3m2 (0. 2107mX0. 0925m)，該面積覆蓋大約制動 盤總面積的六分之一。基于上述參數，大約6MPa的平均壓應力被直接施加在制動片下方的 制動盤材料上。
[0004] 還已經確定的是，由于制動盤與制動片之間的摩擦發熱，強加在中型貨運汽車 (比如梅賽德斯奔馳的Atego)的制動盤上的熱通量大約是0.2MW/m 2。這個數值是基于以 恒定速度80km/h、恒定坡度3. 5%下降的車輛。
[0005] 大量研宄顯示，溫度有多高以及這些溫度在制動盤上的分布有多不均勻會導致制 動失效以及制動盤和制動片兩者的磨損增大。引發的熱應力場可能導致制動盤的低周疲 勞、破裂、甚至災難性故障。如果整體溫度過高，卡鉗缸（calliper cylinder)中的制動流 體會沸騰，這可能導致'流體失效（fluid fade)'以及制動力減小的潛在危險。
[0006] 為了解決這些制動失效的問題，制動盤必須能夠處理高水平的熱通量。當前正在 使用的處理高熱通量的一個方法是借助制動盤中包括的熱交換元件來去除熱量。公知的技 術方案是將制動盤設計為包括槽或孔，當制動盤旋轉時，在這些槽和孔中引發強制的對流 空氣流。另一個已知的技術方案是包括熱交換元件，比如制動盤本體中的氣流通道中的徑 向葉片、彎曲葉片以及釘狀翅片（pin-fin)。這類盤式制動器通常在行業中是指通氣或通風 盤式制動器。
[0007] 當制動盤旋轉時，冷卻流被吸入通風通道。一類通風制動盤包括多個環狀間隔通 道，其中每一個都沿徑向延伸。另一類通風制動盤包括定位在兩個外部的摩擦盤之間的單 個環形通道，在使用中，該外部摩擦盤接合制動片。多個熱交換元件位于環形通道中并且在 兩個外部摩擦盤之間延伸。
[0008] 對圍繞僅在其通風通道中裝備有徑向葉片的通風制動盤的速度場（velocity field)的研宄已經顯示出，在進入通風通道之前，冷卻流以反向旋轉方向相對于制動盤軸 線旋動。由于科里奧利力（Coriolis force)，入射流對葉片通道的角度變大，導致流動與 葉片的前邊緣分離。因此，大的流動循環區域形成在每個葉片的吸入側，這減小了通風通道 中的冷卻流的量。為了增加通風通道中的冷卻流，已經想出了一些改進的葉片設計，比如抑 制流動分離的彎曲葉片。結果，據報道，冷卻流的質量流率以及相應的冷卻性能被進一步改 進。然而，由徑向分布的葉片引起的高度不均勻的熱傳遞還導致在接近葉片的制動盤中的 高的溫度梯度。因此，熱應力使這樣的制動盤易于沿著這些葉片產生與熱疲勞有關的破裂， 這限制了它們在重型載重車輛中的應用。在嘗試減少制動盤內的大溫度梯度中，開發出了 帶有釘狀翅片的制動盤，其徑向和周向地分布在通風通道中。
[0009] 雖然已經證明，帶有葉片和釘狀翅片的制動盤的熱傳遞性能得到了整體提高，但 是制動盤的設計限制使得很難同時優化其設計的每個方面。令人期望的是，同時優化制動 盤的重量和剛度，以及它們的冷卻能力。這導致了設計需求的沖突。
[0010] 通風盤通道中熱交換元件的設計靈活性通常考慮到這樣的事實被限制：元件必須 具有足夠的結構完整性以承受制動片與制動盤之間的高的夾緊力或壓力。由于這個原因， 在輕型和重型載重車輛中使用的通風制動盤具有多于由垂直于制動盤突出的固體熱交換 元件所占據的通風盤通道體積的30%。熱交換元件這種布置的一個問題在于，不存在沿著 制動盤的周向傳播的熱量，這引起了周向熱應力。
[0011] 在熱量方面，通風制動盤首先需要確保在制動盤和制動片上的低溫度，其次是確 保沿徑向和周向的低溫度梯度。而且，由于在強制對流中從通風通道和熱交換元件去除 熱量的冷卻流是通過制動盤的離心運動而吸入的，所以通常期望橫越熱交換器元件的低壓 降。
[0012] 本發明的目的是緩解現有機械摩擦設備（比如制動盤或離合器盤）所經歷的至少 一些問題。
[0013] 本發明的另一目的是提供一種機械摩擦設備，特別是制動盤或離合器盤，其會是 對現有摩擦設備的有用的替代。
[0014] 本發明又一目的是提供一種用于制動盤或離合器盤以及其它摩擦設備的結構，當 與已知通風盤式制動器相比時，本發明的結構減輕了重量，同時具有必要的強度、剛度以及 提高的散熱特性。
【發明內容】
[0015] 根據本發明，提供一種機械摩擦設備，該機械摩擦設備包括夾在兩個外部的摩擦 層之間的中心層，該中心層具有比兩個摩擦層更高的孔隙率水平，其中該中心層以起到熱 傳遞裝置的作用的線框結構的形式來傳遞熱量離開外部的摩擦層的摩擦表面。
[0016] 在本發明的一個實施例中，線框結構是X型晶格夾層結構。在本發明的另一個實 施例中，線框結構是線織膨松金剛石結構（wire-woven bulk diamond structure)。
[0017] 中心層可以具有至少大約40%的孔隙率水平，優選的是大約90%。
[0018] 中心層優選地由鋼制成。
[0019] 兩個外部的摩擦層優選地由鑄鐵或鋼制成。
[0020] 摩擦設備可以是制動盤或離合器盤。
[0021] 根據本發明的第二方案，提供了一種作為機械摩擦設備（例如制動盤或離合器 盤）中的散熱裝置的線框結構的用途。
[0022] 線框結構可處于X型晶格夾層結構的形式，或線織膨松金剛石結構的形式。
[0023] 線框結構優選地夾在兩個外部的摩擦層之間，這些摩擦層具有比線框結構更低的 孔隙率水平。
【附圖說明】
[0024] 這里將僅經由示例，參照附圖更詳細地描述本發明，在附圖中：
[0025] 圖1示出了根據本發明的呈盤式制動器組件的制動盤形式的機械摩擦設備的立 體圖；
[0026] 圖2示出了圖1制動盤的立體圖，其中切除了一部分以示出包括線框結構的中心 層；
[0027] 圖3示出了在X型晶格夾層結構中的線排布，該結構可以作為圖1的制動盤的線 框結構來使用；
[0028] 圖4示出了在線織膨松金剛石結構中的線排布，該結構可以作為圖1的制動盤的 線框結構來使用；
[0029] 圖5示出了圖1的制動盤在實驗測試中使用的環形線織膨松金剛石結構及其晶胞 (unit cell)；
[0030] 圖6示出了整合到通風制動盤的圖5的線織膨松金剛石結構；
[0031] 圖7示出了在實驗測試期間作為參考而使用的現有技術釘狀翅片制動盤的尺寸；
[0032] 圖