具体实施方式

提供以下描述以使得本领域技术人员能够制造和使用预期用于实施本发明的所述实施例。然而，各种修改、等同物、变化和替代物对于本领域技术人员来说仍然是显而易见的。任何以及所有这些修改、变化、等同物和替代物都旨在落入本发明的精神和范围内。还应理解，附图中示出的，以及在以下说明书中描述的特定设备仅是本发明的示例性实施例。因此，与本文公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被视为限制。为了便于理解本发明，附图和说明书示出了本发明的优选实施例，从中可以理解和领会本发明的结构的各种实施例、构造和操作方法以及许多优点。

出于描述的目的，以下术语“端部”、“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及它们的衍生物应当与在附图中定向的本发明相关。

本公开涉及一种摩擦环或制动盘，其用于旋转体或车轮结构，例如铁路车辆车轮。摩擦环或制动盘可以是单一结构(例如整体的盘)或分区段的，如附图所示。制动盘可用于限制铁路车辆车轮的旋转，并且具体地，用于速度小于200km/hr的低速铁路车辆。制动盘是指适于连接到旋转体并且配置为由制动机构(例如制动拉杆头、制动片或制动蹄)接触的结构。制动盘和制动蹄之间的摩擦会减慢或停止旋转体的旋转。制动盘通常是安装于轮毂或安装于车轮。安装于轮毂的制动盘(也称为轴装盘)连接到旋转体的轮毂或轴。相反，安装于车轮的制动盘直接连接到车轮本身的表面而不是连接到轮毂或轴。

在一些示例中，制动盘配置为采用通过安全计算所允许的最小数量的固定点固定到轮毂。安全计算可包括用于对在使用期间施加在盘上的力进行建模的计算机建模技术。确定最小数量的固定点可以考虑，例如在制动盘和轮毂之间形成稳定且足够强的连接所需的固定点的数量，以确保在使用期间的足够的制动力。在分区段的制动盘的情况下，每个区段可以以单个固定点安装到轮毂。可以允许该区段围绕单个固定点旋转。以最小数量的固定点将区段和/或盘安装到轮毂上能允许创建具有最大化的空气入口面积的盘，从而提供穿过制动盘的内表面的最大空气通量和最高可能的通风。

参照图1至图3，示出了安装于轮毂的制动盘组件10；然而，应该理解的是，在本公开的范围内，组件10还可以适于直接安装到车轮主体。组件10包括轮毂12，轮毂12具有从其延伸的径向凸缘14。轮毂12可以配置为用于接收旋转体，例如铁路车辆的轴或类似的旋转结构。凸缘14包括前侧表面18和后侧表面20(如图2和图3所示)。凸缘14可以整体具有相同的厚度，或者可以包括具有不同厚度或刚度的区域。例如，凸缘14可包括交替的具有高刚度和低刚度的同心带(未图示)。各种区域的刚度可以通过改变凸缘14的厚度或材料成分来实现。

组件10还包括摩擦环或制动盘2，该摩擦环或制动盘2具有连接到凸缘14的前侧表面18的前侧面24，和连接到后侧表面20的后侧面24'(如图2和图3所示)。通常，优选的是将制动盘2的侧面24和侧面24'固定到凸缘14的刚度较大的区域，以改善制动性能。在以下讨论中，描述了前侧面24的结构。后侧面24'具有与前侧面24类似或相同的结构，因此包括下文描述的特征。

具体参考图1，制动盘2是由多个区段126形成的分区段的盘。例如，盘2可以由五个大致相同形状的区段形成。虽然这里描述和示出了分区段的制动盘2，但是应该理解，在本发明范围内，制动盘也可以是环形的整体结构。如图1所示，区段126可以围绕轮毂12连接，以形成的闭合的环形环。闭合的环可以称为摩擦环。虽然图1中所示的区段126具有相同的尺寸和形状，但应理解制动盘2可包括具有不同形状和尺寸的区段。区段的总数可以是偶数或奇数。

区段126可以通过相邻区段126的径向端部142之间的径向间隙36彼此分开，使得区段126可以根据温度和由制动蹄或制动片所施加的力自由地膨胀或收缩。区段126通过跨过间隙36延伸的连接元件38连接在一起。在图1所示的盘组件10的实施例中，每个区段126都通过位于区段126的外圆周侧面144附近的一个连接元件38连接到相邻区段126上。在某些实施例中，制动盘24可包括在每个区段126之间的多个连接元件38。例如，组件10可以包括在每个区段126之间的两个连接元件38。连接元件38可以定位在距离区段126的中心轴线X的等距位置。连接元件38可以是本领域已知的销、紧固件或滑块。连接元件38配置为插入从每个区段126的径向端部142向内延伸的插接部140中，使得每个连接元件38在相邻区段126的相应插接部140之间延伸。在一个实施例中，每个插接部140的深度大于相关的连接元件38的长度。因此，区段126相对于连接元件38能自由移动，使得连接元件38更深入地插入到一个区段126中，并且从相邻区段126拉出。

具体参考图2和图3，每个区段126的每个侧面24和24'都包括外表面128，该外表面128用作标准制动表面。外表面128提供大致平坦的表面或面，该表面或面配置为由制动表面接触，例如由制动机构控制的制动蹄或制动片。可选地，表面128可以包括已经处理或机械加工过以增加其纹理、硬度或耐久性的区域，以改善接触，并且如果需要，增加外表面128和制动机构之间的摩擦。每个区段126的每个侧面24和24'还包括与外表面128相对的内表面130。内表面130的一部分配置为与前侧表面18和凸缘14接触，以在制动组件10使用时为其提供止动力F。如图2所示，为了便于区段126和凸缘14之间的接触，区段126的内表面130可以包括更厚或更宽的部分132，该更厚或更宽的部分132与凸缘14的前侧表面18物理地接触。在这种情况下，区段具有大致锥形的外观，该区段在轮毂12附近较厚，而在区段126的外圆周侧面144附近较薄。

继续参考图2和图3，区段126还可以包括在每个区段126的前侧面24的内表面130和后侧面24'的内表面130之间延伸的突出部。在一些实施例中，如图1至4所示，突出部包括径向延伸的翅片。在其他实施例中，突出部可包括肋、挡板、柱、壁或它们的任何组合。突出部可以与区段126的内表面130整体形成，或使用已知的粘合剂或紧固件连接到区段126的内表面130。突出部布置为引导冷却气流C(如图3所示)或空气通量穿过凸缘14的表面和区段126的内表面130，以对凸缘14和区段126进行通风和冷却。当盘组件10在使用时，提供连续的冷却空气的供应抵消了由区段126和制动机构之间的接触而产生的热效应。使区段126冷却和通风在区段126上提供了更均匀的温度梯度，这防止了由热应力和热膨胀导致的区段126的退化。

应注意，对于安装于车轮的制动盘，区段126的前侧面24和后侧面24'是分开的。在这种情况下，突出部包括接触车轮或旋转体的表面的接触面。有利地，当侧面24和侧面24'以这种方式分开或分离时，它们可相对于彼此自由滑动或移动。因此，区段126的热膨胀不受限制。类似地，由膨胀引起的热应力不会在相对的区段126之间转移，从而降低了在使用期间损坏突出部的可能性。

继续参考图2和图3以及图4，突出部可以是径向的翅片135，该径向的翅片135具有长而薄的结构，具有大致平坦的相对面。翅片135定位为将通过制动盘组件10的通风最大化。将通风最大化增强了制动盘区段126的冷却。如图4所示，翅片135可以具有大致矩形或椭圆形的基部区域，该大致矩形或椭圆形的基部区域与区段126的内表面130接触。翅片135可以沿着区段126的内表面130从区段126的内圆周边缘146径向向外地延伸至外圆周边缘144。翅片135可以是锥形的，随着与内表面130的距离的增加而变窄。翅片135也可以在区段126的内圆周侧面146附近较宽并且在外圆周侧面144附近较窄，使得相邻翅片135之间的距离随着远离轮毂12而增加。

在某些实施例中，翅片135可直接沿着区段126的半径从内圆周侧面146径向向外延伸。可选地，所述翅片135可以定位在区段126的内表面130上的其他位置，以获得各种气流模式。例如，在某些实施例中，一些翅片135可定位为使得翅片135的中心轴线相对于区段126的半径成角度(例如，至少5度)。在该方向上，相邻的翅片135之间的距离从轮毂12大致径向向外地增大。在某些其他实施例中，每个翅片135的中心轴线可以平行于相邻翅片的中心轴线。翅片135还可以是不同长度的，使得位于区段126的径向端部142附近的翅片135比区段126的中心附近的翅片135更长。如将在下文中描述的，使翅片135具有不同的长度允许区段126的内表面130包括各种连接结构，以将区段126连接到其他区段126和/或连接到轮毂12(如图2和图3所示)。

在某些实施例中，翅片135可以定位为在相邻的翅片135之间限定有通道150。例如，通道150可以是径向延伸的通道150，如图1至图4所示。通道150由翅片135的径向延伸的侧面、区段126的相对侧面24和24'的内表面130以及凸缘14的前侧18和后侧20包围。外部冷空气通过位于区段126的内圆周侧面146和轮毂12之间的入口部分152进入通道150，并沿冷却气流C(如图3和图4所示)穿过通道150。空气通过位于区段126的外圆周侧面144附近的出口部分154从通道150排出。入口部分152可以是围绕轮毂12延伸的环形开口。可选地，在某些实施例中，一个或多个入口部分152可以是位于轮毂12周围的多个不同的孔、槽或开口。出口部分154也可以是围绕区段126外圆周侧面布置的环形开口、部分环形开口、槽或多个孔。然而，在每种情况下，入口部分152的横截面积，即使最大化，也小于出口部分154的横截面积。因此，通道150的横截面积随着远离盘24的中心而增加。

具体参考图4，入口部分152和出口部分154之间的横截面积的增加导致气流速率或空气速度沿着通道150的长度增加。增加的空气速度改善了区段126的通风和冷却。为了实现横截面积的改变，在某些实施例中，通道150的宽度沿其长度增加，使得入口部分152附近的通道150的宽度D小于出口部分154的通道150的宽度E(如图3所示)。

翅片135可以以各种模式布置，以增加通过通道150的气流。例如，如上所述，翅片135的长度可以变化，使得位于区段126的径向端部142附近的翅片135比每个区段126的中心部分中的翅片135更长。另外，位于区段126的径向端部142附近的翅片135可以通过横向构件156接触。横向构件156可以容纳图1所示的插接部140和连接元件38。横向构件156可以阻挡或限制通过位于构件156附近的通道150的气流，从而迫使空气通过其他通道150。

再次参考图2至图4，每个区段126还包括至少一个固定点，用于将区段126连接到轮毂12。理想地，每个区段126上的固定点的数量被最小化，以减少从该区段126的内表面130延伸的气流限制结构或突出部的数量。最小化气流限制结构的数量使得区段126和轮毂12之间的空气通量最大化，从而改善通风效果。优选地，区段126仅包括单个固定点，该单个固定点通常位于区段126的内圆周侧面146附近。

例如，固定点可以是在区段126的外表面128(图4中未示出)和内表面130之间延伸的横向通孔158(图3中未示出)。优选地，每个区段126仅包括一个横向通孔158。在某些实施例中，区段126还可包括延伸部分160(如图4所示)或支架，以容纳通孔158。通孔158可以被内表面130的较宽部分132包围。如图4所示，较宽部分132可以与其中一个翅片135一体地形成。翅片135的较宽部分132限制或限定通过制动盘24的气流，降低通风的效能。因此，降低通孔158的数量会增加制动盘的通风效率。较宽部分132可在其任一侧上具有通道150。内表面130的较宽部分132的布置和形状允许良好的气流，以使热量从内表面130的较宽部分132和通孔158通风。

通孔158配置为接收用于将制动盘2连接到轮毂12的凸缘14紧固件62，例如销、螺钉或螺栓。凸缘14包括与每个通孔158对准的钻孔64，且配置为用于接收紧固件62。紧固件62应足够坚固，以支撑由制动盘区段126和制动表面之间的接触所产生的载荷。如上所述，本发明人认识到应该使通孔158的数量最小化，以增加通过制动盘24的气流。因此，紧固件62可以具有增强的强度和抗变形性，以吸收更大的旋转力，该更大的旋转力因区段126仅以单个固定点与轮毂12连接而产生。紧固件62可以穿过凸缘14的通孔158和钻孔64插入，以将区段126刚性且固定地连接到凸缘14和轮毂12。

在某些实施例中，通孔158可以足够深，使得紧固件62的顶部凹入通孔158内，使得紧固件62不会突出于通孔158开口上方。使紧固件62凹入确保其不接触或阻碍制动表面，例如制动蹄或制动片。

在使用中，制动盘组件10通过连接到轮毂12的轴的旋转而旋转，使得附接到轮毂12的制动盘2也旋转。旋转产生离心效果，通过该离心效果空气通过由区段126限定的出口部分154从组件10径向向外地受迫。更具体地，在一些示例中，径向翅片135布置成产生离心泵送效果，通过该离心泵送效果空气通过入口部分152被吸入通道150，并沿着图3所示的冷却气流路径C通过出口部分154排出。

为了停止或减慢轴的旋转，将制动力F施加于区段126的外表面128。制动力F通过区段126的突出部和穿过凸缘14延伸的紧固件12传递到凸缘14和轮毂12。更具体地，力F被施加在圆周方向上，使得与制动表面(例如制动蹄或制动片)接触的区段126围绕由通孔158限定的固定点枢转，由此也将力传递到相邻的区段126。由于区段126通过连接元件38可滑动地连接，因此区段126被允许响应于所施加的力枢转或旋转。然而，由于施加到位于所接触的区段126的相对侧上的相邻区段126的力大小相等但方向相反，因此限制了区段126的旋转。因此，区段126有效地锁定在一起，这意味着即使区段126被径向间隙36分开，制动盘10仍用作为连续的或整体的结构，否则将会围绕固定点旋转。

当制动组件10在使用中时，所产生热量H(如图3所示)导致接触的区段126膨胀。热量H通过突出部(例如翅片135)从区段126传递到凸缘14和轮毂12。区段126也承受向心力，该向心力倾向于将区段126径向向外地推离轮毂12。紧固件62必须具有足够的机械强度，以抵消这种向心力，以防止区段126向外滑离轮毂12。由制动盘组件10的旋转引起的旋转力或向心力也通过入口部分152将冷却空气吸入制动盘。气流C被引导通过通道150并流过区段126的翅片135、凸缘14和内表面130。冷却气流C也在环绕通孔158的内表面130的较宽部分132周围流动。由于上述离心泵送运动，热量H从凸缘14和区段126的表面传递到气流C并通过出口部分154被带离制动盘组件10。以这种方式，热量H被通风而离开区段126和制动盘组件10，以改善制动性能并防止区段126、凸缘14和轮毂12因长时间使用而出现结构退化。

参照图5至图8，示出了另一示例性制动盘组件210，其包括连接到轮毂12的摩擦环或制动盘202。制动盘202布置为在与结合图1至图4所描述的制动盘2中的气流相反的方向上引导气流通过制动盘202。例如，如本文所述，通过去除或减少径向翅片135的数量和密度，结合图1至图4所述的泵送效果可以被减小或消除。相反，在制动盘202中，冷却空气可以通过位于盘202的外圆周边缘的开口被吸入盘202内，并且被引导通过制动盘202朝向位于轮毂12或制动组件210的轴附近的流出元件。

在一些示例中，制动盘202包括连接在一起以形成环的多个区段226。盘202可包括大约五个区段，五个区段的大小和形状大致相同。区段226可以通过在相邻区段226之间延伸的销或连接元件238在圆周方向上连接在一起。连接元件238可以在相邻区段226之间形成间隙236。间隙236允许区段226在使用期间膨胀和收缩。

区段226可包括前侧面224和后侧面224'，前侧面224和后侧面224'中的每一个都具有：外表面228，其配置为与制动表面接触，以向该制动表面施加制动力；以及相对的内表面230。如图6和图7所示，前侧面224可以连接到后侧面224'和/或与后侧面224'一体地形成，以形成整体结构。如在先前描述的示例中，区段226以固定点(例如通孔258，其设置在区段226的径向向内的部分上，并且尺寸设计成用于接收销62)固定到轮毂12。在一些示例中，每个区段226仅以一个固定点(例如由单个通孔258限定的固定点)固定到轮毂12。在这种配置中，当连接到轮毂12时，区段226能够围绕单个固定点旋转。

所述区段还包括在区段226的侧面224的内表面230和侧面224'的内表面230之间延伸的多个突出部。如图5至图8所示，一些突出部可以是横向延伸的元件，例如肋236。如本文所述，横向延伸的元件或结构是指横向横截面积大于其径向横截面积的结构。肋236可与区段226一体地形成或固定地连接到区段226。在一些示例中，肋236可具有圆形或椭圆形的径向横截面，该圆形或椭圆形的径向横截面定位为引导气流在弯曲的或曲线的气流路径中穿过区段226。气流路径在图7和图8中有箭头C示出。

肋236可定位在区段226的径向外半部或外三分之一上，并且布置成使得区段226的至少一个半径R(如图8所示)穿过至少两个肋236。在一些示例中，通孔258从肋236径向向内地定位。如图8所示，区段226还可以包括径向延伸的翅片235的形式的多个突出部，多个突出部的形状类似于结合图1至图4所描述的翅片135。翅片235限定了通道250，用于引导气流穿过区段226的内表面。在一些示例中，如图8所示，翅片235从区段226的中间部分的内圆周表面延伸。

在使用中，制动盘组件210通过连接到轮毂12的轴的旋转而旋转，使得附接到轮毂12的制动盘202也旋转。旋转产生向心效果，通过该向心效果空气被径向向内地吸引穿过每个区段226。例如，如图7和图8所示，冷却空气C的气流路径在位于每个区段226的外圆周边缘附近的流入部分254被吸入制动盘202。

有利地，肋236仅覆盖或阻挡每个区段226的流入部分254的一小部分，这意味着相当大体积的空气可以通过这种方式吸入区段226。例如，每个区段226的圆周最外部分可以仅具有约三个(3)至六个(6)，优选地，约四个(4)肋236。相比之下，图4中所示的区段126的圆周最外部分包括大约十个(10)至十五个(15)翅片135，十个(10)至十五个(15)翅片135覆盖或阻挡通过区段126的气流的约40％至60％。

为了停止或减慢轴的旋转，将制动力施加到区段226的外表面228。制动力通过区段226的突起部(例如，翅片235和肋236)和穿过凸缘14延伸的紧固件62传递到凸缘14和轮毂12。所述制动力还可以使区段226围绕由通孔258限定的固定点枢转，从而将力传递到相邻的区段226。

当制动力施加于区段226时，产生热量H(如图7所示)使得接触的区段226膨胀。热量H从区段226通过突出部(例如，翅片235和肋236)传递到凸缘14和轮毂12。热量H被冷却气流C抵消。具体地，气流C绕过肋236并穿过由翅片235限定的通道250。热量H从凸缘14和区段226的表面传递到冷却气流C，并且通过出口部分252从制动盘组件210被带走。通过这种方式，热量H被通风以从区段226和制动盘组件210离开，以改善制动性能，并防止区段226、凸缘14和轮毂12因长时间使用而出现结构上的退化。

虽然已经详细描述了制动盘和旋转体的具体实施例，但是本领域技术人员将理解，可以根据本公开的总体教导可以发展出针对那些细节的各种修改和替换。因此，所公开的特定布置仅仅是说明性的，并不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的全部范围及其任何和所有等同物给出。此外，尽管为了说明的目的已经基于目前被认为是最实用和优选的实施例详细描述了本发明，但是应该理解，这些细节仅用于该目的，并且本发明不限于所公开的实施例。但是，相反地，本发明旨在覆盖落在所附权利要求的精神和范围内的修改和等同布置。例如，应该理解，本发明设想，在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特征可以与任何其他实施例的一个或多个特征组合。